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Anordnung, bestehend aus einer elektrischen Drehfeldmaschine und einer
zwischen dieser und einer Arbeits- oder Kraftmaschine eingeschalteten elektrodynamischen
Kupplung, deren beide drehbaren Teile Wicklungen tragen, wobei eine Wicklung der
Kupplung,und eine Mehrphasenwicklung der elektrischen Drehfeldmaschine an das gleiche
Netz angeschlossen sind Kaskadenschaltungen von elektromagnetischer Kupplung, meist
einer Schlupfkupplung, und elektrischer Maschine sind bekannt. Derartige Anordnungen
wurden als Drehmomentwandler vorgeschlagen, d. h., es wird damit ein hohes Drehmoment
bei kleiner Drehzahl in gleiche Leistung bei kleinem Drehmoment und großer Drehzahl
verwandelt oder umgekehrt.
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Es ist ferner ein aus zwei Synchronmaschinen bestehendes Getriebe
zwischen einer Kraftmaschine und einer Arbeitsmaschine bekanntgeworden, das jedoch
nicht als elektrodynamische Kupplung im üblichen Sinne, deren Vorzug gerade in der
elastischen Kraftübertragung; liegt, anzusehen ist, sondern es handelt sich dabei
lediglich um eine Kaskadenschaltung zweier Synchronmaschinen, deren Gleichlauf in
kein,--in Moment unterbrochen werden darf, so daß die Kraftmaschine praktisch starr
mit der Arbeitsmaschine verbunden ist. Auch eine weiterhin Ikkanntg@ewordene Anordnung
zur Regelung von Induktionsmotoren durch Zuführung von Spannung veränderlicher Periodenzahl
und Größe zu Ständer und Läufer kann nicht als elektrodynamische Kupplung von dem
allgemein üblichen starren Netz gespeist werden, sondern es ist erst ein besonderer
Drehstromgenerator erforderlich, um die gewünschten Schlüpfungsströme in dem Läufer
eines Induktionsmotors zu erzeugen. Ein weiterer ungünstiger Umstand bei dieser
bekannten Regelanordnung ist darin zu erblicken, daß die beiden starr miteinander
verbundenen Läufer der zu regelnden Induktionsmotoren ständig elektrisch miteinander
verbunden sein müssen, um die gewünscht; Drehzahliil:crsetzun" zwischen dem umlaufenden
Ständer der einen Induktionsmaschine und dem Läufer der anderen Induktionsmaschine
zu erzielen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung, bestehend aus einer elektrischen
Drehfeldmaschine und einer zwischen dieser und einer Arbeits- oder Kraftmaschine
eingeschalteten elektrodynamischen Kupplung, deren beide drehbaren Teile Wicklungen
tragen, wobei eine Wicklung der Kupplung und eine Mehrphasenwicklung der elektrischen
Drehfeldmaschine an das gleiche Netz angeschlossen sind. Erfindungsgemäß ist dieses
Netz starr, und es sind Mittel vorgesehen, um die Wicklung der Kupplung vom Netz
zu trennen sowie die abgetrennte Wicklung durch einen Schalter oder Widerstände
zii schließen oder an eine Gleichstromduelle zu lerien.
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Eine derartige Anordnung, bei der bedarfsweise der eine Kupplungsteil
an ein starres Netz gelegt werden kann, erlaubt eine Drehzahländerung im weitesten
Bereich, wobei das übertragene Drehmoment konstant bleibt. Es gestattet die erfindungsgemäße
Anordnung sowohl eine Übersetzung im Verhältnis 1:1 bei vom V<t7 getrennter und
mit C,lr.ichstrom gespeister Wicklung der Kupplung als auch eine weitere Übersetzung
je nach Polzahlverhältnis bei einem Kurzschließen der umschaltbaren Wicklung der
elektrodynamischen Kupplung.
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Es handelt sich also lrei der erfindungsgemäßen Anordnung um die elektrische
Parallelschaltung und gleichzeitige mechanische Serienschaltung einer elektrischen
Wechselstrommaschine und einer elektromagnetischen Kupplung.
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Erfindungsgemäß kann sowohl eine Synchronmaschine, bestehend aus einem
mit Gleichstrom erregten Polrad und einem mit einer :vlehrphasetiwicklung versehenen
Läufer als auch eine Asynchronmaschine, bestehend aus einem Käfig- oder Schleifringläufer
und einem mit einer zweiten Mehrphasenwicklung versehenen Läufer, als Kupplung verwendet
werden. Die Polzahl der Drehfeldmaschine steht dabei in einem solchen Verhältnis
zu derjenigen der Kupplung, daß die Differenzdrehzahl von Arbeits- oder Kraftmaschine
und Drehfeldmaschine gleich der synchronen oder asynchronen Drehzahl der vom Netz
gespeisten Kupplung ist.
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Um den Drehzahlbereich lyeträchtlich zu erweitern. kann die erfindungsgemäße
Kupplung auch polumschaltbar gebaut werden, was besonders leicht hei der asynchronen
Bauart möglich ist. Die Kraft- oder Arbeitsmaschinen können dann besonders feinstufig
den
synchronen Drehzahlen der Hanptmaschirien an-, gepaßt werden.
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Anwendung findet die neue Anordnung in sehr vorteilhafter Weise z.
B. bei Wasserkraft-Stromerzeugern in solchen Fällen, in denen die Turbine bei wechselnden
Wasserverhältnissen mit zwei Drehzahlen arbeiten muß. Bisher verwandte man in diesen
Fällen Generatoren, die im Polrad und im Stator polumschaltbar sind. Derartige Generatoren
sind jedoch relativ groß. Die Umschaltung erfordert zudem erhebliche Stillstandszeit.
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Bei der neuartigen Anordnung läuft die Kupplung bei der niedrigen
Turbinendrehzahl als Schlupfkupplung. Sie kann dann für besonders kleinen Schlupf,
gegen 0,5 %, ausgelegt sein. Sie liegt also nicht mehr am Netz, sondern die Wechseistromwicklung
ist kurzgeschlossen. Zur Vermeidung des Schlupfes kann die Kupplung auch beidseitig
mit Gleichstrom gespeist werden, wie das z. B. von den Bremsschaltungen der Asynchronmaschine
her bekannt ist.
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Bei hoher Drehzahl der Turbine wird die Kupplung von demselben Netz
gespeist, an dem die elektrische Maschine liegt. Ihre Polzahl wird so gewählt, daß
sie als Generator oder Motor am Netz des Generators mit der Differenzdrehzahl fährt
und die Überschuß-oder Unterschuß-Energie liefert oder bezieht.
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Sind die Betriebsdrehzahlen der Turbine z. B., wie es häufig ist,
um den Faktor 1,2 verschieden, dann müssen sich die Polzahlen von Generator und
Kupplung wie
verhalten, wobei PO die Polzahl des Generators, PK die Polzahl der Kupplung und
nT die Betriebsdrehzahl der Turbine sind. Der Übergang auf den neuen Betriebszustand
erfolgt sehr einfach und schnell.
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Betrachtet man die einzelnen Betriebszustände, so erfolgt zunächst
das Anfahren derart, daß die Turbine den Generator über die als Schlupfkupplung
geschaltete Kupplungsmaschine hochfährt. Ist die synchrone Drehzahl erreicht, wird
der C'rünerator ans Netz gelegt. Die Kupplung kann nun auch, beidseitig mit Gleichstrom
erregt, als Synchronkupplung weiterfahren. Soll die Turbinendrehzahl erhöht werden,
(tann hebt man den Kurzschluß oder die Gleichstromspeisung der Kupplung auf. Der
Generator läuft als leer laufender Motor am Netz weiter. Die Kupplung wird nun mit
der dem gewünschten Drehsinn entsprechenden l'hasenfolg,- ans Netz gelegt und gibt
nein als Generator die C'lierscliuß,energi@e ab. Die Polra(lwinkel der beiden elektrischen
Maschinen, die bekanntlich für die Wirkbelastung maßgelxmd sind, können sich völlig
frei einstellen. Die Leistung der Kupplung verhält sich zur Leistung der Elektromaschine
umgekehrt wie die Polzahlen.
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Bei Pumpspeicherwerken, bei denen oft eine eiektrische :Maschine mit
einer Turbine und einer Pumpe ,gekuppelt ist, hat im allgemeinen die Turbine eine
andere Drehzahl als die Pumpe. Es gibt auch Anlagen, bei denen dieTurbine als Pumpe
arbeiten kann, jedoch mit anderer Drehzahl. Auch liierhei kann die neue Anordnung
sehr vorteilhaft einges-,tzt werden. tim die Drehzahlen anzugleichen oder die Pumpe
bzw. rlie Turbine vom Generator zu losen.
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trbvrha(il)t ist die Trcrinung fler @V@IIe zwiscli(@ii Wasserkraftmaschin#--
und Generator auch aus konstruktiven Gründen sehr erwünscht. Die Hersteller Sind
nicht mehr voneinander abhängig. Die Turbinenlast braucht nicht mehr vorn Generatorlager
oder die Generatorlast nicht mehr vom Turbinenlager getragen zu werden. Die Verluste
sind klar voneinander zu trennen. Axiale Schübe der Turbine auf die Welkkönnen sich
nicht auf den Generator übertragen, so daß dieser sogar mit Wälzlagern bzw. Wälztraglagern
bei senkrechter Welle ausgeführt werden kann.
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Die neue Anordnung ist jedoch auch in allen anderen Fällen anwendbar,
in denen Elektro- und Artxits-bzw. Kraftmaschine in der Drehzahl nicht zueinander
passen. Es kommt oft vor, daß Turbine und Turbogebläse eine günstigste Drehzahl
haben. die über der höchstmöglichen Synchrondrehzahl der Elektromaschine, z. B.
3000 U/min bei 50 Hz. 3600 U/min bei 60 Hz, liegt. Dann erspart die Kupplung (las
Zahnra(lgetriebe. Zudem ist sie erheblich geräuschärmer und erleichtert den Hochlauf.
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Ein wirtschaftlich besonders wichtiger Anwendungsfall ist der Antrieb
einer Erregter- bzw. Hilfserregermaschine eines langsam laufenden Drehstromgenerators,
deren Antriebsdrehzahl durch die zwischen die Drehstromgeneratorwelle und die Erreger-
bzw. Hilfserregermaschine geschaltete erfindungsgemäße Anordnung um rein Vielfaches
im Vergleich zur Drehzahl des Drehstromgenerators erhöht werden kann. Daraus ergeben
sich einmal bedeutend kleinere Abmessungen für die Erreger- bzw. Hilfserregermaschine,
und auch die Zeitkonstante dieser :Maschine wird besonders klein, wie das insbesondere
für Regelvorgänge erwünscht ist.
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Konstruktiv wird es oft möglich sein, die Kupplung in das Polrad der
Hauptmaschine einzubauen, da die elektrische Leistung der Kupplung beträchtlich
kleiner ist als die des Generators bzw. Motors.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in Fig. 1 bis 3 der "Zeichnung
Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Drehstromgenerator 1,
der von
einer Turbine 2 über eine elektromagnetische Kupplung 3 in Synchronbauart
angetrieben wird. Das Polrad 4 dieser Kupplung 3 ist auf der Turbinenwelle
5 und der Läufer 6 der Kupplung 3 auf der Generatorwelle
7 befestigt. Das Polrad 4 trägt eine Gleichstromwicklung
8, während der. Läufer 6 mit einer Drehstromwicklung 9 ausgerüstet
ist, die a» demselben Drehstromnetz 10 liegt, das der Drehstromgenerator
1 speist. Mittels des Schalters 11 kann die Drehstromwicklung
9 vom Drehstromnetz 10 g.-trennt und auch kurzgeschlossen werden.
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Nach Fig. 2 erfolgt der Antrieb des Drehstromgenerators
12 durch eine Turbine 13 über eine Kupplung 14 in Asynchronbauart.
Der eine Phasenläufer 15
dieser Kupplung 14 ist mittels des Schalters
16 direkt mit dem Netz 17 des Drehstromgenerators 12 verbunden,
während der zweite Phasenläufer 18 durch den Schalter 19 entweder
kurzgeschlossen oder an ein Gleichstromnetz 20 gelegt werden kann.
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Mit Fig. 3 wird ein Ausführungsbeispiel für die konstruktive Lösung
des Einbaues des Polrades 21
der Kupplung 22 in das Polrad
23 einer Drehfeldmaschine 24 wiedergegeben, wodurch eine erhebliche
Ersparnis an axialer Länge der Anordnung erzielt wird. Die Polwicklung
25 der Kupplung 22 ist dabei nach einem weiteren Erfindungsgedanken
einpolig mit der Polwicklung 26 der Drelifel(lmaschine 24 verhninden,
so daß zur Speisung beider Wicklungen nur (frei Schleifricige 27 benötigt werden.