Selbstanlaufende Synchronmaschine Gasturbinen. können bekanntlich von sich aus nicht aus dem Stillstand anlaufen, sondern müssen durch fremde Krafteinwirkung auf eine bestimmte Drehzahl gebracht werden, bevor sie ein eigenes Drehmoment entwickeln.
Bei den bekannten Bauarten erfolgt die Zündung der Gasturbine bei einer Drehzahl, die etwa 20 % der Nenndrehzahl entspricht. Ein Drehmoment, das zur weiteren Beschleunigung ausreicht, kann die Gastur bine jedoch erst entwickeln, nachdem sie nahezu auf die halbe Nenndrehzahl gebracht worden ist. Zum Anwerfen der Gasturbine bis etwa auf die halbe Nenndrehzahl wird üblicherweise ein besonderer An wurfmotor vorgesehen.
Sofern elektrische Energie zur Verfügung steht, wird dazu im allgemeinen ein Elek tromotor synchroner Bauart verwendet. Ein solcher Anwurfmotor vergrössert - abgesehen von den Ko sten - die Baulänge der Maschine in unerwünschter Weise und hat ausserdem den Nachteil, dass er im Betrieb dauernd leer mitlaufen muss. Dient die Gas turbine zum Antrieb eines Drehstromsynchrongenera- tors, so besteht die Möglichkeit, diesen als Anwurf motor zu benutzen., indem er in bekannter Weise über einen Anlasstransformator an ein unter Spannung ste hendes Drehstromnetz angeschlossen wird, so dass er asynchron anläuft.
An sich könnte das Anlassen des Synchrongenerators auch mit Hilfe des bekannten, so genannten Teilwicklungsanlaufes erfolgen, jedoch scheidet eine derartige Massnahme aus leicht ersicht lichen Gründen aus, wenn die Synchronmaschine wie üblich zweipolig ausgeführt ist. Das asynchrone An lassen von Turbogeneratoren mit den erwähnten Mit teln ist nur bei Maschinen unterhalb einer gewissen Leistungsgrenze möglich.
Bekanntlich entsteht beim asynchronen Anlauf einer Drehfeldmaschine im Rotor eine Verlustarbeit, welche bei Erreichung der synchronen Drehzahl die gleiche Grösse hat wie die kinetische Energie der ro tierenden Massen bei der jeweils erreichten Drehzahl.
In der Fig. 1 sind über der Drehzahl die beiden Dreiecke OAC und OBC dargestellt. Die Fläche des Dreieckes OAC entspricht der kinetischen Energie der rotierenden Masse bei synchroner Drehzahl. Die Fläche des Dreieckes OBC gibt die bis zur Erreichung dieser Drehzahl im Läufer entstandene Verlustarbeit an.
Bei einer Drehzahl n, entspricht die im Rotor gespeicherte kinetische Energie dem Dreieck<I>ODE,</I> während die beim Anlauf aus dem Stillstand bis zur Drehzahl n, entstandenen Läuferverluste der Fläche OEFB proportional sind.
Wenn beispielsweise eine zweipolige Synchron- maschine für 50 Hz bis zur halben synchronen Dreh zahl, das heisst bis zu 1500 Umdr./Min. hochlaufen lässt, so beträgt, wie die Fig. 2 zeigt, die Verlustwärme im Läufer das Dreifache der kinetischen Energie, die bei dieser Drehzahl im Läufer enthalten ist, da das Dreieck<I>OGH</I> nur ein Drittel der Fläche des Vier ecks OHJB hat.
Mit zunehmender Maschinenleistung bereitet die im Läufer entstehende Verlustwärme erhebliche Schwierigkeiten. Wegen der bekannten Verdrängung der Läuferströme an die Oberfläche des Läufers ent stehen die Verluste in einer verhältnismässig dünnen Schicht des Läufereisens und der gewöhnlich unter den Keilen der Läuferwicklung liegenden Dämpfer wicklung. Die während eines Anlaufes entstehende Läufertemperatur ist daher vornehmlich durch die Wärmekapazität dieser Oberflächenschicht bestimmt. Da die Dicke der stromführenden Oberflächenschicht weitgehend unabhängig vom Läuferdurchmesser ist, wächst ihre Wärmekapazität nur etwa linear mit dem Läuferdurchmesser.
Das Trägheitsmoment des Läu fers und damit die in diesem zu speichernde kine tische Energie. steigt dagegen mit der vierten Potenz des Durchmessers an. Wie sich gezeigt hat, ist aus diesen Gründen der asynchrone Anlauf von Turbo läufern nur bei Maschinen mit einer Leistung bis zu etwa 6000 kW möglich, sofern die während des An laufes entstehende Temperatur der Dämpferwicklung in zulässigen Grenzen bleiben soll.
Daraus folgt, dass bei grösseren Leistungen, wie sie beispielsweise bei durch Gasturbinen angetriebe nen Maschinen vorkommen, der Selbstanlauf mittels Anlasstransformators grundsätzlich nicht mehr mög lich ist. Nach dem bisherigen Stand der Technik bleibt daher bei grösseren Maschinenleistungen nur der An wurf mit Hilfe eines Anwurfmotors mit den erwähn ten Nachteilen übrig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei grossen zweipoligen, durch eine Gasturbine ange triebenen Turbogeneratoren synchroner Bauart einen besonderen Anwurfmotor zu vermeiden, das heisst einen Selbstanlauf auf etwa die halbe Nenndrehzahl zu ermöglichen. Die Erfindung sieht dazu eine beson dere, nur während des Anlaufes einzuschalten be stimmte Anlaufwicklung im Ständer der Maschine vor, die eine grössere, insbesondere die doppelte Pol zahl und eine grössere Windungszahl aufweist als die Betriebswicklung. Bei Asynchronmotoren mit Kurz schlussläufer ist es bekannt, für den Anlauf eine ent sprechende Wicklung im Ständer vorzusehen, die den Zweck hat, den Anlaufstrom des Motors herabzuset zen.
Sie gestattet auch bei solchen Motoren, diese bis auf einen Teil, beispielsweise die Hälfte der Nenn drehzahl, zu beschleunigen. Zur weiteren Erhöhung der Drehzahl muss dann die Betriebswicklung einge schaltet werden. Dabei entsteht aber doch wieder ein hoher Stromstoss, der nur wenig kleiner ist als der jenige, der bei Einschaltung der Betriebswicklung bei stillstehendem Motor entstehen würde. Bei grossen Asynchronmotoren bringt daher die Verwendung einer besonderen Anlaufwicklung der genannten Art in bezug auf die Verringerung des Anlaufstromes kei nen wesentlichen Vorteil. Sie konnte sich daher in der Praxis nicht durchsetzen.
Wesentlich anders liegen aber die Verhältnisse, wenn es sich darum handelt, einen Synchrongenerator mit Gasturbinenantrieb auf etwa die halbe Nenndreh zahl zu bringen. Da hier die weitere Beschleunigung auf die volle Drehzahl durch die Gasturbine bewirkt werden kann, kann die Einschaltung der Betriebs wicklung erst nach Erreichung der vollen Drehzahl der Maschine in der üblichen Weise vorgenommen werden. Die erfindungsgemässe Anordnung einer An laufwicklung der erwähnten Art bringt daher bei sol chen Synchronmaschinen tatsächlich einen erhebli chen Vorteil. Einmal wird ein Anlassen des Aggre gates ohne besonderen Anwurfmotor bei mässiger Stromaufnahme ermöglicht.
Anderseits kann die wäh rend des Anlaufes im Läufer entstehende Wärme auch bei sehr grossen Maschinen genügend klein ge halten werden.
Die gegenüber der Betriebswicklung höhere Win- dungszahl der Anlaufwicklung wird zweckmässig so gewählt, dass beim Einschalten der Maschine mit vol ler Netzspannung das Drehmoment während des An laufes gerade dem zur Einhaltung der gewünschten Anlaufbedingungen erforderlichen Wert entspricht. Der Anlaufstrom ist dabei entsprechend klein.
Im allgemeinen soll der Anlauf eines Gasturbinen aggregates nicht allzu schnell vor sich gehen, damit genügend Zeit vorhanden ist, um bei etwa<I>209/o</I> der Nenndrehzahl den Zündvorgang der Turbine in der Brennkammer einzuleiten. Um dies sicherzustellen, kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfin dung die Anlaufwicklung für einen sogenannten Stern-Dreieck-Anlauf eingerichtet sein.
Die Win- dungszahl kann dabei so gewählt werden, dass bei Sternschaltung der Anlaufwicklung der Drehzahl bereich in der Nähe von 20 9/o der vollen Drehzahl des Aggregates sehr langsam durchlaufen wird, oder dass der Anlauf bei dieser Drehzahl hängenbleibt und die weitere Beschleunigung der Maschine erst in der Dreieckschaltung stattfindet. Durch diese Mass nahme ist es möglich, den Anlaufvorgang an die wegen der Gasturbine zu stellenden Forderungen weitgehend anzupassen. Im allgemeinen wird dabei ein besonderer Anlasstransformator nicht erforderlich sein, obwohl ein solcher im Bedarfsfalle auch zu Hilfe genommen werden kann.
Da die Anlaufwicklung nach der Erfindung nur während des Anlaufes - also kurzzeitig - einge schaltet wird, kann ihre Stromdichte sehr hoch ge wählt werden;. Der Leiterquerschnitt wird daher zweckmässig so klein bemessen, dass die Wärmekapa zität der Anlaufwicklung gerade ausreicht, um die zulässige Grenztemperatur während des Anlaufes ein zuhalten. Der für die Anlaufwicklung erforderliche zusätzliche Materialaufwand kann daher klein gehal ten werden.
Die Anlaufwicklung kann grundsätzlich innerhalb des Stators in beliebiger Weise angeordnet sein. Zweckmässig wird man sie in den gleichen Nuten unterbringen wie die Betriebswicklung, und zwar ent weder über der Betriebswicklung, das heisst nahe der Nutöffnung, oder am Nutengrund unter der Betriebs wicklung. Bei der erstgenannten Anordnung lässt sich gewöhnlich bei gleichem Drehmoment ein kleinerer Anlaufstrom erreichen als bei der letztgenannten Aus führung. Wicklungstechnische Gesichtspunkte können jedoch unter Umständen die Anordnung der Anlauf wicklung am Nutengrund vorteilhafter erscheinen lassen.
Die Fig. 3 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel einen Schnitt durch die Nut einer mit einer erfin dungsgemässen Anlaufwicklung ausgerüsteten Ma schine. Mit 1 ist die Betriebswicklung bezeichnet, die zum Beispiel aus einem verkreuzten Stab (Roebel- stab) bestehen kann. Mit 2 ist die Anlaufwicklung be zeichnet, die im Beispiel zwei Roebelstäbe je Nut enthält und somit eine grössere Windungszahl als die Betriebswicklung 1 aufweist.
Die Fig. 4 zeigt eine ähnliche beispielsweise An ordnung, bei der jedoch im Gegensatz zu der Fig. 3 die hier aus vier Leiter je Nut bestehende Anlauf wicklung 2 über der Betriebswicklung 1 angeordnet ist.
In der Fig. 5 ist das Wicklungsschema für einen Phasenstrang einer Wicklungsanordnung nach der Er findung dargestellt. Die an den Klemmen U1 und X2 liegende Wicklung ist die Arbeitswicklung, während die Anlaufwicklung mit den Klemmen U2 und X2 verbunden ist.
In der Fig. 6 ist beispielsweise eine für die Erfin dung gesetzmässige Schalteinrichtung zum Anlassen eines Turbogenerators dargestellt. Der Generator 3 ist einerseits mit der Gasturbine 4 und dem dazugehöri gen Kompressor 5 und anderseits mit der Erreger maschine 6 gekuppelt. Vor dem Anlauf wird die An laufwicklung 2 durch den Umschalter 10 in Stern geschaltet und durch Einlegen des Schalters 7 mit dem Leistungsschalter 8 verbunden, während der Schalter 9 geöffnet bleibt.
Der Anlauf des Aggregates geht wie folgt vor sich: Nach Einlegen des Schalters 8 läuft die Maschine an und durchläuft langsam den Drehzahlbereich in der Nähe von 2011/o der Nenndrehzahl oder behält eine entsprechende Drehzahl bei; dabei erfolgt die Zündung in der Brennkammer der Gasturbine. Nun wird nach COffnung des Leistungsschalters 8 der Schal ter 10 umgelegt und der Schalter 8 wieder geschlos sen. Durch die damit in der Dreieckschaltung be schriebene Anlaufwicklung beschleunigt sich die Ma schine weiter, bis bei Erreichung etwa der halben Nenndrehzahl die Gasturbine Leistung abgibt.
Ist die ser Zustand erreicht, so wird der Leistungsschalter 8 wieder ausgeschaltet und nach Öffnung des Schalters 7 und Schliessen des Schalters 9 sowie Einschaltung der Erregung der Synchronmaschine durch die Erre germaschine 6 unter den üblichen Synchronisierungs- massnahmen wieder geschlossen, wenn das Aggregat durch die Gasturbine auf die synchrone Drehzahl ge bracht ist. Um das während des Anlaufes erzeugte Drehmoment nachträglich ändern zu können, kann es zweckmässig sein, die Anlaufwicklung mit einigen Anzapfungen zu versehen.
Wenn die Zündung der Gasturbine etwa aus be sonderen Gründen bei einer höheren Drehzahl erfol- gen soll als bisher angenommen wurde, so kann es zweckmässig sein, die Anlaufwicklung eines zweipoli gen Generators beispielsweise sechspolig auszuführen. Die Beschleunigung von der damit erreichbaren Dreh zahl bis zu derjenigen Drehzahl, bei der die Gastur bine Leistung abgibt, kann dabei - da es sich nur um ein verhältnismässig kleines Drehzahlintervall han- delt-ohne Gefährdung des Läufers durch zu hohe Temperaturen mit Hilfe der Betriebswicklung bewirkt werden,
die dabei gegebenenfalls über einen Anlass- transformator oder in Reihenschaltung von betriebs mässig parallel geschalteten Wicklungszweigen ans Netz geschaltet werden kann. Auch eine Stern-Drei- eck-Umschaltung der Betriebswicklung kann hierbei angewendet werden. Es ist auch möglich, die An laufwicklung in bekannter Weise polumschaltbar aus zuführen.