DE1488718A1

DE1488718A1 - Erregereinrichtung fuer elektrische Synchronmaschinen

Info

Publication number: DE1488718A1
Application number: DE19651488718
Authority: DE
Inventors: Pierre Burnier; Wolfhuegel Andre Edouard
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1964-10-07
Filing date: 1965-10-06
Publication date: 1969-06-12
Also published as: SE314132B; US3471726A; BE669355A; NL6512873A; CH435429A; FR1418312A; GB1123261A

Description

"Erregereinrichtung für elektrische Synchronmaschinen"

Französische Priorität vom 7« Oktober 1964 aus der französischen Patentanmeldung Wr₀ 2552 (Beifort)

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erregung einer elektrischen Synchronmaschine mit einer tiefgekühlten, aus möglichst reinem Metall oder Metallegierung gefertigten Feldwicklung, die von einer auf der Läuferwelle sitzenden Wechselstrom-Erregermaschihe über einen Stromgleichrichtersatz gespeist wird. Eine solche ErregereinriQhtung bildet bekanntlich ein wesentliches Element für den Betrieb einer stromerzeugenden oder moto~ rischen Synchronmaschine, der sie zugeordnet ist; sie gewährleistet vor allem die Aufrechterhaltung der Spannung an den Anschlussklemmen auf einen gegebenen Wert und des Synchronismus, wenn die Last sich ändert«

BA 35 860-2

Bank: aayar. Hypoth. u. WaohMI

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Während der letzten Jahre ist insbesondere bei Turbogene- . ratoren die Erregerleistung mächtig angestiegen. Nachdem man zunächst eine Erregermaschine benutzt hat, die unmittelbar am Y/ellenende der betreffenden Turbogeneratoren angetrieben wird, hat man die Erregermaschine durch ein Untersetzungsgetriebe antreiben lassen».Die Abmessungen einer solchen Erregereinrichtung sind im Verhältnis zu denen des Generators ganz beträchtlich geworden; ferner haben die Ri'nge des Generators beträchtliche Ströme aufgenommen, beispielsweise 3500 A für eine Leistung von 600 M.

Man hat gesucht, die Haupt- und Steuererregermaschinen , Zwischen-bürstenverstärker oder Verstärkermaschinen usw., das Untersetzungsgetriebe und die Ringe weglassen zu können und somit die an ihre Verwendung und ihren Unterhalt gebundenen Nachteile zu vermeiden, indem man eine Wechselstrom-Erregermaschine verwendet, deren Induktor feststeht und deren Anker auf der V/elle des Generators montiert ist und somit mit der gleichen Geschwindigkeit wie letzterer umläuft, was ihm geringere Abmessungen zu geben ermöglicht» Die Läuferwicklung der Erregermaschine ' gibt den Strom zur Erregung der Synchronmaschine über ebenfalls auf der V/elle fest angeordnete Halbleitergleichrichterzellen ab. Diese Anordnung bietet zwar den Vorteil einer grossen Einfachheit der Erregerausstattung und eine ganz beträchtliche Verminderung des Raumbedarfs der Gesamtheit der Teile, muss jedoch für die Abgabe einer gewaltigen Leistung bemessen werden, bei-

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spielsweise 2000 kW für einen Wechselstromgenerator von 600 MW,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine "Erregereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der vor allem die elektrische Leistung und der Raumbedarf wesentlich vermindert sind. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Feldwicklung eines Turbogenerators aus möglichst reinem Metall herzustellen und 'sie durch ein auf tiefer Temperatur liegendes Fluid zu kühlen, um die Erregerverluste auf einen ganz geringen Wert zu senken, wobei der Erregerstrom auf Ringen über Anschlussleitungen zugeführt wird, die an eine gegebenenfalls vom Läufer getragene Erregermaschine angeschlossen sind. Diese Einrichtung bietet eine Stetigkeitslösung und begünstigt eine Vorwärmung der kälteerzeugenden Flüssigkeit infolge der Wärmeleitfähigkeit der Anschlussverkabelung zwischen den Schleifringen und der Wechselstrom-Erregermaschine bei Fehlen besonderer Vorsichtsmas snahmen»

Auch diese vorgenannten Nachteile werden bei der hier vorgeschlagenen Erregereinrichtung vor allem dadurch vermieden, dass erfindungsgemäss die Lauferwickluns der Erregermaschine ebenfalls aus möglichst reinem Metall oder Metallegierung besteht und die Gesamtheit von Feldwicklung der Synchronmaschine, Stromgleichrichtersatz und Läuferwicklung der Erregermaschine von ein und demselben stetigen Strom eines kälteerzeugenden iiuids wie Wasserstoff, Heon oder Stickstoff gekühlt wird_o Der

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Grad an Unreinheiten in dem verwendeten Metall oder Metallegierung liegt hierbei unter einigen zehn Teilen pro Million. Der unterbrechungsfreie Kältefluidstrom vermindert die Y/ärmeverluste₀ Der gewöhnliche Raumbedarf an elektrischen und kältetechnischen Zubehörteilen für diesen Kältestrom ist stark herabgesetzt. Ferner wird die Erregerleistung ausserst gering, und die Bedingungen zur Regelung und Aufrechterhaltung der Stabilität der Synchron« maschine sind wesentlich verbessert.

Für die Ausführung des auf tiefer Temperatur betriebenen Gleichrichtersatzes lassen sich zahlreiche Einrichtungen wie Vakuumröhren, Quecksilberdampfgleichrichter, Supraleitgleichrichter in Betracht ziehen; vorzugsweise werden jedoch gemäss der Erfindung Halbleiter, nämlich einfache Dioden, gesteuerte Gleichrichter, Transistoren und Halbleiter mit Feldwirkung verwendet. Die Theorie von Shockley gestattet vorzusehen, dass der elektrische Widerstand von Halbleitern im Betrieb bei einer sehr tiefen Temperatur beachtlich ansteigt. Es Hesse sich also befürchten, dass die Halbleiter, insbesondere solche auf Siliziumbasis, zwischen 15⁰K und 60⁰K nicht verwendbar sind. Es wurden an einfachen Dioden und Gleichrichtern mit Steuerelektroden Messungen ausgeführt. Die Strom-Spannungskennlinien wurden bis zu der Temperatur des flüssigen Wasserstoffes gezogen.

Pig. 1 zeigt beispielsweise eine der aufgenommenen Kenn~ iinienreihen für Temperaturen von 2O⁰C, 77⁰K und 20⁰K. Die Ergeb»

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nisse zeigen, dass die Verwendung von Halbleitern auf der Basis von Silizium, Germanium, Zwischenmetallegierungen u.a_e ohne Schwierigkeit zwischen 15⁰K und 6O⁰K in Betracht gezogen werden kann, da die geringe Steigerung des Gleichspannungsabfalls durch .die "beträchtliche Erhöhung der Neigung der Gleichstrom-Spannungskurve kompensiert wird₀ Man erhält eine hohe Betriebssicherheit für die unter diesen Bedingungen verwendeten Gleichrichter, denn der Abstand zwischen der Verwendungstemperatur und der für den . Halbleiter zulässigen Grenztemperatur ist stark angewachsen, und die Sperrspannung, die der Gleichrichter aushalten kann, ist erhöht, ferner kann der Aufbau der Gleichrichterelemente durch Verwendung von aus äusserst reinem Metall bestehenden Ansohlussleitungen geringen Querschnitts vereinfacht'werden.

In den Figo 2 bis 6 sind Ausführungsbeispiele für Erregereinrichtungen der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Art für den^ IPaIl eines Läufers eines Turbosynchrongenerators schematisch veranschaulicht. Bs zeigen ι - ;

!'igο 2 schematisch den Längsschnitt eines mit der Erregerein~ richtung gemass der Erfindung ausgerüsteten Turbogenerators,

Fig. 3 die Erregerzubehörteile und die am Läufer befestigten Anschlussleitungen, ;

l'ig _β 4 eine Anordnung zum Einleiten und Abführen des kälteerzeugenden Fluids in eine Induktionsspule,

*J?i£. 5 eine am V/ellenende vorgesehene Anordnung zum Einleiten und Abführen deo kälteerzeugenden Fluids und

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Fig. 6 ein vereinfachtes einpoliges Schaltschema für die Erregerkreise einer Synchronmaschine, "

Bei dem in Figo 2 dargestellten Ausführuhgsbeispiel besteht der Turbogenerator aus einem Ständer 1 und einem Läufer 2,^rder in lagern 3 umläuft, die von Flanschen 4 abgestützt sind, die am Gestell 5 befestigt sind. Bin fester Magnetkreis 6 stützt eine Wicklung 7 ab, deren Leiter unmittelbar durch den Strom einer Flüssigkeit wie Wasser oder Öl oder auch einem sonstigen auf tiefer Temperatur befindlichen Fluid gekühlt werden_e

Der Läufer besitzt eine gewisse Anzahl von Induktionsspulen, die durch hohle Leitungen aus einem möglichst reinen Metall gebildet sind, welche mit einer Wärmeisolation und einer elektrischen Isolation ausgestattet sindo In der Zeichnung erkennt man die Enden 8 dieser Spulen unter den Beschlagen 9> welche sie halten. Diese Spulen werden über Sammelleitungen 10 und Zuflussleitungen 11 sowie Abflussleitungen 12 mit dem betreffenden kälteerzeugenden Fluid gespeist.

Der Erregerstrom wird von einer Wechselstromerregermaschine geliefert, die einen Induktionsspulen 13 tragenden Ständer und einen Laufer H besitzt, der mit einer Ankerwicklung 15 aus möglichst reinem Metall versehen ist, die eine \7ärmeisolation und eine elektrische Isolation besitzt» Diese Wechselstrom-Erregermaschine ist im einzelnen in Fig. 3 wiedergegeben.

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Mit der Welle des Läufers umlaufende Gleichrichter 16 sind in einem Behälter 17 abgeordnet. Ein Eingangs- und Ausgangsgehäuse 18 für die kälteerzeugende Flüssigkeit sitzt am Wellenende. Die Wechselstrom-Erregermaschine, die Gleichrichter 16 und das Gehäuse 18 sind von einer Haube 19 abgedeckt, die nicht dargestellte Schaulöcher besitzt; sie könnten auch zwischen dem Lager 3 und dem Körper des Läufers vorgesehen sein_t jedoch die Schwierigkeiten des Zugangs und Unterhalts einer solchen Anordnung lassen diejenige der Fig. 2 bevorzugen« Andererseits könnte der Durchmesser des Wellenehdes 20 merklich kleiner als der der Welle im Innern der Maschine sein, woraus sich ein beträchtlicher Gewinn für die Abmessungen der Zubehörteile und in bezug auf deren Kosten ergibt.

Man kann auch ganz beachtlich die Zahl und Bemessung der Gleichrichter 16 herabsetzen, und es ist leicht, sie in dem Behälter 17 unterzubringen, der.zwischen der Läuferwicklung der Erregermaschine und dem Wellenende 20 angeordnet ist. Der Behälter 17 könnte auch zwischen dem Läufer 14 und dem Körper des Läufers der Hauptmaschine angeordnet sein, jedoch aus Gründen der Zugänglichkeit zu den Zellen und zu den Sicherungen wird : er vorzugsweise an der entgegengesetzten Seite des Läufers 14 ; angeordnet. Der Behälter 17 ist durch einen Ring 21 aus rostfreiem Stahl begrenzt, der an der rechten Seite der Fig. 3 offen j und von Bändern 22, 23, 24 und 25 aus einem Wärmeisolierstoff umgeben ist. .

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Die kälteerzeugende Flüssigkeit tritt mit einer Temperatur zwischen .15⁰K und 80⁰K in das Gehäuse 18 ein, von wo es in den ringförmigen Längskanal 27 fliesst; sodann fliesst sie durch den radialen Kanal 28 in den Behälter 17. Der Behälter 17 ist über in der Zeichnung nicht dargestellte radiale Rohre mit den Stäben der Läuferwicklung 15 verbunden· Die kälteerzeugende Flüssigkeit durchfliesst somit die Läuferwicklung 15 und kehrt sodann über die Sammelleitungen 29 und 30 und den radialen Kanal 31 in den Längskanal 27 zurück, jedoch in denjenigen Teil desselben, der an der Seite der Hauptmaschine gelegen und von dem Eingang durch einen Stopfen 32 getrennt ist, der zwischen den Kanälen 28 und 31 vorgesehen ist. Dieser Stopfen 32 könnte auch durch eine Scheidewand ersetzt sein, um in den Kanal 28 nur die Menge an kälteerzeugender Flüssigkeit fliessen zu lassen,, die für die Kühlung der Vificklung 15 und der Gleichrichterzellen 16 erforderlich ist. Dieser an der Seite der Hauptmaschine gelegene Teil des Kanals 27 ist bis zu der Eingangsleitung. 11 der kälteerzeugenden Flüssigkeit in der Sammelleitung' 10 verlängert.

Die kälteerzeugende Flüssigkeit verlässt die Lauferwicklun—₍ gen des Turbogenerators in die Leitung 12 und fliesst sodann in den zentralen Längskanal 33 bis zu dem Gehäuse 18, von dem aus sie zu den nicht dargestellten Einrichtungen zur Erzeugung der kälteerzeugenden Flüssigkeit zurückfliessto

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Die Gleichrichterzellen 16 sind an die Stäbe der Wicklung über aus möglichst reinem Metall "bestenende hohle Anschlussleitungen 34 angeschlossen! die von einer thermischen und elektrischen Isolation 35 umgeben sind. Zwei im Läufer 14 diametral gegenüberliegende Nuten dienen der Durchführung elektrischer Anschlussleitungen 36, welche die G-leichrichterzellen 16 mit der Feldwicklung des Turbogenerators verbinden«, Diese Anschlussleitungen 36 aus Metall gleicher Beschaffenheit und gleicher Reinheit wie die Wicklungen sind hohl ausgebildet und von einer thermischen und elektrischen Isolation 37 bedeckt. Sie führen somit die kälteerzeugende Flüssigkeit zu gleicher Zeit, wie sie den Erregerstrom leiten.

In dem läufer 14 lassen sich gewisse Ruten vorsehen, die keine Wicklungsstäbe besitzen, jedoch das kälteerzeugende Fluid leitende Rohre enthalten» Die Flüssigkeitsmenge dieser Rohre fügt sich derjenigen hinzu, die in den Wicklungsstäben fliesst, so dass die Gesamtmenge an den Läufer.14 durchfliessenden kälteerzeugenden Fluids ausreichend ist, um die Kühlung der Feldwicklung des Turbogenerators zu gewährleisten. Die Kanäle 28 und 31 sind durch Isolierrohr« 38 und 39 wärmeisoliert. Der Mittelkanai 33 der Welle ist durch einen Überzug 40 und der kanal 27 durch einen Überzug 41 wärmeisoliert.

4 zeigt ein Äusführunssfoeispiel für die einer Induktionsspule des Turbogenerators mit einer Kälte fluss ig*

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keitsleitungo Ein Anschlussrohr 42, das von einer Wärmeisolation 43 und einem diese festhaltenden Überzug 44 umgeben ist, ragt in einen Wicklungsstab 45 hinein., Letzterer besteht in bekannter Weise aus genuteten leitern, die auf Grund ihrer Stapelung Kühlkanäle bilden, und er ist umgeben von einer Wärmeisolation 46 und einer elektrischen Isolation 47· An·der Stelle, an der der Anschluss erfolgt, sind sämtliche Leitungen durch einen radialen Kanal 48 miteinander vereinigt. Die Anschlüsse der Kälteflüssigkeitsleitungen an die Läuferwicklung der Erregermaschine können in entsprechender V/eise ausgeführt sein«

Fig β 4 zeigt eine Anordnung des Gehäuses 18, der am Wellenende angeordnet ist, um die Kälteflüssigkeit einzuleiten und abzuführen» Das Gehäuse 18 ist um das Wellenende 49 herum angeordnet, um so einen mit dem Kanal 27 verbundenen ringförmigen Raum 50 und einen mit dem Kanal 3.3 in Verbindung stehenden" Ringraum 51 zu bilden. Der Einfluss der Kälteflüssigkeit erfolgt durch das Rohr 52, und der Abfluss durch das Rohr 53. Labyrinthdichtungen 54 und 55 vermindern Kälteflüssigkeitsverluste, die sich durch die Rohre 56 und 57 zu den nicht dargestellten Geräten zur Erzeugung der Kälteflüssigkeit ergiessen. Die Innenflächen des Gehäuses 18 sind mit einer Wärmeisolation 58 belegt. Ferner umgibt eine durch ein Rohr 60 rostfreien Stahls geschützte Hülse 59 ^aU-^s Wärmeisolationsmaterial das Wellenende.

Um die Regelung der Synchronmasciiine sicherzustellen, lässt sich eine Schaltung verwenden, wie diese in Pig, 6 einpolig wie-

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dergegeben ist. Die Läuferwicklung 15 der Erregermaschine gibt über Gleichrichter 16 auf die Induktionsspule 61 eines Wechselstromgenerators 62 Strom ab, der an ein Netz 65 angeschlossen ist. Der resultierende Vektor der Transformatoren 64 und 65 wirkt auf einen Regler 66, der andererseits von einem Gleichrichter 67 gespeist wird, der an ein Hilfsnetz 68 angeschlossen ist. Der Regler 66 steuert den Erregerstrom der Spulen 15, die auf den vorzugsweise geschichteten Induktor der Erregermaschine gewickelt sind· In Abwandlung dessen und zur Besphleunigung des Ansprechens des Erregersystems, insbesondere der Entregung der Hauptmaschine, können die Gleichrichter 16 Thyratrons sein, deren Steuerelektrode unter dem Einfluss des Reglers 66 steht_#

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Claims

U88718 Patentansprüche:

1) Einrichtung zur Erregung einer elektrischen Synchronmaschine mit einer tiefgekühlten, aus möglichst reinem Metall oder Metallegierung gefertigten Feldwicklung, die von einer auf der Läuferwelle sitzenden Viechseistrom-Erregermaschine über einen Stromgleichrichtersatz gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwicklung (15) der Erregermaschine ebenfalls aus möglichst reinem Metall oder Metallegierung besteht und-die Gesamtheit von Feldwicklung (7) der Synchronmaschine, Stromgleichrichtersatz (16) und Läuferwicklung (15) der Erregermaschine von ein und demselben stetigen Strom eines kälteerzeugenden Fluids wie V/asserstoff _K Neon oder Stickstoff gekühlt wird,

2. Erregereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgleichrichtersatz aus Halbleitern (16) besteht,

3. Erregereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Halbleiter (16) mit der Erregermaschine einerseits und mit der Feldwicklung (7) der Synchronmaschine andererseits verbindenden Leiter ebenfalls aus möglichst reinen Metallen oder Metallegierungen-bestehen»

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4. Erregereinriohtung nach Ansprüchen 1 Ms 3, dadurch gekenn« zeichnet, dass der Stromkreis des Kältefluids durch die aus wärmeisolierten Hohlleitern bestehenden Wicklungen selbst, wärmeisolierte hohle elektrische Anschlussleitungen und wärmeisolierte Zufuhr- und Abflussleitungen für das Fluid gebildet ist und die Halbleiter (16) in einem in dem Strom« weg des Kältefluids befindlichen Gehäuse (17) angeordnet sind»

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