Zum Umlaufen und zum Vbertragen elektrischer Leistung bestimmte, einen Gleichrichter aufweisende Anordnung
Bei elektrischen Systemen mit rotierenden Teilen sind vielfach Schutzeinrichtungen gegen Überla- stun, g un, d Kurzschlnlss für die mit umlaufenden elektrischen Stromkreise wünschenswert. Die Wirksamkeit der Schutzeinrichtung wäre vermindert, wenn man diese ausserhalb der umlaufenden Teile festste hend anbringen wollte. Aus Sicherheitsgründen lässt man sie vielmehr mit umlaufen und kann z. B. die Schutzeinrichtungen mit Vorteil auf dem gleichen rotierenden Teil anbringen, auf dem sich die Stromkreise befinden. Hiervon wird insbesondere bei bürstenlosen Wechselstrom-Synchronmaschinen mit Erfolg Gebrauch gemacht.
Die Entwicklung der bürstenlosen Wechselstrom- Synchronmaschine ist erst möglich geworlden,, als man die Gleichrichter auf der rotierenden Welle der Machine anbrachte. Bei solchen Maschinen liegt die Wechselstrom-Erreg ; ermaschine auf derselben Welle wie die Feldwicklung der Hauptmaschine.
Ein mitro tierender Gleichrichtersatz befindet sich ebenfalls auf derselben Welle, um den in der Erregermaschine er zeugten Wechselstrom gleichzurichten, bevor er die Feldwicklung speist. So erhält man eine Wechsel- strommaschine, bei der kein Kommutator und keine Schleifringe oder Bürsten erforderlich sind, wie es bei den konventionellen Wechselstrom-Syndronmaschi- nen der Fall ist.
Bei einigen bürstenlosen Wechselstrom-Synchronmaschinen, wie z. B. den Turbogeneratoren, ist ein kontinuierlicher Betrieb unbedingt erforderlich. Daher müssen gerade diese mit Schutzein- richtungen für die Gleichrichtersätze versehen sein.
Der Ausfall eines oder mehrerer Gleichrichterelemente hat eine Minderung der Erregung des Turbogenerators zur Folge. Daher ist eine Schutzeinrich- tung erforderlich, um jedes Element oder jede Phase abzuschalten, in der ein Fehler aufgetreten ist. Bei Ausfall einiger defekter Elemente würde die Erregung im Turbogenerator noch aufrecht erhalten bleiben. Sollte jedoch eine grosse Anzahl Gleichrichter- elemente ausgefallen sein, dann muss eine schnell und einfach wirkende Vorrichtung verfügbar sein, um, die Zahl der unbrauchbaren Gleichrichterelemente festzustellen. Man würde so bestimmen können, ob die Machine bis zur nächsten planmässigen Inspektion in Betrieb bleiben kann oder ob sie sofort abgeschaltet wenden muss, bevor die Erregung völlig zusam menbricht.
Eine rotierende Schutzeinrichtung, die unmittelbar auf der Welle der Wechselstrom-Synchronmaschine montiert ist, muss den hohen Zentrifug, alkräften widerstehen können, die bei den grossen Umdrehungsgeschwindigkeiten auftreten. Man muss z. B. mit 3000 bzw. 3600 U. p. M. rechnen. Gleichzeitig muss ein leichtes Auswechseln der verbrauchten oder durchgebrannten Sicherungselemente gewährleistet sein, durch die Gleichrichtenelemen, te aus dem Stromkreis ausgeschaltet worden sind. Dabei ist eine optische Uberprüfung der Sicherungselemente wünschenswert, um festzustellen, wie weit sie noch funk tionsfähig sind.
Auf diese Weise lässt sich dann Lage und Zahl der im Erregerkreis ausgefallenen Gleich richterelemente bestimmen.
Im Hauptpatent ist beschrieben, wie, bei Vorhandensein von Schutzelementen an. einem umlaufenden Teil diese anzubringen sind, dass ihr Betriebszustand bei laufender Maschine von, aussen her erkennbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass Patentanspruch des Hauptpatentes umschriebenen Anordnungen dar.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Halterungen für die Schutzelemente radial zur umlaufenden Welle angeordnet sind. Dies hat den Zweck, dass die Möglichfkeit eines Bruches infolge mechanischer Beanspruchung, z. B. durch Fliehkräfte, vermindert wird. Weiterhin ermöglicht die Erfindung eine verbesserte Beèstigung z. B. von Schmelzsicherungen und vor allem eine Verbesserung hinsichtlich der Erkennbarkeit ihres Betriebszu- standes von aussen her, wobei die Zentrifugalkräfte sogar ausgenutzt werden können, um eine besondere Vorrichtung zur Anzeige des Betriebszustandes in eine die Erkennbarkeit erleichternde Lage zu brin ; gen.
Dadurch wird dem Bedienungspersonal ungehinderter Einblick auf die Anzeigevorrichtung er möglicht.
Anhand der Zeichnung soll, die Erfind : ng näher erläutert werden. Die Figuren zeigen, Ausfiihrungs. beispiele der Erfindung in ihren wesentlichen Teilen,.
Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht eines Turbogenerators mit Erregermaschine, der als Beispiel für ein rotierendes System im Sinne der Erfindung gewählt wurde.
Fig. 2 zeigt schematisch ein elektrisches Schaltbild des Systems, das in Fig. 1 dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1, der einen Teil des die Sicherungen tragenden
Rades zeigt.
Fig. 4 zeigt einen Teil des die Sicherungen tragenden Rades mit den elektrischen Verbindungslei- tungen vor der Montage auf die Welle.
Fig. 5 stellt einen Ausschnitt aus Fig. 4 dar und dient zur besseren Verdeutlichung der Lagerung der Sicherungselemente.
Fig. 6 stellt einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5 dar.
Fig. 7 stellt eine Draufsicht dar des zur Befesti- gung des äusseren Endstückes der Schmerzsicherung g dienenden Kontaktstückes aus elektrisch leitendem Material.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch das Kontaktstück von Fig. 7 längs der Linie VIII-VIII.
Fig. 9 stellt die Seitenansicht des in den Figuren 7 und 8 gezeigten Kontaktstückes dar.
Fig. 10 zeigt die Seitenansicht der Schmelzsicherung.
Fig. 11 stellt den Grundriss der Schmelzsicherung von Fig. 10 dar.
Fig. 12 zeigt die Draufsicht der Schmelzsiche- rung.
Fig. 13 und 14 zeigt die Anzeigevorrichtung in Anzeigestellung, die sie einnimmt, wenn die Sicherung durchgebrannt ist.
Fig. 15 stellt einen Längsschnitt durch die Schmelzsicherung gemäss Fig. 10-12 dar.
Fig. 16 zeigt einen Schnitt längs der Linie XVI-XVI in Fig. 15.
Fig. 17 zeigt einen Schnitt ähnlich wie in Fig. 16, jedoch verdeutlicht sie die Raaktionskräfte, die an den enden des Sicherungselemenbes und an den Nietstellen infolge der Belastung durch die Schmelzverbindung auftreten.
Die in den Zeichnungen dargestellte Ausfüh- rungsform der Erfindung ist. ein typisches System, wie e es zur Erregung eines bürstenlosen Wechselstrom- Turbogenerators üblich ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Turbogeneratoren beschränkt, sondern sie lässt sich bei jeder bürstenlosen Synchronmaschine oder, allgemeiner gesagt, bei jedem rotierenden elek trischen System anwenden, bei dem Sicherungen auf dem rotierenden Teil anzubringen sind.
In Fig. 1 bedeuten 1 einen Turbogenerator und 2 eine Wechselstromerregermaschine. Beide haben eine gemeinsame Welle 3, an die auch noch eine Antriebs turbine, die im Bild nicht dargestellt ist, angeschlos sen wird. Ausserdem sitzen auf der Welle 3 noch ein
Tragkörper mit der Gleichrichteranordnung 4 und ein die Sicherungen tragendes Rad 5.
Wie in Fig. 2 gezeigt wird, hat der Turbogenerator 1 eine mit Gleichstrom gespeiste, umlaufend e Feldwicklung 6 und eine Dreiphasen-Ständerwicklung 7. Die Wechselstrom-Erregermaschine 2 hat eine Dreiphasenwicklung 8 im Läufer und eine mit Gleichstrom gespeiste Standerwicklung 9. Die Gleichstromerregung der Ständerwicklung 9 der Erregermaschine 2 kann durch bekannte, hier nicht gezeigte Mittel, wie eine angebaute Maschine mit Per manentmagneben erzeugt werden.
Die umlaufende Gleichrichteranondnung in Drei- phasenschaltung 4 enthält eine Vielzahl von Gleichrichterelementen 10 und dient zur Gleichrichtun, des der Dreiphasenwicklung 8 entnommenen Wechsel- stromes, der die Gleichstrom-Feldwicklung 6 speist.
Jede andere Gleichrichterschaltung lässt sich natürlich auch verwenden. Ebenso lassen sich bei dieser Erfindung alle Arten von Gleichrichtern in der Gleichrichtenanordnung 4 verwenden. Dieser Aufbau vervollständigt die bekannten Anordnungen biirsten- loser Synchronmaschinen.
Wie schon erwähnt, ist eine Schutzeinnichtung, wie z. B. Schmelzsicherungen, nötig oder sehr wünschenswert, da einige der Gleichrichterelemente 10 überlastet oder schadhaft werden können. Das hat einen Ausfall des betreffenden Gleichrichterelementes 10 im Erregerkreis zur Folge, so dass die übrigen Gleichrichterelemente 10 die Gesamtlast zu überneh- men haben. Im allgemeinen sind zwei oder mehr Gleichrichter 10 parallel geschaltet, so dass bei Ausfall eines oder einer begrenzten Anzahl Gleichrichterelemente 10 die restlichen Elemente 10 während einer begrenzten Zeit die Last übernehmen können.
Werden die in einem bestimmten Zweig oder Phase liegenden Gleichrichter überlastet, so wird diese Phase im Erregerkreis. abgeschaltet, so dass. die restlichen Zweige oder. Phasen die gesamte Last übernehmen. Diese Schutzabschaltung wird von den Sicherungen auf dem Rad 5 übernommen. Die Sicherun- gen sind so ausgelegt, dass sie sowohl eine ganz bestimmte Ueberlastung als auch das Durchbrssnnen einer vorher festgelegten Zahl von Sicherungsele- menten infolge Ausfalls von Gleichrichterelementen 10 überwachen.
Das die Sicherungen tragende Rad 5 muss den hohen Zentrifugalkräften, die z. B. bei 3000 bzw.
3600 Us p. M. auftreten, widerstehen können.
Gleichzeitig kommt es darauf an, eine optisch wirkende Anzeigevorrichtung vorzusehen, um die Zahl der Gleichrichterelemente 10 festzustellen, die im Erregerkreis noch in Betrieb sind. Man kann so unnötige Abschaltungen der Anlage vermeiden.
Das die Schmelzsicherungen tragende Rad 5 ist in Fig. 3 genauer dargestellt, in der jedes Sieherungs- element 12 in Reihe mit einem Gleichrichterelement 10 geschaltet ist. Parallel zu jedem Sicherungselement 12 ist eine optische Anzeigevorrichtung geschaltet, die die Funktionsbereitschaft jedes einzelnen Sicherungselementes 12 angibt. Wie in Fig. 13 und 14 genauer dargestellt ist, geschieht dies durch Hochschnellen einer Zunge 13, die nach Durchbren- nen des Sicherungselementes 12 freigegeben wird und die nach aussen dieses Durchbrennen anzeigt.
Mit einer geeigneten stroboskopischen Abtast- vorrichtung, die in bekannter Weise aufgebaut sein kann, kann jede durchgebrannte Sicherung 12 festgestellt werden. Wie schon erwähnt, kann man mit Hilfe dieser optischen Anzeigeeinrichtung die Funk tionsfähigkeit der Schmelzsicherungen 12 beobachten, obwohl das die Sicherungen tragende Rad 5 rotiert. Man erhält so die Möglichkeit, die Zahl der Gleichrichterelemente 10 festzustellen, die sich noch in einem betriebsbereiten Zustand befinden und in den Erregerkreis des Turbogenerators 1 geschaltet sind.
Bei Betrachtung der Fig. 3 und 4 erkennt man, dass das die Sicherungen tragende Rad 5 auf seinem äusseren Umfang einen Rand 5a aufweist, in dem sich paarweise unterteilte Befestigungslöcher 5b be- finden. Zusätzlich befinden sich im Teil 5c des Rades 5 eine Vielzahl auf einem Kreisring angeordnete un- terteilte Führungslöcher 5d, in denen Isoliermuffen 14 verkeilt werden können. Verbindungsleitungen 15 können durch die Muffen 14 geführt werden. In diesen Verbindungsleitungen 15 sind Befestigungslöcber 15a vorgesehen.
In den Fig. 10-12 ist gezeigt, dass die Sicherung 12 aus einem Isolierkörper 16 aus entsprechend hoch beanspruchbarem Material, z. B. Glas-Melamin, besteht, der mit leitenden Endstücken 17, 18 versehen ist. In den Endstücken 17, 18 befinden sich Befesti gungslöcher 17a, 18a. Das Endstück 18 bildet einen Zapfen, der fest mit einem Kontaktstück 19 verbunden wenden kann. Das Kontaktstück 19 ist, wie es noch genauer in den Fig. 7 bis 9 gezeigt wird, isoliert an der Innenseite des Randes 5a befestigt und so an jeder Bewegung in radialer Richtung gehindert.
Wie Fig. 5 zeigt, isolieren eine Scheibe 20 aus Isolierma- terial und eine Isolierbuchse 21 das Kontaktstück 19 vom die Sicherungen tragenden Rad 5 und die Befe stigungsschraube 20 vom Kontaktstück.
Wie Fig. 3 zeigt, sind die Schmelzsicherungen 12 radial in der umlaufenden Halterung angeordnet.
Jedes der in dem Fig. 15 bis 17 gezeigtenSicherungsele ; mente ist also einzeln oder mit anderen zu ihm parallel angebrachten Sicherungselementen radial zur umlaufenden Welle angeordnet. Jede Schmelzverbindung 23 in den Sicherungen besitzt Kerben 24 und Löcher 25. Jedoch können auch anders ausgebildete Schmelzverbindungen verwendet werden, z. B. die bekannten Schmelzverbindungen mit Einschnürun- gen. Zusätzlich ist die Verbindung 23 mit vorgestanzten Nietlöchem 26 versehen. Wie Fig. 15 zeigt, erstreckt sich in der Sicherung radial zur Welle ein isolierender Abstützstreifen 27, der in den End ; stücken 17, 18 befindlichen Aussparungen oder Schlitzen 28 eingepasst ist.
In diesem Stützstreifen 27 sind Nietlöcher 29 eingestanzt, die sich mit den Nietlöchern 26 der Schmelzverbindung 23 decken. Mit Nieten 30 wird sodann das Mittelteil 23a der Schmelzverbindung mit dem Stützstreifen 27 fest verbunden.
Wie dem Fachmann gut bekannt ist, sind die Auslegung und die Charakteristik einer Schmelzsicherung durch die Zahl und den Querschnitt der Schmelzverbindungen 23, sowie durch die Verteilung und die Grosse der Löcher 25 und Kerben 24 bestimmt. Zur Illustration sind nur zwei Schmelzstreifen 23 gezeigt, die vorzugsweise aus gut leitendem Material, wie Silber, gefertigt sind. Indem man, an den Schmelzverbindungen 23 leicht biegsame Enden 23b und 23c vorsieht, die im vorlie- genden Falle in zwei rechten Winkeln gebogen sind, wird eine gewisse Nachgiebigkeit der Schmelzverbin- dung 23 in radialer Richtung gewährleistet. Ein bogenlöschendes Material, wie z. B. Sand, füllt die Sicherungakörper 16.
Die Anzeigezunge 13, die in Fig. 13 und 14 gezeigt wird, ist vorzugsweise aus einem elastischen Metall gefertigt, z. B. Phosphorbronze. Sie ist an ihrem einen Ende mittels einer Schraube 31 in einem Schlitz 18b am Endstück 18 befestigt. Das andere Ende der Anzeigezunge 13 ist an einetm Schmelzdraht 32 befestigt, der einen nelativ hohen Widerstand be- stitzt, durch das Innere des Sicherungskörpers 16 verläuft und leitend mit dem Endstück 17 verbunden ist. Bekan, ntlich hat eine Unterbrechung der Schmelzverbindung 23 ebenfalls eine Unterbrechung des Schmelzdrahtes 32 und somit ein Zurückschnellen , der Anzeigezunge 13 in die in Fig. 14 dargestellte Stellung zur Folge. Die Zentrifugalkraft fördert diese Bewegung.
Wie ersichtlich ist, stellt die elektrische Schmelzsicherung 12 eine wesentliche Verbesserung dar, die einen wirksamen Überlastschutz bedeutet und hohen mechanischen Belastungen standhält, wie sie bei hohen Drehzahlen und bei den in den Sicherungsh, al terungen üblichen radialen Abmessungen auftneten.
Wie schon erwähnt, enthält die Schmelzsicherung 12 ein oder mehrere Silberbänder 23, die sich in der mit Sand gefüllten Sicherungshülse 16 aus Glas-Melamin befinden, und die an beiden Enden mit den leitenden Endstücken 17, 18 verbunden sind. Diese Endstücke
17, 18 tragen Befestigungslaschen. Es ist selbstver- ständlich, dass ! diese Anondnung nicht etwa auf die Verwendung von nur zwei Verbindungen 23 aus Silber beschränkt ist, vielmehr arbeitet die Vorrichtung bei Verwendung von mehreren Verbindungsstreifen 23 genau in derselben Weise wie oben geschildert.
Die Zahl der Schmelzverbindungen 23 wird durch den Strom bestimmt, der durch sie fliessen soll.
Was die Ausbildung der Kerben und Öffnungen in den Schmelzverbindungen betrifft, so wenden diese durch die Sicherungschar. akteristiken bestimmt, die zum Schutz des Stromkreises, erforderlich sind. Die Anordnung umfasst zum Teil auch eine Vorrichtung, in der die Schmelzverbindung 23 so befestigt wird, dass die in ihr infolge der Zentrifugalkraft auftretenden Spannungen auf Werte reduziert werden, die einen ständigen Betrieb der Verbindungen 23 erlauben, ohne dass die Gefahr eines Bruches infolge mechanischer Belastung auftritt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Schmelzverbindung 23 radial zur Welle montiert ist, um die Be anspruchung auf Biegung zu vermindern. Grösser sind daher die Beanspruchungen auf Zug oder Druck.
Wie gezeigt wurde, ist ein Stützstreifen 27 aus Isolierstoff für jede Schmelzverbindung 23 vorgesehen, um eine Abstützung der Verbindung 23 zu gewährleisten und so ihr Verbiegen dadurch unmöglich zu machen, dass man die Zentrifugalkräfte von der Verbindung 23 auf den Stützstreifen 27 überträgt. Die Verbindungen 23 werden vorzugsweise mit Nieten 30 an den Stützstreifen 27 befestigt. Diese Nieten sind in vorgestanzte Löcher 26 eingebracht, die jeweils in der Verbindung 23 und dem Streifen 27 vorgesehen sind. Dadurch erhält man maximale Sicherheit, dass die Belastung auf alle Nieten 30 gleichmässig verteilt wird.
Wie Fig. 15 zeigt, ist der Streifen 27 zwischen der Verbindung 23 und der äusseren Isolierhülse 16 an- gebracht, um so die Möglichkeit einer Zerstörung der Hülse 16 infolge thermischer Beanspruchung beim Durchbrennen der Verbindung 23 zu vermindern.
Eine gewisse Biegsamkeit ist. an Iden Endien, der Schmelzverbindungen 23 vorgesehen, wo sie mit den leitenden Endstücken 17, 18 verbunden sind.
Diese Biegsamkeit sorgt dafür, dass der grösste Teil der Belastung infolge der Zentrifugalkräfte vom Stützstreifen 27 und nicht von der Schmelzverbin- dung 23 getragen wird. Auf diese Weise werden auch Beanspruchungen, die infolge von Veränderungen in der Sicherung oder ihrer Halterung auftreten, von den Schmelzverbindungen 23 ferngehalten.
Versuche haben, die Zuverlässigkeit insbesondere der Schmelzsicherung 12 unter Beweis gestellt. Die Sicherungen waren unter im wesentlichen konstanter mechanischer und elektrischer Belastung hundert Stunden lang im Betrieb, ohne dass Anderungen des Spannungsabfalles an der Sicherung 12 während des Versuches auftraten. Röntgenuntersuchungen der Sicherung 12 ergaben ebenfalls keine Änderungen der Schmelzverbindung 23. Im Gegensatz, dazu haben Versuche an gewöhnlichen Sicherungen, die für sta tionären Betreib konstruiert sind, gezeigt, dass Störungen infolge Kriechens der. Silberverbindungen schon nach wenigen Stunden. auftreten.