AT504822B1 - Dd-uuu-generator - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT504 822 B1 2011-09-15

Beschreibung

GENERATOR-TRANSFORMATOR-BLOCKEINHEIT

[0001] Vorliegende Erfindung betrifft in ihrem Hauptkonzept einen Synchrongenerator-Transformator-Block, wobei auch Varianten mit einem Asynchronmotor-Transformator-Block möglich sind. Zunächst wird das Hauptkonzept ausführlich beschrieben und dann auf Varianten eingegangen.

[0002] Bei Synchrongeneratoren wird üblicherweise der Läufer so geformt, daß das Feld der magnetischen Induktion B im Luftspalt möglichst sinusförmig ist. Dadurch soll auch die Klemmenspannung möglichst sinusförmig werden. Dies gelingt aber allein durch die Läuferform nicht, und auch die magnetisierende Wirkung des Stromes in der Ständerwicklung, die Ankerrückwirkung, verzerrt das Induktionsfeld im Luftspalt.

[0003] Bei einer herkömmlichen Maschine sind daher zusätzliche Maßnahmen in der Ständerwicklung nötig, um Oberwellen in der Klemmenspannung zu unterdrücken. Alle diese Maßnahmen beruhen darauf, daß die Spannungsvektoren in den einzelnen Nuten nicht parallel sind, sodass sich nur die vektorielle Addition auswirkt. Die Klemmenspannung ist dadurch kleiner als die algebraische Summe der Einzelspannungen. Der Faktor, um den sich die vektorielle und die algebraische Summe der Einzelspannungen unterscheiden, der Wickelfaktor, ist für die Grundwelle relativ hoch, nämlich ca. 0,90 bis 0,92, für die Oberwellen aber kleiner und kann sogar je nach Auslegung bei einzelnen Oberwellen fast zu Null werden. Dadurch werden die Oberwellenspannungen auf einen kleinen Wert reduziert.

[0004] Ein Nachteil dieses bis jetzt allein üblichen Verfahrens ist, daß die Klemmenspannung nicht so hoch ist, wie sie eigentlich sein könnte. Wäre der Wickelfaktor gleich 1 oder nahe an 1, so bräuchte die Maschine weniger Windungen im Ständer, sie könnte schwächer erregt werden und anderes mehr, das heißt, sie könnte kostengünstiger gefertigt werden und hätte weniger Leistungsverluste.

[0005] Aufgrund der vorliegenden Erfindung ist bei Drehstrom-Synchrongeneratoren, die in Blockschaltung mit einem Transformator betrieben werden, ein Wickelfaktor von 1 oder nahe an 1 möglich, wobei trotzdem die Oberspannung des Blockes praktisch oberwellenfrei bleibt.

[0006] Angesichts der Erhöhung des Wickelfaktors kann man nun zum Beispiel die Windungszahl der Ständerwicklung im selben Maß absenken, wie der Wickelfaktor gestiegen ist, oder man kann die Induktion im Luftspalt absenken. Beide Methoden führen zu beträchtlichen Einsparungen an Leistungsverlusten und/oder an Material.

[0007] Der erfindungsgemäße Generator ist ein Generator mit einer doppelten Durchmesserwicklung, der kurz als DD-Generator bezeichnet wird.

[0008] Die grundsätzliche Anordnung zeigen Fig. 1 und 2. Der DD-Generator verfügt über zwei getrennte Drehstromwicklungen, die um 30° räumlichen Winkels gegeneinander versetzt sind. Der Blocktransformator ist als Dreiwicklungs-Drehstromtransformator (kurz Dreiwickler genannt) ausgeführt und mit zwei Unterspannungswicklungen von jeweils der halben Nennleistung, die gegeneinander eine um 30° drehende Schaltgruppe aufweisen versehen. Solch ein Blocktrans-farmatorwird kurz mit UUU (=tripple U) bezeichnet. An diese beiden Transformatorwicklungen sind die beiden Generatorwicklungen jeweils angeschlossen, sodass eine DD-UUU-Einheit entsteht.(auch double diameter winding unit) [0009] Dieses System verfügt über erstaunliche Gesetzmäßigkeiten.

[0010] Die grundlegenden Eigenschaften sind folgende drei: [0011] - Die auf der Oberspannungsseite des Blockes erzeugte Spannung ist praktisch ober wellenfrei, und zwar unabhängig von der Ausführung der Generatorwicklung.

[0012] - Das bedeutet, dass in der Wicklung keine oberwellenunterdrückenden Maßnahmen 1 /15 österreichisches Patentamt AT504 822 B1 2011-09-15 erforderlich sind. Diese kann daher als Durchmesserwicklung mit einem Wickelfaktor von 1 oder zumindest nahe an 1 ausgeführt werden.

[0013] - Aufgrund dieses hohen Wickelfaktors kann der Generator bei gleicher Leistung mit weniger Material- und Arbeitsaufwand hergestellt werden, und er weist überdies weniger Eisen- und Kupferverluste auf. Die dadurch erzielbaren wirtschaftlichen Vorteile sind beträchtlich, (vergleiche mit dem Anhang L) [0014] Zwei weitere Eigenschaften bewirken, dass der DD-Generator im Betrieb gutartig und wenig störanfällig ist: [0015] - Infolge der geringen Verlustleistung bleibt der Generator kühl und ist thermisch wenig beansprucht.

[0016] - Bei herkömmlichen Generatoren zeigt das Feld der Ankerrückwirkung eine komplizier te, aus pulsierenden Rechtecken bestehende Form und ist stark mit Oberwellen behaftet, die sich relativ zum Läufer bewegen, selbst wenn der Betriebsstrom sinusförmig ist. Bei der DD-UUU ist dies nicht der Fall, vielmehr werden diese Oberwellen eliminiert und es bleibt nur die Grundwelle übrig. Es ist dies die verblüffendste Eigenschaft der DD-UUU-Blockeinheit, wenn man bedenkt, daß das Ankerrückwirkungsfeld oft -nicht ganz zutreffend - als „Rolltreppe", jedenfalls aber als Treppenkurve bezeichnet wird. Eine Auswirkung der nunmehrigen reinen Sinusform des AW-(Amperewindung) Feldes besteht darin, dass bei einem Turbogenerator zusätzlich noch die erheblichen Verluste im massiven Eisen des Läufers sowie bei einer Schenkelpolmaschine die Verluste im Dämpferkäfig reduziert werden. Die Beanspruchungen der Bauteile des Läufers werden verringert.

[0017] Natürlich sollen auch die Nachteile nicht verschwiegen werden: [0018] - Die DD-UUU-Blockeinheit benötigt zwei dreiphasige Generatorableitungen, die zwar zusammen die gleiche Leistung übertragen wie die eine bei einem herkömmlichen Generator, aber dennoch oft höhere Kosten als bei diesem verursachen (vergleiche mit Anhang E). Dies gilt auch für die Zuleitung zu einem allenfalls vorgesehenen Eigenbedarfstransformator. Gegenüber den erzielbaren Einsparungen an der Maschine ist jedoch der Mehraufwand für die Ableitung gering, und die bescheidene Investition macht sich auf jeden Fall bezahlt, (siehe Anhang E) [0019] - Schaltorgane zwischen Generator und Transformator müßten doppelt vorgesehen werden. Es ist daher zu empfehlen, sich diese ganz zu ersparen und durch andere, in vielen Kraftwerken ohnehin übliche Schaltungen zu ersetzen, (siehe Anhang F) [0020] - Wenn mehrere DD-Generatoren an einen gemeinsamen Blocktransformator ange schlossen werden sollen, dann müssen allerdings für jeden Generator zwei Leistungsschalter mit jeweils der halben Leistung angeordnet werden.

[0021] In drei weiteren Eigenschaften verhält sich die DD-UUU-Blockeinheit neutral. Es sind dies: [0022] - Anwendbarkeit eines Erregertransformators [0023] - Zusatzverluste durch die 3. Harmonische [0024] - Aufnahmefähigkeit für Oberwellenströme, die vom Netz her kommen, und Wirkungen derselben.

[0025] Erfindungsgemäß ist der Synchrongenerator entsprechend Anspruch 1, mit zwei getrennten, vorzugsweise in Stern geschalteten dreiphasigen reinen Durchmesserdrehstromwicklungen ausgeführt, die um tt/6 elektrischen Winkels im Bogenmaß gegeneinander versetzt sind. Bei Maschinen mit Polpaarzahl p = 1 entspricht dies einem mechanischen Winkel von ebenfalls tt/6 [0026] Bei Maschinen mit höherer Polpaarzahl entspricht einem elektrischen Winkel von tt/6 ein 2/15 österreichisches Patentamt AT504 822 B1 2011-09-15 mechanischer Winkel von [0027] (tt/6) * (1/p), um welchen die beiden dreiphasigen Drehstromwicklungen, von einer der beiden Stirnseiten des Generators her betrachtet, gegeneinander gedreht angeordnet sind. Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt durch einen Generator mit dem Ständer St und dem Polrad P mit der Polpaarzahl p = 2. Im Ständer befinden sich die Stäbe oder Spulenseiten der beiden 6-Zonen-Drehstromwicklungen A und B. Der Stab B der Windung L1 (kurz BL1+ ist gegen den Stab A der Windung L1 (kurz: AL1+) um einen mechanischen Winkel von (tt/6) * (1/p) = (tt/6) * (1/2) = tt/12 versetzt. Es gibt in dieser Wicklungsanordnung 12 Zonen von AL1 + bis AL3- und von bis BL3-.

[0028] Der Blocktransformator (Tr) ist als Dreiwickler-Drehstromtransformator ausgeführt, mit zwei dreiphasigen Unterspannungswicklungen von jeweils der halben Nennleistung, und eine Oberspannungsseite mit der ganzen Nennleistung. An die Unterspannungsseite sind die beiden Drehstromwicklungen der Maschine jeweils angeschlossen. Es hängt nun von den Schaltgruppen ab, die die beiden Unterspannungswicklungen zusammen mit den Drehstromwicklungen der Maschine gegeneinander aufweisen und inwieweit Oberwellen auf der Oberspannungsseite unterdrückt werden. Am besten wirkt die Löschung der Oberwellen bei einer um tt/6 im Bogenmaß elektrisch versetzende Schaltgruppe, also zum Beispiel bei der vorzugsweisen Schaltgruppe Y yO d1. Die Stundenziffer 1 entspricht [0029] tt/6 bzw. 30° räumlichem Versatz.

[0030] Eine beispielsweise Anordnung ist in Fig.2 dargestellt. Die Drehstromwicklungen A und B im Ständer St der Maschine M sind dreiphasig an je eine der beiden Unterspannungswicklungen der Block-Umspanneinrichtung Tr mit einer Schaltgruppe Y yO d1 angeschlossen. Von den oberspannungsseitigen Klemmen U, V, W der Blockeinheit aus erfolgt die Leistungslieferung an das Netz oder an einen Verbraucher.

[0031] Es soll nunmehr gezeigt werden, warum die an der Oberspannungsseite des Block-Transformators erzeugte Spannung praktisch keine Oberwellen aufweist: [0032] Wie bei jedem Generator treten auch bei diesem keine Oberwellen auf, deren Ordnungszahl n durch 2 oder 3 teilbar ist, und zwar weil geradzahlige Oberwellen nur dann vorhanden sind, wenn positive und negative Halbwellen zueinander verschiedene Formen aufweisen, und weil durch 3 teilbare nur in der Phasenspannung, nicht aber in der verketteten Spannung auftreten können, wobei letztere allein dem Blocktransformator zugeführt wird. So sind nur jene Oberwellen mit den Ordnungszahlen n = 2 * 3 * k-1 oder n = 2*3*k+1mitk = 1,2,3,4,.. zu beachten (was in Anhang C ausführlich beschrieben wird).

[0033] Zum Verhalten der Grundwelle Gr ist folgendes zu vermerken: [0034] Die Spannung BL1+ eilt der Spannung AL1+ um tt/6 nach. Der Transformator mit der Schaltgruppe Y yO d1 verursacht für AL1+ keine Drehung (wie auf - 2- erörtert), zwischen der Oberspannungsseite und der Unterspannungsseite A, wie y O bezeichnet, keine Drehung erfolgt und die Oberspannung von. A her OL1A ist daher parallel mit AL1+. Es erfolgt also die Unterspannung BL1+ wie d1 bezeichnet um 1*30° um tt/6 hinter der Oberspannung OL1B nach, bzw. umgekehrt ausgedrückt, die Oberspannung von B her OL1B eilt der Unterspannung BL1+ um tt/6 vor. Der vom Generator her um tt/6 nacheilende Zeiger wird daher im Transformator wieder um tt/6 vorgedreht, somit ist OL1B parallel zu OL1A und man hat zwei parallel geschaltete synchrone Spannungen vor sich. Die Grundwelle der Generatorspannung tritt daher in der Oberspannung unverändert auf.

[0035] Die Spannungen OL1A und OL1B heben einander auf und die 7. Harmonische tritt in der Oberspannung nicht mehr in Erscheinung.

[0036] Strommäßig kommt diese Wirkung einem Kurzschluß der 7. Harmonischen gleich. Es wird also ein Ausgleichsstrom im Generator auf der Unterspannungsseite des Transformators, fließen. Wie später noch ausführlich beschrieben, hängt seine Höhe von den Streuinduktivitäten ab und ist relativ bescheiden oder unter noch zu nennenden Umständen überhaupt gleich Null. 3/15 österreichisches Patentamt AT504 822B1 2011-09-15 [0037] Das selbe gilt auch für alle anderen Harmonischen mit n = 6 * (2 * j -1) -1 und [0038] n = 6 * (2 * j - 1) + 1, also auch für 17. und 19., 29. und 31. u.s.w., weil sich die Spannungszeiger dann um 2 π oder Vielfache davon weiterdrehen, was wiederum die selbe Wirkung ergibt.

[0039] Bei einer Hochspannungsgleichstromübertagung HGÜ gibt es gegen die Ströme der 11. und 13. Harmonischen kein anderes Mittel, als sie mit Filteranlagen aus dem Netz abzusaugen. Beim erfindungsgemäßen Generator hingegen tritt ein zusätzlicher günstiger Effekt auf. Bereits die üblichen Generatoren mit 6-Zonenwicklung haben aber, zumindest bei mehreren Nuten pro Pol und Phase, sehr kleine Zonenfaktoren und damit auch sehr kleine Wickelfaktoren für die 11. und 13. Harmonische und unterdrücken diese sehr wirksam.

[0040] Der erfindungsgemäße Generator wie in Anhang A gezeigt leistet also für die Unterdrückung der 11. und 13. Harmonischen praktisch das gleiche wie ein konventioneller Generator mit Sinusfeldpolen, Sehnung, Bruchlochwicklung usw. obwohl er über eine reine Durchmesserwicklung ohne zusätzliche wicklungstechnische Maßnahmen verfügt.

[0041] Die 11. und 13. Harmonische, die an und für sich im erregenden Feld schon sehr klein sind, werden also nochmals um eine Zehnerpotenz herabgesetzt und verlieren damit jegliche Bedeutung.

[0042] Bei den übrigen Paaren mit geradem k, zum Beispiel bei der 23. und 25. Harmonischen verhält es sich bei einer Wicklung mit großem q ähnlich wie bei der 11. und 13., weil die Zone um 360° bzw. Vielfache davon zunimmt. Allerdings kann bei kleinem q, zum Beispiel bei 2 Nuten pro Zone und Polpaar, für die 23. und 25. das selbe geschehen wie bei der 11. und 13. schon mit 1 Nut pro Zone und Polpaar. Falls wirklich notwendig, hilft auch hier eine Nutenschrägung von 1 Nutteilung, um die gleichen Verhältnisse herzustellen wie bei q = unendlich und alle Oberwellen mit geradzahligem k um eine Zehnerpotenz herabzusetzen.

[0043] Damit ist nachgewiesen, daß die erfindungsgemäße Blockeinheit an ihrer Oberspannungsseite eine praktisch oberwellenfreie, rein sinusförmige Spannung liefert, und dies sowohl im Leerlauf als auch bei Belastung, denn die beschriebene Oberwellenlöschung wirkt genau so bei Verzerrungen des Luftspaltfeldes durch die Grundwelle der Ankerrückwirkung. Diese Eliminierung der Oberwellen aus der abgegebenen Spannung ohne Reduktion der Grundwelle derselben ist die wichtigste Eigenschaft des erfindungsgemäßen Prinzips.

[0044] Nun zur bereits erwähnten Frage der Ausgleichsströme die dadurch zustande kommen, daß die Oberwellenspannungen an den beiden Unterspannungswicklungen nicht die gleiche Richtung, ja sogar die entgegengesetzte einnehmen: Der dadurch gebildeten Differenzspannung stehen die Streureaktanzen von Generator und Transformator entgegen. Der Transformator als Dreiwickler wird üblicherweise als sogenannter Doppelstocktransformator ausgeführt. In Fig.4 ist ein solcher dargestellt. Er besitzt am selben Schenkel, zum Beispiel L1, vier Spulen, von denen jeweils zwei, nämlich eine Oberspannungs- und eine Unterspannungsspule OWA und UWA bzw. OWB und UWB konzentrisch angeordnet sind. Die beiden Oberspannungsspulen OWA und OWB sind üblicherweise parallel geschaltet.

[0045] Bei der erfindungsgemäßen Blockeinheit sind sie vorzugsweise in Serie geschaltet, und ergeben so die Oberspannungswicklung OW, in der wegen der einander entgegengerichteten Oberwellenspannungen kein Ausgleichsstrom fließen kann. In den Unterspannungswicklungen steht diesen Spannungen die große Reaktanz entgegen, die sich aus dem kurzen und breiten Streukanal zwischen den beiden Unterspannungswicklungen ergibt, und sie ist außerdem noch für die n-te Harmonische das n-fache der Grundwelle. Durch sie und durch die Streureaktanz des Generators werden die Ausgleichsströme so klein, daß die mit ihnen quadratisch absinkende Verlustleistung praktisch zu vernachlässigen ist.

[0046] Im übrigen könnte die Reaktanz durch Anordnung eines Streu-Joches oder eines Streu-Schenkels noch um mehrere Größenordnungen erhöht werden, oder es könnten zwei getrennte Transformatoren als Zweiwickler mit je einer Unterspannungs- und einer Oberspannungswicklung angeordnet und oberspannungsmäßig in Serie geschaltet werden, wodurch überhaupt 4/15 österreichisches Patentamt AT504 822 B1 2011-09-15 keine Ausgleichsströme mehr auftreten, da dann die Unterspannungswicklungen voneinander vollständig entkoppelt sind. Angesichts des vorstehenden sind solche Maßnahmen aber nicht notwendig und es wird mit einem Dreiwickler normaler Bauart das Auslangen gefunden.

[0047] Es möge nun eine weitere überraschende Eigenschaft der erfindungsgemäßen Blockeinheit angeführt werden: [0048] In jedem Generator werden durch den Betriebsstrom im Luftspalt Ankerrückwirkungsfel-der erzeugt. Diese setzen sich aus rechteckförmigen Feldern zusammen, die phasenverschoben nach einer zeitlichen Sinusfunktion ihre Höhe ändern. Dadurch entsteht einerseits die Grundwelle der Ankerrückwirkung und andererseits kräftige Oberwellen. Die sich ergebende Amperewindungs-(AW)-Kurve ist stufenförmig, flackernd, und wird manchmal als „Rolltreppenkurve“ bezeichnet.

[0049] Wie im Anhang B ausführlich beschrieben wird, zeigen die Oberwellen im Luftspalt folgendes Verhalten.

[0050] Die Grundwelle legt also pro Periode eine Polpaarteilung zurück, die 5. Harmonische aber nur ein Fünftel davon. Die Wanderwellen laufen demnach mit einer Geschwindigkeit von 1/n der synchronen Geschwindigkeit um, wobei n die Ordnungszahl der Oberwelle ist. Manche laufen mit und manche gegen die Drehrichtung um.

[0051] Die 7. Hamonische des Ankerrückwirkungsfeldes heben einander bei der erfindungsgemäßen DD-UUU-Blockeinheit auf Grund von Basenverschiebungen zwischen den einzelnen Zeigern, die durch die einzelnen Stäbe des Ständers (ST) generiert werden, auf. Ähnlich verhält es sich bei den 5. Harmonischen, nur allerdings auf Grund von Phasenverschiebungen zwischen den gegenläufigen Feldern, wie im Anhang B erläutert.

[0052] Auch die Felder der übrigen Harmonischen mit ungeradzahligem k werden eliminiert.

[0053] Es gilt, wie aus der ersten Fromel in Anhang B ersichtlich ist, dass die Wickelfaktoren bei geradzahligem k sehr klein sind und beim erfindungsgemäßen Generator die betreffenden Oberwellen wirksam unterdrückt werden.

[0054] Zusammenfassend ist über das Ankerrückwirkungsfeld des Betriebsstromes zu sagen, daß der erfindungsgemäße Generator von sich aus keine Oberwellenfelder erzeugt. (Dies tun höchstens Oberwellenströme, die vom Netz her kommen, (siehe Anhang D)). Im Gegensatz zum herkömmlichen Generator erzeugt der erfindungsgemäße somit von sich aus keine Felder, die sich relativ zum Läufer bewegen und dort dauernde thermische, spannungsmäßige und mechanische Beanspruchungen hervorrufen sowie im Dämpferkäfig dauernde Verluste bewirken. Am einschneidendsten wirkt sich bei einem Turbogenerator die Herabsetzung der beträchtlichen Verluste im massiven Eisen des Läufers aus. Die Erfindung ermöglicht daher einen viel schonenderen Betrieb.

[0055] Bei all dem ist als erstaunlich hervorzuheben, daß trotz der komplizierten Zusammensetzung des Ankerrückwirkungsfeldes aus pulsierenden Rechtecken der erfindungsgemäße Generator in der Lage ist, daraus eine glatte sinusförmige Form zu machen, so daß tatsächlich von den Ankerrückwirkungs AW (Amperewindungen) nur die Grundwelle übrig bleibt.

[0056] Außer dem vorstehend beschriebenen Hauptkonzept gibt es Varianten, die nach folgenden Unterscheidungsmerkmalen klassifizierbar sind: [0057] 1. Ein Transformator mit drei (oder mehreren) dreiphasigen Wicklungen.

Oder:

Zwei (oder mehrere) Zweiwicklungs-Transformatoren, die oberspannungsseitig in Serie oder parallel geschaltet sind.

[0058] 2. Dreiphasige Transformatoren mit einphasigen Wicklungen

Oder:

Transformatorbänke bestehend aus jeweils drei einphasigen Transformatoren.

[0059] 3. Die Maschine hat zwei dreiphasige Drehstromwicklungen. 5/15 österreichisches Patentamt AT504 822B1 2011-09-15

Oder:

Die Maschine hat mehr als zwei dreiphasige Drehstromwicklungen.

[0060] 4. Die Maschine wird als Generator betrieben.

Oder:

Die Maschine wird als Motor betrieben.

[0061] 5. Die Maschine ist eine Synchronmaschine.

Oder:

Die Maschine ist eine Asynchronmaschine [0062] 6. Es gibt in der Blockeinheit nur eine Maschine.

Oder:

Es sind mehrere Maschinen an die Umspanneinrichtung angeschlossen, (siehe Anspruch 3) [0063] Sämtliche Kombinationen aus den vorstehenden Merkmalen sind möglich. Hieraus ergibt sich eine Anzahl von 2*6 = 64 funktionsfähiger Varianten.

[0064] Zu den einzelnen Auswahlkriterien ist folgendes zu bemerken: [0065] Zu 1: Die wirtschaftlichste Möglichkeit ist im allgemeinen der gewöhnliche Dreiwickler. Es wurde jedoch bereits erwähnt, daß man durch oberspannungsseitige Serienschaltung von zwei Zweiwicklungstransformatoren die Oberwellen-Ausgleichsströme, die an sich sehr gering sind, überhaupt gänzlich vermeiden kann. Diese Möglichkeit bietet sich im Falle eines Blockes an, der so groß ist, daß aus Transportgründen sowieso zwei Block-Umrichtereinrichtungen anstatt einem angeordnet werden müssen, (vergleiche Anhang E) Oberspannungsseitige Parallelschaltung wäre auch möglich, vermeidet aber die Ausgleichsströme nicht, sondern erhöht diese im Gegenteil.

[0066] Zu 2: Bei Transformatorbänken können die zwei Unterspannungswicklungen auf getrennten Schenkeln angeordnet werden. Dies ergibt eine besonders hohe Streureaktanz zwischen den beiden Unterspannungswicklungen und damit sehr kleine Ausgleichsströme. Durch Anordnung eines dritten Schenkels zum freien Rückschluß sind die Ausgleichsströme überhaupt eliminierbar.

[0067] Zu 3: Der erfindungsgemäße Effekt der Löschung der 5. und 7. Harmonischen ist nicht nur mit zwei, sondern auch mit drei oder mehreren dreiphasigen Drehstromwicklungen im Generator erreichbar. Anstelle zweier um 180° versetzter Oberwellenspannungen gibt es dann drei um 120° versetzte oder vier um 90° versetzte, die einander löschen. Wenn der Generator eine Anzahl von i Drehstromwicklungen besitzt, muß der Transformator eine Anzahl von i dreiphasigen Unterspannungswicklungen aufweisen, wobei i eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist. Diese Unterspannungswicklungen sollten Schaltgruppen gegeneinander haben, die eine Phasendrehung von (tt/3) * (1/i) bewirken. Dies ist mit Zick-Zack-Wicklungen zu erreichen. Die Anordnung von mehr als zwei Drehstromwicklungen in der Maschine ist zwar funktionsfähig, besitzt aber den Nachteil, daß die Wickelfaktoren für die 11. und 13. Harmonische nicht so klein sind wie bei nur zwei Drehstromwicklungen.

[0068] Zu 4: Auch bei Motorbetrieb ist eine sinusförmige EMK erwünscht bzw. gefordert.

[0069] Zu 5: Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich auch auf Asynchronmaschinen anwenden. Es ist noch nicht bekannt, ob es dort Vorteile bringt.

[0070] Zu 6: Manchmal kommt es vor, daß zwei oder mehrere Generatoren eine gemeinsame Block-Umspanneinrichtung haben, wobei diese Generatoren parallel an die selben gemeinsamen oder an getrennte eigene Unterspannungswicklungen angeschlossen sein können. Dies alles ist bei der erfindungsgemäßen Blockeinheit ebenfalls möglich.

[0071] Gegenstand der Erfindung ist somit einer Blockeinheit, bestehend aus zumindest einer Synchronmaschine (M) oder Asynchronmaschine (M) und aus einer Block-Umspanneinrichtung (Tr), die ihrerseits aus einem Transformator oder aus mehreren Transformatoren besteht und 6/15

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT504 822 B1 2011-09-15 die oberspannungsseitig zumindest einen Anschluß für Dreiphasen-Drehstrom (U, V, W) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (M) in ihrem Stator (St) eine Anzahl i von dreiphasigen, Drehstromwicklungen (A, B, ....), vorzugsweise in Sternschaltung aufweist, wobei die Sternpunkte auch außerhalb der Maschine gebildet sein können, und wobei i eine ganze Zahl mindestens und vorzugsweise gleich 2 ist, welche Drehstromwicklungen von einer der beiden Stirnseiten aus betrachtet jeweils um einen räumlichen Winkel von (tt/3) * (1/i) * (1/p) im Bogenmaß gegen die jeweils vorhergehende Drehstromwicklung gedreht angeordnet sind, wobei p die Polpaarzahl der Maschine ist, und ferner daß die i dreiphasigen Drehstromwicklungen der Maschine (M) jeweils an eine von i dreiphasigen Unterspannungswicklungen (UWA, UWB,.....) der Block-Umspanneinrichtung (Tr) angeschlossen sind. [0072] Die sich aus der Erfindung ergebenden Hauptvorteile sind folgende: [0073] - Praktisch vollständige Löschung aller Oberwellen in der abgegebenen Spannung, sowohl im Leerlauf als auch bei Belastung. [0074] - Dadurch sind wicklungstechnische Maßnahmen zur Oberwellenunterdrückung nicht notwendig. Es können reine Durchmesserwicklungen angeordnet werden. [0075] - Erhöhung des Wickelfaktors auf 1 oder zumindest nahe an 1. [0076] - Dies führt zur Verringerung des Materialaufwandes und der Verlustleistung und ergibt so entscheidende wirtschaftliche Vorteile, (siehe Anhänge L und M) [0077] - Infolge der kleinen Verlustleistung bleibt die Maschine kühl und wird wenig thermisch beansprucht. [0078] - Eliminierung aller Oberwellen aus dem Luftspaltfeld, die nicht vom Netz her kommen und die sich relativ zum Läufer bewegen. Dadurch Vermeidung von dauernden Verlusten im Dämpferkäfig bzw. im massiven Eisen eines Turbogeneratorläufers sowie von dauernden Beanspruchungen der Bestandteile des Läufers. Weiterführende Auslegungsvarianten sind dem Anhang N zu entnehmen. Patentansprüche 1. Blockeinheit, bestehend aus zumindest einer Synchronmaschine (M) oder Asynchronmaschine (M) und aus einer Block-Umspanneinrichtung (Tr), die ihrerseits aus einem Transformator oder aus mehreren Transformatoren besteht und die oberspannungsseitig zumindest einen Anschluß für Dreiphasen-Drehstrom (U, V, W) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (M) in ihrem Ständer (St) eine Anzahl i von dreiphasigen reinen Durchmesser-Drehstromwicklungen (A, B, ....), vorzugsweise in Sternschaltung aufweist, wobei die Sternpunkte auch außerhalb der Maschine gebildet sein können, und wobei i eine ganze Zahl mindestens und vorzugsweise gleich 2 ist, welche Durchmesser-Drehstromwicklungen von einer der beiden Stirnseiten aus betrachtet jeweils um einen räumlichen Winkel von (tt/3) * (1/i) * (1/p) im Bogenmaß gegen die jeweils vorhergehende Drehstromwicklung gedreht angeordnet sind, wobei p die Polpaarzahl der Maschine ist, und ferner daß die i dreiphasigen Drehstromwicklungen der Maschine (M) jeweils an eine von i dreiphasigen Unterspannungswicklungen (UWA, UWB, ....) der Block-Umspanneinrichtung (Tr) anschließbar sind.
2. 2. Blockeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator bzw. die Transformatoren zu einer für die ganze Block-Umspanneinrichtung (Tr) gültigen resultierenden Schaltgruppe, zum Beispiel bei i = 2 vorzugsweise Y yO d1, geschaltet sind, die bei Anlegen einer symmetrischen Dreiphasen-Spannung auf der Oberspannungsseite (U, V, W) Spannungszeiger an den Klemmen der dreiphasigen Drehstromwicklungen der angeschlossenen Maschine (M) ergibt, die um einen elektrischen Winkel von (tt/3) * (1/i) im Bogenmaß gegen den jeweils vorhergehenden Spannungszeiger gedreht sind. 7/15 österreichisches Patentamt AT504 822 B1 2011-09-15
3. 3. Blockeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Synchronmaschine (M) oder Asynchronmaschine (M) noch eine oder mehrere Maschine(n) an die Block-Umspanneinrichtung (Tr), und zwar entweder in Parallelschaltung an die selben Unterspannungswicklungen wie die erste Maschine oder an eigene Unterspannungswicklungen angeschlossen ist (sind).
4. 4. Blockeinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (Maschinen) in an sich bekannter Weise eine Nuten- und/oder Polkantenschrägung von 1 Ständernutteilung besitzt (besitzen).
5. 5. Blockeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Generatoren mit dreiphasigen reinen Durchmesserdrehstromwicklungen zusammengeschaltet werden.
6. 6. Blockeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dreipolige Leistungsschalter mit der halben Leistung eines Generators mit Durchmesserdrehstromwicklung vorgesehen sind um die einzelnen Generatoren zu und weg zu schalten.
7. 7. Blockeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator als Dreiwickler in Form eines Doppelstocktransformators mit konzentrischer Anordnung der Oberspannungspulen (OWA, OWB) und der Unterspannungsspulen (UWA, UWB) ausgeführt ist.
8. 8. Blockeinheit nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, dass die Oberspannungsspulen (OWA, OWB) parallel geschaltet sind.
9. 9. Blockeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Ständer der mehreren Generatoren mit einem Streujoch oder Streuschenkel versehen sind um die Gesamtreaktanz der Blockeinheit zu heben und die Ausgleichsströme zu senken.
10. 10. Blockeinheit nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 7 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Blockumspanneinrichtung aus zwei getrennten Transformatoren als Zweiwickler mit je einer Unterspannungswicklung und Oberspannungswicklung in Serie zusammengeschaltet sind, um die Gesamtreaktanz der Blockeinheit zu heben und die Ausgleichsströme zu senden.
11. 11. Blockeinheit nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Blockumspanneinrich-tungen oberspannungsseitig in Serie geschaltet werden, was die Bildung von Oberwellenausgleichsströmen völlig verhindert.
12. 12. Blockeinheit nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Blockumspanneinrichtung mit Unterspannungswicklungen, die eine Phasendrehung von tt/3 * 1/i mittels Zickzackwicklung erreichen. Hierzu 7 Blatt Zeichnungen 8/15