CH630495A5

CH630495A5 - Dynamoelektrische maschine.

Info

Publication number: CH630495A5
Application number: CH458077A
Authority: CH
Inventors: Arthur H Hoffman; Dale I Gorden; Lee A Kilgore
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1976-04-13
Filing date: 1977-04-13
Publication date: 1982-06-15
Also published as: IT1077779B; FR2348594B1; JPS5942551B2; JPS52126708A; SE7704071L; CA1074395A; MX143575A; DE2716058A1; GB1580155A; ES457712A1; US4093869A; BE853540A; FR2348594A1

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Grosse Antriebsmaschinen wie z. B. für den Antrieb grosser Generatoren ausgelegte Gasturbinen können nicht selbsttäig 50 starten und müssen bis nahezu 60% ihrer Nenndrehzahl fremd beschleunigt werden, worauf die Verbrennungsmaschine gezündet werden kann und die abgegebene Leistung zur Weiterbeschleunigung auf die Nenndrehzahl herangezogen wird. Typischerweise wird eine Gasturbine über Kupplungs- 55 Vorrichtung angeschlossene Maschinen, z. B. Induktionsmo-tore, Startturbinen oder Dieselmotoren gestartet. Diese Anlassmaschinen sind über Getriebe zur Drehzahlerhöhung und Drehmomentumformung angeschlossen. Wenn zum Starten ein Induktionsmotor Verwendung findet, so muss dessen 60 Grösse auf etwa 6% der Nennleistung des Turbogenerators ausgelegt sein. Wenn z. B. der Turbogenerator für einen Leistungsbereich zwischen 70 und 80 MW ausgelegt ist, wird für den Anlassmotor eine Leistung von etwa 1100 bis 1200 kW erforderlich. Der Einschaltstrom eines solchen Motors liegt 6.5 üblicherweise etwa beim 6fachen der kVA-Motornennleistung, einer Leistungsanforderung, die nicht immer von dem Netz aus zur Verfügung steht, an welches der Motor angeschlossen ist.

Bei einem Kraftwerk, das mehrere Turbogeneratoren umfasst, erfordert jeder der Turbogeneratoren eine eigene Anlassmaschine, die nur für die kurze Anlaufzeit benötigt wird. Ausserdem sind Überwachungseinrichtungen, Drehmomentwandler mit einem entsprechenden Kühlsystem sowie Übersetzungsgetriebe und Kupplungen für eine solche Anlassmaschine erforderlich. Die Kosten, die sich für die Beschaffung und den Unterhalt solcher separater Anlassmaschinen für jeden Turbogenerator ergeben, sind sehr hoch, so dass ein grosses Interesse an Einrichtungen und Verfahren besteht, um diese Kosten wesentlich zu verringern.

Es ist bereits bekannt, nicht selbststartende Antriebsmaschinen über den von ihnen angetriebenen Generator als Anlassmaschine zu starten (US-PS 3 132 297,3 591 844). Dieses Verfahren ist mit verhältnismässig gutem Erfolg bei kleinen Maschinen einsetzbar wie z. B. bei Generatoren von Flugzeugen, die von der Verbrennungsmaschine angetrieben werden. Jedoch können sowohl die bekannten Einrichtungen als auch Verfahren nicht bei grossen Synchrongeneratoren Anwendung finden, wie sie zur Stromerzeugung in Kraftwerken üblich sind. Eine übliche Startanordnung, bei der die Erregermaschine des Synchrongenerators dazu benutzt wird, um eine grosse Antriebsmaschine, z. B. eine Gasturbine zu starten, ist aus der US-PS 3 809 914 bekannt. Diese Anordnung verwendet eine Kombination von Schaltern und Schleifringen, um die Erregermaschine für den Startbetrieb mit einer veränderlichen Geschwindigkeit als Schleifringläufer zu betreiben. Eine solche Anordnung kann jedoch nicht wirtschaftlich zum Starten einer Synschronmaschine mit einer bürstenlosen Felderregervorrichtung verwendet werden, da keine Schleifringe oder Schleifkontakte vorhanden sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrischen Maschine zu schaffen, bei der zum Anfahren bzw. zum Beschleunigen des Rotors der Maschine mit einer bürstenlosen Felderregung die Haupterregermaschine verwendet wird, um ein besonders wirtschaftliches und namentlich bei Grossanlagen kostensparendes Startmittel zu schaffen.

Diese Aufgabe wird für eine dynamoelektrische Maschine der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Bei einer solchen dynamoelektrischen Maschine, z. B. einer Synchronmaschine, die mechanisch mit einer grossen Trägheitslast verbunden ist, ist es möglich, den Rotor ohne Hilfsan-lasseinrichtungen wie z. B. eines Dieselmotors oder eines Induktionsmotors zu starten. Obwohl die Erfindung besondere Bedeutung für dynamoelektrische Maschinen in Verbindung mit grossen nicht selbststartenden Antriebsmaschinen wie z. B. Gasturbinen hat, kann sie grundsätzlich auch auf beliebige Synchronmaschinen angewandt werden, an die grosse Trägheitslasten angeschlossen sind.

Zum Starten von Generator-Gasturbinen-Kombinationen war es schon bisher üblich, die Statorwicklung des Generators mit Wechselstrom niederer Frequenz zu speisen. Die Frequenz dieses Wechselstromes wird dann allmählich erhöht, bis der Rotor auf eine Geschwindigkeit beschleunigt ist, bei der die Antriebsleistung der Antriebsturbine das Anlaufwiderstandsdrehmoment übersteigt, worauf der an die Statorwicklung des Generators angelegte Strom abgeschaltet wird.

Um einen Synchrongenerator auf diese Weise zu starten, ist es notwendig, dass ein Gleichstrom während der gesamten Anlaufperiode an der Feldwicklung anliegt, wenn die Statorwicklung mit Erregerstrom niederer Frequenz erregt wird. Bei Generatoren mit Erreger-Schleifringen bereitet dies keine Schwierigkeiten. Wenn jedoch Turbogeneratoren mit bürstenlosen Erregermaschinen erregt werden, wird der Erregerstrom von einem bürstenlosen Wechselstromgenerator geliefert, der eine rotierende Ankerwicklung und eine rotierende Gleichrichteranordnung umfasst. Bei dieser Generatorart ist der

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Gleichstrom am Ausgang der Gleichrichteranordnung in der Regel proportional der Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle. Daraus ergibt sich, dass der Gleichstrom den Wert Null annimmt, wenn sich die Welle nicht dreht und kein mechanisches Drehmoment erzeugt wird, da am Rotor kein magneti- 5 sches Feld wirksam ist, das mit dem Magnetfeld des Stators in Wechselwirkung treten könnte.

Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen : i o

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Stator-Rotoraufbaus einer bürstenlosen Erregermaschine mit einer bezüglich der Statorpole räumlich verschoben angebrachten Wech- 15 selstromwicklung;

Fig. 3 in teilweiser Ansicht die schematische Anordnung der Statorwicklung der Erregermaschine gemäss Fig. 2; und

Fig. 4 das Prinzipschaltbild einer Anwendung der Erfindung in einer Kraftwerksanlage mit einer Vielzahl von Gasturbinen- 20 generatoren.

In Fig. 1 ist eine grosse Synchronmaschine 10 z. B. in Form eines grossen Synchrongenerators dargestellt, der durch ein bürstenloses Erregersystem 12 erregt wird, das eine Wechselstrom-Erregermaschine 14 sowie eine rotierende Gleich- 25 richteranordnung 16 umfasst, welche auf einer gemeinsamen mit einer grossen Trägheitslast verbindenden Welle 18 montiert ist. Diese Trägheitslast kann z.B. eine Gasturbinen-Antriebsmaschine 20 sein. Die Wechselstrom-Erregermaschine 14 hat eine Statorfeldwicklung 22 und eine Rotorankerwick- 30 lung 24, die als Dreiphasenwicklung in radiale Schlitze des Kerns 25 auf der Welle 18 eingelegt ist und sich daher mit der Rotorhauptfeldwicklung 26 der Synchronmaschine 10 dreht. Die Rotorankerwicklung 24 ist mit der rotierenden Gleichrichteranordnung 16 verbunden, die seinerseits aus einer Viel- 35 zahl von in herkömmlicher Brückananordnung geschalteten Gleichrichtern 28 und Sicherungen 30 verbunden ist. An den Ausgängen der Gleichrichteranordnung wird ein Gleichstrom zur Erregung der Rotorhauptfeldwicklung 26 abgegeben. Dieser durch die Rotorhauptfeldwicklung fliessende Erreger- 40 gleichstrom erzeugt ein magnetisches Feld, welches einen Induktionsstrom innerhalb der Statorankerwicklung 32 der Synchronmaschine 10 auslöst, wenn das Erregersystem von der Antriebsmaschine 20 in Drehung versetzt wird.

Die Felderregung für die Wechselstrom-Erregermaschine 45 14 liefert eine Piloterregermaschine 34 mit einem Permanentmagnetfeld 36, die ebenfalls mechanisch mit der Welle 18 der Antriebsmaschine 20 verbunden ist. Durch die Drehung der Welle 18 dreht sich das Permanentmagnetfeld innerhalb einer Ringankerwicklung 38, in der das Permanentmagnetfeld in her- 50 kömmlicher Weise einen Wechselstrom induziert. Die Ausgangsklemmen der Ringankerwicklung 38 der Piloterregermaschine sind mit einem Regler 40 verbunden, der den mehrphasigen Erregerwechselstrom von der Ringankerwicklung in einen Erregergleichstrom umwandelt, der an die Statorfeldwicklung 55 22 angelegt wird. Das Ausgangssignal des Reglers 40 ist abhängig von einem Stromsignal 42 und einem Spannungssignal 44, welche mit Hife eines mit einem Zweig der Statorankerwicklung 32 verbundenen Stromtransformators 46 sowie Spannungstransformators 48 erzeugt werden. Der Erregergleichstrom vom Regler 40 ist zum Zwecke der Regelung generell proportional einer vorgegebenen Funktion des ausgangsseiti-gen Leistungsniveaus der Statorankerwicklung 32 des turbinen getriebenen Generators.

In Fig. 2 ist in schematischer Darstellung und teilweise geschnitten die Wechselstrom-Erregermaschine 14 gezeigt,

deren Statorkern 50 eine Vielzahl von ausgeprägten Polen 52 aufweist, die konzentrisch auf der Innenseite um den Anker

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herum angeordnet sind. Jeder der ausgeprägten Pole 52 ist von einer Feldwicklung 56 umgeben, und zwar vorzugsweise in einer Ebene, die parallel zur Achse des Ankers verläuft. Jede Feldwicklung 56 besteht aus einer Vielzahl von Feldspulen 57, die in Serie hintereinander geschaltet sind und die Feldwicklung darstellen. Wenn diese Feldspulen 57 mit Gleichstrom vom Regler 40 erregt werden, entsteht in den ausgeprägten Polen 52 ein magnetisches Feld mit Magnetpolen alternierender Polarität. Durch dieses magnetische Feld wird ein Wechselstrom in der mehrphasigen Rotorankerwicklung 24 erzeugt, womit sich die Anker auf der Welle 18 innerhalb des Statorkernes 50 der Wechselstromerregermaschine 14 dreht. Die Magnetflusslinien durchdringen den Luftspalt 58 zwischen dem Statorkern 50 und dem Ankerkern 25 und verlaufen durch die ausgeprägten Pole 52 im wesentlichen längs der Polachsen, wie sie durch die Linie 60 angedeutet ist.

Zwischen benachbarten ausgeprägten Polen 52 sind Anlassspulen 62 angeordnet, deren Magnetfeldachse räumlich verschoben zu den durch die Linie 60 gekennzeichneten Magnetfeldachsen des von den Feldspulen 57 erzeugten Magnetfeldes stehen. Diese räumlich verschobenen Magnetfeldachsen des von der Anlassspule 62 erzeugten Wechselstromes sind mit der Linie 64 angedeutet. Die Anlassspule 62 besteht aus einer Vielzahl von Windungen, die in Schlitze im Zentrumsbereich der Polfläche eines jeden ausgeprägten Poles 52 angeordnet sind. Diese Spule erstreckt sich über den Raum zwischen benachbart liegenden Polen und der jeweils zugeordneten Feldspule 57. Die Magnetfeldachse der Wechselstrom-Anlassspule 62 ist, wie bereits erwähnt, räumlich verschoben zur Magnetfeldachse der Gleichstrom-Feldspulen 57 angeordnet, so dass das erzeugte Wechselstromfeld bei der Erregung der Anlassspule keine Spannungen in der Gleichstrom-Feldwicklung 56 induziert, die während der Anlaufphase inaktiv ist. Derartige Induktionsspannungen könnten Beschädigungen an der Isolation der Gleichstrom-Feldwicklung oder auch an anderen Komponenten wie z. B. an Dioden oder Thyristoren in der Gleichstromerregerschaltung auslösen. Da die Feldwicklung 56 während der Startphase nicht erregt ist, sind die ausgeprägten Pole 52 auch nicht magnetisiert, wie man aus der Darstellung gemäss Fig. 3 aus dem Verlauf der Magnetflusslinien 70 entnehmen kann, die gestrichelt eingezeichnet sind. Diese Magnetflusslinien gehen von der Anlassspule 62 zugeordneten Polen zu einer gegebenen Zeit aus.

Da die Spannung innerhalb der Rotorankerwicklung 24 durch transformatorische Induktion entsteht, ist keine Drehung der Welle 18 erforderlich, um die Gleichstromerregung für die Rotorhauptfeldwicklung 26 zu erhalten. Der an die Anlassspule 62 angelegte Wechselstrom kann die übliche Netzfrequenz haben und sollte mit einer ausreichend grossen Amplitude zugeführt werden, damit eine ausreichende Gleichstromerregung in der Rotorhauptfeldwicklung 26 ausgelöst wird. Ein einphasiger Wechselfluss bedingt in der Dreiphasenrotoranker-wicklung die Entstehung ungleicher Spannungen. Da jedoch die erforderliche Zeitdauer zum Beschleunigen der Antriebsmaschine z. B. bei Gasturbinen verhältnismässig kurz ist, haben diese ungleichen Ströme in der Regel keinen schädlichen Ein-fluss.

Wenn die Welle 18 der Antriebsmaschine eine Drehzahl erreicht hat, die ausreicht, dass die Antriebsmaschine nunmehr mit eigener Kraft bis zur Betriebsdrehzahl beschleunigen kann, wird die Rotorhauptfeldwicklung 26 durch einen Gleichstrom erregt, der von der rotierenden Gleichrichteranordnung 16 in Abhängigkeit von dem in der Rotorankerwicklung 24 durch die Statorfeldwicklung 22 erzeugten Wechselstrom zufliesst. Die Hilfserregung mittels der Anlassspule 62 wird dabei durch die Erregerleistung der Haupterregermaschine abgelöst.

Sobald das Statorfeld durch den über die Rotorhauptfeldwicklung 26 fliessenden Gleichstrom aufgebaut ist, wird die

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Synchronmaschine 12 durch das Anlegen eines mehrphasigen Das Anlassen mit voller Spannung, wie dies herkömmlich

Wechselstromes an die Statorankerwicklung 32 synchron üblich ist, eignet sich nicht für die vorliegende Anwendung, da gestartet, um das dynamische Magnetfeld aufzubauen, das mit für hohe Geschwindigkeiten ausgelegte zylindrische Rotoren einer der Frequenz der angelegten Erregung proportionalen die Energie nicht aufnehmen können, die beim Beschleunigen Geschwindigkeit umläuft. Die Frequenz der angelegten Erre- s einer grossen Trägheitslast, wie z. B. einer Gasturbinen-gung wird im wesentlichen von der Frequenz Null auf eine Antriebsmaschine von der Geschwindigkeit Null ausgehend höhere Frequenz angehoben, bis sich die Welle 18 auf eine auftreten. Die Statorspannung kann nicht wesentlich verrin-

bestimmte Rotationsgeschwindigkeit beschleunigt hat. Auch gert werden, da das Anlaufdrehmoment nicht ausreichen die Amplitude der angelegten Erregung wird proportional zur würde, um die von der Gasturbine dargestellte Last vor ihrer Frequenz vergrössert. Die mehrphasige Erregung mit verän- io Zündung anzutreiben. Ausserdem kann die Statorwicklung, die derlicher Frequenz wird von einem Steuerumrichter 80 gelie- mit dem Starten unter voller Spannung bei normaler Ampli-fert, der an seinen Eingangsklemmen mit einem mehrphasigen tude und Frequenz infolge der grossen aufgebrachten Energie Wechselstrom beaufschlagt wird, z. B. mit den Phasen A, B und verbundenen Kräfte nicht sicher absorbieren. Jedoch, wenn die C, die mit einem Phasenunterschied von 120° angelegt werden, Spannung proportional der Frequenz und mit einer anfänglich und an seinem Ausgang ein mehrphasiges Erregersignal liefert, geringen Frequenz angelegt und langsam die Amplitude und dessen Phasen ebenfalls um 120° gegeneinander verschoben Frequenz der Statorerregung in der vorausstehend beschriebe-sind und dessen Amplitude einstellbar sowie dessen Frequenz nen Weise vergrössert wird, kann der Gasturbinengenerator im wesentlichen vom Wert Null bis auf den Wert der Netzfre- synchron gestartet werden, ohne dass die Gefahr einer Beschä-quenz des eingangsseitigen Signals verändert werden kann. digung der Statorwicklung oder von Rotorteilen besteht.

Das Anlegen der mehrphasigen Wechselstromerregung an 20 In Fig. 4 ist eine Anwendung der Erfindung für ein Kraft-die Statorankerwicklung 32 baut das rotierende Magnetfeld werk mit mehreren Gasturbinengeneratoren dargestellt. Aus auf, das mit dem von der Rotorhauptfeldwicklung 26 erzeugten der Darstellung ist zu entnehmen, dass mit einem einzigen statischen Magnetfeld in Wechselbeziehung tritt. Das Aus- Steuerumrichter 80 und einer einzigen Hilfswechselstrom-

gangssignal des Steuerumrichters 80 wird schrittweise und kon- quelle 75 das Starten einer Vielzahl von Gasturbinenantriebs-tinuierlich vergrössert, bis die Turbine auf die Geschwindigkeit 25 maschinen 20 möglich ist, wobei jede der Synchronmaschinen beschleunigt ist, bei welcher die Turbinenleistung das Anlass- 10 ein bürstenloses Erregersystem 12 hat, das mit einer räum-widerstandsmoment übersteigt. Von diesem Augenblick an lieh verschobenen Wechselstrom-Anlassspule 62 versehen ist. wird der an die Statorankerwicklung 32 angelegte Strom abge- Diese Kombination ermöglicht, dass auf einen individuellen schaltet. Auch die Erregung der Anlassspule wird abgeschaltet, Starter für jede Gasturbine verzichtet werden kann, womit sich sobald die Nenndrehzahl erreicht ist. 30 der Kapitalaufwand bei der Installation derartiger Anlagen erheblich verringern lässt.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

630495 PATENTANSPRÜCHE

1. Dynamoelektrische Maschine mit einem eine Mehrpha-senwechselstromwicklung (32) tragenden Stator und einem eine Gleichstromfeldwicklung (26) tragenden Rotor, einer Haupterregermaschine (12) mit einer Rotorankerwicklung (24) s und einer rotierenden Gleichrichteranordnung (16) zur Speisung der Gleichstromfeldwicklung (26), wobei die Haupterregermaschine einen Statorkern (50) mit ausgeprägten Polen (52), eine Anzahl auf diese ausgeprägten Statorpole (52) aufgesetzte Feldspulen (57), welche zu einer Statorfeldwicklung (56) io zusammengeschaltet sind, und mindestens eine zwischen ausgeprägten Polen (52) angeordnete Anlassspule (62) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldachse (64) der Anlassspule (62) relativ zu den Magnetfeldachsen (60) der benachbarten Feldspulen (57) räumlich verschoben ist, wobei is die Anlassspule (62) in der Rotorankerwicklung (24) eine Wechselspannung induziert, wenn die Anlassspule (62) durch eine Einphasenwechselstromquelle erregt wird, und die Erregung der Gleichstromfeldwicklung (26) damit durch Erregen der räumlich verschobenen Anlassspule (62) auf dem Stator der 20 Erregermaschine durch Einphasenwechselstrom erfolgt, wobei in der Rotorankerwicklung (24) der Haupterregermaschine eine Wechselspannung induziert wird und die Gleichstromerregung der Gleichstromfeldwicklung (26) über die Gleichrichteranordnung (16) unabhängig von der Drehzahl des die 25 Gleichstromfeldwicklung (26) tragenden Rotors erfolgt.

2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrphasenwechselstromwicklung (32) während des Anlaufens der Maschine mit einem Steuerumrichter (80) zur Erzeugung eines Mehrphasenerregerwechsel- 30 stroms variabler Frequenz verbindbar ist, welcher Steuerumrichter (80) eingangsseitig mit einer externen Mehrphasen-wechselstromquelle (A, B, C; f) verbunden ist und Wechselstromspannung von bestimmter Höhe und fester Frequenz in einen ausgangsseitigen mehrphasigen Erregerwechselstrom 35 umwandelt, dessen Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches und dessen Spannung innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereiches veränderbar ist.

3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlassspule (62) aus einer Hilfswech- 40 selstromquelle (75) gespeist ist.