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Selbsterregte Synchronmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf selbsterregte und selbstregelnde Synchrondynamoelektrische Maschinen der Bauart ohne Bürsten, die ein rotierendes Feld haben, das durch einen Wechselstromerzeuger aufgebaut wird, dessen rotierender Anker auf der gleichen Welle wie die rotierende Feldwicklung der Hauptmaschine angeordnet und dauernd mit der Feldwicklung der Hauptmaschine über einen Gleichrichter verbunden ist, der ebenfalls auf der gleichen Welle befestigt ist und mit dieser umläuft.
Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschliesslich, für Synchrongeneratoren anwendbar, die durch Gleichstrom selbst erregt und auf eine konstante Spannung geregelt werden. Die Erfindung kann jedoch auch in Verbindung mit Synchronmotoren benutzt werden. Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, die Konstruktion zu vereinfachen und die Betriebssicherheit dieser Bauart von Synchrongeneratoren zu erhöhen und bei allen Belastungen und Leistungsfaktoren eine genaue Spannungsregelung zu erreichen, kombiniert mit einer schnellen Einstellung nach plötzlichen Belastungsänderungen.
Aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 414, 287 ist es bereits bekannt, bei einer bUrstenlosen Synchronmaschine als Erreger einen Frequenzwandler zu verwenden. Die Statorwicklung desselben wird von der Hauptmaschine Uber einen selbsttätigen Konstantspannungsregler mit Wechselstrom erregt, und die Rotorwicklungbestehtauseinereinzigen, mit dem Rotor der Hauptmaschine mitlaufenden Dreiphasenwicklung, die jene über einen ebenfalls mitlaufenden Vollweggleichrichter mit Erregerstrom beaufschlagt.
Demgegenüber ist gemäss der Erfindung eine selbsterregte, selbstregelnde Synchronmaschine der burstenlosen Bauart, deren Erregermaschine als Frequenzwandler ausgebildet ist und eine vom Ausgang der Hauptmaschine gespeiste Statorwicklung und eine über einen Gleichrichter mit der rotierenden Feldwicklung der Hauptmaschine verbundene Rotorwicklung zur Lieferung des Erregerstromes derselben aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung der Erregermaschine als einzige Sekundärwicklung ausgebildet ist und ihre Statorwicklung aus zwei vom Ausgang der Hauptmaschine gespeisten Primärwicklungen besteht, eine der Primärwicklungen in Serie mit der Ständerwicklung der Hauptmaschine geschaltet ist, so dass sie mit einer lastabhängigen Wechselstromkomponente erregt ist, und die zweite Primärwicklung in Serie mit einer konstanten Impedanz,
die entweder überwiegend reaktiv oder überwiegend kapazitiv ist, an die Ausgangsklemmen der Ständerwicklung der Hauptmaschine angeschlossen ist, so dass sie mit einer von der Klemmenspannung derselben abhängigen Wechselstromkomponente gespeist ist.
Die Zahl der Pole der Erregermaschine kann sich von der Polzahl der Hauptmaschine unterscheiden.
Bei mehrphasigen Maschinen ist es vorteilhaft, die Frequenz des Ausganges der Erregermaschine grösser zu machen als die Frequenz des Einganges, indem man das Magnetfeld im Luftspalt der Erregermaschine in Gegenrichtung zur Welle umlaufen lässt, so dass die Wirkung der Temperaturänderungen im Widerstand der Feldwicklung der Hauptmaschine vermindert wird. Der Luftspalt der Erregermaschine sollte so klein als dies auf Grund der mechanischen Bedingungen möglich ist, gemacht werden, da hiedurch der erforderliche Magnetisierungsstrom vermindert wird, geringere Verluste auftreten und eine schnellere Spannungserholung nach plötzlichen Lastschwankungen erreicht wird.
Die obenerwähnte konstante Impedanz ist vorzugsweise vorherrschend induktiv oder kapazitiv, z. B. eine lineare Drossel (eine ungesättigte Drossel mit einem Luftspalt in ihrem Magnetkreis) oder ein Kondensator. Wenn eine lineare Drossel benutzt wird, kann ein Kondensator an jene Eingangsklemmen der Statorwicklungen der Erregermaschine angeschaltet werden, die in Reihe mit der Drossel geschaltet sind.
Die Kapazität des Kondensators wird vorzugsweise annähernd der Reaktanz der linearen Drossel bei der
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Ausgangsfrequenz der Hauptmaschine angepasst. Diese Massnahme vermeidet eine induktive Belastung der Hauptmaschine durch den Erregerkreis und ausserdem wird eine Selbsterregung der Hauptmaschine beim Anlauf gewährleistet, und die Wirkung der Änderungen des Widerstandes der Feldwicklung werden vermindert.
Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung, die eine lineare Drossel als konstante Impedanz mit einem Kondensator benutzt, ist es möglich, eine Spannungsregelung zwischen 2 und 41o bei allen Belastungen und Leistungsfaktoren zu erhalten. Falls erforderlich, kann noch eine höhere Spannungskonstanz dadurch erlangt werden, dass eine weitere Regelung tiberlagert wird, indem z.
B. eine sättigbare Reaktanz oder ein Transduktor in einen Teil des Erregerkreises geschaltet werden, wobei die Reaktanz oder der Transduktor selbst durch den Gleichstromausgang einer spannungsabhängigen Einrichtung gesteuert werden, die eine Zenerdiode aufweisen kann, um eine Bezugsspannung zu erzeugen, wobei die Anschaltung an die Ausgangsklemmen der Hauptmaschine erfolgt, so dass Abweichungen der Ausgangsspannung von dem Sollwert festgestellt und korrigiert werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 ein Schaltbild eines Dreiphasengenerators mit einer Dreiphasen-Frequenzwandler-Erregermaschine : Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 etwas abgewandelte Schaltung : Fig. 3 eine Schaltung eines Einphasengenerators mit einer Drei- phasen-Frequenzwandler-Erregermaschine ; Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 etwas abgewandelte Schaltung ;
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Abänderung der Schaltung gemäss Fig. 5 darstellt.
Gemäss dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 wird die Erfindung bei einem typischen Dreiphasengenerator 10 angewendet, der eine Rotorschaltung 10A und eine Statorschaltung l OB aufweist und dessen Erregung durch eine Dreiphasen-Frequenzwandler-Erregermaschine 11 geliefert wird, die getrennt von der Hauptmaschine sein oder mit ihr eine Bauart bilden kann. Die Dreiphasensekundärwicklung 12 der Erregermaschine ist in Reihe mit einem Dreiphasenhalbwellengleichrichter 13 an die rotierende Einachsenfeldwicklung 14 der Hauptmaschine 10 angeschaltet. Die Sekundärwicklung 12 bildet zusammen mit dem Gleichrichter 13 den Rotor der Erregermaschine 11, und dieser ist auf der Welle des Rotors 10A der Hauptmaschine 10 angeordnet.
Der Stator des Frequenzwandlers 11 weist zwei Dreiphasenprimärwicklungen 17 und 18 auf, die beide im Stern geschaltet sind. Eine Statorprimärwicklung 17 ist in Reihe mit der Dreiphasenankerwicklung 19 des Generators 10 geschaltet, um einen Sternpunkt auf der Niederspannungsseite der Ankerwicklung 19 zu schaffen. Die Primärwicklung 17 liefert die laststromabhängige Komponente des Eingangsstromes fUr die Erregermaschine 11. Die zweite Statorprimärwicklung 18, die die von der Ausgangsspannung abhängige Komponente des Erregerstromes liefert, ist in Reihe mit einer dreiphasigen linearen Reaktanz 20 an die Ausgangsklemmen 21 des Ankers der Hauptmaschine 10 angeschaltet.
Eine dreiphasige im Dreieck geschaltete Kondensatoranordnung 22 ist an die äusseren Enden der drei Schenkel der Primärwicklung 18 angeschaltet, um die Blindleistung zu kompensieren und die Selbsterregung der Hauptmaschine 10 beim Anlauf, wie oben erwähnt, einzuleiten.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die gleichen Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Hiebei ist die Kombination, bestehend aus linearer Reaktanz und Kondensator, durch einen Dreiphasenkondensator 25 ersetzt, der selbst die konstante Impedanz bildet und in Reihe mit der imSterngeschaltetenPrimärstatorwicklung 18 der Erregermaschine 11 an die Ausgangsklemmen 21 der Hauptmaschine 10 angeschaltet ist. Die Phasenverbindungen dieser Reihenkombination von Primärwicklung 18 und Kondensator 25 mit den Ausgangsklemmen 21 sind gegenuber den Phasenverbindungen der andern Statorprimärwicklung 17 umgekehrt, die die laststromabhängige Komponente liefert und die, wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel, in Reihe mit der Ankerwicklung 19 der Hauptmaschine 10 geschaltet ist, um den Sternpunkt an der Niederspannungsseite zu bilden.
Der Rotor der Erregermaschine 11 weist in diesem Falle eine im Dreieck geschaltete Sekundärwicklung 26 auf, die in Reihe mit einem rotierenden Dreiphasendoppelwellengleichrichter in Brückenschaltung an die Hauptfeldwicklung 14 angeschaltet ist. Wie bei dem obenerwähnten Ausfuhrungsbeispiel sind die Sekundärwicklung 26 und der Gleichrichter 17 auf der Welle des Rotors 10A der Hauptmaschine 10 angeordnet.
Bei dem in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung bei einem typischen Einphasengenerator 30 angewendet, dessen rotierendes Feld 31 wie in Fig. 1 mit der Reihenkombination der im Stern geschalteten Dreiphasensekundärrotorwicklung 12 der Erregermaschine 11 und der
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Dreiphasenhalbwellen-Feldgleichrichter-Anordnung geschaltet ist. Diese sind sätmlich auf der Welle des Rotors 30A der Hauptmaschine 30 angeordnet. Der Stator der Erregermaschine 11 weist zwei im Stern geschaltete Dreiphasenprimärwicklungen 17 und 18 auf, von denen jede, wie bei 32 angedeutet, zwei Schenkel aufweist, die an ihren äusseren Enden miteinander verbunden sind, um eine Querdämpfung zu erzielen. Die Primärwicklung 18 ist in Reihe mit einer linearen Reaktanz 33 an den Anker 34 der Hauptmaschine angeschaltet.
Die Verbindungen nach der Primärwicklung 18 sind nach den Verbindungsenden 32 der beiden miteinander verbundenen Schenkel bzw. nach dem äusseren Ende des dritten Schenkels 35 der Wicklung 18 geführt. Die Primärwicklung 17 der Erregermaschine ist in Reihe mit dem Anker 34 der Hauptmaschine 30 auf der Niederspannungsseite oder der neutralen Seite geschaltet. Die Verbindungen werden ebenfalls von den miteinander verbundenen Enden 32 der Schenkel bzw. von dem äusseren Ende des dritten Schenkels 35 der Wicklung 17 aus geführt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine zusätzliche Erregermaschine 40 mit Permanentmagneten vorgesehen, um die Erregung beim Anlauf einzuleiten, wie dies in der brit. Patentschrift Nr. 929, 120 beschrieben ist. Diese Permanentmagneterregermaschine weist einen Permanentmagnetstator 41 auf, der elektromagnetisch mit dem Stator der Haupterregermaschine verbunden ist. Diese zusätzliche Erregermaschine weist ausserdem eine im Stern geschaltete Dreiphasenrotorwicklung 42 auf, die in Reihe mit einem Dreiphasenhalbwellengleichrichter 43 an das Feld 31 der Hauptmaschine 30 parallel zu dem Rotor 12, 13 der Haupterregermaschine 11 geschaltet ist.
Der Rotor 42, 43 der Permanentmagneterregermaschine 40 wird in gleicher Weise wie der Rotor 12, 13 der Haupterregermaschine 11 von der Welle des Rotors 30A der Hauptmaschine 30 getragen.
Eine weitere Ausgestaltung der Ausführungsform gemäss Fig. 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Hiebei ist eine Hilfsspannungssteuerung vorgesehen, die von der Klemmenspannung der Hauptmaschine 30 aus betätigt wird, um eine genauere Spannungsregelung zu erzielen. Bei dieser Ausführung ist eine auf die Spannung ansprechende Einrichtung 50 vorgesehen, die eine Zenerdiode aufweisen kann, um eine Bezugsspannung zu erzeugen und an die Ausgangsklemmen der Hauptmaschine 30 angeschaltet ist. Die Gleichstromausgangsklemmen 51 der auf die Spannung ansprechenden Einrichtung 50 sind mit der Steuerwicklung 52 einer sättigbaren Reaktanz oder eines Transduktors 53 verbunden, dessen Hauptwicklung 54 an die von der Ausgangsspannung abhängige Primärwicklung 18 des Stators der Haupterregermaschine 11 angeschaltet ist.
Diese Parallelschaltung von sättigbarer Reaktanz 53 und der zugeordneten Primärwicklung 18 liegt in Reihe mit der linearen Reaktanz 33 am Anker 34 der Hauptmaschine 30. Durch diese Anordnung wird ein Feinregelkreis geschaffen, der Abweichungen der Ausgangsspannung der Hauptmaschine 30 von dem Sollwert feststellt und korrigiert.
Wenn eine doppeltgewickelte Frequenzwandlererregermaschine in der erfindungsgemässen Weise bei
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wicklung bezeichnet, die die Stromkomponente führt), aus praktischen Gründen zu klein sein kann und einen Bruchteil einer vollständigen Windung mehr erfordert, z. B. vielleicht insgesamt 21/2 Windungen. Diese Schwierigkeit kann dadurch vermieden werden, dass ein zusätzlicher Stromtransformator vorgesehen wird, dessen Primärwicklung durch den Generatorlaststrom erregt wird und dessen Sekundärwicklung eine grössere Wicklungszahl als die Primärwicklung hat und in Reihe mit der Erregerprimärwicklung geschaltet ist, die die Stromkomponente führt.
Wenn der zusätzliche Stromtransformator die volle Leistungskomponente in Abhängigkeit von der Laststromkomponente der Hauptmaschine in die Erregermaschine einführt, müsste er ziemlich gross sein, jedoch kann seine erforderliche Grösse vermindert werden, wenn seine Primärwicklung zwischen Anker der Hauptmaschine und Primärwicklung der Erregermaschine geschaltet ist, die die Stromkomponente führt.
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Grundzügen der Schaltung gemäss Fig. 2 gleicht. Auch hier sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 versehen. In Fig. 5 ist jedoch der in Fig. 2 vorgesehene Kondensator 25 durch eine lineare Dreiphasenreaktanz 20 ähnlich wie in Fig. 1 ersetzt, jedoch ohne einen im Nebenschluss liegenden Kondensator.
Der Stator der Erregermaschine 11 weist einen Dreiphasenhilfsstromtransformator 60 auf, dessen Primärwicklung 61 in Reihe zu dem Anker 19 der Hauptmaschine 10 und zwischen diesen und die Primärwicklung 17 der Erregermaschine geschaltet ist, die die Stromkomponente führt. Die Sekundärwicklung 62 des Hilfsstromtransformators ist parallel an die Primärwicklung 18 der Erregermaschine 11 angeschaltet, die die spannungsabhängige Komponente liefert. Die Sekundärwicklung 62
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ist mit Abgriffen versehen, wie dies bei 63 angedeutet ist, so dass die Ausgangsspannung zum Zweck der Trimmung eingestellt werden kann.
Die Wirkung des Hilfsstromtransformators 60 besteht darin, eine kleine zusätzliche Stromkomponente in die Primärwicklung 18 der Erregermaschine 11 einzuführen, die die spannungsabhängige Komponente der Erregung bildet. Die Primärwicklung 18 führt noch hauptsächlich die Stromkomponente, die proportional der Ausgangsspannung der Hauptmaschine ist, jedoch führt sie ausserdem die zusätzliche kleine, dem Laststrom der Hauptmaschine proportionale Stromkomponente, die nur einen kleinen Bruchteil des Gesamtstromes der Wicklung 18 beträgt.
Anders ausgedrückt : Die Anordnung macht von dem Vorteil der verhältnismässig grossen Zahl von Windungen der Primärwicklung 18 der Erregermaschine Gebrauch, und ein kleiner Bruchteil der Erregerstromkomponente, die von dem Laststrom abhängt (jener Anteil, der einer Teilwicklung der Primärwicklung 17 entsprechen wurde), wird auf die Primärwicklung 18 durch den Hilfstransformator 60 übertragen, wodurch es möglich wird, dass die Primärwicklung 17 eine genaue Zahl vollständiger Windungen aufweist. Da der Anteil der Stromkomponente, die durch den Hilfsstromtransformator 60 Ubertragen wird, klein ist, kann der Hilfsstromtransformator 60 ebenfalls sehr klein ausgebildet sein.
Der Generator 10 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, wie bei 65 angedeutet, ebenfalls mit einer Dämpfungswicklung oder kurzgeschlossenen Windungen auf den Polen des Rotors 10A des Generators versehen. Dies bewirkt einen wirksamen Kurzschluss beim Auftreten von Einschwingvorgängen, die sonst eine sehr hohe Spannung in den Generatorfeldkreis induzieren könnten, was zu einem Durchschlag der rotierenden Gleichrichter 27, die mit der Feldwicklung 14 verbunden sind, zur Folge haben könnte.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 5 dargestellten Anordnung, um den Hilfsstromtransformator 60 im Stator l OB der Hauptmaschine unterzubringen. Die allgemeine Anordnung und die Verbindungen der Primärwicklung 61 und der Sekundärwicklung 62 des Transformators 60 sind die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, jedoch ist im vorliegenden Fall der Transformator 60 mit einer Steuerwicklung 66 ausgestattet, die eine Einstellung des Sättigungsgrades des Eisenkernes des Transformators 60 ermöglicht und demgemäss eine Änderung des Compound-Grades schafft. Die Steuerwicklung 66 wird Uber einen Hilfsgleichrichter 67 von einem Autotransformator 68 in Reihe mit einer gesättigten Reaktanz 69 erregt, die einen Ringkern 70 aufweist.
Die gesättigte Reaktanz 69 mit ihrem Ringkern 70 ändert die Impedanz des Autotransformatorausgangs- kreises sehr scharf an einem bestimmten Punkt der Sättigung des Kernes 70 der Reaktanz 69, und dieser Punkt wird durch einen Abgriff 71 des Autotransformators 68 eingestellt. Die Eingangsklemmen desAutotransformators 68 sind über Leitungen 72 an zwei der Ausgangsklemmen des Ankers 19 der Hauptmaschine angeschaltet.
Hieraus ergibt sich, dass bei der Anordnung gemäss Fig. 6 der Hilfsstromtransformator 60 einem doppelten Zweck dient.
Einmal macht er die Anwendung von Bruchteilen von Windungen der Primärwicklung 17 der Erregermaschine 11 entbehrlich und ausserdem schafft er eine Feineinstellung und Feinregelung fUr den Konstantspannungsausgang der Hauptmaschine 10. Durch diese einfache Anordnung wird eine Feinspannungssteuerung dem Haupt-Compound-Kreis des Generators 10 hinzugefügt, was eine sehr stabile und schnelle Spannungserholung zur Folge hat. Da diese Schaltung keine Regelung bildet, besteht keine Gefahr von Schwingungen der Spannung nach plötzlichen Laständerungen, wie dies gelegentlich bei selbsttätig arbeitenden Spannungsregeleinrichtungen der Art gemäss Fig. 4 beobachtet wurde.
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