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Selbstanlaufende Synchronmaschine Gasturbinen können bekanntlich von
sich aus nicht aus dem Stillstand anlaufen, sondern müssen durch fremde Krafteinwirkung
auf eine bestimmte Drehzahl gebracht werden, bevor sie ein eigenes Drehmoment entwickeln.
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Bei den bekannten Bauarten erfolgt die Zündung der Gasturbine bei
einer Drehzahl, die etwa 20 % der Nenndrehzahl entspricht. Ein Drehmoment, das zur
weiteren Beschleunigung ausreicht, kann die Gasturbine jedoch erst entwickeln, nachdem
sie nahezu auf die halbe Nenndrehzahl gebracht worden ist.
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Zum Anwerfen der Gasturbine bis etwa auf die halbe Nenndrehzahl wird
üblicherweise ein besonderer Anwurfmotor vorgesehen. Sofern elektrische Energie
zur Verfügung steht, wird dazu im allgemeinen ein Elektromotor asynchroner Bauart
verwendet. Ein solcher Anwurfmotor vergrößert - abgesehen von den Kosten - die Baulänge
der Maschine in unerwünschter Weise und hat außerdem den Nachteil, daß er im Betrieb
dauernd leer mitlaufen muß.
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Dient die Gasturbine zum Antrieb eines Drehstromsynchrongenerators,
so besteht die Möglichkeit, diesen als Anwurfmotor zu benutzen, indem er in bekannter
Weise über einen Anlaßtransformator an ein unter Spannung stehendes Drehstromnetz
angeschlossen wird, so daß er asynchron anläuft.
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An sich könnte das Anlassen des Synchrongenerators auch mit Hilfe
des bekannten, sogenannten Teilwicklungsanlaufes erfolgen. Jedoch scheidet eine
derartige Maßnahme aus leicht ersichtlichen Gründen aus, wenn die Synchronmaschine
wie üblich zweipolig ausgeführt ist.
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Das asynchrone Anlassen von Turbogeneratoren mit den erwähnten Mitteln
ist nur bei Maschinen unterhalb einer gewissen Leistungsgrenze möglich.
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Bekanntlich entsteht beim asynchronen Anlauf einer Drehfeldmaschine
im Rotor eine Verlustarbeit, welche bei Erreichung der synchronen Drehzahl die gleiche
Größe hat wie die kinetische Energie der rotierenden Massen.
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In der Fig. 1 sind über der Drehzahl die beiden Dreiecke OAC und OBC
dargestellt. Die Fläche des Dreieckes OAC entspricht der kinetischen Energie der
rotierenden Masse bei synchroner Drehzahl. Die Fläche des Dreieckes OBC entspricht
dagegen der bis zur Erreichung dieser Drehzahl im Läufer entstandenen Verlustarbeit.
Bei einer Drehzahl nx entspricht die im Rotor gespeicherte kinetische Energie dem
Dreieck ODE, während die beim Anlauf aus dem Stillstand bis zur Drehzahl
nx entstandenen Läuferverluste der Fläche OEFB proportional sind.
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Wenn man beispielsweise eine zweipolige Synchronmaschine für 50 Hz
bis zur halben synchronen Drehzahl, d. h. bis zu 1500 Umdr./Min., hochlaufen läßt,
so beträgt, wie die Fig. 2 zeigt, die Verlustwärme im Läufer das Dreifache der kinetischen
Energie, die bei dieser Drehzahl im Läufer enthalten ist, da das Dreieck
OGH nur ein Drittel so groß wie die Fläche des Vierecks OHJB ist.
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Mit zunehmender Maschinenleistung bereitet die im Läufer entstehende
Verlustwärme erhebliche Schwierigkeiten. Wegen der bekannten Verdrängung der Läuferströme
an die Oberfläche des Läufers entstehen die Verluste in einer verhältnismäßig dünnen
Schicht des Läufereisens und der gewöhnlich unter den Keilen der Läuferwicklung
liegenden Dämpferwicklung. Die während eines Anlaufes entstehende Läufertemperatur
ist .daher vornehmlich durch die Wärmekapazität dieser Oberflächenschicht bestimmt.
Da die Dicke der stromführenden Oberflächenschicht weitgehend unabhängig vom Läuferdurchmesser
ist, wächst ihre Wärmekapazität nur etwa linear mit dem Läuferdurchmesser. Das Trägheitsmoment
des Läufers und damit die in diesem zu speichernde kinetische Energie steigt dagegen
mit der vierten Potenz des Durchmessers an. Wie sich gezeigt hat, ist aus diesen
Gründen der asynchrone Anlauf von Turboläufern nur bei Maschinen mit einer Leistung
bis zu etwa 6000 kW möglich, sofern die während des Anlaufens entstehende Temperatur
der Dämpferwicklung in zulässigen Grenzen bleiben soll.
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Daraus folgt, daß bei größeren Leistungen, wie sie beispielsweise
bei durch Gasturbinen angetriebenen Maschinen vorkommen, der Selbstanlauf mittels
eines Anlaßtransformators grundsätzlich nicht mehr möglich ist.
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Nach dem bisherigen Stand der Technik bleibt daher bei größeren Maschinenleistungen
nur der Anwurf mit Hilfe eines Anwurfmotors mit den erwähnten Nachteilen übrig.
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Der Erfindung liegt-die Aufgabe zugrunde, auch bei großen zweipoligen,
durch eine Gasturbine angetriebenen
Turbogeneratoren synchroner
Bauart einen besonderen Anwurfmotor zu vermeiden, d. h. einen Selbstanlauf auf etwa
die halbe Nenndrehzahl zu ermöglichen.
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Die Erfindung sieht dazu eine besondere, nur während des Anlaufes
einzuschaltende Anlaufwicklung im Ständer der Maschine vor, die eine größere, insbesondere
die doppelte Polzahl und eine größere Windungszahl aufweist als die Betriebswicklung.
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Bei Asynchronmotoren mit Kurzschlußläufer ist es bekannt, für den
Anlauf eine entsprechende Wicklung im Ständer vorzusehen, die den. Zweck hat, den
Anlaufstrom des Motors herabzusetzen. Sie gestattet auch bei solchen Motoren diese
bis auf einen Teil, beispielsweise die Hälfte der Nenndrehzahl zu beschleunigen.
Zur weiteren Erhöhung der Drehzahl muß dann die Betriebswicklung eingeschaltet werden.
Dabei entsteht aber doch wieder ein hoher Stromstoß, der nur wenig kleiner ist als
derjenige, der bei Einschaltung der Betriebswicklung bei stillstehendem Motor entstehen
würde. Bei großen Asynchronmotoren bringt daher die Verwendung einer besonderen
Anlaufwicklung der genannten Art in bezug auf die Verringerung des Anlaufstromes
keinen wesentlichen Vorteil. Sie konnte sich daher in der Praxis nicht durchsetzen.
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Wesentlich anders liegen aber die Verhältnisse, wenn es sich darum
bandelt, einen Synchrongenerator mit Gasturbinenantrieb auf etwa die halbe Nenndrehzahl
zu bringen. Da hier die weitere Beschleunigung auf die volle Drehzahl durch die
Gasturbine bewirkt werden kann, kann die Einschaltung der Betriebswicklung erst
nach Erreichung der vollen Drehzahl der Maschine in der üblichen Weise vorgenommen
werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung einer Anlaufwicklung der erwähnten
Art bringt daher bei solchen Synchronmaschinen tatsächlich einen erheblichen Vorteil.
Einmal wird ein Anlassen des Aggregates ohne besonderen Anwurfmotor bei mäßiger
Stromaufnahme ermöglicht. Andererseits kann die während des Anlaufes im Läufer entstehende
Wärme auch bei sehr großen Maschinen genügend klein gehalten werden.
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Versieht man beispielsweise nach der Erfindung einen zweipoligen Generator
für 50 Hz mit einer vierpoligen Anlaufwicklung, so ist die beim Anlauf bis zu etwa
1500 Umdr./Min. im Läufer entstehende Wärme dem Dreieck OHK in Fig. 2 proportional
und damit nur ebenso groß, wie die im Läufer gespeicherte kinetische Energie, die
dem Dreieck OGH entspricht. Gegenüber dem zweipoligen Anlauf bis zu dieser
Drehzahl ist also die Verlustarbeit auf ein Drittel reduziert.
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Die gegenüber der Betriebswicklung höhere Windungszahl der Anlaufwicklung
wird zweckmäßig so gewählt, daß beim Einschalten der Maschine mit voller Netzspannung
das Drehmoment während des Anlaufes gerade dem zur Einhaltung der gewünschten Anlaufbedingungen
erforderlichen Wert entspricht. Der Anlaufstrom ist dabei entsprechend klein.
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Im allgemeinen soll der Anlauf eines Gasturbinenaggregates nicht allzuschnell
vor sich gehen, damit genügend Zeit vorhanden ist, um bei etwa 20% der Nenndrehzahl
den Zündvorgang der Turbine in der Brennkammer einzuleiten. Um dies sicherzustellen,
kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Anlaufwicklung für einen
sogenannten Stern-Dreieck-Anlauf eingerichtet sein. Die Windungszahl kann dabei
so gewählt werden, daß bei Sternschaltung der Anlaufwicklung der Drehzahlbereich
in der Nähe von 20 % der vollen Drehzahl des Aggregates sehr langsam durchlaufen
wird oder daß der Anlauf bei dieser Drehzahl »hängenbleibt« und die weitere Beschleunigung
der Maschine erst in der Dreieckschaltung stattfindet. Durch diese Maßnahme ist
es möglich, den Anlaufvorgang an die wegen der Gasturbine zu stellenden Forderungen
weitgehend anzupassen. Im allgemeinen wird dabei ein besonderer Anlaßtransformator
nicht erforderlich sein, obwohl ein solcher im Bedarfsfall auch zu Hilfe genommen
werden kann.
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Da die Anlaufwicklung nach der Erfindung nur während des Anlaufes
- also kurzzeitig eingeschaltet wird -- kann ihre Stromdichte sehr hoch gewählt
werden. Der Leiterquerschnitt wird daher zweckmäßig so klein bemessen, daß die Wärmekapazität
der Anlaufwicklung gerade ausreicht, um die zulässige Grenztemperatur während des
Anlaufes einzuhalten. Der für die Anlaufwicklung erforderliche zusätzliche Materialaufwand
kann daher klein gehalten werden.
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Die Anlaufwicklung kann grundsätzlich innerhalb des Stators in beliebiger
Weise angeordnet sein. Zweckmäßig wird man sie in den gleichen Nuten unterbringen
wie die Betriebswicklung, und zwar entweder über der Betriebswicklung, d. h. nahe
der Nutöffnung, oder am Nutengrund unter der Betriebswicklung. Bei der erstgenannten
Anordnung läßt sich gewöhnlich bei gleichem Drehmoment ein kleinerer Anlaufstrom
erreichen als bei der letztgenannten Ausführung. Wicklungstechnische Gesichtspunkte
können jedoch unter Umständen die Anordnung der Anlaufwicklung am Nutengrund vorteilhafter
erscheinen lassen.
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Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Nut einer mit einer erfindungsgemäßen
Anlaufwicklung ausgerüsteten Maschine. Mit 1 ist die Betriebswicklung bezeichnet,
die z. B. aus einem verkreuzten Stab (Roebelstab) bestehen kann. Mit 2 ist die Anlaufwicklung
bezeichnet, die im Beispiel zwei Roebelstäbe je Nut enthält. -Die Fig. 4 zeigt eine
ähnliche Anordnung; bei der jedoch im Gegensatz zu der Fig.3 die hier aus vier Leitern
je Nut bestehende Anlaufwicklung 2 über der Betriebswicklung 1 angeordnet ist.
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In der Fig. 5 ist das Wicklungsschema für einen Phasensträng einer
Wicklungsanordnung nach der Erfindung dargestellt. Die an den Klemmen U1 und X,
liegende Wicklung ist die Arbeitswicklung, während die Anlaufwicklung mit den Klemmen
U2 und X2 verbunden ist.
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In der Fg. 6 ist beispielsweise ein Turbogenerator mit der für die
Erfindung wesentlichen Schalteinrichtung dargestellt. Der Generator 3 ist einerseits
mit der Gasturbine 4 und dem dazugehörigen Kompressor 5 und andererseits mit der
Erregermaschine 6 gekuppelt.
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Vor dem Anlauf wird die Anlaufwicklung 2 durch den Umschalter 10 in
Stern geschaltet und durch Einlegen des Schalters 7 mit dem Leistungsschalter 8
verbunden, während der Schalter 9 geöffnet bleibt.
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Der Anlauf des Aggregates geht wie folgt vor sich: Nach Einlegen des
Schalters 8 läuft die Maschine an und durchläuft langsam den Drehzahlbereich in
der Nähe von 20 % der Nenndrehzahl oder behält eine entsprechende Drehzahl bei.
Dabei erfolgt die Zündung in-der Brennkammer der Gasturbine. Nun wird nach Öffnung
des Leistungsschalters 8 der Schalter 10
umgelegt und der Schalter
8 wieder geschlossen. Durch die damit in der Dreieckschaltung beschriebene Anlaufwicklung
beschleunigt "sich die Maschine weiter, bis bei Erreichung etwa der halben Nenndrehzahl
die Gasturbine Leistung abgibt. Ist dieser Zustand erreicht, so wird der Leistungsschalter
8 wieder ausgeschaltet und nach Öffnung des Schalters 7 und Schließen des Schalters
9 sowie Einschaltung der Erregung der Synchronmaschine durch--die- Erregermaschine6
unter
den üblichen Synchronisierungsmaßnahmen wieder geschlossen, wenn das Aggregat durch
die Gasturbine auf die synchrone Drehzahl gebracht ist.
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Um das während des Anlaufes erzeugte Drehmoment nachträglich ändern
zu können, kann es zweckmäßig sein, die Anlaufwicklung mit einigen Anzapfungen zu
versehen.
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Die Erfindung ist nicht an das beschriebene Ausführungsbeispiel gebunden.
Die Anlaufwicklung kann beispielsweise statt mit der doppelten Polzahl der Betriebswicklung
auch mit einer größeren Polzahl ausgeführt werden.
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Wenn die Zündung der Gasturbine etwa aus besonderen Gründen bei einer
höheren Drehzahl erfolgen soll als bisher angenommen wurde, so kann es zweckmäßig
sein, die Anlaufwicklung eines zweipoligen Generators beispielsweise sechspolig
auszuführen. Die Beschleunigung von der damit erreichbaren Drehzahl bis zu derjenigen
Drehzahl, bei der die Gasturbine Leistung abgibt, kann dabei - da es sich nur um
ein verhältnismäßig kleines Drehzahlintervall handelt -ohne Gefährdung des Läufers
durch zu hohe Temperaturen mit Hilfe der Betriebswicklung bewirkt werden, die dabei
gegebenenfalls über einen Anlaßtransformator oder in Reihenschaltung von betriebsmäßig
parallel geschalteten Wicklungszweigen ans Netz geschaltet werden kann. Auch eine
Stern-Dreieck-Umschaltung der Betriebswicklung kann hierbei angewendet werden.
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Es ist auch möglich, die Anlaufwicklung in bekannter Weise polumschaltbar
auszuführen.
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Wenn die Erfindung auch in erster Linie für das Anlassen von Turbogeneratoren
mit Antrieb durch Gasturbinen bestimmt ist, so kann sie doch auch bei anderen Synchronmaschinen
mit Vorteil angewendet werden.