DE1042747B - Selbstanlaufende Synchronmaschine - Google Patents

Selbstanlaufende Synchronmaschine

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Publication number
DE1042747B
DE1042747B DEB41228A DEB0041228A DE1042747B DE 1042747 B DE1042747 B DE 1042747B DE B41228 A DEB41228 A DE B41228A DE B0041228 A DEB0041228 A DE B0041228A DE 1042747 B DE1042747 B DE 1042747B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
winding
starting
self
speed
synchronous machine
Prior art date
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Pending
Application number
DEB41228A
Other languages
English (en)
Inventor
Dr-Ing Friedrich Mueller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BBC Brown Boveri France SA
Original Assignee
BBC Brown Boveri France SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri France SA filed Critical BBC Brown Boveri France SA
Priority to DEB41228A priority Critical patent/DE1042747B/de
Publication of DE1042747B publication Critical patent/DE1042747B/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/36Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das asynchrone Anlassen von Turbogeneratoren mit den erwähnten Mitteln ist nur bei Maschinen unterhalb einer gewissen Leistungsgrenze möglich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nach dem bisherigen Stand der Technik bleibt daher bei größeren Maschinenleistungen nur der Anwurf mit Hilfe eines Anwurfmotors mit den erwähnten Nachteilen übrig.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Um das während des Anlaufes erzeugte Drehmoment nachträglich ändern zu können, kann es zweckmäßig sein, die Anlaufwicklung mit einigen Anzapfungen zu versehen.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist auch möglich, die Anlaufwicklung in bekannter Weise polumschaltbar auszuführen.
  • 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.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Selbstanlaufender zweipoliger, durch eine Gasturbine angetriebener Turbogenerator synchroner Bauart, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständer eine besondere, nur während des Anlaufes einzuschaltende Anlaufwicklung vorgesehen ist, die eine größere, insbesondere die doppelte Polzahl und eine größere Windungszahl aufweist als die Betriebswicklung.
  2. 2. Selbstanlaufende Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufwicklung unmittelbar unter den Nutenverschlußkeilen über der Betriebswicklung angeordnet ist.
  3. 3. Selbstanlaufende Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufwicklung am Nutengrund unter der Betriebswicklung angeordnet ist.
  4. 4. Selbstanlaufende Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufwicklung für einen Anlauf in Stern-Dreieck-Schaltung vorgesehen ist.
  5. 5. Selbstanlaufende Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterquerschnitt der Anlaufwicklung wesentlich schwächer bemessen ist als der Leiterquerschnitt der Betriebswicklung. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 383 693.
DEB41228A 1956-07-31 1956-07-31 Selbstanlaufende Synchronmaschine Pending DE1042747B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1268437B (de) * 1962-08-27 1968-05-16 Bristol Siddeley Engines Ltd Gasturbinentriebwerk

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE383693C (de) * 1921-02-15 1923-10-16 Rudolf Richter Anlassschaltung fuer Motoren mit Wicklungen verschiedener Polzahl und Kurzschlussanker

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