Erregersystem für eine elektrische Synchronmaschine Unter einem Erregersystem für elektrische Syn- chronmaschinen ist eine Anordnung iu verstehen, bei welcher ein oder mehrere Erregermaschinen, so genannte Haupt- bzw. Hilfserregermaschinen, die Er regerleistung zunächst in Form von Wechselstrom aufbringen.
Der so erzeugte Wechselstrom wird dann entweder über Kommutator oder Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt und in die Erregerwick lung der elektrischen Synchronmaschine eingespeist.
Derartige Erregermaschinen werden im allgemei nen auf der Welle ider Synchronmaschine angeordnet und bedingen somit eine Verlängerung derselben; diese ist jedoch unerwünscht. Man ordnet daher zwecks Verringerung der Baulänge die Erregerma schinen oft nicht auf der Welle direkt an, sondern stellt jene getrennt von der Synchronmaschine auf. Im letzteren Falle muss selbstverständlich zusätzlich ein Antriebsmittel für den Antrieb der Erregerma schinen vorgesehen werden.
Handelt es :sich um einen Synchrongenerator mit senkrechter Welle, wie er z. B. als Wasserkraftgenera- tor angewandt wird, so bereitet gerade hierbei die Anordnung der Erregermaschine auf der Welle be sonders grosse Schwierigkeiten. Abgesehen von der axialen Verlängerung, muss auch darauf geachtet wer den, dass der Kommutator leicht zugänglich ist,
um dieses besonders störanfällige Bauelement leicht und schnell warten zu können. Die Erregermaschinen werden deshalb oberhalb des Synchrongenerators an geordnet, wodurch eine axiale Verlängerung seiner Bauhöhe, unter Umständen um mehrere Meter, notr wendig wird. Das kann auf die Gebäudekosten grossen Einfluss ,haben und bei Cavemen-Kraftwerken be sonders verteuernd wirken.
Ausserdem sind langsam laufende Kommutator-Erregermaschinen relativ teuer und unwirtschaftlich. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Erregersystem für elektrische Synchronmaschinen vorzusehen, wel ches gegenüber den bekannten Anordnungen eine wesentlich geringere Wartung benötigt und ausserdem eine Verkürzung der axialen Baulänge gestattet.
Gegenstand der Erfindung ist ein Erregersystem für eine elektrische Synchronmaschine, bei welcher als Haupt- und/oder Hilfserregermaschine Wechsel stromerzeuger vorgesehen sind, die über ruhende Gleichrichter die Erregerwicklungen der Synchron maschinen mit Gleichstrom speisen. Erfindungsge mäss sind als Wechselstromerzeuger-Erregermaschi- nen Maschinen mit umlaufenden Wechselpolen und feststehenden Arbeits- .und Erregerwicklungen vorge sehen.
Diese Maschinen können als elektrische Syn chronmaschinen ausgebildet sein, bei welchen die ungleichnamigen Pole (Wechselpole) des Polrades praktisch keine ferromagnetische Verbindung mitein- ander haben und @so angeordnet sind, dass der Magnet fluss eines feststehenden Elektro- oder Permanent magneten über einen Luftspalt in gleichnamige Pole übertritt,
von diesen über den mit dem Magneten fest verbundenen induzierten Teil in die Gegenpole und aus diesen über einen weiteren Luftspalt wieder in den Magneten übertritt. Das Polrad kann zwei mit Polansätzen versehene koaxiale ferromagnetische Scheiben besitzen, wobei die Polansätze unter Ein haltung eines Abstandes ineinander verschachtelt sind und der induzierte Teil den Polansätzen und die Pole des erregenden,
mit dem induzierten Teil fest ver bundenen Magnets den ferromagnetischen Scheiben, unter Einhaltung eines Luftspaltes, gegenüberstehen.
Speist man beispielsweise aus der induzierten Wicklung einer derartigen Erregermaschine über Gleichrichter, insbesondere Trockengleichrichter, die elektrische Synchronmaschine, dann hat man einen Gleichstromerzeuger ohne Kommutatoranordnung vor sich. Speist man aus der genannten induzierten Wicklung die eigene Erregerwicklung der Erreger maschine, dann erhält man eine selbsterregte elek trische Maschine, die z. B. als Hilfserregermaschine bei den genannten Synchronmaschinen Verwendung finden kann.
Man kann natürlich die Hilfserreger maschine ,auch durch ein ruhendes Erregergerät be kannter Bauart erregen.
Dabei hat die Hilfserregermaschine den Vorteil gegenüber den bekannten derartigen Maschinen der üblichen Gleichstrombauart, dass ihr Durchmesser gegenüber der Eisenlänge wesentlich kleiner und die Ankerlänge wegen des Fortfalls des Kommutators sehr viel kürzer ist. Da ausserdem die Wellen grösserer Synchronmaschinen nie völlig zentrisch laufen, ent weder weil sie sich verziehen oder weil die Lager spiele naturgemäss absolut grösser sind als bei klei neren Maschinen, werden die Bürsten der Hilfs- erregermaschine nicht immer ,satt am rotierenden Kommutator anliegen (tanzen).
Hierdurch werden sehr leicht unerwünschte und schädliche Energiepen- delung;.n der ganzen Maschinenanlage angeregt.
Ausserdem ist die Anordnung derart ausgebildeter Erregermaschinen auch an nicht leicht zugänglichen Stellen möglich, da sie als wartungsfrei anzusehen sind. Dagegen können z. B. bekannte Gleichstrom erregermaschinen wegen der Bürstenwartung nur an leicht zugänglichen Stellen angeordnet werden.
Da die erwähnten Erregermaschinen im allge meinen mit einer Ringspule ausgerüstet werden kön nen, ist die aufzubringende Erregerleistung relativ kleiner, anderseits der Verstärkungsgrad relativ grö sser als bei bekannten Gleichstromerregermaschinen.
Das gleiche, was bis jetzt für die Hilfserreger- maschinen angegeben wurde, trifft auch für die Haupterregermaschine zu. Darüber hinaus lassen :sich beide Maschinen in einer Weiterbildung des Gegen standes der Erfindung z. B. sehr einfach konzentrisch zueinander anordnen. Ein noch kleinerer Raumbe darf hierfür ist die Folge.
In der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben.
Fig. 1 und 2 zeigen schematisch die Anordnung der feststehenden Wicklungen und des Polrades einer elektrischen Maschine mit Wechselpolen, wie sie bei dem erfindungsgemässen Erregersystem verwendet wird.
Fig. 3 und 4 geben eine andere Ausbildung der Wechselpolmaschine an.
Fig. 5 zeigt die Anordnung eines erfindungs gemäss ausgebildeten Erregersystems an einem Was serkraftgenerator und Fig. 6 eine Doppel-Erregermaschine axial neben einander angeordnet, ähnlich wie in Fig. 3, jedoch mit zwei getrennten Statoren.
In Fig. 1 ist aufgezeigt, wie zwischen dien Polen des Erregerteiles 1 das Polrad 2 mit den Wechsel polen 3 um die Achse 4 rotiert. Radial ausserhalb des Polrades 2 ist, ebenfalls feststehend, der indu- zierte Teil 5 angeordnet und mit idcn Wicklungen 45 versehen.
In Fig. 2 ist eine Abwicklung des Kranzes des Polrades 2 dargestellt, um die Anordnung der Wech selpole 3 zu veranschaulichen. Diese sind mit den ihnen zugeordneten Mänteln 46 jeweils fest verbun den und werden bei Erregung des Magnetflusses mit wechselnder Polarität magnetisiert.
Der Gang des Magnetflusses sei nun im Zusam menhang mit den Fig. 1 und 2 erläutert: Der Magnet fluss tritt von dem Erregerteil 1 über Luftspalte in die Mäntel 46 des Polrades 2 über und von deren Wechselpolen 3 über einen weiteren Luftspalt dann in den induzierten Teil 5. In den Wicklungen 45 wird die Sekundärspannung induziert.
Aus Festigkeitsgründen wird in einer Weiterbil dung des Gegenstandes der Erfindung der Zwischen raum 47 - hier mäanderförmig - mit unmagne- tischem Material ausgefüllt, wodurch das Polrad 2 zu einem geschlossenen Bauelement verbunden wird. Die in dem Erregerteil 1 induzierte Spannung ist zunächst .eine Wechselspannung. Sie muss über Gleichrichter - diese in bekannten Ausführungen der Erregerwicklung der .elektrischen Synchronma schine zugeführt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erre germaschine wird z. B. dadurch erreicht, dass der Magnetkern 6 (s. Fig. 3 und 4) und die Erreger wicklung 7 kreisringförmig ausgebildet und konzen trisch zur Drehachse 8 des Läufers 9 stirnseitig be festigt :sind, wobei gleichnamige Pole 10, 11 des Läufers 9 durch ferromagnetische Ringe 12 mit einander verbunden sind. Der Magnetkern 6 ist da bei zusammen mit dem induzierten Teil 13 im Ge häuse 14 befestigt. In diesem Falle hat der Magnet fluss folgenden Weg: Magnetkern 6, Luftspalt, ferro- magnetische Ringe 12, Pole 10 oder 11, weiterer Luftspalt, induzierter Teil 13, Pole 11 oder 10.
Die Fig. 3 -und 4 geben dabei als Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung eine Verdopplung des Magnetsystems an, wobei der mittlere ferro- magnetische Ring 12 des Polsystems gleichnamige Pole beider Systeme gemeinsam trägt.
Selbstverständlich kann man mehrere derartige Anordnungen parallel oder in Reihe (sowohl elek trisch als auch mechanisch) schalten und damit eine wesentliche Vergrösserung des elektrischen Verstär kungsfaktors der Erreger-Anordnung bewirken.
Nach Fig. 5 ist auf der Hauptwelle 15 das Pol rad 16 mit den Erregerwicklungen 17 einer elektri schen Synchronmaschine angeordnet. Die Erreger wicklungen 17 befinden sich auf den umlaufenden Polen 18, von welchen der Magnetfluss über den Luftspalt 19 in den Ständer 20 übertritt.
Die Erregerleistung selbst wird durch die Hilfs- erregermaschine 21 und die Haupterregermaschine 22 aufgebracht; bei beiden sind deren Erregerwick lung 23, 30 feststehend und fest mit dem unteren Tragstern 24 verbunden. Der von der Erregerwick lung 23 erzeugte magnetische Fluss tritt über den ebenfalls feststehenden Kern 25 und einen Luftspalt stirnseitig in die gleichnamigen Wechselpole 26 über, von diesen über einen weiteren Luftspalt in den induzierten Teil 27 und von dort über einen Luft spalt in die ungleichnamigen Pole 26, das Polrad 16, einen Luftspalt und,den Ring 28 zum Ausgangspunkt zurück, womit der magnetische Kreis geschlossen ist.
Die in dem induzierten Teil 27 erzeugte Erregerlei stung wird über Gleichrichter 29 gleichgerichtet und der Erregerwicklung 23 direkt zugeführt, wodurch :die Hilfserregermaschine zur selbsterregten Erregerma schine wird.
Ein grösserer Teil der in der induzierten Wick lung 27,erzeugten Erregerleistung wird ebenfalls nach Gleichrichtung in den Gleichrichtern 29 in die Erre gerwicklung 30 der Haupterregermaschine 22 einge speist, wobei die Grösse dieser Leistung über Iden Widerstand 31 geregelt werden kann. Der Magnet fluss, der von dieser Erregerwicklung 30 erregt wird, beschreibt einen ähnlichen Weg wie der in der Hilfs- erregermaschine 21.
Er tritt nämlich über einen Luft spalt in die einen Wechselpole 33 und von diesen über einen weiteren Luftspalt in den induzierten Teil 34 über und schliesst sich über die anderen Wechselpole 33, das Polrad 16 und den Ring 28.
Die in dem inducerten Teil 34 :erzeugte Leistung wird über einen weiteren Gleichrichtersatz 35 gleich gerichtet und von diesem über Schleifringe 36 der Erregerwicklung 17 der elektrischen Synchronma schine zugeführt.
In der Haupterregermaschine 22 und in der Hilfs- erregermaschine 21 sind die stromführenden Teile feststehend ausgebildet, während die - nicht strom führenden - Wechselpole 26, 33 zwischen idiesen und gemeinsam mit dem Polrad 16 rotieren. Wegen des Feststehens der stromführenden Teile können in; einfacher Weise und ohne Bürsten usw. die Zu- und Abführungen zu den Gleichrichtern 29, 35 gestaltet werden, wobei letztere ebenfalls in erwünschter Weise ruhen und somit nicht der Fliehkraft ausgesetzt sind.
Da eine Wartung derartiger Erregermaschinen wegen des Fehlens von Kommutatoren und Bürsten nicht erforderlich ist, ,können sie unterhalb des Pol rades einer .elektrischen Synchromnaschine mit senk rechter Welle an einer Stelle angeordnet werden, die einerseits schwer zugänglich ist, anderseits aber bei bekannten Ausführungen bislang räumlich umausge nutzt war.
Eine wesentliche Verkürzung unter Um ständen von mehreren Metern, der axialen Baulänge einer derartigen Synchronmaschine ist möglich, zu mal, wenn man Haupt- bzw. Hilfserregermaschine so anordnet, wie .in Fig. 5 angegeben ist, nämlich einerseits als Aussen- anderseits als Innenpolmaschine und konzentrisch zueinander. Bei elektrischen Syn chronmaschinen mit waagrechter Welle ergibt (sich ebenfalls eine wesentlich kürzere Baulänge.
In Fig. 6 ist eine Doppel-Erregermaschine ange geben, wobei die beiden einzelnen Erregermaschinen axial nebeneinander angeordnet sind. Die Erreger spulen 37, 38 befinden sich radial und konzentrisch innerhalb des doppelten Polsystems 39, dieses wieder um konzentrisch und radial innerhalb des doppelten induzierten Systems 40, 41. Die Erregerspulen 37, 38 und das induzierte System 40, 41 sind gemeinsam mit der Halterung 42 verbunden und feststehend aus- gebildet, wobei diese entsprechend Fig. 5 z.
B. den unteren Tragstern des Führungslagers eines senkrecht stehenden Wasserkraftgenerators darstellen kann. Das doppelte Polsystem 39 wiederum ist fest mit dem rotierenden Teil 43 verbunden, welches z. B. - ent sprechend Fig. 5 - ein Polrad eines Wasserkraftgene- rators sein kann.
Bildet man die Erregermaschinen nicht als Haupt und Hilfserregermaschinen aus, sondern als eine Doppel-Hilfserregermaschine mit also (siehe Fig. 6) zwei Erregerspulen 37, 38, @so kann man, in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung, die von deren induzierten Teile 40, 41 ausgehende Lei stung über Gleichrichter in die Erregerwicklung einer Haupterregermaschine einspeisen,
und zwar Bleich- oder gegensinnig durch an sich bekannte Schalt- und Regelmittel. Man hat damit idie Mittel zu einer sehr wirksamen Stoss- oder Gegen-Erregung mit be sonders hohem Verstärkungsgrad zur Verfügung.
Es :kann aber auch die Anordnung so getroffen werden, dass Haupt- oder Hilfserregermaschine zwei am Statorumfang verteilte Arbeitswicklungen tragen, jedoch nur mit einer Erregerspule ausgebildet sind. In diesem Falle müssen die von den Arbeitswick lungen der Erregermaschine abgegebenen Leistun gen über gleichstromvormagnetisierte Drosselspulen (Transduktoren) in an sich bekannter und daher nicht weiter erläuterter Weise geregelt werden. Dieses Ver fahren ist besonders dann mit Vorteil anwendbar, wenn die Erregermaschine eine Mittelfrequenzma- sclüne ist.