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Synchronmaschine mit einer zusätzlichen, nach Art einer Reluktanzmaschine
induzierten Hilfswicklung Synchronmaschinen werden in vielen Fällen mit einer Hilfssynchronmaschine
versehen, um die Selbsterregung sicherzustellen, also die Anlage von anderen Stromquellen
völlig unabhängig zu machen. Es ist auch bekannt, die Feldwicklung der Synchronmaschine
an Gleichrichter anzuschließen, welche mit einem Teil der von der Hauptmaschine
selbst erzeugten Wechselstromenergie gespeist werden. Um die Erregung auch bei Kurzschluß
oder bei sehr großer Belastung der Hauptmaschine aufrechtzuerhalten, wird dabei
in den meisten Fällen wenigstens ein Teil der erforderlichen Erregungsenergie von
Stromwandlern abgenommen, deren Primärwicklungen von dein Belastungsstrom der Synchronmaschine
durchflossen sind. Bei Kurzschluß der Synchronmaschine werden dabei aber die Gleichrichter
hoch beansprucht. Deren Schutz ist besonders dann sehr schwierig, wenn diese aus
Halbleiterventilen bestehen.
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Es ist auch bekanntgeworden, im Gesamtfehl des Erregerteils einer
Synchronmaschine harmonische Komponenten hervortreten zu lassen, deren Polteilung
zur natürlichen Polteilung des Erregerteils in einem nicht ganzzahligen Verhältnis
steht. Der Zweck dieser Maßnahmen war, bei einem einzigen Motor mehrere Drehzahlen
durch Vervielfachung der Polzahl ,zu erreichen. Eine derartige Ausführung ist jedoch
nicht geeignet, eine solche Komponente der Synchroninaschinenspannung zu induzieren,
welche pgenüber der Belastung der Maschine unempfindlich ist und nach Gleichrichtung
für die Erregung verwendet werden kann.
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Es ist auch bekanntgeworden, unter Verwendung der 3. Harmonischen
des Hauptfeldes durch eine zusätzliche Wicklung dreifacher Polzahl in den Ankernuten
eine Mehrphasenspannung dreifacher Frequenz zu gewinnen, welche dann ebenfalls nach
Gleichrichtung durch Trockengleichrichter zur Erregung der Maschine verwendet wird.
Auch diese Anordnung ist wie die beiden vorher genannten als stark abhängig vom
Hauptfeld anzusehen, so daß im Kurzschlußfall erhebliche Schwierigkeiten auftreten.
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Ferner ist es bekannt, in einer Wechselstromerregermaschine Hilfswicklungen
im Ständer anzuordnen, in denen nach Art einer Reluktanzmaschine durch Leitwertschwankungen
Pol/Pollücke Spannungen höherer Frequenz induziert werden, die einen Strom bedingen,
der transformiert und gleichgerichtet durch die Erregerwicklung der Wechselstromerregermaschine
fließt.
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Es ist auch eine Anordnung bekanntgeworden, welche bei Kurzschluß
und großer Belastung der Synchronmaschine die Erregung aufrechterhalten soll, ohne
daß die Gleichrichter unzulässigen elektrischen Beanspruchungen ausgesetzt weiden.
Dazu wird der Feldmagnet der Synchronmaschine derart ausge= bildet, daß er außer
einem magnetischen Hauptfluß, der in der Ankerhauptwicklung der Synchronmaschine
die Ausgangsspannung induziert, auch eine zusätzliche Magnetflußkomponente von erheblicher
Größe erzeugt. Dieses. wird insbesondere dadurch erreicht, daß zusätzliche Nuten
im Feldmagnet der Synchronmaschine mit dadurch verbundener Änderung der Wicklung
angeordnet werden. Tier dazu notwendige Aufwand ist recht erheblich und eine praktisch
absolute Trenntang der beiden der Erregung dienenden magnetischen Flüsse wegen deren
Symmetrieachse unwahrscheinlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Synchronmaschine mit einer zusätzlichen,
nach Art einer keluktanzmaschine durch treitwertschwankungen Pol/ Pollücke induzierten
Hilfswicklung, von welcher der Strom mit höherer Frequenz über Gleichrichter der
Erregung der Synchronmaschine zugeführt wird, anzugeben. Dabei sollen die beschriebenen
Nachteile vermieden werden, und es ist möglichst ohne eine wesentliche Änderung
der aktiven Bestandteile und der Polteilung der Synchronmaschine durch geeignete
Wicklungen eine weitere Synchronmaschine zu bilden, die vom Hauptgenerator elektrisch
praktisch unabhängig und völlig entkoppelt ist.
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Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß dem von dem Feldmagneten
ausgehenden magnetischer Hauptfluß abschnittsweise oder am ganzen Umfang der Synchronmaschine
ein von einer Hilisfeldwicklung erregter magnetischer Gleichfluß überlagert wird
und die Hilfswicklung im Stator im Verhältnis
zur Hauptwicklung
halbe Polteilung aufweist.
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Es entsteht also durch die besondere Ausbildung der Magnetisierung
der im wesentlichen sonst unveränderten Synchronmaschine zusätzlich eine Reluktanzmaschine,
wobei lediglich darauf zu achten ist, daß der überlagerte Gleichfluß so ausgebildet
ist, daß er dem Polradfeld, also dem vom Feldmagneten ausgehenden Hauptfeld, infolge
der Leitwertschwankungen eine 2. Harmonische einprägt. Dabei entsprechen Pol und
Pollücke dem Zahn und der Lücke eines Polrades einer Reluktanzmaschine. Damit dieses
Reluktanz-Pol-System eine Spannung erzeugen kann, wird also im Stator eine Hilfswicklung
mit halber Polteilung vorgesehen, wozu man dann zweckmäßig die Nutzahl je Pol und
Phase der Hauptmaschine durch zwei teilbar ausbildet.
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Die Anordnung der Hilfsfeldwicklung und der Hilfswicklung kann gemäß
allen vom Mittelfrequenzmaschinenbau her bekannten Wicklungsarten erfolgen, z. B.
nach dem System der klassischen Gleichpolmaschine, als Erregung homopolar durch
Ringspulen. Auch ist eine heteropolare Erregung durch in den Statornuten angeordnete
große Erregerspulen möglich, wobei diese um ein Vielfaches der doppelten Hauptpolzahl
voneinander entfernt angeordnet werden, so daß das Hauptfeld keine Spannung in ihnen
erzeugen kann. Auch die Verwendung der an sich bekannten Mittelfrequenzmaschinen
des Guy-Typs oder des Interferenz-Typs ist selbstverständlich möglich.
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Das wichtige und wesentliche der Anordnungen nach der vorliegenden
Erfindung bei Ringspulen ist darin zu sehen, daß die Durchflutungsachsen der von
den beiden Ringspulen (Feldwicklung und Hilfsfeldwicklung) ausgehenden magnetischen
Flüsse aufeinander senkrecht stehen. Damit ist die praktisch völlige Trennung der
beiden Systeme voneinander erreichbar. Die als Hilfserregermaschine wirkende Reluktanzmaschine
wird also völlig unempfindlich gegenüber Kurzschlüssen und überlastungen bzw. Lastspitzen
der Hauptmaschine, ohne daß wesentliche Änderungen bei der Herstellung der Synchronmaschine
notwendig sind. Bei Fortschaltung eines Kurzschlusses steht also die höchste Spannung,
die die Maschine abgeben kann, der Erregeranordnung sofort zur Verfügung.
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Die Erfindung wird an Hand von Beispielen in der Zeichnung erläutert.
In F i g. 1 ist ein Teil der Abwicklung einer normalen Synchronmaschine in Schenkelpolbauart
dargestellt. Die abwechselnd mit verschiedener magnetischer Polarisation ausgebildeten
Schenkelpole 1, die also den Feldmagnet bilden, sind mit Feldwicklungen 2 umgeben,
von welchen der zur Erregung notwendige magnetische Hauptfluß entsprechend den Pfeilen
3 erzeugt wird. Dieser Hauptfluß induziert durch übertritt über den Luftspalt in
den Hauptwicklungen 4 die normale Generatorspannung mit entsprechend normaler Frequenz.
Ein achsparalleler Schnitt der, allerdings nicht abgewickelten, Maschine nach F
i g. 1 wird in F i g. 2 dargestellt, wobei zusätzlich noch Ringspulen 5 angeordnet
sind, die feststehen und als Hilfsfeldwicklung entsprechend der Erfindung dienen,
Sie können jedoch auch mit umlaufen.
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Der von diesen Ringspulen 5 erzeugte magnetische Gleichfluß 6 tritt
über den Luftspalt in das Ständerblechpaket 7 ein und induziert dort eine Spannung
in den ihm zugeordneten Hilfswicklungen. Diese Hilfswicklungen 8 sind aus der F
i g. 3 ersichtlich, welche maßstabgerecht zur F i g. 1 unterhalb derselben dargestellt
ist. Man erkennt, daß die Polteilung der Hilfswicklung 8 im Verhältnis zu der der
Hauptwicklung 4 (F i g. 1) halb so groß ist. Da nun durch das System Pol/Pollücke
des umlaufenden Polrades der von den Ringspulen 5 ausgehende Gleichfluß 6 im Ständerblechpaket
7 einen Fluß doppelter Frequenz gegenüber dem von der Feldwicklung 2 ausgehenden
erzeugt, wird er entsprechend der in F i g. 3 dargestellten Induktionswelle 9 in
den Hilfswicklungen 8 und im wesentlichen nur in diesen eine Spannung erzeugen.
Diese Spannung doppelter Frequenz wird dann in an sich bekannter Weise gleichgerichtet
und zur Erregung des Feldmagneten in die Feldwicklung 2 des Generators eingespeist.
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In der F i g. 4 wird nun eine heteropolare Erregung dargestellt, wobei
die Wicklungen 10 für die Hilfsfeldwicklung in entsprechend ausgebildeten
Nuten des Ständers angeordnet sind. Die entsprechenden Spulen sind konzentrisch
ausgeführt. Der von ihnen ausgehende Gleichfluß erzeugt in den Hilfswicklungen 8
eine Spannung, die dann in die Feldwicklung 2 (s. F i g. 2) in an sich bekannter
Weise und über an sich bekannte Mittel eingespeist wird. Die Kreuze und kleinen
bzw. großen Kreise geben die zugehörigen Phasen der Hauptwicklung bzw. der Hilfswicklung
und Hilfsfeldwicklung an. Man erkennt, daß die Wicklungen 10 um ein Vielfaches der
doppelten Hauptpolzahl voneinander entfernt liegen, so daß das Hauptfeld in ihnen
keine Spannung erzeugen kann. Die Lochzahl je Pol und Strang ist dabei für die Hauptwicklung
gleich 2 und die für die Hilfswicklung gleich 1 angesetzt.
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In der F i g. 5 wird eine der F i g. 4 ähnliche Anordnung dargestellt,
wobei jedoch der Stator über den Umfang mit gleichartigen Nuten ausgebildet ist.
Die der Erregung dienende Hilfsfeldwicklung 11 ist dabei auf 2 und 3 Nuten verteilt,
während die als Arbeitswicklung dienende Hilfswicklung 8 in den restlichen sechs
Nuten untergebracht ist. Beide Wicklungsarten liegen am Nutgrund, während die Hauptwicklung
4 näher zur Nutöffnung angeordnet ist. Auch hier handelt es sich um eine heteropolare
Erregung.
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Schließlich wird in der F i g. 6 ein Prinzipschaltbild einer Synchronmaschinenanlage
nach der Erfindung dargestellt. Die gestrichelte Linie 12 umschließt dabei die Generatorbestandteile,
welche aus der dreiphasigen Hauptwicklung 4 und der vorzugsweise als einzige im
Sinne des Pfeilrings 13 rotierenden Wicklung ausgebildeten Feldwicklung 2 bestehen.
Hinzu kommt die Reluktanzmaschine, die ebenfalls dreiphasig mit einer Hilfswicklung
8 und einer Hilfsfeldwicklung 11 ausgebildet ist. Die in der Hilfswicklung 8 erzeugte
Spannung wird über Gleichrichter 14 gleichgerichtet und unter Regelung der Feldwicklung
2 zugeführt. Dazu ist ein Sollwerteinsteller 15 vorgesehen, von welchem unter Vergleich
mit dem Meßglied 16 der Regler 17 zur entsprechenden Regelung der Gleichrichter
14 veranlaßt wird. Ein ähnlicher Regelsatz ist auch für die Erregung der Reluktanzmaschine
vorgesehen, wobei die dafür notwendige Spannung aus der Hilfswicklung 8 über den
Regelsatz 18 abgenommen wird. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Remanenzspannung
zur Selbsterregung
des Hilfsgenerators, also der Reluktanzmaschine,
über den Regelsatz 18 völlig ausreicht.
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Man erkennt, daß neben den bereits oben geschilderten Vorteilen, insbesondere
dem Aufeinanderstehen der Durchflutungsachsen der Magnetflüsse, auch die der doppelten
Frequenz hinzukommen. Dadurch wird nämlich die Größe der angeschlossenen Geräte,
wie beispielsweise Motoren, Transduktoren, Transformatoren, Uniformersatz, wesentlich
herabgesetzt. Auch die magnetischen Zeitkonstanten der Regler werden dadurch kleiner
und damit die Regelvorgänge beschleunigt. Auch die Bauhöhe und die Baulänge der
Hauptmaschine werden um den Platzbedarf des Hilfsgenerators verringert.
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Die Erfindung bezieht sich selbstverständlich nicht nur auf Synchronmaschinen
der Schenkelpolbauart, sondern auch auf solche mit Walzenläufern, da diese ja auch
mehrere, zumeist zwei oder vier, magnetisch verschiedene Achsen infolge der ungleichmäßigen
Nutung haben.