<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine Aussenpol-Wechselstrommaschine mit mitrotierendem Glelchnchter und einer Rotorwicklung mit einem oder mehreren parallelen Wicklungszweigen pro Phase, wobei die entsprechend der jeweiligen Auslegung der Maschine benötigten Wicklungsanfänge und Wicklungsenden der Teilspulen der parallelen Wicklungszweige des Rotors herausgeführt sind.
Die Stromerzeugung erfolgt heutzutage meist mit bürstenlosen Synchrongeneratoren. Dabei wird ein als Innenpolmaschine ausgeführter Hauptgenerator verwendet, bei welchem die erzeugte elektrische Energie vorteilhalterweise von der ruhenden Ständerwicklung abgenommen werden kann.
Es sind Anordnungen bekannt, bei denen die Erregerwicklung des Generators von einer fremden Gleichstromquelle gespeist wird. Bei grösseren Anlagen wird jedoch üblicherweise der Erregerstrom von einer als Aussenpolmaschine ausgeführten Haupterregermaschine entnommen. Meist versorgt eine Hilfserregermaschine mit Dauermagnetpolrad die Erregerwicklung der Haupterregermaschine. Selbstverständlich könnte statt einer Hilferregermaschine auch eine fremde Gleichstromquelle herangezogen werden. In der Praxis ist dies jedoch kaum üblich, weil nur ein Erregersatz mit Haupt- und Hilfserregermaschine einen autarken Einsatz bei der Energieerzeugung mittels eines Synchrongenerators sicherstellt.
Die Wechselstromausleitungen der Erregermaschine werden einer aus mitrotierenden Dioden bestehen-
EMI1.1
Der Anker dieser Maschinen besitzt üblicherweise eine Drehstromwicklung, die Erregung des Hauptmagnetfeldes erfolgt durch eine Gleichstromwicklung. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Aussenpoima- schine, das heisst, der Stator trägt die Feldwicklung, der Rotor die Ankerwicklung. Dadurch kann die ruhende Feldwicklung der Haupterregermaschine bürstenlos mit Gleichstrom gespeist werden. In der rotierenden Ankerwicklung der Haupterregermaschine entsteht eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird, bevor sie dem Polrad des Generators zugeführt wird, von einem mitrotierenden Gleichrichter gleichgerichtet.
Da jeder Synchrongenerator eine genau seiner Type entsprechende Erregermaschine benötigt, war es bisher notwendig, dass für Anlagen mit verschiedenen Typen von Synchrongeneratoren auch entsprechende viele verschiedene Typen von Erregermaschinen auf Lager gehalten werden mussten. Nur dadurch war es möglich, schadhafte Erregermaschinen rasch gegen funktionierende auszutauschen. Eine derartige Lagerhaltung ist äusserst kostspielig. Daraus ergibt sich als noch gravierenderer Nachteil, dass meist - wiederum aus Kostengrunden-für jede jeweils verwendete Synchrongeneratortype lediglich eine Erregermaschine des entsprechenden Typs auf Lager gehalten wird. Fällt eine in Betrieb befindliche Ersatzerregermaschine aus bevor die zuvor ausgefallene Erregermaschine repariert werden kann, so kommt es zu einem längeren Stillstand der Stromerzeugung.
In der Vergangenheit wurde eine grosse Anzahl von Erfindungen getätigt, deren Hauptinhalt die Umschaltbarkeit der Wicklungen elektrischer Maschinen betraf. So befasst sich beispielsweise die Patentpublikation CH-PS 376 576 mit einer rotierenden elektrischen Wechselstrommaschine, die sowohl als Motor als auch als Generator einsetzbar ist. Diese Maschine ist mit einer Statorwicklung versehen, welche derart ausgebildet ist, dass sowohl ein Hauptdrehfeld mit p Polen als auch - gleichzeitig mit dem Hauptdrehfeld ein überlagerndes Drehfeld mit np Polen erzeugt wird. Erfindungsgemäss ist für besagte elektrische Maschine eine Rotorwicklung vorgesehen, welche wie ein offener Kreis in bezug zum Hauptdrehfeld mit p Polen, und wie ein geschlossener Kreis in bezug zum überlagernden Drehfeld mit np Polen wirkt.
Gespeist wird jener Statorwicklungsteil, welcher das p Pole aufweisende Hauptdrehfeld erzeugt, von einer Stromquelle mit der Frequenz f. Derjenige Statorwicklungsteil, welcher das np Pole aufweisende überlagernde Drehfeld erzeugt, wird von einer Stromquelle mit der Frequenz 2nf versorgt. Dabei sind die Wicklungszweige der Rotorwickiung, welche-je nach Ausführungsart - auch parallele Wicklungszweige sein können, mit Schleifringen verbunden. Die Erfindung ermöglicht es. Anfahrschwierigkeiten sowie Schwingungserscheinungen des Rotors bei pulsierenden Belastungen zu vermeiden.
Der in der Patentpublikation CH-PS 376 576 vorgeschlagene Erfindungsgedanke ist auf Erregermaschinen für Synchronmaschinen nicht übertragbar.
EMI1.2
Drehstromwicklung für einen elektrischen Motor vorgeschlagen, deren Spulen aus jeweils gleich vielen, hintereinandergeschalteten Teilspulen bestehen. Dabei sind die Spulenenden zur Bildung von drei Wicklungssträngen miteinander und mit den Netzspeisungsklemmen des Motors derart verbindbar, dass für jede der beiden Drehzahlen jeweils eine symmetrische Sternschaltung entsteht. Mit der dabei vorgeschlagenen Wicklung ist es möglich. Polzahlverhältnisse wie 4 : 6 oder wie 6 : 8 zu bilden und damit Drehzahlverhältnisse wie 4 : 6 oder wie 6 : 8 zu schaffen.
<Desc/Clms Page number 2>
Auch die In der Druckschnft DE-AS 2 332 769 vorgeschlagene Erfindung auf Erregermaschinen für Synchronmaschmen nicht übertragbar.
In der Publikation AT-PS 19 388 wird ein Generator für ein-oder mehrphasige Wechselströme geringer Frequenz beschrieben. Hierbei wird ein Gleichstromdynamo eingesetzt, dessen Rotorwicklung mit einem Kollektor und dieser wiederum in spezieller Weise mit einem Schleifring verbunden ist. Über Bürsten wird pulsierender Gleichstrom vom Kollektor abgenommen, mit einem zweipoligen bzw. mit zwei einpoligen synchron bewegten Umschaltern Wechselstrom umgewandelt und den Verbrauchern zugeführt. In einer anderen Ausführungsform desselben Vorhaltes bestehen diese Umschalter aus Ringabschnitten, Schleifringen sowie Bürsten und sind auf der Achse des Gleichstromdynamos angeordnet.
Aufgrund der vielen bei dem Gleichstromdynamo It. Publikation AT-PS 19 388 verwendeten Verschleissteile wie Ringabschnitte, Schleifnnge und Bürsten ist keine grosse Betriebssicherheit gewährleistet.
In der Patentschrift DE-PS 684 514 wird eine polumschaltbare Gleichstromerregerwicklung mit dem Polzahlverhältnis 1 : 2 für Synchronmaschinen mit Walzenläufern behandelt. Die Wicklung Ist so in den Nuten angeordnet und geschaltet, dass bei beiden Polzahlen in der Mitte der Polbereiche breite, nicht vom Erregerstrom durchflutet Zonen entstehen. An den beiden Enden der für die kleine Polzahl vorgesehenen Polbereichen werden zusätzliche Wicklungsteile angeordnet. Bei der kleinen Polzahl sind diese zusätzlichen Wicklungsteile stromführend. bei der grossen Polzähl hingegen stromlos. Zur Umschaltung auf die beiden Polzahlen ist die Wicklung an vier bzw. fünf Schleifringe angeschlossen.
Die in der Patentschrift DE-PS 684 514 vorgeschlagene polumschaltbare Gleichstromerregerwicklung
EMI2.1
benötigt werden
Die Patentpublikation NL-OS 6 610 070 befasst sich mit einer Synchronmaschine. deren Erregerwicklung zur Vermeidung von Schleifringen über im Rotor angebrachte mitdrehende Gleichrichter aus einer ebenfalls im Rotor untergebrachten induzierten Wicklung einer Wechselstrom-Drehstrom maschine gespeist wird. Zu diesem Zweck ist, wie im Hauptanspruch dieser Patentpublikation ausgeführt, an ein freies Wellenende der Rotorwelle der Synchronmaschine ausserhalb des Lagers die Rotorwelle eines drehbaren Asynchrontransformators gekoppelt. Die Rotorwicklung dieses Asynchrontransformators speist somit über drehbare Gleichrichter die Erregerwicklung der Synchronmaschine.
In einem Unteranspruch wird vorgeschlagen, die dreiphasige Statorwicklung des drehbaren Asynchrontransformators je Zweig in zwei Teile zu unterteilen und diese mittels einer Schaltvorrichtung in Reihe oder parallel zu schalten.
Bei der Erfindung It. Patentpublikation NL-OS 6 610 070 wird also die Spannung zur Speisung der Erregerwicklung der Synchronmaschine der Rotorwicklung eines drehbaren Asynchrontransformators entnommen. Die dreiphasige Statorwicklung des Asynchrontransformators ist je Zweig in zwei Teile unterteilt ; die Art der Schaltvorrichtung, mit welcher diese Teile in Reihe oder parallel schaltbar sind, ist nicht definiert.
Die Druckschrift DE-OS 1 513 927 befasst sich mit einer Anordnung zur Erregung elektrischer Maschinen. Die umlaufende Erregerwicklung dieser Maschinen wird, über ebenfalls mitumlaufende Halbleiterventile, von einem Erregerstrom gespeist, welcher im mitumlaufenden Anker einer Erregermaschine erzeugt wird. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, für Haupt- und Gegenerregung zwei getrennte, unterschiedlich ausgelegte Erregerwicklungen anzuordnen. Diesen beiden Erregerwicklungen sind zwei entsprechend ausgelegte und getrennt schaltbare Halbleiterventilgruppen zugeordnet.
Mit der in der Druckschrift DE-OS 1 513 927 beschriebenen Erfindung werden also für die Haupt- und Gegenerregung zwei völlig getrennte Stromkreise geschaffen, welche auf einfache Weise zu- und abschaltbar sind. Auf diese Weise wird eine ausserordentlich schnelle Gegenerregung ermöglicht.
Für die Felderregung mehrerer verschiedener Synchrongeneratortypen ist die in der Druckschrift DEOS 1 513 927 vorgeschlagene Erfindung nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Erregermaschine zu schaffen, welche zur Erregung mehrerer verschiedener Typen von Synchronmaschinen einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanfänge und Wicktungsenden der Teilspulen der parallelen Wicklungszweige des Rotors den Anschlusskontakten eines am Rotor angeordneten Schaltrades zugeführt sind, und dass die Teilspulen am Schaltrad mittels Verbindungsbügeln zur jeweils benötigten Anzahl von zueinander parallelen Wicklungszweigen zusammenschaltbar sind.
Mit der Erfindung Ist es erstmals möglich, eine einzige Erregermaschinentype für mehrere verschiedene Synchrongeneratortypen zu deren Felderregung einzusetzen, ohne dass Eingriffe ins Innere der Erregermaschine vorgenommen werden müssen. Die Erregermaschine ist mit einfachsten Mitteln, nämlich durch Änderung der Verbindungen am Schaltrad - wobei dieses Schaltrad keinerlei Verschleissteile aufweistderart umschaltbar, dass sie jeweils verschiedene, der jeweils verwendeten Synchrongeneratortype entsprechende. Kennwerte aufweist.
<Desc/Clms Page number 3>
Es wird dadurch nicht nur die Lagerhaltung für Ersatz-Erregermaschinen erleichtert und verbilligt, auch die Durchführung von Reparaturen an Erregermaschinen wird einfacher weil das zuständige Fachpersonal nur mehr eine oder zumindest wenige verschiedene Typen zu reparieren Imstande sein muss. Für Betrelber mehrerer, örtlich auseinanderliegender Stromerzeugungsanlagen mit jeweils verschiedenen Typen von Synchrongeneratoren ermöglicht es die Erfindung, dass in einem einzigen Zentrallager einige wenige oder auch nur eine einzige Type von Eregermaschinen zur Verfügung gehalten werden müssen.
Vorteilhaft ist weiters, dass die Erfindung auf die genormten, handelsüblichen Maschinenkonstruktionen anwendbar ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht dann, dass aufbeiden Stirnseiten des Rotors ein Schaltrad vorgesehen ist.
Dadurch ist es möglich, bei Wicklungen mit einer grösseren Anzahl von parallelen Wicklungszweigen die Kontaktanordnung am Schaltrad stark zu vereinfachen.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, dass bei komplizierten Wicklungen die Kontaktaufteilung so durchgeführt werden kann, dass auf jedem Schaltrad eine einfache Schaltungsänderung mittels der Verbindungsbügel möglich ist.
An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung naher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1, in Form eines Prinzipschaltbildes, die Anordnung eines Generators sowie einer auf derselben Welle wie der Generator aufgesetzten Erregermaschine. In Fig. 2 Ist das erfindungsgemässe Prinzip stark schematisiert dargestellt. Die Fig. 3 bis 6 zeigen vier konkrete Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung.
Wie in Fig. 1 ersichtlich, weist ein Drehstrom-Synchrongenerator 1 in bekannter Weise einen Stator mit einer ein Drehstromnetz speisenden Drehstromwicklung 2 auf Eine Feldwicklung 3 des Drehstrom-Synchrongenerators 1 wird über einen Gleichrichter 7 von einer Drehstrom-Erregermaschine 4 mit Gleichstrom gespeist. Die Gleichrichter-Anordnung 7 enthält einen Überspannungsbegrenzer 8 zum Schutz der Gleichrichterdioden gegen periodisch auftretende, durch den Träger-Speicher-Effekt verursachte Spannungsspitzen. Die Drehstrom-Erregermaschine 4 weist eine Stator-Feldwicklung 5 und eine Rotordrehstromwicklung 6 sowie ein Schaltrad 9 samt Umschalteinrichtung auf.
Die Spannungsregelung der Drehstrom-Erregermaschine 4 erfolgt über einen im Feldstromkreis liegenden Spannungsregler (in Fig. 1 ist dies nicht dargestellt). Sämtliche rotierende Teile der DrehstromErregermaschine 4 sind auf einer Nabe montiert und werden erst im fertig montierten Zustand auf die Welle des Drehstrom-Synchrongenerators 1 aufgesetzt. Durch Verwendung von entsprechenden Nabenhülsen ist die Drehstrom-Erregermaschine für unterschiedliche Drehstrom-Synchrongeneratoren 1 einsetzbar.
Die Nabe des Rotors der Drehstrom-Erregermaschine 4 ist eine aus Stahlblech bestehende Schweisskonstruktion, auf deren Armen das Rotorblechpaket aufgezogen ist. Das Rotorblechpaket ist mit Druckplatten in axialer Richtung gepresst. Zur besseren Kühlung ist das Rotorblechpaket in einige Teilpakete unterteilt.
Die Rotorwicklung der Drehstrom-Erregermaschine 4 ist im vorliegenden Beispiel als dreiphasige Drehstromwicklung mit mehrfach parallelen Zweigen sowie herausgeführtem Sternpunkt geschaltet und ist in die Nuten des geblechten Rotors eingelegt. Die Realisierung der erforderlichen Parallelschaltung der Rotorwicklung-die Drehstrom-Erregermaschine 4 ist dadurch für unterschiedliche Drehstrom-Synchrongeneratoren 1 verwendbar-erfolgt im Stillstand durch Umklemmen des am Läufer angeordneten Schaltrades 9. Die Wickelköpfe der Rotorwicklung werden durch Polyglasbandagen gehalten. Die Drehstromausleitungen werden über das Schaltrad 9 zum Gleichrichter 7 geführt. Der Halbleiter-Gleichrichter 7, welcher in einem Leichtmetall-Kühlkörper eingelassen ist, wird isoliert auf dem Gleichrichterrad montiert.
Von einem Plus- bzw. einem Minus- Sammelring der Gleichrichterschaltung wird der Gleichstrom über Kupferschienen oder Kabel der Polradwicklung 3 des bürstenlosen Drehstrom-Synchrongenerators 1 zugeführt. Zur Erfassung von Erdschlüssen in den rotierenden Teilen werden Hilfsschleifringe angebracht (diese sind in den Fig. nicht dargestellt). Für Strom- und Spannungsmessung bei der Inbetriebnahme sind demontierbare Hilfsschleifringe vorgesehen.
Die Kühlung der Drehstrom-Erregermaschine erfolgt mit Frischluft. Die Luftumwälzung wird durch einen auf der Erregernabe montierten Lüfter hervorgerufen.
In Fig. 2 ist eine in Stern geschaltete Drehstromwicklung 10 einer bürstenlosen Aussenpol- Drehstrom- Erregermaschine 4 dargestellt. Die Phasenwicklungen 11, 12,13 bestehen dabei, wie im Detail A ersichtlich, aus jeweils mehreren parallelen Zweigen 14.
Fig. 3 zeigt eine in Stern geschaltete, 36polige Rotorwicklung für eine bürstenlose Aussenpol-Drehstrom- Erregermaschine 4, wobei pro Phase 36 Teilspulen vorgesehen sind. Es ist eine Schaltungsanordung gewählt, mittels derer für die Wicklungsumschaltung möglichst wenige Anschlusskontakte notwendig sind und möglichst einfache Verbindungen durchzuführen sind. Zu diesem Zweck sind im vorliegenden Fall lediglich jene Wicklungsanfänge und Wicklungsenden der Teilspulen 20 bis 31 den Anschlusskontakten 32
<Desc/Clms Page number 4>
bis 45 des am Rotor der Erregermaschine 4 angeordneten Schaltrades 9 zugeführt, welche für einen bestimmten Typ einer erfindungsgemässen Drehstrom-Erregermaschine 4 tatsächlich bel einer Umschaltung umgeklemmt werden müssen.
Im vorliegenden Fall ist angenommen, dass die Drehstrom-Erregermaschine 4 für 6, 9,12 und 18 parallele Zweige pro Phase schaltbar sein muss. Aus diesem Grund sind die Teilspulen 20 u. 21 bzw. 24 u. 25 bzw. 26 u. 27 bzw. 30 u. 31 jeweils betriebsmässig nicht lösbar miteinander verbunden ; aus demselben Grund besteht zwischen dem Wicklungsanfang der Tellspule 20 und dem Phasenanschluss L 1 bzw. zwischen dem Wicklungsende der Teilspule 31 und dem Nulleiter jeweils eine betriebsmässig nicht lösbare Verbindung 48 bzw. 49.
Die betriebsmässig lösbaren Verbindungen sind als geschwungene Linien dargestellt, das sind für die in Fig. 3 dargestellte Wicklungsschaltung, für 6 Wicklungszweige pro Phase, die Verbindungen 50 bis 57.
Diese für 3 Nuten pro Pol und Phase ausgelegte Wicklung kann, durch jeweils geringfügige Änderung der betnebsmässig lösbaren Verbindungen, umgeschaltet werden.
Soll die Wicklung von - wie in Fig. 3 oben komplett dargestellt - 6 parallelen Wicklungszweigen pro Phase auf-wie in Fig. 4 oben komplett dargestellt-9 parallele Wicklungszweige pro Phase umgeschaltet werden, so können die Verbindungsbügel 50. 51 54 und 57 belassen werden ; es sind lediglich die Verbindungsbügel 52, 53,55 und 56 zu entfernen, und die Verbindungsbügel 58 bis 62 anzuschliessen.
Soll die Wicklung von-wie in Fig. 4 oben komplett dargestellt - 9 parallelen Wicklungszweigen pro Phase auf-wie in Fig. 5 oben komplett dargestellt - 12 parallele Wicklungszweige pro Phase umgeschaltet werden, so können die Verbindungsbügel 58 und 62 belassen werden ; es sind lediglich die Verbindungsbügel 50, 51,54, 57,59, 60 und 61 zu entfernen, und die Verbindungsbügel 63 bis 69 anzuschliessen.
Soll die Wicklung von-wie in Fig. 5 oben komplett dargestellt - 12 parallelen Wicklungszweigen pro Phase auf-wie in Fig. 6 oben komplett dargestellt - 18 parallele Wicklungszweige pro Phase umgeschaltet werden, so können die Verbindungsbügel 64 und 68 belassen werden ; es sind lediglich die Verbindungsbü- gel 53, 58, 63,65, 66,67 und 69 zu entfernen und die Verbmdungsbügel 70 bis 77 anzuschliessen.