-
Die
Erfindung betrifft einen Stator einer mindestens zweipoligen dynamoelektrischen
Maschine.
-
Synchronmaschinen
an Stromzwischenkreisumrichter (I-Umrichter) sind bei drehzahlvariablen
elektrischen Antrieben, insbesondere bei hohen Antriebsleistungen
Stand der Technik.
-
Diese
dynamoelektrischen Maschinen werden üblicherweise mit zwei
Wicklungssystemen ausgeführt, wobei diese elektrisch um
30° räumlich gegeneinander versetzt angeordnet
sind. Allerdings wird die mögliche Antriebsleistung durch
die zur Verfügung stehenden Leistung der beiden parallelen Stromzwischenkreisumrichter
beschränkt. Durch die zwei Wicklungssysteme kann ein redundanter
Betrieb beim Abschalten eines Systems nur bis zur Hälfte
der Nennleistung erfolgen.
-
Außerdem
sind zurzeit Synchronmaschinen mit einer Leistung von mehr als 100
MW mit den vorhandnen Stromzwischenkreisumrichtern nicht mehr sinnvoll
ausführbar.
-
Aus
der
US 4 550 267 ist
eine dynamoelektrische Maschine mit mehreren Wicklungssystemen bekannt,
wobei der Motor in Umfangsrichtung durch Segmente aufgebaut ist,
die der Anzahl der Wicklungssysteme entspricht und jedes Wicklungssystem einem
Segment zugeordnet ist. Des Weiteren werden die Wicklungssysteme
durch einen gemeinsamen maschinenseitigen Umrichter gespeist. Damit
ist u. a. keine Redundanz bei Ausfall eines Umrichters gegeben.
-
Aus
der
DE 23 48 157 sind
ebenfalls Wicklungssysteme bekannt, die um 30° räumlich
gegeneinander versetzt angeordnet sind und am Ausgang des maschinenseitigen
Umrichters parallel oder im Zwischenkreis in Reihe geschaltet sind.
-
Aus
der
DE 10 2005
043 576 A1 ist eine Statorwicklung einer elektrischen Maschine,
insbesondere eines dreiphasigen Drehstrommotors bekannt, wobei die
Statorwicklungen mehrere einzelne Statorwicklungen unterteilt ist.
Die getrennten Statorwicklungen bilden jeweils einen Teilmotor,
wobei jedem Teilmotor ein separater Teilumrichter zugeordnet ist. Dabei
werden die Teilumrichter versetzt getaktet.
-
Aus
der
EP 0 354 430 B1 ist
eine dynamoelektrische Maschine mit vier Wicklungssystemen bekannt,
wobei jedes Wicklungssystem durch einen Teilumrichter gespeist wird
und wobei die Teilumrichter jeweils ein um 15° zueinander
phasenversetztes Drehstromsystem erzeugen.
-
Nachteilig
bei den bekannten Ausführungen u. a. ist, dass sich durch
die bekannten Antriebskonzepte keine hohe Antriebsleistung insbesondere
von mehr als 100 MW erzeugen lässt.
-
Ausgehend
davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stator, insbesondere
einer zweipoligen oder mehrpoligen dynamoelektrischen Maschine zu
schaffen, mit der auch Antriebsleistungen von mehr als 20 MW, insbesondere
mehr als 100 MW bereit gestellt werden können. Des Weiteren
soll diese dynamoelektrische Maschine auch bei Ausfall eines Wicklungssystems
mit vergleichsweise hoher Antriebsleistung weiter betrieben werden
können.
-
Die
Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Stator
einer dynamoelektrischen Maschine, insbesondere einer mindestens
zweipoligen fremderregten Synchronmaschine mit einer Leistung von
20 MW und mehr, insbesondere mehr als 100 MW, mit vier voneinander
unabhängigen, galvanisch getrennten Wicklungssystemen,
wobei jedes Wicklungssystem drei Phasen U, V, W aufweist, wobei zwei
Wicklungssysteme ein Paar bilden, das einen elektrischen Versatz
seiner jeweiligen Phasen U, V, W von 0° elektrisch aufweist,
und wobei nunmehr zwischen den beiden Paaren ein elektrischer Versatz von
30° elektrisch vorgesehen ist.
-
Der
Stator dieser dynamoelektrischen Maschine wird erfindungsgemäß mit
vier anstelle von zwei Wicklungssystemen ausgeführt, wobei
sich gegenüber dem bisherigen Stand der Technik die ausführbare
Leistung mit den an sich bekannten Stromzwischenkreisumrichtern
verdoppeln lässt. Damit verursacht auch ein Ausfall eines
Stromzwischenkreisumrichtern (I-Umrichters) lediglich eine Leistungseinbuße
von 25%. Dabei wird mit der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung der Wicklung erreicht, dass in einem derartigen Fall
kein einseitiger magnetischer Zug der Wicklung auftritt.
-
Diese
Wicklungssysteme werden nunmehr nicht gleichmäßig
um 15° elektrisch gegeneinander versetzt angeordnet, sondern
diese Wicklungssysteme der dynamoelektrischen Maschine, insbesondere einer
elektrisch erregten Synchronmaschine sind so ausgeführt,
dass jeweils zwei Wicklungssysteme gegeneinander einen elektrischen
Versatz von 0° aufweisen, zwischen diesen beiden jeweils
parallelen Pärchen aber zueinander ein Winkelversatz von
30° elektrisch besteht.
-
Die
erfindungsgemäße Wicklungsanordnung hat gegenüber
dem im Stand der Technik aufgeführten gleichmäßigen
Versatz um 15° elektrisch den Vorteil, dass für
die Kommutierung der angeschlossenen Stromzwischenkreisumrichter
eine Zeitspanne von 30° elektrisch zur Verfügung
steht.
-
Bei
um 15° elektrisch versetzt angeordneten Wicklungssystemen
müsste demnach diese Zeitspanne halbiert werden, so dass
dies eine kleinere Kommutierungsreaktanz der dynamoelektrischen Maschine
erfordern würde und damit die Beherrschung der bei einem
Störfall auftretenden Stoßmomente und Stoßströme
nahezu unmöglich wäre.
-
Eine
kleinere Kommutierungsreaktanz würde zu einem größeren
di/dt führen so dass die erforderliche Freiwerdezeit der
maschinenkommutierten Netzthyristoren von 0,4 ms nicht eingehalten
werden könnte.
-
Die
Wicklungssysteme sind in dieser Leistungsklasse vorteilhafterweise
als Stabwicklung ausgeführt. Selbstverständlich
können die Wicklungssysteme auch durch Spulenwicklung mittels
Einzel- oder Flachleiter als Evolventenwicklung oder Litzenwicklungen
aufgebaut sein.
-
Vorteilhafterweise
weist jedes Wicklungssystem eine eigene Stromversorgung, d. h. einen
eigenen I-Umrichter mit eigenem maschinenseitigen Stromumrichter
und eigenem Zwischenkreis mit Zwischenkreisdrossel und eigenem Netzstromrichter auf.
Gegebenenfalls sind sogar für jeden Umrichter eigene Stromrichtertransformatoren
zu einem übergeordneten Versorgungsnetz vorhanden.
-
Selbstverständlich
lässt sich die Erfindung auch auf einen Stator einer dynamoelektrischen
Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine für noch
weit höhere Leistungen übertragen, das demnach
mehr als vier Wicklungssystemen und dementsprechend auch mehr unabhängige
Stromversorgungen, d. h. unabhängige Einzelumrichter aufweist.
-
Die
Wicklung selbst ist als gesehnte Zweischichtwicklung ausgeführt,
wobei bei einer höheren Anzahl von Wicklungssystemen als
vier bedarfsweise auch mehrere Schichten von Leitern pro Nut erfindungsgemäß vorzusehen
sind.
-
Das
dem Stator zugrundeliegende erfinderische Konzept eignet sich insbesondere
für zweipolige oder mehrpolige Synchronmaschinen mit mindestens
24 Nuten bzw. einem ganzzahligen Vielfachen davon, also 48, 72,
etc. Nuten und einer Antriebsleistung von mindestens 20 MW, insbesondere
100 MW und mehr.
-
Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmal der Unteransprüche werden
in den schematisch dargestellten Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
-
1 eine
prinzipielle Wicklungsanordnung,
-
2 die
prinzipielle Verschaltung,
-
3 bis 9 unterschiedliche
Schaltungsanordnungen der Stromzwischenkreisumrichter.
-
1 zeigt
die prinzipielle Wicklungsanordnung eines Stators 27 mit
zwei mal zwei Wicklungssystemen, wobei jeweils zwei Wicklungssysteme
ein Paar bilden. Die Wicklungssysteme sind jeweils voneinander galvanisch
getrennt. Die Wicklungssysteme sind dreiphasig ausgeführt
und somit zur Erzeugung eines Drehfeldes geeignet. Die Wicklungssysteme sind
insbesondere als Zweischichtstabwicklung ausgeführt. Die
drei Phasen sind üblicherweise mit U, V, W bezeichnet.
-
Die
Zuordnung der Leiter der einzelnen Phasen zu Ihrem Wicklungssystem
und ihrem Paar geschieht durch Anhängen einer Zahlenkombination
an die Phasenbezeichnung. Beispielsweise bezeichnet „U11"
den Hinleiter der Phase U des ersten Wicklungssystems des ersten
Paares. „–W21" bezeichnet demnach den Rückleiter
der Phase W des ersten Wicklungssystems des zweiten Paares. D. h.
die erste Stelle der Bezeichnung "Leerzeichen" oder „–„ bezeichnet
Hin- oder Rückleiter. Danach folgt die Phasenbezeichnung.
Als nächstes ist bezeichnet, ob es sich um das erste oder
zweite Paar handelt. Die letzte Stelle gibt an, ob sich um das erste
oder zweite Wicklungssystem des jeweiligen Paares handelt.
-
Ein
Paar weist einen elektrischen und auch räumlichen Versatz
von 30° elektrisch gegenüber dem anderen Paar
auf. Der Stator 27 weist vierundzwanzig Nuten auf, wobei
in jeder Nut zwei Schichten von Wicklungen, insbesondere Stabwicklungen
vorgesehen sind.
-
Das
Wicklungssystem eines jeden Paar ist mit dem Wicklungssystem des
gleichen Paares nur elektromagnetisch über den Fluss gekoppelt.
Jedes Wicklungssystem eines Paares wird durch einen eigenen Stromzwischenkreisumrichter 25 elektrisch gespeist.
-
Es
ergibt sich somit bei dieser beispielhaften Ausführungsform
eine Nutenzahl pro Pol und Strang von vier. In unserem Ausführungsbeispiel
liegen damit sämtliche Hin- bzw. Rückleiter einer
Phase aller Wicklungssysteme im Bereich von vier Nuten. Bei dieser
Ausführungsform sind pro Wicklungssystem und Phase zwei
elektrisch parallel geschaltete Leiter vorgesehen, die in benachbarten
Nuten aber dort in unterschiedlichen Schichten in der Nut positioniert sind.
Beispielsweise U11 in Nut 1 in der oberen Schicht und U11
in Nut 2 in der unteren Schicht.
-
Damit
besteht ein elektrischer Versatz von 30° nicht nur zwischen
Nut 1 und Nut 3 sondern auch zwischen Nut 2 und
Nut 3.
-
Die
Wicklungssysteme sind gesehnt um eine Polteilung. D. h. bei dem
Ausführungsbeispiel einer zweipoligen dynamoelektrischen
Maschine liegen demnach Durchmesserspulen vor.
-
Jeder
Pol weist 12 Nuten mit der jeweiligen Zuordnung des U-V-W-Systems
auf, wobei, beispielsweise Nut 1 und Nut 2 von
dem ersten Paar mit einem elektrischen Versatz von 0° und
Nut 3 und Nut 4 von dem zweiten Paar mit einem
gegenüber dem ersten Paar elektrischen Versatz von 30° elektrisch aufwartet.
-
Die
Paare sind in 1 dort beispielsweise in Pol 2 mit
römischen Buchstaben I, II zur Verdeutlichung gekennzeichnet.
-
2 zeigt
in prinzipieller Darstellung eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere
eine fremderregte Synchronmaschine, die vier Wicklungssysteme mit
jeweils den Phasen U-V-W aufweist, wobei jedes Wicklungssystem eine
eigene Einspeisung 26, die von einem eigenen Stromzwischenkreisumrichter 25 kommt
ausgestattet ist. Jeder Stromzwischenkreisumrichter 25 weist
einen maschinenseitigen Stromrichter mit Thyristoren in 6- oder
12-pulsiger Ausführung, einen Zwischenkreis mit einer Zwischenkreisdrossel,
als auch einen netzseitigen Umrichter mit Thyristoren in 6-, 12-,
oder 24-pulsiger Ausführung auf.
-
Die
maschinenseitige Regelung ist als feldorientierte Vektorregelung
aufgebaut, die wahlweise als Drehzahl- oder Momentenregelung betrieben werden
kann.
-
Durch
diese vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung
gemäß der beispielhaft beschriebenen und den weiteren
Ausführungsformen des Stators sind nunmehr Antriebsleistungen
der dynamoelektrischen Maschine bis zu mehr als 100 MW mit Drehzahlen
von größer 2500 U/min und mehr, insbesondere 3000
U/min bis 3600 U/min möglich, die mit den bisherigen Anordnungen
von Motoren und Stromrichtern nicht erreichbar waren.
-
Auch
bei Ausfall eines Wicklungssystems bzw. eines Stromzwischenkreisumrichters 25 reduziert
sich die abgegebene Leistung der dynamoelektrischen Maschine lediglich
um 25%. Damit kann die dynamoelektrische Maschine ohne allzu große
Einschränkungen einer Weiterbetrieben werden. Außerdem
können durch den elektrischen Versatz von 30° elektrisch
die bisherigen Kommutierungsreaktanzen, die durch die Maschinenreaktanz
vorgegeben ist, unverändert beibehalten werden.
-
3 und 4 zeigen
die vier Wicklungssysteme an einer elektrisch erregten Synchronmaschine
SM, wobei, wie oben beschrieben zwei Paare von Wicklungssystemen
in dem Stator 27 der elektrisch erregten Synchronmaschine
SM vorgesehen sind, wobei zwischen den Paaren I, II ein Versatz
von 30° elektrisch vorgesehen ist. Dabei sind die Stromrichter,
insbesondere Stromzwischenkreisumrichter 25 jeweils einem
Trafo 30 zugeordnet, dessen Sekundärseite im Dreieck
oder Stern geschaltet ist. 4 zwei Dreiwicklungstrafos,
deren Sekundärseiten jeweils ein Stromrichter 25 zugewiesen
ist.
-
5 zeigt
eine Reihenschaltung der netz- und maschinenseitigen Stromrichter 25,
an einem Dreiwicklungstransformator.
-
6 zeigt
jeweils zwei Stromrichter, deren Zwischenkreisdrosseln negativ gekoppelt
sind.
-
7 zeigt
eine weitere Verschaltungsmöglichkeit der Stromrichter 25 an
der elektrisch erregten Synchronmaschine SM.
-
8 und 9 zeigen
weitere Verschaltungsmöglichkeiten der Stromrichter 25.
Für höhere Motorspannungen, insbesondere größer
2,0 kV sind dabei die erforderlichen Thyristoren des Stromzwischenkreisumrichters 25 elektrisch
in Reihe geschaltet.
-
Die
elektrische Erregung 31 der fremderregten Synchronmaschine
SM erfolgt über rotierende Gleichrichter oder Schleifringe.
-
Die
erfindungsgemäße Grundgedanke ist auch auf vier-
sechs- oder achtpolige dynamoelektrische Synchronmaschinen übertragbar,
dabei ist u. a. das Wicklungsschema gemäß 1 auf
mehrere Nuten beispielsweise 48 Nuten und/oder mehrere jeweils in
Reihe geschaltete Spulen der Wicklungssysteme auszudehnen. D. h.
das Wicklungsschema gemäß 1 würde
sich demnach fortsetzen bis zu beispielsweise 48, 72 oder 96 Nuten,
also ganzzahligen Vielfachen von 24 Nuten.
-
Die
vorliegende Erfindung lässt sich aufgrund ihres Grundgedankens
Erhöhung der Antriebsleistung einer dynamoelektrischen
Maschine somit durch vorhandene bestehende Umrichter, insbesondere
I-Umrichter auch auf mehr als vier Wicklungssysteme, beispielsweise
sechs oder acht Wicklungssysteme erweitern.
-
Ebenso
muss jedes Wicklungssystem nicht zwangsläufig mit drei
Phasen aufgebaut sein. Bei Sondermaschinen ist der erfinderische
Grundgedanke auch für mehr als drei Phasen realisierbar.
-
Bei
mehr als vier Wicklungssystemen sind demnach bei einer zweipoligen
dynamoelektrischen Maschine auch mehrere Schichten von Leitern unterschiedlicher
Wicklungssystems in einer Nut vorstellbar.
-
Der
erfindungsgemäße Aufbau des Stators 27 hat
gegenüber dem im Stand der Technik aufgeführten
gleichmäßigen Versatz um 15° elektrisch
den Vorteil, dass für die Kommutierung der angeschlossenen
Stromzwischenkreisumrichter 25 eine Zeitspanne von 30° elektrisch
zur Verfügung steht.
-
Bei
um 15° elektrisch versetzt angeordneten Wicklungssystemen
des Stators müsste demnach diese zur Verfügung
stehende Zeitspanne halbiert werden, so dass dies eine kleinere
Kommutierungsreaktanz der dynamoelektrischen Maschine erfordern
würde und damit die Beherrschung der bei einem Störfall
auftretenden Stoßmomente und Stoßströme
nahezu unmöglich wäre.
-
Eine
kleinere Kommutierungsreaktanz würde aber zu einem größeren
di/dt führen, so dass die erforderliche Freiwerdezeit der
maschinenkommutierten Netzthyristoren von 0,4 ms nicht eingehalten werden
könnte.
-
D.
h. es ist letztlich entscheidend, dass die erforderliche Freiwerdezeit
eingehalten wird. Ob dies nun bei zwei- oder mehrpoligen dynamoelektrischen Maschinen,
mit vier oder mehr Wicklungssystemen, mit drei Phasen oder mehr
pro Wicklungssystem, mit Paarbildung von zwei oder mehreren Wicklungssystemen,
mit 24 Nuten oder einem ganzzahligen Vielfachen davon im Stator 27,
mit zwei oder mehr Schichten von Leitern pro Nut, oder mit ausgewählten
Kombinationen davon erreicht wird, hängt vom jeweiligen Einsatzgrad
und damit auch von der Leistungsanforderung an die dynamoelektrische
Maschine ab.
-
Ein
erfindungsgemäßer Stator 27 wird insbesondere
bei dynamoelektrischen Maschinen eingesetzt, deren angetriebene
Arbeitsmaschinen eine quadratische Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie aufweisen,
d. h. dass das Moment proportional dem Quadrat der Drehzahl ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4550267 [0005]
- - DE 2348157 [0006]
- - DE 102005043576 A1 [0007]
- - EP 0354430 B1 [0008]