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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Walzwerksantrieb mit einer Synchronmaschine, die einen Ständer und einen Läufer aufweist, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.
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Die
DE 10 2005 045 595 A1 beschreibt eine Synchronmaschine, die einen Ständer und einen Läufer aufweist. Der Ständer weist eine Ständerwicklung auf und der Läufer weist eine Läuferwicklung auf. Die Läuferwicklung ist zumindest teilweise aus einem Supraleiter gebildet. Zwischen der Ständerwicklung und der Läuferwicklung (Erregerwicklung) ist ein Dämpferschirm angeordnet.
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Die
DE 196 47 637 A1 beschreibt eine Walzstraße, deren Walzgerüst von zumindest einem Drehstrommotor angetrieben wird, der ein überlastbarer Synchronmotor sein kann.
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HTSL-erregte (Hochtemperatursupraleiter) Synchronmaschinen heutiger Bauart können trotz ihrer bekannten, vorteilhaften Eigenschaften wie höherer Wirkungsgrad, höhere Leistungsdichte und hohe Überlastbarkeit die Anforderungen hochdynamischer Antriebe mit hohen Überlastanforderungen wie beispielsweise bei Walzwerkantrieben nicht in befriedigender Weise erfüllen. Derart spezielle Anforderungen ergeben sich bei so genannten „Reversier-Vorgerüsten” (reversing roughing mill) und bei Fertiggerüsten (finishing mill) in Warmwalzwerken oder bei so genannten „Reversier-Kaltwalzwerken” mit Auf- und Abhaspel (coil to coil reversing cold mill) oder auch bei Hauptantrieben konventioneller Tandem-Anordnungen. Die Anforderungen betreffen insbesondere die hohe Dynamik zur gezielten Bereitstellung beziehungsweise Einstellung des Drehmoments. Beispielsweise wird der Aufbau des mehrfachen Nennmoments innerhalb weniger Millisekunden aus dem Leerlauf heraus (z. B. 3· Mnenn innerhalb weniger Millisekunden) oder ein Laststoß mit mehrfachem Nennmoment (z. B. 3·Mnenn innerhalb weniger Millisekunden) oder ein Lastwechsel von mehrfachem Nennmoment „treibend” auf mehrfaches Nennmoment „bremsend” innerhalb weniger Millisekunden (und umgekehrt) gefordert.
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Solche Anforderungen können mit heute bekannten Auslegungen und Ausführungen von HTSL-erregten Synchronmaschinen nicht ohne negative, kontraproduktive Auswirkungen auf die Maschine und den Walzprozess erfüllt werden. Solche im Walzprozess quasi periodisch auftretenden Laststöße und Drehmomentanforderungen (Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsmoment) würden sich in unakzeptabler Weise auf den kalten Läuferbereich und die darin befindliche HTSL-Wicklung des Läufers auswirken. Insbesondere die schnellen Lastwechsel von mehrfachem Nennmoment „treibend = motorisch” auf mehrfaches Nennmoment „bremsend = generatorisch” (und umgekehrt) führen auch zu hohen Rückwirkungen (Ankerrückwirkung) im Läufer, sowohl in der q-Achse als auch in der d-Achse (= Achse eines Pols des Läufers, um die eine Erregerspule gewickelt ist, vgl. übliches d-q-Koordinatensystem bei Polrädern).
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Die heute bekannten Maßnahmen und Ausführungen eines „Dämpferschirms” beziehungsweise einer „Dämpferwicklung” sind vornehmlich derart gestaltet und dimensioniert, dass die Rückwirkung (der Durchgriff) von Oberwellen des Umrichters beziehungsweise des Netzes auf die Erregerwicklung (= HTSL-Wicklung) ausreichend gedämpft werden. Sie sind nicht oder nur unzureichend geeignet, die Rückwirkungen der oben genannten quasi periodisch auftretenden Lastwechsel ausreichend gering zuhalten.
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Die oben genannten Anforderungen können bisher in befriedigender Weise nur von meist spezifisch ausgelegten, umrichtergespeisten, konventionellen, fremderregten Synchronmaschinen (oder Gleichstrommaschinen) erfüllt werden. Konventionelle stromrichtergespeiste Synchronmaschinen für hochdynamische Antriebe mit hohen Überlastanforderungen, insbesondere Walzwerksantriebe, sind heute üblicherweise derart bemessen, dass der Lastwinkel (Polradwinkel) für das geforderte Stoßmoment nahe am „Kippwinkel” liegt. Durch den, über die Vektorregelung eigen getakteten Betrieb der Maschine und eine Erregereinrichtung, die in der Lage ist, den Erregerstrom in etwa mit der Geschwindigkeit, mit der sich der Polradwinkel ändert, nachzuführen, wird der Fluss in der Maschine konstant gehalten und ein elektrisches „Kippen” der Maschine verhindert.
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Anschließend wird nun das Betriebsverhalten einer Synchronmaschine bei verschiedenen dynamischen Vorgängen näher geschildert:
- a) Schneller Aufbau des Drehmoments aus dem Leerlauf
Es erfolgt ein Aufbau (Einprägung) einer drehmomentbildenden Ständerstromkomponente in der q-Achse (in der Pollücke; 90° elektrisch). Der Fluss in der Maschine ändert sich nicht schlagartig. Die Änderung des Ständerstrombelags wird zunächst entsprechend der magnetischen Verkopplung von Ständer- und Läuferwicklungen von den Läuferwicklungen, in diesem Fall von der Dämpferwicklung, in der q-Achse übernommen. Der Polradwinkel ϑ beginnt sich aufzuspannen. Die Leerlaufzeitkonstante der Dämpferwicklung ist die dafür anfangs wirksame Zeitkonstante. Die dabei ansteigende Ständerstromkomponente in der d-Achse wird zunächst von den Läuferwicklungen in der d-Achse übernommen. über die Regelung wird der Erregerstrom so nachgeführt, dass der Fluss konstant bleibt. Am Ende des Übergangsvorgangs ist der Erregerstrom iE = iE0/cosϑ, und die Ständerstromkomponente in der d-Achse ist: iSd = iS·sinϑ, in der q-Achse: iSq = is·cosϑ.
- b) Schnelle Entlastung
Es erfolgt ein Abbau des Ständerstroms (der drehmomentbildenden Stromkomponente) in der Regel innerhalb weniger Millisekunden. Der Fluss in der Maschine ändert sich nicht schlagartig. Die Änderung des Ständerstrombelags wird zunächst entsprechend der magnetischen Verkopplung von Ständer- und Läuferwicklungen von den Läuferwicklungen übernommen. Abhängig vom vorher vorliegenden Lastwinkel ϑ „überträgt” sich der Wert iS·cosϑ in die q-Achse und der Wert iS·sinϑ in die d-Achse. In der d-Achse liegt parallel zur Dämpferwicklung auch die Erregerwicklung. Damit ergibt sich entsprechend der gemeinsamen Kopplung der Wicklungen und dem Verhältnis der Impedanzen von Dämpfer- und Erregerwicklung eine mehr oder weniger hohe Anfangsstörgröße für die Erregereinrichtung. Der dabei in die Erregerwicklung „eingekoppelte” Strom ist negativ und zieht den Erregerstrom in Richtung Null. In dem Maße wie der Dämpferstrom wieder abklingt, geht auch der Lastwinkel wieder gegen Null (Leerlaufzustand). Über die Regelung wird der Erregerstrom auf den Leerlauferregerstrom zurückgeführt, sodass der (Luftspalt-)Fluss konstant bleibt.
- c) Schneller Lastwechsel von motorisch treibend auf generatorisch bremsend
Es erfolgt eine Änderung des Ständerstroms von motorisch auf generatorisch innerhalb weniger Millisekunden. Zunächst beginnt der Vorgang wie unter b). Der auf die Läuferwicklung eingekoppelte Strom ist jedoch doppelt so hoch. Die unter b) genannten Rückwirkungen auf den Erregerkreis sind deutlich größer, sodass es bei konventionellen Synchronmaschinen transient sogar zur Umpolung des Erregerstroms kommen kann. Die Aufteilung der in die Läuferwicklung induzierten Ströme hängt von dem Verhältnis der Impedanzen der Dämpfer- und Erregerwicklung ab. Die Ständerstromänderung ist deutlich schneller als die Ausgleichsvorgänge zwischen Dämpfer- und Erregerwicklung. Dadurch teilt sich in den ersten Millisekunden der in die Läuferwicklung der d-Achse induzierte Strom näherungsweise entsprechend den Streureaktanzen von Dämpfer- und Erregerwicklung auf. Auch die Geschwindigkeiten der einsetzenden Polradwinkelbewegung sind in erster Näherung doppelt so hoch wie bei b).
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Die obigen Anforderungen erfordern speziell ausgelegte Maschinen bei insgesamt geringen Abmessungen und insbesondere geringem Trägheitsmoment. Ein zudem erwünschter hoher Wirkungsgrad gewährleistet niedrige Betriebskosten der Anlage.
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Die bekannten Auslegungen und Ausführungen der Antriebsanlagen von Walzwerken können heute in befriedigender Weise nur von, für solche Anforderungen meist spezifisch ausgelegten, umrichtergespeisten fremderregten Synchronmaschinen realisiert werden. In früheren Jahren wurden hierfür auch Gleichstrommaschinen, in Einzelfällen auch Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer eingesetzt. Die realisierten Lösungen liegen häufig im Bereich der Grenzleistung heute ausführbarer elektrischer Maschinen und können oftmals nur mit Doppelmotoren (zwei Motoren auf einer Welle, oder zwei mechanisch gekuppelte Motoren) realisiert werden.
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Für die Auswahl und Auslegung der Motoren ist die Höhe des Kippmoments (maximal mögliches Moment) entscheidend. Dieses soll, wie oben beschrieben, möglichst hoch sein. Bei konventionell ausgelegten Synchronmotoren liegt das Kippmoment üblicherweise knapp über dem Wert Mk/Mn > 1,5 (vergleiche Kurve 20 von 1). Für Walzwerksantriebe sind je nach Überlastanforderungen (Höhe und Zeitdauer der Überlast) höhere relative Kippmomentwerte nötig, dazu muss der Motor entsprechend überdimensioniert und/oder bei Bedarf die Erregung innerhalb von Millisekunden erhöht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Walzwerksantrieb bereitzustellen, der den oben genannten Überlastanforderungen gerecht wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Walzwerksantrieb mit
- – einer Synchronmaschine, die einen Ständer und einen Läufer aufweist, wobei
- – der Ständer eine Ständerwicklung aufweist
- – der Läufer eine Läuferwicklung aufweist, und wobei
- – die Läuferwicklung zumindest teilweise aus einem Hochtemperatursupraleiter gebildet ist, wobei bezüglich des magnetischen Flusses zwischen der Ständerwicklung und der Läuferwicklung eine Dämpfereinrichtung angeordnet ist, wobei eine Streureaktanz einer Polspule der Läuferwicklung in Richtung der Polachse der Polspule mindestens doppelt so groß ist wie eine Streureaktanz der Dämpfereinrichtung in dieser Richtung.
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Außerdem wird erfindungsgemäß vorgeschlagen eine Verwendung einer Synchronmaschine, die einen Ständer und einen Läufer aufweist, wobei der Läufer eine Läuferwicklung besitzt, die zumindest teilweise aus einem Hochtemperatursupraleiter gebildet ist, wobei die Synchronmaschine in einem Walzwerk als Antrieb verwendet wird, wobei eine Streureaktanz einer Polspule der Läuferwicklung in Richtung der Polachse der Polspule mindestens doppelt so groß ist wie die Streureaktanz einer Dämpfereinrichtung in dieser Richtung.
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In vorteilhafter Weise ist es mit einer HTSL-Synchronmaschine (d. h. Synchronmaschine mit HTSL-Erregerwicklung) möglich, quasiperiodisch wiederkehrende hohe Überlastanforderungen zu bewältigen. So können auch Stoßlasten mit mehrfachem Nennmoment über mehrere Sekunden realisiert werden, z. B. 150% Mnenn für bis zu 60 Sekunden oder 300% Mnenn für einige, bis zu 20 Sekunden.
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Die Maschine besitzt neben der Ständerwicklung und der HTSL-Erregerwicklung auch eine Dämpfereinrichtung, die bezüglich des magnetischen Flusses zwischen der Ständerwicklung und der Läuferwicklung angeordnet ist. Mit der Dämpfereinrichtung werden einerseits Oberschwingungen des Netzes bzw. der Umrichterspeisung von den elektrisch leitfähigen Teilen im „kalten” Teil des Läufers, insbesondere der HTSL-Erregerwicklung ferngehalten, andererseits können auch mechanische Pendelmomente gedämpft werden. Eine Dämpfereinrichtung weist beispielsweise einen Dämpferschirm und zusätzliche Dämpferwicklungselemente auf.
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Vorteilhaft ist, dass die Streureaktanz einer Polspule der Läuferwicklung in Richtung der Polachse (d-Achse) der Polspule mindestens doppelt so groß ist wie die Streureaktanz der Dämpfereinrichtung in dieser Richtung. Dadurch wird bei einem Lastwechsel ein hoher Anteil von dem in den ersten Millisekunden in die Läuferwicklungen der d-Achse induzierten Strom von der Dämpferwicklung übernommen und nur einen geringeren Anteil in die Erregerwicklung induziert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Läuferwicklung eine größere axiale Ausdehnung als die Ständerwicklung. Damit ist entweder die Motorwicklung als solche axial länger als die Ständerwicklung oder es sind zumindest die Wickelköpfe der Läuferwicklung axial verlängert gegenüber üblichen Maschinen, bei denen der Läufer in der Regel axial kürzer als der Ständer ist. In vorteilhafter Weise wird durch die axiale Verlängerung der Läuferwicklung die Streureaktanz des Läufers vergrößert.
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Bei einer alternativen Ausführungsform wird eine Vorschaltdrossel in Reihe zu der Läuferwicklung geschaltet. Auch diese Vorschaltdrossel hat den Zweck, die Streureaktanz zu vergrößern. Die Vorschaltdrossel kann beispielsweise auch durch die Zuleitung der Läuferwicklung realisiert sein, wenn die Zuleitungen eine entsprechende Fläche aufspannen. Es kann aber auch eine spezielle Drossel eingesetzt werden, die in den Innenraum des Läufers integriert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erster Teil der Dämpfereinrichtung gegenüber der Läuferwicklung thermisch isoliert, dabei kann der Dämpferschirm durch zusätzliches leitfähiges, amagnetisches Material im Bereich der Pollücken, das teilweise oder ganz in die Pollücken ragt, ergänzt sein,
und/oder
ein zweiter Teil der Dämpfereinrichtung ist ohne wesentliche thermische Isolation zur Läuferwicklung im „kalten” Teil des Läufers angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mehr Material der Dämpfereinrichtung in unmittelbarer Nähe der Läuferwicklung verbaut werden kann, sodass der Widerstand der Dämpfereinrichtung sinkt. Dadurch wird die Leerlaufzeitkonstante erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der erste oder zweite Teil der Dämpfereinrichtung elektrisch leitfähige, amagnetische Stäbe auf, die in Pollücken zwischen Polen des Läufers eingesetzt sind und die stirnseitig miteinander verbunden sind. Dies bedeutet, dass die Stäbe im „kalten Teil” oder im „warmen Teil” der Synchronmaschine verbaut sein können.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn bezogen auf die Läuferdrehachse radial unterhalb der Läuferwicklung zumindest ein Abschnitt des zweiten Teils der Dämpfereinrichtung angeordnet ist. Auch dadurch kann die Dämpfereinrichtung niederohmiger als bei konventionellen HTSL-Maschinen gestaltet werden.
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Ferner kann der zweite Teil der Dämpfereinrichtung amagnetische Spulenträger beziehungsweise Wicklungsträger aufweisen, auf die Polspulen der Läuferwicklung aufgewickelt sind. Somit wird auch der Innenraum einer Läuferwicklung für die Dämpfereinrichtung genutzt.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine Skizze eines Walzwerks;
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2 einen Längsschnitt durch eine HTSL-Synchronmaschine;
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3 einen Querschnitt durch die HTSL-Synchronmaschine von 2;
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4 den Momentenverlauf einer HTSL-Synchronmaschine und einer konventionellen Synchronmaschine über dem Polradwinkel und
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5 einen gleichen Momentenverlauf einer Synchronmaschine und einer entsprechend ausgelegten HTSL-Synchronmaschine.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In 1 ist prinzipiell ein Walzwerk dargestellt. Es besitzt als Antrieb eine HTSL-erregte Synchronmaschine 1 (Hochtemperatursupraleiter). Über eine Welle 2, ein Walzgetriebe 3 und weiteren Wellen 4, 5 wird ein Walzgerüst 6 angetrieben, welches mehrere Walzen 7, 8, 9 und 10 besitzt.
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Von der HTSL-Synchronmaschine 1 können auch Walzwerke anderer Bauart angetrieben werden. Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich insbesondere Antriebsanlagen für Walzwerkshauptantriebe (im MW-Bereich) mit umrichtergespeisten HTSL-erregten Synchronmaschinen realisieren. Dabei sollte die HTSL-Synchronmaschine spezifisch auf die jeweilige Antriebsanwendung im Walzwerk angepasst sein.
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Der in 2 dargestellte Längsschnitt durch einen Teil der HTSL-Synchronmaschine von 1 zeigt ein Ständereisen beziehungsweise Ständerblechpaket 11. An ihm befindet sich eine Ständerwicklung 12 (Luftspaltwicklung). Der Ständer mit dem Ständerblechpaket 11 und der Ständerwicklung 12 ist hohlzylindrisch ausgebildet und besitzt eine Längsachse 13 (Rotationsachse). Um diese Längsachse dreht sich ein Läufer, der ein Läufereisen 14 besitzt. Das Läufereisen 14 weist Polkerne auf, um die die HTSL-Wicklungen 15 angeordnet sind. Außen ist das Läufereisen 14 in üblicherweise von einer Dämpferwicklung 16 (bzw. Dämpferschirm) umgeben. Die Dämpferwicklung 16 liegt dabei nicht direkt an dem Läufereisen 14 an. Vielmehr befindet sich zwischen ihnen ein kleiner Spalt 17 zur thermischen Isolation. Dennoch ist die Dämpferwicklung 16 drehfest mit dem Läufereisen 14 verbunden. Die entsprechende Drehmomentenübertragung erfolgt hier durch Isolierelemente 18, die stirnseitig an dem Läufereisen 14 angeordnet sind. Zwischen der Dämpferwicklung 16 und der Ständerwicklung 12 befindet sich der Luftspalt 19 der Synchronmaschine.
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In 3 ist die HTSL-Synchronmaschine 1 von 2 im Querschnitt dargestellt. Die konzentrischen Kreise von außen nach innen stellen das Ständerblechpaket 11, die Ständerwicklung 12, den Luftspalt 19 und die Dämpferwicklung 16 dar. Innerhalb der Dämpferwicklung 16 befindet sich das Läufereisen 14 mit hier vier Polen 40. Jeder Pol 40 besitzt eine entsprechende HTSL-Spule 15. Die Mittelsenkrechte einer Läufer- beziehungsweise HTSL-Spule 15 entspricht einer d-Achse (vgl. übliches d-q-Koordinatensystem bei elektrischen Maschinen; Bezugszeichen d), die die Polachse darstellt. Demgegenüber verläuft eine q-Achse (Bezugszeichen q) in radialer Richtung durch eine entsprechende Pollücke. Sie nimmt elektrisch einen Winkel von 90° ein.
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Bei einer HTSL-Synchronmaschine stellt sich bei Belastung ein im Vergleich zur konventionellen Synchronmaschine sehr viel kleinerer Lastwinkel (Polradwinkel) ein. Dadurch besitzt sie zunächst eine sehr viel höhere Überlastfähigkeit. Durch den kleineren Lastwinkel sind die bei den vorhin beschriebenen dynamischen Übergangsvorgängen in der d-Achse (Polachse der HTSL-Erregerspule; vergleiche 3) wirkenden Stromkomponenten im Vergleich zur konventionellen Synchronmaschine zwar geringer aber dennoch vorhanden.
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Um die beschriebenen, quasiperiodisch auftretenden, dynamischen Lastwechsel mit mehrfachem Nennmoment bei Walzwerksantrieben besser beherrschen zu können, wird erfindungsgemäß die HTSL-Synchronmaschine eingesetzt. Sie kann dahingehend optimiert werden, dass die Dämpferwicklung 16 (zumindest ein Teil der Dämpferwicklung) insbesondere in der d-Achse, gut mit dem Hauptfeld verkoppelt ist und die Streureaktanz Xeσ der Erregerwicklung deutlich (möglichst mehrfach) größer ist als die Streureaktanz Xdσ der Dämpferwicklung 16 in der d-Achse. Dadurch wird bei dem vorhin beschriebenen Lastwechsel ein hoher Anteil von dem in den ersten Millisekunden in die Läuferwicklungen der d-Achse „induzierten” Strom von der Dämpferwicklung 16 übernommen und nur ein geringer Anteil in die Erregerwicklung 15 „induziert”.
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Um diese erhöhte Streureaktanz Xeσ der Erregerwicklung gegenüber der Streureaktanz Xdσ der Dämpferwicklung zu realisieren kann die Läuferwicklung insgesamt, oder aber die Wickelköpfe der Läuferwicklung gegenüber konventionellen HTSL-Synchronmaschinen verlängert sein.
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Bei einer alternativen Ausführungsform besitzt das Läufereisen beziehungsweise die Tragstruktur 14 des Läufers, das/die die Läuferwicklung 15 trägt, einen Hohlraum. In diesem Hohlraum ist eine Vorschaltdrossel angeordnet und in Serie mit der Läuferwicklung geschaltet, sodass sie als Zusatzwicklung wirkt. Alternativ zur Anordnung in einem Hohlraum im Zentrum des Läufers kann solch eine Vorschaltdrossel auch an einer anderen Stelle im Läufer angeordnet sein. Mit ihr erhöht sich die Streureaktanz der Erreger- beziehungsweise Läuferwicklung. Alternativ zu der Vorschaltdrossel können auch die Zuleitungen der Läuferwicklungen 15 als Drossel betrachtet werden, wenn sie eine entsprechende Fläche aufspannen.
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Die HTSL-Synchronmaschine kann auch hinsichtlich der Dämpfungseigenschaften der Dämpferwicklung optimiert werden. Hierzu wird beispielsweise der Dämpferschirm (16) durch zusätzliches elektrisch gut leitfähiges, amagnetisches Material im Bereich der Pollücken, das teilweise oder ganz in die Pollücken des Läufers ragt ergänzt. Dieser Teil der Dämpfereinrichtung ist thermisch gegen die Läuferwicklung 15 isoliert und dem „warmen” Bereich der Maschine zugeordnet. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Ergänzung ist ein zweiter Teil der Dämpferwicklung dem „kalten Teil” der Maschine zugeordnet, der zur Gewährleistung des Hochtemperatursupraleitereffekts entsprechend herabgekühlt ist. Dieser „kalte Teil” umfasst in erster Linie die HTSL-Wicklungen. Speziell kann hierfür zusätzliches elektrisch leitfähiges, amagnetisches „Dämpfermaterial” in die Pollücken eingebracht werden und/oder ein großflächiger, gut leitender Wicklungsträger (z. B. aus Kupfer) mit hohem Querschnitt unter und zwischen den HTSL-Spulen vorgesehen werden. Speziell können in die Pollücken der HTS-Wicklungen beziehungsweise Polspulen ohne wesentliche Isolation zur Läuferwicklung, elektrisch leitfähige, amagnetische Stäbe in axialer Richtung eingebracht werden. Die Stäbe sind an ihren axialen Enden ähnlich einer Käfigwicklung elektrisch leitend miteinander verbunden. Damit wird der Raum der Pollücken intensiver für die Dämpferwicklung beziehungsweise Dämpferschirmung genutzt.
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Auch in einer weiteren Ausführungsform besitzt die Dämpfereinrichtung zwei Teile, wovon eines dem warmen Rotorteil und eines dem kalten Rotorteil zugeordnet ist. Der erste Teil entspricht wieder dem Dämpferschirm 16, der dem warmen Rotorteil zuzuordnen ist. Zusätzlich hierzu ist im kalten Rotorteil ein Teil der Dämfereinrichtung unterhalb der Läuferwicklung beziehungsweise Polspule vorgesehen. Er befindet sich also zwischen der Tragstruktur 14 und den Läuferwicklungen 15. Dieser zusätzliche Teil der Dämpfereinrichtung kann als elektrisch gut leitfähige, amagnetische Zwischenlage realisiert sein.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann die Dämpfereinrichtung im kalten Rotorteil Spulen- bzw. Wicklungsträger der Läuferwicklungen umfassen. Diese Wicklungsträger sind dann elektrisch gut leitfähig, amagnetisch, geschlossen und ringförmig.
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Gegebenenfalls sind die Läuferwicklungen mehrschichtig aufgebaut. Jede Rotorteilspule ist auf einen elektrisch gut leitfähigen, amagnetischen, geschlossenen, ringförmigen Wicklungsträger aufgewickelt. Die übereinander liegenden Wicklungsträger sind elektrisch gut leitend miteinander verbunden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die mehreren übereinander liegenden HTSL-Teilspulen durch elektrisch gut leitfähige, amagnetische Zwischenschichten getrennt sind.
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Mit den oben genannten Maßnahmen kann eine besonders „niederohmige” Ausführung der Dämpferwicklung (bzw. des Dämpferschirms) erreicht werden. Hierdurch lässt sich eine möglichst große Leerlaufzeitkonstante der Dämpfereinrichtung erzielen. Folglich lassen sich dadurch quasiperiodisch auftretende dynamische Lastwechsel besser beherrschen.
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HTSL-Synchronmaschinen sind bei gleicher Leistung ca. 30% bis 50% kleiner und haben dabei eine höhere Überlastbarkeit und einen höheren Wirkungsgrad als konventionell erregte Maschinen. Andererseits kann bei gleichem Maschinenvolumen in der HTS-erregten Maschine eine deutlich höhere Leistung, verbunden mit höherem Kippmoment und höherem Wirkungsgrad erzielt werden. Diese Vorzüge der HTS-erregten Maschinen gelten auch im Walzwerkseinsatz sowohl für HTS-Maschinenausführungen mit oder ohne magnetischem Eisen im Rotor und für Ausführungen mit oder ohne magnetische Eisenzähne im Stator. Es kann daher einerseits für eine vorgegebene Anordnung, die an der Walze für den Walzprozess zur Verfügung stehende Leistung erhöht werden. Andererseits kann mit einer derartig optimierten Maschine die Antriebsanlage für ein Walzwerk (im MW-Bereich) derart gestaltet werden, dass sowohl die Antriebsanlage als auch der Walzprozess technisch und auch wirtschaftlich deutlich verbessert wird.
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Ein derartiges Walzwerk kann sich also durch eine kleinere Bemessungsleistung der Antriebsmotoren auszeichnen. Hierzu wird auf 4 verwiesen. Dort ist das Drehmoment einer Synchronmaschine über dem Polradwinkel: M = Mksinϑ dargestellt. Es wird dabei ausgegangen von zwei Maschinen (HTS-erregt und konventionell erregt) mit gleicher Bemessungsleistung und damit gleichem Bemessungsmoment Mn. Das Drehmoment der konventionellen Maschine folgt der Kurve 20 mit dem Kippmoment Mk1 (= maximales Moment). Das Drehmoment der HTS-erregten Maschine wird in Kurve 21 mit dem Kippmoment Mk2 wiedergegeben. D. h. die HTS-erregte Maschine hat bei gleicher Bemessungsleistung ein wesentlich höheres Kippmoment.
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Diese Kenntnis lässt sich dafür nutzen, beide Maschinen auf das gleiche Kippmoment hin auszulegen (Mk1 = Mk2), d. h. die Drehmoment-Polradwinkel-Kurven sind deckungsgleich. Dies lässt sich dadurch realisieren, dass gemäß 5 die Drehmoment-Kurve 22 der HTS-Maschine auf die Drehmomentkurve 20 der konventionellen Maschine „heruntergezogen” wird. Daraus ist ersichtlich, dass für die HTS-Variante ein kleineres Bemessungsmoment Mn2 erforderlich ist als für die konventionelle Maschine (Mn1). HTS-erregte Maschinen weisen nämlich infolge ihres großen Luftspalts und kleinen Polradwinkels (ϑ2 in 4 und 5) von Haus aus ein hohes relatives Kippmoment von Mk/Mn = 3...8 auf (vergleiche 4, Kurve 21).
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Ein Walzwerk mit HTSL-erregter Maschine weist sich außerdem durch kleinere Stoßkurzschlussströme und Stoßkurzschlussmomente im Störungsfall aus. Für die Auslegung der elektrischen Komponenten eines Walzgerüsts (z. B. Leistungsschalter) sind die im Störungsfall im Antriebsstrang maximal auftretenden Stoßkurzschlussströme eine wichtige Größe. Die Stoßkurzschlussströme werden bei Synchronmaschinen im Wesentlichen durch den Nennstrom und die transienten und subtransienten Reaktanzen beschrieben. Diese Reaktanzwerte sind als relative Werte (per unit Werte) bei beiden Maschinenarten etwa gleichgroß. Gleiches gilt für die Stoßkurzschlussmomente. Da aber, wie vorhin genannt, eine HTSL-erregte Synchronmaschine für einen Walzwerkshauptantrieb mit kleiner Bemessungsleistung ausgelegt werden kann, treten im Störungsfall kleinere Stoßkurzschlussströme und Stoßkurzschlussmomente auf.
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Durch die hohe Überlastbarkeit von HTSL-erregten Maschinen lassen sich die eingangs genannten Überlastanforderungen von Walzwerksantrieben mit HTSL-erregten Synchronmaschinen erfüllen, welche für eine wesentlich kleinere Bemessungsleistung ausgelegt sind, als für konventionelle Walzwerksmotoren erforderlich wäre, und dies zudem ohne hochdynamische Erregerstromänderung. Wird der Walzwerksmotor in beiden Maschinenvarianten auf das gleiche Kippmoment (Mk1 = Mk2) ausgelegt (vergleiche 5), so ist in der HTSL-erregten Variante infolge des kleinen Polradwinkels ϑ2 ein wesentlich kleineres Bemessungsmoment Mn2 erforderlich.
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Bei Motoren mit kleinerer Bemessungsleistung treten im Störungsfall kleinere Stoßkurzschlussströme und kleinere Stoßkurzschlussmomente auf. Infolge dessen kann die elektrische Anlage bei Einsatz von HTSL-erregten Motoren auf kleinere Kurzschlussleistungen bemessen werden. D. h. es können z. B. kleinere Leistungsschalter in der Anlage eingesetzt werden.
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Auf der mechanischen Seite ergibt sich bei Einsatz von HTSL-erregten Motoren folgender Vorteil: Für die Auslegung der mechanischen Komponenten eines Walzgerüsts ist das im Störungsfall im Antriebsstrang maximal auftretende Stoßmoment (= Stoßkurzschlussmoment) eine wichtige Größe und erfordert häufig zusätzliche Schutzmaßnahmen (z. B. Drehmomentüberlastungsschutz durch Einbau zusätzlicher Induktivitäten zur Begrenzung des Kurzschlussstroms oder eine Brechbolzenkupplung), um unzulässig hohe Stoßmomente vom Walzgerüst fernzuhalten. Werden nun HTSL-erregte Motoren eingesetzt, so können diese, wie oben beschrieben, mit kleinerer Bemessungsleistung ausgelegt werden. Damit ist auch das Stoßkurzschlussmoment kleiner und die mechanischen Schutzmaßnahmen im Antriebsstrang können einfacher gestaltet werden.
