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Einphasen-Synchrongenerator in Turbobauart mit zwei- oder mehrachsiger Erregerwicklung
Einphasengeneratoren entwickeln bei Belastung ein gegenläufiges Drehfeld, das bei den bisher übli- chen Konstruktionen durch eine Dämpferwicklung gegenüber der Feldwicklung abgeriegelt wird. Die in der kurzgeschlossenen Dämpferwicklung entstehenden Ströme doppelter Frequenz erzeugen eine Durch- flutung, welche der gegenläufigen Durchflutung der Ankerwicklung entgegenwirkt und dadurch ein Ein- dringen in die Feldpole und ihre Wicklung verhindert. Bei Maschinen mit ausgeprägten Polen liegt die
Dämpferwicklung meistens in den genuteten Polschuhen, bei Volltrommelläufern ist sie in den Nuten der
Erregerwicklung unter den Nutenverschlusskeilen angeordnet.
Die Erfindung betrifft einen Einphasen-Synchrongenerator in Turbobauart mit zwei- oder mehrachsiger Erregerwicklung im Läufer in einer solchen Anordnung, dass sich ausschliesslich in den Erregerstrom- kreisen Ströme ausbilden können, die ein dem inversen Drehfeld des Ständers entgegenwirkendes Dreh- feld erzeugen und ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch zwei oder mehr Erregerwicklungsstränge mit gegeneinander versetzten, symmetrisch auf den Umfang verteilten Wicklungsachsen und durch eine Speisung der Wicklungssträrige mitwechselströmen sehr niedriger Frequenz und mit Phasenverschiebungen gegeneinander, die den räumlichen Versetzungen der Wicklungsachsen gegeneinander entsprechen.
Für eine Dämpfung des vom Ständer ausgehenden inversen Drehfeldes ist es erforderlich, dass sich im Läufer Ströme ausbilden können, die dem von den Ständerströmen erzeugten Magnetfeld entgegenwirken, u. zw. muss dies bei jeder Winkellage der Pole des Ständerfeldes möglich sein. Dies ist aber nur dann der Fall, wenn die Läuferwicklung eine vollständige, in sich-direkt oder über die Wicklungen der Erregermaschinen-geschlossene Mehrphasenwicklung ist. Erfindungsgemäss soll die Dämpferwicklung entfallen und die Gegendurchflutung des inversen Feldes von der Erregerwicklung selbst Ubernommen werden.
Der in der Erregerwicklung entstehende Wechselstrom doppelter Frequenz überlagert sich dem Erregergleichstrom und schliesst sich über die Ankerwicklung der Erregermaschine, Die Erregerwicklung ist bei dieser Anordnung nicht wie üblich einachsig, sondern mindestens zweiachsig auszuführen. Die Anordnung und Schaltung der Erregerwicklung und der Erregerstromquelle wird dabei so getroffen, dass sich ausschliesslich in den Erregerstromkreisen Ströme ausbilden können, die ein dem inversen Drehfeld des Ständers entgegenwirkendes Drehfeld erzeugen.
Die Erregung kann dabei ähnlich wie bei Asynchronmaschinen über Schleifringe durch eine mehrphasige Erregermaschine (Scherbiusbauart) erfolgen oder beispielsweise bei zweiphasige Ausführung auch durch Verwendung von zwei Erregermaschinen, die für Wellenstrom gebaut sind.
Die Vorteile dieser Anordnung sollen an Hand eines vereinfachten Stromdreiecks der Einphasenmaschine erläutert werden.
Es bedeutet in Fig. l :
0 A den Magnetisierungsstrom im A C den Gegenstrom für die mitlaufende Komponente Jg des Ankerstromes 0 C den resultierenden Erregerstrom Je sa den Phasenwinkel zwischen der Spannung U und dem Belastungsstrom in Richtung J.
Nach bekannten Regeln ist der auf die Windungszahl der Erregerwicklung bezogene Effektivwert des Dämpferstromes
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Das Verhältnis des resultierenden Erregerstromes J zum Dämpferstrom J sei
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Dieses Verhältnis hängt ab vom Leistungsfaktor und vom Leerlaufkurzschlussverhältnis des Generators.
Üblicherweise liegt der Wert von e etwa zwischen 2 und 3.
In der bisherigen Bauart, bei welcher die Dämpferwicklung über der Erregerwicklung angeordnet ist, wird der gesamte in der Nut unterzubringende Kupferquerschnitt S auf den Erreger-und Dämpferquerschnitt
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dentet. Infolge der verschiedenen Streuwerte fliesst aber praktisch, wie auch durch Messungen an Generatoren üblicher Bauart festgestellt wurde, fast der gesamte Wechselstrom nur in der Dämpferwicklung. Der kleine Anteil von Wechselstrom, der sich dem Gleichstrom in der Erregerwicklung überlagert, ist für die Verlustbildung bedeutungslos.
Man kann deshalb die Verluste entsprechend dem Querschnittsverhälmis cx. berechnen. Mit l. als mittlere Windungslänge, # als spezifische Leitfähigkeit und Z als Windungszahl der Erregerwicklung ist der Erregungsverlust
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und der Dämpferverlust (wenn Jd auf Z bezogen wird)
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Mit der Bezeichnung nach 2) erhält man für die Summe der Verluste
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Das Verhältnis der Verluste
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ist ein Mass für den Vorteil der Anordnung ohne getrennte Dämpferwicklung:
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wicklung) ein Verlustverhältnis :
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Das heisst, dass die Verluste im Rotor bei der erfindungsgemässen Ausführung auf das 0,565fache re- duziert werden.
Bei Änderung der #-und a-Werte erhält man nach 9) ähnliche Verlustersparnisse.
Wenn diese Verlustersparnis in der Läuferwicklung auch mit etwas höheren Verlusten in der Erregerstromquelle erkauft werden muss, so bringt eine Anordnung nach der Erfindung doch einen beachtlichen
Vorteil, weil die Verluste in der Erregerstromquelle wesentlich geringer sind.
Die Erfindung kann in verschiedener Weise verwirklicht werden. Eine verhältnismässig einfache Möglichkeit besteht darin, dass die Erregerwicklung in dreiphasiger Sternschaltung ausgebildet wird und dass zwei Phasenstränge in Parallelschaltung mit dem einen Pol und der dritte Phasenstrang mit dem andern
Pol einer Gleichstrom-Erregermaschine verbunden wird, wie dies in ähnlicher Weise bei synchronisierten Asynchronmotoren bekannt ist.
Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass die Anwendung dieser bekannten Anordnung bei Einphasengeneratoren wegen der verhältnismässig starken, dem Erregergleichstrom überlagerten Wechselströme des inversen Drehfeldes die Ausbildung der Erregermaschine als Wellenstrommaschine erforderlich macht.
Da es jedoch Schwierigkeiten bereitet, bei gleichmässiger Verteilung der Wicklung auf den Läuferumfang eine gleichmässige Stromdichte in den drei Phasensträngen zu erzielen, ist diese Anordnung weniger günstig als die durch ein anderes Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 2 dargestellt ist.
Der Läufer 1 eines Einphasengenerators trägt zwei um 900 el. gegeneinander versetzte Erregerwicklungen. Über nicht gezeichnete Schleifringe sind die beiden Wicklungsstränge 2a und 2b, die voneinander isoliert oder auch-z. B. zwecks Einsparung eines Schleifringes - an einer Stelle miteinander verbunden sein können, mit je einer als Wellenstromgenerator ausgebildeten Erregermaschine 3a, 3b verbunden.
Wie ersichtlich, können die das inverse Ständerdrehfeld kompensierenden Ströme in den beiden Erregerwicklungen sich über die Anker der Erregermaschinen schliessen.
Statt der erwähnten zwei Erregerwicklungen können auch mehrere solcher Wicklungen vorgesehen sein, die durch je einen Wellenstromgenerator gespeist werden und ein symmetrisches Mehrphasensystem bilden.
Um besonders bei mehr als zweiphasiger Ausführung der Erregerwicklung eine vollständig gleichmässige thermische Belastung des Läufers und der Erregermaschinen zu erzielen, kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung in an sich bekannter Weise eine Steuereinrichtung für die Erregung der Erregermaschinen vorgesehen werden, durch welche diese phasenverschobene sinusförmige Wechselspannungen von sehr niedriger Frequenz erzeugen, die ein symmetrisches Mehrphasensystem bilden. Die in den Wicklungen fliessenden Ströme liefern dann ein Erregerfeld konstanter Grösse, dessen Achse sich relativ zum Läuferkörper langsam dreht, so dass der Läufer einen entsprechenden Schlupf gegenüber der synchronen Drehzahl erhält.
Statt der getrennten Wellenstromgeneratoren kann erfindungsgemäss auch eine mehrphasige Kommutatormaschine in Scherbiusbauart zur Speisung der Erregerwicklung dienen.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in der Fig. 3 schematisch dargestellt. Der Läufer 1 trägt hier eine dreiphasige Erregerwicklung 4 in Sternschaltung, die mit einer dreiphasigen Kommutatormaschine 5 in Scherbiusbauart verbunden ist. Diese Maschine liefert einen Erregerdrehstrom niedriger Frequenz, so dass sich wieder ein geringer Schlupf des Läufers ergibt.
Um die durch die beschriebenen Anordnungen erzielte Verlustersparnis noch weiter zu treiben, kann nach einer Weiterentwicklung der Erfindung die äussere Schicht des Läufers, bestehend aus den Läuferzähnen und einem Teil des Läuferkernes aus voneinander isolierten Blechen aufgebaut werden. Es ist zwar bekannt, die Läuferzähne geblecht auszuführen ; wesentlich für die Verlustminderung ist es aber, dass das mit der Läuferwicklung verkettete inverse Feld doppelter Frequenz einen möglichst verlustfreien Rück- schluss findet. Das geschieht am besten durch die Blechung eines Teiles des magnetischen Rückschlusses R lach Fig. 4.
Eine Blechung des ganzen Rückens, wie beispielsweise bei Gleichstromankern, ist nicht erforderlich, weil der grösste Teil des Rückenflusses stets die gleiche Richtung hat oder nur die sehr niedrige Schlupffrequenz aufweist. Die Bemessung des Blechrandquerschnittes für das inverse Feld allein hat den Vorteil einer grösseren Steifigkeit des Läufers und damit auch einer höher gelegenen kritischen Drehzahl.
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Wird die Kommutatormaschine in Scherbiusbauart so eingerichtet, dass die Frequenz des von ihr ge- lieferten Drehstromes in gewissen Grenzen reguliert werden kann, so kann der Schlupf des Läufers unter
Umständen ausgenutzt werden, um im Falle der Verwendung des Einphasengenerators als Teil eines Dreh- strom-Einphasenstrom-Aggregates eine frequenzelastische Umformung zu erzielen.
Eine weitere Massnahme zur Verlustminderung besteht erfindungsgemäss darin, dass die Nutenver- schlusskeile entweder aus Isolationsmaterial oder aus schlechtleitendem Metall gefertigt werden, wobei in letzterem Falle eine Isolierung gegenüber den Läuferzähnen und der Erregerwicklung vorgesehen ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einphasen-Synchrongenerator in Turbobauart mit zwei- oder mehrachsiger Erregerwicklung im Läufer in einer solchen Anordnung, dass sich ausschliesslich in den Erregerstromkreisen Ströme ausbilden können, die ein dem inversen Drehfeld des Ständers entgegenwirkendes Drehfeld erzeugen, gekennzeichnet durch zwei oder mehr Erregerwicklungsstränge mit gegeneinander versetzten, symmetrisch auf den Umfang verteilten Wicklungsachsen und durch eine Speisung der Wicklungsstränge mit Wechselströmen sehr niedriger Frequenz und mit Phasenverschiebungen gegeneinander, die den räumlichen Versetzungen der Wicklungsachsen gegeneinander entsprechen.