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Anordnung zur Erzeugung eines Gleichstromes unterVerwendung einer
Gleichrichter speisenden Synchronmaschine Insbesondere zum Erregen von synchronen
Wechsel- oder Drehstrommaschinen, also beispielsweise zum Erregen von Grenzleistungsturbogeneratoren,
ist es bekannt, als Erregerinaschine eine Synchronmaschine zu verwenden, deren Strom
durch Gleichrichter gleichgerichtet wird. Diese Synchronmaschine ist meist als synchrone
Außenpolmaschine ausgebildet, deren induzierte Wicklung auf dem Läufer angeordnet
ist und die mit dem Läufer umlaufende Gleichrichter speist, die vorzugsweise als
Siliziumgleichrichter ausgebildet sind. Hierdurch werden Schleifringe vermieden,
so daß die übertragung auch sehr großer Erregerleistungen möglich ist.
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Die Erzeugung von Gleichstrom unter Verwendung von synchronen Außenpolmaschinen,
deren induzierte Wicklung auf dem Läufer angeordnet ist und vorzugsweise mit dem
Läufer umlaufende Gleichrichter speist, ist ferner für Luftfahrzeuge bekannt, und
zwar insbesondere für solche, die in großen Höhen operieren. Der Fortfall des Kommutators
einer in gewöhnlicher Weise ausgebildeten Gleichstrommaschine ist hierbei deshalb
von besonderer Bedeutung, weil die Lebensdauer von Kohlebürsten in sehr großen Höhen
gering ist.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Erzeugung eines Gleichstromes mit
Hilfe einer Synchronmaschine, vorzugsweise einer synchronen Außenpolmaschine, deren
induzierter Strom durch Gleichrichter gleichgerichtet wird. Zur Erzeugung des Gleichstromes
wird gemäß der Erfindung eine Synchronmaschine verwendet, deren induzierte Wicklung
aus einlagigen konzentrierten Spulen besteht, die eine Sehnung von solcher Größe
besitzt, daß die Stabspannungen der Spulen ihren Windungsspannungen gleich sind,
wobei diese in einer Reihen- oder Parallelschaltung in an sich bekannter Weise auf
dem Läufer umlaufende Gleichrichter speisen. Dadurch ergibt sich eine Wicklung,
die kurze Stimverbindungen und entsprechend geringe Stirnverluste besitzt. Ferner
ergeben sich hinsichtlich der Fliehkraftbeanspruchung Vorteile, daß die Maschine
gut zur Verwendung bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten geeignet ist, wie sie für
die schleifringlose Erregung von Grenzleistungturbogeneratoren erforderlich sind.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann man den Feldverlauf
z. B. durch besonders geformte Impulse so gestalten, daß ein oberwellenfreier Gleichstrom
erzielt wird. Derartige Maßnahmen sind bereits bei Kollektormaschinen für Kleinbetriebe,
welche insbesondere für Laboratoriumszwecke Gleich- oder Wechselstrom erzeugen,
bekannt. Sie erweisen sich aber als besonders vorteilhaft zur Speisung der Erregerwicklung
einer synchronen Wechsel- oder Drehstrommaschine. Wird beispielsweise in jedem Strang
der gemäß der Erfindung verwendeten Synchronmaschine ein zeitlich rechteckförmiger
Spannungslauf erzeugt und zu diesem Zweck als Induktionswert 2 der Maxiinalwert
des Magnetfeldes einer Maschine mit sinusförmigem Spannungsverlauf gewählt, so erhält
man bei gleicher Leiterzahl eine um fl-Tal höhere Gleichspannung, die völlig oberwellenfrei
ist. Der effektive Gleichstrom entspricht dem Wert des effektiven Gleichstromes,
der mit einer einen sinusförmigen Spannungsverlauf aufweisenden elektrischen Maschine
erzielt wird, deren Wechselspannung anschließend gleichgerichtet wird, aber nicht
oberwellenfrei ist. Durch die Anordnung gemäß der Erfindung läßt sich also eine
höhere oberwellenfreie Gleichspannung bei gleicher Stärke des Gleichstromes erzwingen,
ohne daß die thermische Beanspruchung der Gleichrichterzellen erhöht wird.
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Bei der Anordnung gemäß der Erfindung kann man den Feldverlauf der
Synchromnaschine vorteilhafterweise so wählen, daß er über der Polteilung die Gestalt
eines Rechtecks hat, dessen Basis gleich der halben Polteilung ist, wobei Feldbreite
und Lückenbreite einander gleich sind. In diesem Fall wird die Spulenweite der induzierten
Wicklung gleich der halben Polteilung gewählt.
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Bei der Ausbildung als Außenpolmaschine mit rotierender induzierter
Wicklung und Anordnung der Gleichrichter im Welleninnern empfiehlt es sich, bei
einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Maschine die Stromzuführungen bifilar anzuordnen,
da ansonsten das Blechpaket als geschlossener Eisenring durch
die
nicht bifilare Leitungsführung magnetisiert wird und auf diese Weise indirekt eine
Verzerrung der Ankerfeldkurve entstehen kann.
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Ein Ausführungsbeispiel für die soeben erwähnte Peldausbildung ist
an Hand der schematischen Darstellungen der Fig. la bis 1 g erläutert.
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Die, Fig. la gibt den Feldverlauf der Synchronmaschine über der Polteilung-c.
wieder. Das Feld23 hat rechteckförmige Gestalt. Die Basis dieses Rechteckes ist
gleich der halben Polteilung, und Feldbreite und Lückenbreite sind einander
gleich. Es ergibt sich also eine Polbedeckung von 0,5 innerhalb der Polteihmg.
Gleichzeitig wird die Spulenweite der induzierten Wicklung gleich einer halben Polteilung
festgelegt. In der Fig. lb ist das Schema der als Einschichtwicklung. ausgeführten
induzierten Wicklung wiedergegeben. Die Spulenweite der in der Fig. lb angedeuteten
Spulen 1 und 2 der induzierten Wicklung ist gleich der halben Polteilung.
Infolgedessen wird in den Spulen eine Windungsspannung induziert, die gleich der
Stabspannung ist. Der zeitliche Verlauf der induzierten Windungsspannunge, und e.
ist in den Fig. 1 c und 1 d angedeutet. Wird diese Spannung jetzt
gleichgerichtet, so ergeben sich die Gleichspannung Ug (Fig. 1 e) und der
Gleichstrom ig = JV 1 # 4 2 (Fig. 1 f). Wie in der Fig.
1 g angedeutet, ist hierbei Jv , der durch die Gleichrichterzelle
Gl, fließende Strom der Spule 1 und fv 2 der durch die Gleichrichterzelle
G12 fließende Strom der Spule 2.
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Da die thermische Beanspruchung der Gleichrichterzellen unabhängig
von der Frequenz ist, empfiehlt es sich, die Synchronmaschine vielpolig auszubilden
und die Spulen ihrer induzierten Wicklung in Reihe zu schalten. Auf diese Weise
ergibt sich eine gleichmäßige Nutteilung, so daß die Maschine besser ausgenutzt
ist.
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In der Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel eine bei der Durchführung
des Erfindungsgedankens verwendete 8polige synchrone Außenpolmaschine mit einer
Einschichtwicklung im Läufer wiedergegeben. Die mit N und
S bezeichneten Pole sind als Permanentmagnetpole ausgeführt, wodurch sich
eine verläßliche Selbsterregung ergibt. In den Nuten des Läuferblechpaketes sind
jeweils vier Spulen 1 und vier Spulen 2 eingelegt, deren Spulenweite, wie
es an Hand der Fig. 1 b erläutert wurde, gleich der halben Polteilung gewählt
ist.
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Die Fig. 2 läßt erkennen, daß die Jochhöhen des Ständerjoches hi und
des Läuferjoches h2 verhältnismäßig klein sind, d. h., die Maschine ist eisenarm
und von geringem Gewicht. Der große Innendurchmesser D des Läufers bietet
genügend Raum, um gegebenenfalls die Gleichrichterzellen, die von der Läuferwicklung
gespeist werden, innerhalb des Läufers unterzubringen, wie es an sich bereits bekannt
ist. Durch diese Unterbringung der Gleichrichterzellen innerhalb des Läufers der
synchronen Außenpolmaschine wird im Zusammenhang mit der geringen stimseitigen Ausladung
der Wicklung an axialer Maschinenlänge gespart.
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Damit eine gemäß der Erfindung ausgebildete Maschine sowohl bei Leerlauf
als auch bei Belastung den gleichen Spannungsverlauf hat, ist es angebracht, die
magnetisierende Wirkung der Ankerrückwirkung aufzuheben. Zu diesem Zweck empfiehlt
es sich, entweder die Pole mit einer Käfigwicklung oder die Schenkel der.Pole mit
einer Kurzschlußwindung zu
umgeben. Eine Abschwächung der Ankerrückwirkung
wäre zwar auch durch eine Vergrößerung des Maschinenluftspaltes möglich, diese Maßnahme
setzt aber die Selbsterregung der Maschine herab und gestaltet ihre Baustoffausnutzung
unwirtschaftlich. Das zweite Mittel wäre bei gleichbleibendem Ankerstrombelag eine
Erhöhung der Polpaarzahl, die dann aber in den Mittelfrequenzbereich führt. Aus
diesem ergibt sich die Wichtigkeit der Anordnung einer Dämpferwicklung.
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Das Anbringen einer Kurzschlußwindung um die Schenkel der vorzugsweise
im Ständer angeordneten Pole dürfte besonders dann vorteilhaft sein, wenn als Pole
Permanentmagnete gewählt werden.
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Wie bereits mehrfach erwähnt, können die vorzugsweise auf dem Ständer
angeordneten Pole als Permanentmagnete ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich,
die vorzugsweise im Ständer angeordneten Pole in an sich bekannter Weise mittels
eines lastabhängigen Gleichstromes zu erregen. Die letztgenannte Art der Erregung
der Synchronmaschine wird man insbesondere dann anwenden, wenn der von ihr mit Hilfe
der Gleichrichter erzeugte Gleichstrom zur Erregung einer synchronen Wechsel- oder
Drehstrommaschine, also beispielsweise zur Erregung eines Grenzleistungsturbogenerators,
dient. In diesem Falle empfiehlt es sich, in an sich bekannter Weise den Erregerstrom,
mit dem die vorzugsweise auf dem Ständer der Maschine angeordneten Pole erregt werden,
aus einer lastunabhängigen, der Spannung der synchronen Wechsel- oder Drehstrommaschine
proportionalen Erregerkomponente und aus einer dem Laststrom der synchronen Wechsel-
oder Drehstrommaschine proportionalen Erregerkomponente entweder in Stromadditionsschaltung
oder in Spannungsadditionsschaltung zusammenzusetzen. Hierbei können an den Polen
Sättigungsstege vorgesehen sein.
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Die induzierte Wicklung einer bei der Durchführung des Erfindungsgedankens
verwendeten Synchronmaschine kann auch mehrphasig ausgebildet werden. An Hand der
schematischen Darstellung der Fig. 3 a bis 3 i sei eine solche Maschine
näher erläutert. In der Fig. 3 a ist der rechteckförmige Feldverlauf dieser
Maschine wiedergegeben. Das Feld 58
hat den gleichen rechteckförntigen Verlauf
wie bei der an Hand der Fig. 1 a bis 1 g erläuterten Maschine. Die
induzierte Wicklung besteht, wie die Fig. 3 b
zeigt, aus den vier Spulen
1 bis 4, deren Weite jeweils gleich der halben Polteilung ist. Die vier Spulen
1
bis 4 speisen, wie die Fig. li zeigt, unmittelbar die vier Gleichrichterzellen
Gli bis G14.
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In den vier Spulen 1 bis 4 werden die in den Fig.
3 c bis 3 f dargestellten Strangspannungen e, bis e4 induziert, die
gegeneinander um das Zeitintervall TI4 verschoben sind. Diese vier Strangspannungen
setzen sich zu der in der Fig. 3g angedeuteten Gleichspannung Ug zusammen.
Der resultierende GleichstromJg (Fig. 3h) ist doppelt so groß wie der in
der Fig. lf dargestellte Gleichstrom, da sich die durch die Gleichrichterzellen
Gl, bis G14 fließenden Einzelströme Jv 1, 4 41 4 .31 4 2 überlappen.
Die Einschaltdauer jeder Gleichrichterzelle beträgt in gleicher Weise, wie es bei
der Anordnung der Fig. 1 a bis 1 g
der Fall ist, jeweils den Zeitraum
T/2.
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Der Feldverlauf der Synchronmaschine kann aber auch so gewählt werden,
daß er über die Polteilung die Gestalt eines Trapezes aufweist, dessen Basis gleich
der Polteilung und dessen parallele Gegenbasis gleich zwei Drittel der Polteilung
ist. Die induzierte
Wicklung wird dann als Durchmesserwicklung ausgebildet.
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Zur Erläuterung dienen die schematischen Darstellungen der Fig. 4
a bis 4 g. Der Feldverlauf der Synchronmaschine ist in der Fig. 4 a wiedergegeben.
Das Feld 2 hat über der Polteilung z, die Gestalt eines Trapezes, dessen Basis gleich
der Polteilungup und dessen parallele Gegenbasis gleich -/3,rp ist. Die induzierte
Wicklung ist als dreisträngige Durchmesserwicklung angenommen mit den drei Spulen
1, 2 und 3 die, wie die Fig. 4g zeigt, unmittelbar die Gleichrichter
GIJ, Gl. und Gl" speisen. Die in den drei Spulen 1 bis 3 induzierten
Spannungen ei bis e" sind in den Fig. 4b bis 4d dargestellt. Der Maximalwert der
Spannung ei reicht von der Zeit t, bis t., der Maximalwert der Spannung e. von der
Zeit t. bis t. und der Maximalwert der Spannung e. von der Zeit t. bis zur Zeit
t4= tj. Infolge dieser überlappung der in den drei Spulen 1 bis
3 induzierten Spannungen ei bis e 3 ergibt sich die völlig
oberwellenfreie Gleichspannung U, die in der Fig. 4e dargestellt ist. In
der Fig. 4 f ist der resultierende Gleichstrom Jg, der sich aus den durch
die einzelnen Gleichrichterzellen Gli bis Gl 3 fließenden Strömen Jvl, JV2
und JV3 zusammensetzt, dargestellt. Zur besseren Veranschaulichung der Darstellung
sind die den einzelnen Spulen zugeordneten Spannungen und Ströme in den Fig. 4b
bis 4f ausgezogen, gestrichelt und strichpunktiert dargestellt.
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An Hand der Fig. 5 a bis 5 h ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert, bei dem die Feldverteilung der Synchronmaschine, wie es
Fig. 5 a zeigt, rechteckförmig gewählt ist. Die Basis dieses Rechteckes beträgt
hierbei ein Drittel der Polteilung, während die Lückenbreite gleich der doppelten
Feldbreite ist. Bei dieser Feldverteilung ist die Spulenweite der induzierten Wicklung
gleich zwei Drittel der Polteilung (Fig. 5 b). Die induzierten Spannungen
ei bis e" sind hinsichtlich ihrer zeitlichen Verschiebung in den Fig.
5 c bis 5 e wiedergegeben. Bei der dargestellten Anordnung ist die
Windungsspannung gleich der Stabspannung. Die Ströme JV , bis JV 33 die durch
unmittelbar mit den Spulen 1 bis 3 verbundene Gleichrichterzellen
Gl, bis Gl. fließen (Fig. 5 h), sind in der Fig. Sg dargestellt. Gegenüber
dem an Hand der Fig. 4 a bis 4 g erläuterten Ausführungsbeispiel, bei dem
die Läuferwicklung als Durchmesserwicklung ausgebildet ist, wird für das an Hand
der Fig. 5 a bis 5 h dargestellte Ausführungsbeispiel bei gleicher
Induktion 2 die doppelte Leiterzahl für die induzierte Wicklung benötigt. Die Stimverbindungslängen
betragen jedoch nur zwei Drittel und die erforderliche Jochstärke nur ein Drittel
der für das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 a bis 4 g benötigten Werte. Infolgedessen
ergibt sich bei Ausführung als Außenpolmaschine ein sehr großer Innendurchmesser
für die Unterbringung der Gleichrichterzellen.
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Während man bei Gleichrichteranordnungen, die wechselstromseitig mit
zeitlich sinusförnügen Spannungen gespeist werden, eine möglichst hohe, Phasenzahl
auf der Wechselstromseite der Gleichrichter vorsieht, um möglichst geringe Schwankungen
um die mittlere Gleichspannung zu erhalten, ist es bei der Anordnung gemäß der Erfindung
an sich nicht erforderlich, die Phasenzahl zu erhöhen, zumal eventuelle hohe Strombelastungen
der Gleichrichterzelle auch durch Parallelschaltung von Gleichrichterzellen beherrscht
werden können. Man kann jedoch auch bei der Anordnung gemäß der Erfindung
die Synchronmaschine mehrphasig ausbilden. So sind an Hand der Fig. 6 a bis
6 f und 7 a bis 7 g gemäß der Erfindung ausgebildete Ausführungsbeispiele
dargestellt, bei denen die induzierte Wicklung in Doppelstern- oder Sechsphasenschaltung
geschaltet ist. Man kann hierbei für die Synchronmaschine den in der Fig.
6 a wiedergegebenen Feldverlauf wählen, bei dem das Feld die Form eines Trapezes
hat, dessen Basis gleich der Polteilungrp und dessen parallele Gegenbasis gleich
ein Drittel der Polteilung ist. Die Spulenweite der induzierten Wicklung ist in
diesem Fall gleich Ilsup, wie es in der Fig. 6b angedeutet ist. In diesem
Fall ist die Windungsspannung gleich der Stabspannung. In den Fig. 6 c bis
6 e sind die in den Spulen 1 bis 6 induzierten Spannungen ei
bis e., die resultierende Gleichspannung U# sowie die durch die Gleichrichter Gli
bis G16 fließenden Ströme JV , bis JV , dargestellt.
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Da beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 a bis 6 f
für
die Gleichspannungsbildung von dem in der Fig. 6 a dargestellten trapezförinigen
Feldverlauf lediglich der Teil mit konstantem Induktionsverlauf über ein Drittel
der Polteilung benötigt wird, ist es vorteilhaft, die Feldkurve über der Polteilung
als Rechteck mit 1/3 -up Basisbreite zu gestalten, wie es in Fig. 7a dargestellt
ist. Hierdurch erspart man sich bei gleicher Wicklungsanordnung und Windungszahl
für die gleiche Größe der Gleichspannung das halbe Maschinenfeld, wodurch eine wesentliche
Ersparnis im Eisen eintritt und die Pollücken in ihrer Breite von 2/3 rp eine vorzügliche
Kühlung erlauben. Der Verlauf der induzierten Wechselspannung je Strang bildet
sich dann gemäß der in der Fig. 7c dargestellten Forme (t) aus. An der Bildung
der in den Spulen 1 bis 6 induzierten Gleichspannungen ei bis e.,
beteiligen sich, wie in der Fig. 7 d gezeigt, nur die positiven Halbwellen.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich noch dadurch, daß, wie ein Vergleich der Strangspannungen
ergibt, jeweils zwei der Gleichrichter Gl, bis Gl. parallel geschaltet sind und
Strom führen. So führen beispielsweise die Gleichrichter Gl. und G#, zur gleichen
Zeit jeweils die Ströme JV 6 bzw. fv, die Gleichrichter Gl, und
G13 jeweils gleichzeitig die Ströme Iv , bzw. JV:3 usw. Es sind also
jeweils die Spannungen ei und e., e. und e4, e., und e#" e4 und e, e. und
ei sowie e6 und e, phasengleich. Hierdurch entsteht eine Entlastung der Gleichrichter,
die demzufolge höher ausgenutzt werden können. Die resultierende Gleichspannung
U, sowie die durch die Gleichrichter Gli bis G16 fließenden Gleichströme
Jv bis 46 sind in den Fig. 7c bis 7f dargestellt.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist für die Gleichrichtung
stets eine Einweggleichrichtung angenommen worden. Es kann aber auch bei einer gemäß
der Erfindung ausgebildeten Anordnung eine Brückenschaltung der Gleichrichter vorgesehen
werden.
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Ferner ist, wie bereits erwähnt, die gleichzeitige Anwendung von Dämpferwicklungen
zur Aufhebung der Feldverzerrung bei Belastung wesentlich.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die kurzen Stirnverbindungen
der stark gesehnten induzierten Wicklungen kleine Streuspannungen begünstigen-Schließlich
sei erwähnt, daß die Anfangs- und Endwerte der von den einzelnen Gleichrichterzellen
durchflossenen Schaltströme an sich nicht rechteckförmig,
wie es
in den Ausführungsbeispielen vereinfacht dargestellt ist, sondern in Wirklichkeit
nach einer Exponentialfunktion verlaufen. Da sich jedoch die Anfangs- und Endwerte
zeitlich unmittelbar aneinandergrenzender Schaltströme jeweils ergänzen, ergibt
sich auch in der Praxis ein gleichmäßig verlaufender Summengleichstrom. Es empfiehlt
sich allerdings, darauf zu achten, daß die Induktivitläten der einzelnen Stränge
möglichst gleich sind. Die bei der Darstellung angenommene Vereinfachung hinsichtlich
rechteckförmig verlaufender Schaltströme ist mithin durchaus zulässig.