AT528032B1 - Verfahren zum Betreiben eines Phasenschiebers sowie Phasenschieber - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine als Phasenschieber, wobei die Synchronmaschine einen Rotor mit einer anisotropen magnetischen Leitfähigkeit und eine mit dem Rotor verbundene Erregermaschine (3) aufweist. Um ein Anfahren des Phasenschiebers ohne Schleifringe und Pony-Motor zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Synchronmaschine gestartet wird, indem die Synchronmaschine als Reluktanzmotor betrieben wird. Weiter betrifft die Erfindung ein Phasenschieber, aufweisend eine Synchronmaschine, welche einen Rotor mit einer anisotropen magnetischen Leitfähigkeit und eine mit dem Rotor verbundene Erregermaschine (3) aufweist.

Description

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Beschreibung

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES PHASENSCHIEBERS SOWIE PHASENSCHIEBER

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine als Phasenschieber, wobei die Synchronmaschine einen Rotor mit einer anisotropen magnetischen Leitfähigkeit und eine mit dem Rotor verbundene Erregermaschine aufweist.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung einen Phasenschieber, aufweisend eine Synchronmaschine, welche einen Rotor mit einer anisotropen magnetischen Leitfähigkeit und eine mit dem Rotor verbundene Erregermaschine aufweist.

[0003] Synchronmaschinen, die als Phasenschieber eingesetzt werden, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Dabei wird eine Synchronmaschine nahezu im Leerlauf betrieben, um induktive oder kapazitive Blindleistung zu erzeugen, welche Blindleistung durch eine Änderung eines Erregerstromes veränderbar ist. Hierzu werden häufig große Synchronmaschinen mit einer Leistung von 100 MVA oder mehr eingesetzt.

[0004] Die als Phasenschieber eingesetzte Synchronmaschine läuft grundsätzlich mit einer von der Netzfrequenz und der Polpaarzahl abhängigen Drehzahl. Um die Synchronmaschine aus dem Stillstand auf diese Synchrondrehzahl, welche bei einer Netzfrequenz von 50 Hz und einer Polbarzahl von zwei beispielsweise 1500 U/m betragen kann, zu bringen, bestehen grundsätzlich gemäß dem Stand der Technik zwei Möglichkeiten wie folgt:

[0005] Eine erste Möglichkeit zum Anfahren der Phasenschiebermaschine besteht darin, die Statorwicklung der Synchronmaschine zum Anfahren über einen Frequenzumrichter, einem sogenannten Anfahrumrichter bzw. SFC, mit niedrigerer Frequenz zu speisen und dem Rotor einen Erregerstrom über Schleifringe zuzuführen. Ein im Rotor bzw. Läufer durch den Erregerstrom erzeugtes Magnetfeld wirkt dann mit dem zunächst langsam rotierenden Magnetfeld des Stators zusammen, um den Rotor in eine Drehbewegung mit zunehmender Geschwindigkeit zu versetzen.

[0006] Eine zweite Möglichkeit besteht darin, den Rotor der Synchronmaschine mit einem gesonderten Anfahrmotor, einem sogenannten Pony-Motor, zu verbinden und die Synchronmaschine mittels dieses Pony-Motors hochzufahren bzw. auf Synchrondrehzahl zu bringen, wonach die Statorwicklung mit dem Netz gekoppelt wird. Derartige Synchronmaschinen weisen in aller Regel eine starr mit dem Rotor verbundene Erregermaschine bzw. eine sogenannte rotierende Erregermaschine auf, welche bei Rotation einen Strom erzeugt, mit welchem wiederum ein Magnetfeld im Rotor erzeugt wird, und zwar in diesem Fall ohne Schleifringe.

[0007] Beide Anfahrmöglichkeiten haben offensichtliche Nachteile. So erfordern die gemäß der erstgenannten Möglichkeit erforderlichen Schleifringe eine Wartung und verursachen eine Reibung. Ein für die zweitgenannte Möglichkeit des Anfahrens erforderlicher, zusätzlicher Anfahrmotor bzw. ein sogenannter Pony-Motor ist teuer und daher ebenfalls nicht wünschenswert.

[0008] Der Einsatz einer rotierenden Erregermaschine in Kombination mit einem Frequenzumrichter für die Erzeugung eines Drehfeldes mit veränderbarer Drehzahl, um die Synchronmaschine aus dem Stand auf Drehzahl zu bringen, ist gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, da die starr mit dem Rotor verbundene Erregermaschine bei Stillstand des Rotors keinen Erregerstrom erzeugen kann, welcher jedoch erforderlich ist, um den Rotor durch ein rotierendes Feld des Stators in Drehbewegung zu versetzen.

[0009] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches auf besonders einfache Weise umsetzbar ist.

[0010] Weiter soll ein Phasenschieber der eingangs genannten Art angegeben werden, welcher ein Anfahren auf besonders einfache Weise ermöglicht.

[0011] Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem die Synchronmaschine gestartet wird, indem die Synchronmaschine als

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Reluktanzmotor betrieben wird.

[0012] Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass bei einer Synchronmaschine mit einer Anisotropie der magnetischen Leitfähigkeit im Rotor die Reluktanzkraft genutzt werden kann, um die Synchronmaschine anzufahren. Hierzu werden die Statorwicklungen über einen Frequenzumrichter mit zu Beginn sehr niedriger Frequenz gespeist, um den Rotor durch die Reluktanzkraft in entsprechende Drehbewegung zu versetzen. Der Rotor richtet sich dabei üblicherweise in der Weise aus, dass eine Richtung, entlang welcher der Rotor einen minimalen magnetischen Widerstand aufweist, etwa entlang des resultierenden Vektors des durch den Strom in den Statorwicklungen bewirkten magnetischen Feldes verläuft. Insbesondere Schenkelpolrotoren weisen im Bereich den Schenkelpole einen geringeren magnetischen Widerstand auf als im Bereich zwischen den Schenkelpolen. Durch eine Änderung der Richtung des Vektors des Magnetfeldes des Stators, welche durch Änderung des Stromes in den Statorwicklungen mittels des Frequenzumformers erreicht wird, kann eine Ausrichtung des Rotors somit geändert und der Rotor in Drehbewegung versetzt werden, welche Drehbewegung mit zunehmender Frequenz des Stromes in den Statorwicklungen schneller wird.

[0013] Ein Pony-Motor bzw. ein Anfahrmotor ist daher zum Anfahren des Phasenschiebers nicht erforderlich und bevorzugt ist auch kein Pony-Motor oder Anfahrmotor vorgesehen.

[0014] Die Frequenz der Spannung der Statorwicklung kann entsprechend erhöht werden, sodass die Frequenz eines durch den Stator erzeugten Drehfeldes ebenfalls ansteigt und den Rotor bis auf Synchrondrehzahl beschleunigt werden kann.

[0015] Die Synchronmaschine kann beispielsweise als dreiphasige Synchronmaschine mit einer Polpaarzahl von 1 oder 2 ausgebildet sein, jedoch ist die Erfindung natürlich nicht auf diese Arten von Synchronmaschinen beschränkt.

[0016] Eine Nennleistung der Synchronmaschine kann beispielsweise mehr als 1 MVA, vorzugsweise mehr als 30 MVA, insbesondere mehr als 100 MVA, betragen.

[0017] Grundsätzlich kann jede Synchronmaschine für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden, welche eine anisotrope magnetische Leitfähigkeit im Rotor aufweist. Besonders bevorzugt wird eine als Schenkelpolmaschine ausgebildete Synchronmaschine eingesetzt, da Schenkelpolmaschinen eine besonders ausgeprägte Anisotropie aufweisen und sich daher sehr gut als Reluktanzmotoren eignen. Bevorzugt wird eine als Innenpolmaschine ausgebildete Schenkelpolmaschine eingesetzt, jedoch kann die Schenkelpolmaschine auch als Außenpolmaschine ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist die Synchronmaschine mit einem Schenkelpolrotor ausgebildet, zumal Schenkelpolrotoren eine vergleichsweise hohe magnetische Anisotropie aufweisen.

[0018] Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Statorwicklung der Synchronmaschine bis zu einer Synchrondrehzahl über einen oder mehrere Frequenzumrichter gespeist und bei Erreichen der Synchrondrehzahl direkt mit dem Netz, insbesondere einem Drehstromnetz, verbunden wird.

[0019] Bei zunehmender Drehzahl wird auch durch die rotierende Erregermaschine ein Strom erzeugt, welcher für ein Erregerfeld des Rotors genutzt werden kann. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass eine Läuferwicklung durch die Erregermaschine ab einer Schwelldrehzahl mit einem Erregerstrom gespeist wird, wobei die Schwelldrehzahl insbesondere 20 % bis 50 % einer Synchrondrehzahl beträgt. Sobald ein entsprechendes Erregerfeld bereitgestellt werden kann, kann ein weiterer Hochlauf wie bei üblichen Phasenschiebern erfolgen, bei welchen ein Erregerfeld über einen Erregerstrom erreicht wird, welcher der Rotorwicklung über Schleifringe zugeführt wird. Es ist daher nicht erforderlich, die Synchronmaschine aus dem Stand bis zur Synchrondrehzahl als Reluktanzmotor zu betreiben, sondern lediglich bis zu der Schwelldrehzahl, ab welcher ein ausreichend starkes Erregerfeld durch die Erregermaschine erzeugt werden kann.

[0020] Die Läuferwicklung des Rotors, welche auch als Erregerwicklung bezeichnet wird, ist starr mit dem Rotor bzw. Läufer der Synchronmaschine verbunden und rotiert somit mit dem Rotor und der Erregermaschine. Es versteht sich, dass üblicherweise auch ein mit der Erregermaschine starr verbundener, mitrotierender Gleichrichter vorgesehen ist, um einen mit der Erregermaschine

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erzeugten Strom gleichzurichten. Die Läuferwicklung wird somit bevorzugt direkt über den Gleichrichter mit der Erregermaschine verbunden.

[0021] Wie bei Phasenschiebermaschinen üblich ist auch bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Phasenschiebermaschine die Höhe des durch die Erregermaschine erzeugten Erregerstromes bevorzugt regelbar. Dadurch kann die durch den Phasenschieber erzeugte oder aufgenommene Blindleistung verändert werden.

[0022] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit kein Anfahrmotor, insbesondere kein Pony-Motor, mehr erforderlich, wodurch sich ein sehr einfacher Aufbau und Betrieb ergibt. Ein aufgrund des fehlenden Pony-Motors freies Ende des Läufers kann beispielsweise genutzt werden, um ein Schwungrad an diesem freien Ende anzubringen.

[0023] Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Phasenschieber der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem ein Frequenzumrichter vorgesehen ist, um die Synchronmaschine für ein Starten als Reluktanzmotor betreiben zu können, wobei der Phasenschieber zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.

[0024] Bevorzugt ist die Synchronmaschine als Schenkelpolmaschine, beispielsweise mit einer Polpaarzahl von 1, 2, 3 oder 4, ausgebildet. Der Stator kann beispielsweise drei Spulen aufweisen, die gleichmäßig um 120 Grad versetzt im Stator angeordnet sind, um bei Verwendung mit einem dreiphasigen Netz ein Drehfeld zu erzeugen.

[0025] Günstig ist es, wenn eine Statorwicklung der Synchronmaschine wahlweise über den Frequenzumrichter oder direkt mit einem Netz verbindbar ist. Hierzu kann beispielsweise ein erster Schalter vorgesehen sein, welcher die Statorwicklung direkt mit dem Netz verbinden kann, wobei parallel zu diesem Schalter ein Frequenzumrichter angeordnet ist, welcher über einen zweiten Schalter zugeschaltet werden kann. Der Frequenzumrichter ist somit in Serie zum zweiten Schalter und die Serienschaltung aus zweitem Schalter und Frequenzumrichter parallel zum ersten Schalter angeordnet, sodass der Statorwicklung wahlweise über den ersten Schalter elektrischer Strom direkt aus dem Netz oder durch Öffnen des ersten Schalters und Schließen des zweiten Schalters über den Frequenzumrichter mit einer vom Netz unabhängigen Frequenz zugeführt werden kann, um den Rotor durch die Reluktanzkraft in Drehbewegung zu versetzen und die Maschine ohne Pony-Motor anfahren zu können.

[0026] Ein Anfahren des Phasenschiebers wird vorzugsweise automatisiert durchgeführt. Es ist daher vorteilhaft, wenn eine Steuerung vorgesehen ist, um bei Erreichen einer Synchrondrehzahl eine direkte Verbindung zwischen Netz und Statorwicklung herzustellen und den Frequenzumrichter automatisiert wegschalten zu können.

[0027] Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Drehzahl des Rotors gemessen wird und bei Erreichen der Synchrondrehzahl der zweite Schalter geöffnet und der erste Schalter geschlossen werden, um die Statorwicklung direkt mit dem Netz zu verbinden und einen Strompfad zur Statorwicklung über den Frequenzumrichter zu unterbrechen.

[0028] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich anhand des nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigt:

[0029] Fig. 1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Phasenschiebers.

[0030] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Phasenschieber in schematischer Darstellung. Wie ersichtlich ist eine Synchronmaschine, welche als Schenkelpolmaschine 1 mit einem Schenkelpolrotor ausgebildet ist, mit einer rotierenden Erregermaschine 3 und einem rotierenden Gleichrichter 2 vorgesehen. Eine Statorwicklung der Synchronmaschine ist mit einem Netz 7 über einen Transformator 8 verbunden. Die Statorwicklung ist dabei mit dem Transformator 8 bzw. dem Netz 7 über einen ersten Schalter 4 verbunden, parallel zu welchem ein zweiter Schalter 5 mit einem in Serie dazu geschalteten Frequenzumformer 6 vorgesehen ist. Der Stator kann somit bei geschlossenem ersten Schalter 4 und geöffnetem zweiten Schalter 5 direkt aus dem Netz 7 und bei geöffnetem ersten Schalter 4 und geschlossenem zweiten Schalter 5 über den Frequenzumfor-

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mer 6 gespeist werden, wodurch ein Betrieb des Phasenschiebers mit variabler, vom Netz 7 unabhängiger Frequenz ermöglicht ist.

[0031] Dadurch kann im Stator auch ein Drehfeld mit niedrigerer Frequenz erzeugt werden, Sodass ein Anfahren der Synchronmaschine ermöglicht ist, wobei die Synchronmaschine als Reluktanzmotor betrieben wird. Bei diesem Betrieb richtet sich der Schenkelpolrotor abhängig von einer magnetischen Vorzugsrichtung entsprechend des resultierenden Magnetfeldes im Stator aus, sodass durch eine Richtungsänderung dieses Statorfeldes eine Rotation des Rotors nur durch die Reluktanzkraft bewirkt werden kann, welche ausreicht, um den Rotor in eine Drehbewegung zu versetzen und zu beschleunigen. Wie bei Phasenschiebermaschinen üblich ist die Höhe des Erregerstromes bevorzugt regelbar, um die Blindleistung verändern zu können, welche durch den Phasenschieber erzeugt wird.

[0032] Ab einer Drehzahl von beispielsweise 20 % bis 50 % der Synchrondrehzahl erzeugt die Erregermaschine 3 üblicherweise, abhängig von Parametern der Erregermaschine 3, bereits genug Strom, um ein relevantes Erregerfeld im Rotor zu erzeugen, sodass das Drehmoment nicht mehr ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt werden muss. Je näher die Drehzahl an der Synchrondrehzahl ist, umso geringer ist der Einfluss der Reluktanzkraft auf das Drehmoment, sodass eine Synchronisierung analog zu einer Synchronmaschine erfolgen kann, welche als Schleifringmaschine ausgebildet ist.

[0033] Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Phasenschiebers und einem erfindungsgemäßen Phasenschieber ist ein Anfahren einer Phasenschiebermaschine auch ohne Pony-Motor möglich. Gleichzeitig werden Schleifringe vermieden, sodass sich eine robuste, mechanisch besonders einfache und gleichzeitig wartungsarme Konstruktion ergibt.

Claims (8)

A ‚hes AT 528 032 B1 2025-09-15 Ss N Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine als Phasenschieber, wobei die Synchronmaschine einen Rotor mit einer anisotropen magnetischen Leitfähigkeit und eine mit dem Rotor verbundene Erregermaschine (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine gestartet wird, indem die Synchronmaschine als Reluktanzmotor betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Schenkelpolmaschine (1) ausgebildete Synchronmaschine eingesetzt wird, insbesondere als Synchronmaschine mit Schenkelpolrotor.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Statorwicklung der Synchronmaschine bis zu einer Synchrondrehzahl über einen oder mehrere Frequenzumrichter gespeist und bei Erreichen der Synchrondrehzahl direkt mit einem Netz (7), insbesondere einem Drehstromnetz, verbunden wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Läuferwicklung durch die Erregermaschine (3) ab einer Schwelldrehzahl mit einem Erregerstrom gespeist wird, wobei die Schwelldrehzahl insbesondere 20 % bis 50 % einer Synchrondrehzahl beträgt.

5. Phasenschieber, aufweisend eine Synchronmaschine, welche einen Rotor mit einer anisotropen magnetischen Leitfähigkeit und eine mit dem Rotor verbundene Erregermaschine (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzumrichter vorgesehen ist, um die Synchronmaschine für ein Starten als Reluktanzmotor betreiben zu können, wobei der Phasenschieber zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 eingerichtet ist.

6. Phasenschieber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine als Schenkelpolmaschine (1) ausgebildet ist.

7. Phasenschieber nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Statorwicklung der Synchronmaschine wahlweise über den Frequenzumrichter oder direkt mit einem Netz (7) verbindbar ist.

8. Phasenschieber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, um bei Erreichen einer Synchrondrehzahl eine direkte Verbindung zwischen Netz (7) und Statorwicklung herzustellen und den Frequenzumrichter wegschalten zu können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen