DE1488730B2 - SYNCHRONOUS GENERATOR IN PARTICULAR TURBOGEN GENERATOR WITH SUPRA CONDUCTIVE EXCITER DEVELOPMENT - Google Patents
SYNCHRONOUS GENERATOR IN PARTICULAR TURBOGEN GENERATOR WITH SUPRA CONDUCTIVE EXCITER DEVELOPMENTInfo
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Description
1 21 2
Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchron- Erregerwicklung praktisch vollständig von Fliehgenerator,
insbesondere Turbogenerator, mit supra- kräften entlastet werden,
leitender, im Läufer angeordneter Erregerwicklung. Als Erregermaschine kann bei dem Synchrongene-The invention relates to a synchronous excitation winding practically completely relieved of centrifugal generator, in particular turbo generator, with super-forces,
conductive excitation winding arranged in the rotor. The synchronous generator can act as an exciter
Bei Turbogeneratoren hoher Leistung ist die Unter- rator ein supraleitender Gleichstromgenerator verbringung
der erforderlichen Erregerwicklungen und S wendet werden, der als sogenannte Flußpumpe ardie
Abführung der hohen Erregerverlustleistung, die beitet. Ein solcher Gleichstromgenerator ist beispielsmehrere
1000 kW betragen kann, schwierig, da weise durch die Zeitschrift »Elektrie«, 1965, Heft 4,
wegen der Fliehkräfte der Läuferdurchmesser nicht S. 176 bis 182, insbesondere S. 179, bekannt. Weitere
über ein bestimmtes Maß hinaus vergrößert werden besonders geeignete Ausführungsformen eines solchen
kann und wegen der kritischen Drehzahlen und der io Generators sind in der deutschen Auslegeschrift
beschränkten Wärmeabfuhrmöglichkeit auch die 1283 946 vorgeschlagen. Durch eine unmittelbare
Länge begrenzt ist. Man muß sich daher entweder mit supraleitende Verbindung der Erregerwicklung des
geringer Blindleistungsabgabe und sehr kleinem Leer- Synchrongenerators mit der supraleitenden Flußlaufkurzschlußverhältnis
der Maschine begnügen, was pumpe innerhalb des wärmeisolierten Raumes könvor allem hinsichtlich der Parallelarbeit im Netz un- 15 nen Übergänge von normalleitenden zu supraleitenerwünscht
ist, oder man geht in Läufer zur Wasser- den Leitern und Leitungsdurchführungen durch die
kühlung über, bei der jedoch beträchtliche Schwierig- Wärmeisolation vermieden werden. Die Kühlmittelkeiten,
vor allem konstruktiver Art in Kauf genom- Verluste werden dadurch noch weiter herabgesetzt,
men werden müssen. Außerdem ist natürlich auch die Ferner können Schleifringe entfallen.
Leistung eines Läufers mit Wasserkühlung begrenzt. 20 In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele derIn the case of high-performance turbo generators, the sub-rator is a superconducting direct current generator. Such a direct current generator is, for example, several 1000 kW, difficult as it is known from the magazine "Elektrie", 1965, Issue 4, not p. 176 to 182, especially p. 179, because of the centrifugal forces of the rotor diameter. Particularly suitable embodiments of such a device can be enlarged beyond a certain amount and, because of the critical speeds and the io generators, limited heat dissipation possibilities are also proposed in the German patent application No. 1283 946. Is limited by an immediate length. One must therefore be satisfied either with a superconducting connection of the excitation winding of the low reactive power output and a very small idle synchronous generator with the superconducting flux short circuit ratio of the machine, which can pump inside the heat-insulated room, especially with regard to the parallel work in the network, undesirable transitions from normally conducting to superconducting , or one goes into runners for water - the conductors and cable bushings through the cooling, in which, however, considerable difficulties - heat insulation are avoided. The coolants, especially those of a constructive nature, are accepted as a result of which losses will have to be reduced even further. In addition, slip rings can of course also be omitted.
Performance of a rotor with water cooling is limited. 20 In the drawing, exemplary embodiments of the
Durch die »Schweizerische Technische Zeitschrift«, Erfindung dargestellt. Es zeigtIllustrated by the "Swiss Technical Journal", invention. It shows
1962, Nr. 19, S. 394, 395, sind Synchronmaschinen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Turbogenebekannt, bei denen zur weiteren Leistungserhöhung rator mit Erregeranordnung,1962, No. 19, pp. 394, 395, synchronous machines Fig. 1 are known a longitudinal section through a turbo bend, where for further increase in performance rator with exciter arrangement,
supraleitende Wicklungen verwendet sind. Bei der F i g. 2 einen Teilquerschnitt durch den in F i g. 1superconducting windings are used. At the F i g. 2 shows a partial cross-section through the in F i g. 1
einen Maschine besteht der Läufer aus einem tief- 25 dargestellten Läufer des Turbogenerators,a machine, the rotor consists of a deep-25 rotor of the turbo generator shown,
temperaturbeständigen Isolierstoff, in welchen die F i g. 3 eine Abwicklung der Erregerwicklung fürtemperature-resistant insulating material, in which the F i g. 3 a handling of the excitation winding for
supraleitenden Windungen eingebettet sind. Ferner einen Pol des Turbogenerators gemäß Fig. 1,superconducting turns are embedded. Furthermore, one pole of the turbo generator according to FIG. 1,
sind Abschirmungen aus Niob, ein Gehäuse und eine F i g. 4 die Hystereseschleife eines Materials für dieare shields made of niobium, a housing and a fig. 4 the hysteresis loop of a material for the
Wärmeisolation, vorteilhaft außerhalb des Gehäuses, Erregerwicklung.Thermal insulation, advantageously outside the housing, field winding.
vorgesehen. Diese Maschine besitzt also einen Läufer 30 In F i g. 1 ist ein Turbogenerator dargestellt, der ohne Eisen, der innerhalb einer Wärmeisolation an- einen schematisch angedeuteten Ständer 2 und einen geordnet ist und somit vollständig gekühlt werden Läufer 5 aufweist.- DieTmnLäxifer-3 angeordnete Ermuß. Bei der anderen Maschine ist lediglich die im regerwicklung 4 wird von einer als Flußpumpe arbei-Ständer befindliche Erregerwicklung supraleitend aus- tenden Erregeranordnung 5 gespeist. Die Erregergebildet, während der Läufer eine Kupferwicklung 35 wicklung 4 ist als supraleitende Wicklung ausgebildet enthält. und innerhalb eines wärmeisolierten Raumes mit einerintended. This machine thus has a rotor 30 in FIG. 1 shows a turbo generator that without iron, the one schematically indicated stand 2 and one within a thermal insulation is ordered and thus completely cooled runners 5 has.- DieTmnLäxifer-3 arranged Ermuss. In the other machine, only the one in the excitation winding 4 is operated by a stator as a flow pump located exciter winding superconducting Aus- aus- fed exciter arrangement 5. The exciter formed while the rotor winding a copper winding 35 4 is designed as a superconducting winding contains. and within a thermally insulated room with a
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Syn- an der Welle 6 des Synchrongenerators angeordnetenThe invention is based on the object of the synchromesh arranged on the shaft 6 of the synchronous generator
chrongeneratoren mit supraleitender, im Läufer ange- supraleitenden Wicklung 7 der Erregeranordnung 5Chrono generators with superconducting, superconducting winding 7 of the exciter arrangement 5 in the rotor
ordneter Erregerwicklung im Sinne einer Leistungs- über Verbindungsleitungen 8 verbunden. Dabei wirdarranged excitation winding in the sense of a power via connecting lines 8 connected. It will
erhöhung weiter zu verbessern und insbesondere bei 40 zur Erhöhung des Erregerstromes des Generators dieincrease further to improve and especially at 40 to increase the excitation current of the generator
möglichst geringem Kühlaufwand die Verwendung Drehzahl des Induktors 12 der Flußpumpe über dieThe use of the speed of the inductor 12 of the flow pump over the
von Eisenläufern zu ermöglichen. Drehzahl des Generatorläufers hinaus mittels einesto enable iron runners. Speed of the generator rotor addition by means of a
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß die eigenen Antriebsmotors 13 erhöht und zur Senkung supraleitende Erregerwicklung innerhalb eines den des Erregerstromes die Drehzahl entsprechend verBallen des Synchrongenerators umgebenden wärme- 45 ringert.To solve this problem, according to the invention, its own drive motor 13 is increased and decreased superconducting excitation winding within a speed corresponding to that of the excitation current of the synchronous generator surrounding heat.
isolierten Raumes angeordnet, während Ballen und Die supraleitende Wicklung 7 der Erregeranord-Welle des Synchrongenerators außerhalb des wärme- nung, die Verbindungsleitungen 8 und die Erregerisolierten Raumes liegen. wicklung 4 sind mit Ausnahme des Ballens 15 und isolated space, while balls and Die superconducting winding 7 of the Erregeranord-Welle of the synchronous generator outside of the heating, the connecting lines 8 and the exciter-insulated space. winding 4 are with the exception of the bale 15 and
Diese Ausbildung des Synchrongenerators bringt der Welle 6 des Generators in einem gemeinsamen insbesondere den Vorteil mit sich, daß Ballen und 50 mit Kühlmedium gefüllten Raum untergebracht. Die-Welle des Generators nicht auf die zur Herbeiführung ser Raum ist nach Art eines Dewargefäßes mit Dopdes supraleitenden Zustandes der Erregerwicklung er- pelmänteln 9 und 10, z. B. aus Stahl, umgeben, woforderliche tiefe Temperatur abgekühlt werden müs- bei zur Verminderung-der-Strahlungsverluste jeweils sen, sondern auf Umgebungstemperatur verbleiben im evakuierten Raum zwischen den beiden Mänteln können. Der zur Kühlung der Erregerwicklung erfor- 55 eines Doppelmantels metallisierte Isolierstoffolien 11 derliche Aufwand an Kühlmittel und die während des eingebracht sind. Der Ballen 15 und die Welle 6 des Betriebes des Generators auftretenden Kühlmittel- Generators behalten also im Betrieb Normaltempeverluste können dadurch erheblich verringert werden. ratur.This design of the synchronous generator brings the shaft 6 of the generator in a common in particular with the advantage that balls and 50 are accommodated with a cooling medium-filled space. The wave the generator does not have to bring about the water space is like a Dewar with Dopdes superconducting state of the excitation winding erpelmänteln 9 and 10, z. B. made of steel, where necessary The low temperature must be cooled down to reduce the radiation losses sen, but remain at ambient temperature in the evacuated space between the two jackets can. The insulating film 11 metallized in a double jacket for cooling the exciter winding the amount of coolant used and that are introduced during the. The ball 15 and the shaft 6 of the The coolant generator occurring during operation of the generator thus retain normal temperature losses during operation can thereby be reduced considerably. rature.
Da Ballen und Welle außerhalb des wärmeisolierten Die Erregerwicklung 4 wird durch eine Schicht Raumes angeordnet sind, treten ferner hinsichtlich 60 eines supraleitenden Materials gebildet, die auf der der Festigkeitseigenschaften und der Kupplung des Innenseite eines Trägerzylinders 14 angeordnet ist. Synchrongenerators mit einer Turbine keine neuen Auf diese Weise wird eine äußerst einfache Fest-Probleme auf. legung der Erregerwicklung in dem wärmeisoliertenSince the ball and shaft are outside the heat-insulated the excitation winding 4 is covered by a layer Space are arranged, also occur with respect to 60 of a superconducting material formed on the the strength properties and the coupling of the inside of a carrier cylinder 14 is arranged. Synchronous generator with a turbine no new In this way becomes an extremely simple fixed-problems on. laying of the excitation winding in the thermally insulated
Mit besonderem Vorteil kann die Erregerwicklung Raum erzielt, da es nicht erforderlich ist, jeden ein-The excitation winding can achieve space with particular advantage, since it is not necessary to
innerhalb eines den Ballen umschließenden, in dem 65 zelnen Leiter der Erregerwicklung durch Verstrebun-within a bale encircling, in the 65 individual conductor of the excitation winding through bracing
wärmeisolierten Raum angeordneten, mit dem Ballen gen gegen eine Lageverschiebung in dem wärme-thermally insulated room arranged, with the bale gene against a shift in position in the heat-
drehmomentschlüssig verbundenen Trägerzylinders isolierten Raum zu haltern. Es braucht lediglich derTo hold torque-locking connected carrier cylinder isolated space. All it takes is the
angeordnet sein. Durch den Trägerzylinder kann die Trägerzylinder 14 mit dem Ballen 15 drehmoment-be arranged. Through the carrier cylinder, the carrier cylinder 14 with the bale 15 can be torque-
schlüssig verbunden zu werden. Hierzu dienen Stege 16, die die beiden Mantel des Doppelmantels 10 miteinander verbinden, wobei der eine Mantel mit an dem Trägerzylinder 14 angeordneten Längsstegen 17 und der andere mit dem Ballen 15 verschweißt ist (F i g. 2). Die Stege 16 sind vorzugsweise aus Stahl, z. B. rostfreiem Stahl 304, der bei der Kühlmitteltemperatur von 5 bis 8° K eine äußerst kleine Wärmeleitfähigkeit besitzt. Zur Verkleinerung der Kälteverluste durch Strahlung ist es zweckmäßig, die Stege 16 zu polieren oder zu verspiegeln.to be coherently connected. This is done by means of webs 16 which connect the two sheaths of the double sheath 10 to one another connect, the one jacket having longitudinal webs 17 arranged on the carrier cylinder 14 and the other is welded to the ball 15 (Fig. 2). The webs 16 are preferably made of steel, z. B. stainless steel 304, which has an extremely low thermal conductivity at a coolant temperature of 5 to 8 ° K owns. In order to reduce the cold losses due to radiation, it is advisable to use the webs 16 to polish or mirror.
Vorzugsweise wird zur Kühlung gasförmiges Helium mit einer Eintrittstemperatur verwendet, die wenig über der Siedetemperatur des flüssigen Heliums, das ist etwa 4,2° K, liegt. Das Kühlmittel wird durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Kompressor in an sich bekannter Art umgewälzt und in einem Kühler rückgekühlt, wobei wegen der nur geringen zu deckenden Kälteverluste ein verhältnismäßig geringer Aufwand nötig ist. Die Führung des Kühlmittels erfolgt in Kanälen 21, wobei zweckmäßig ein Teil der Kanäle für die Hinleitung, ein anderer Teil für die Gasrückleitung benutzt wird und die Umlenkung in an sich bekannter Weise durch im Wickelkopf eingebaute Wände erfolgt.Preferably, gaseous helium with an inlet temperature is used for cooling slightly above the boiling temperature of liquid helium, which is around 4.2 ° K. The coolant is through a compressor not shown in the drawing circulated in a known manner and in a cooler is recooled, and because of the low cooling losses to be covered, a relatively little effort is required. The coolant is guided in channels 21, it being expedient part of the ducts is used for the outgoing line, another part for the gas return line and the deflection takes place in a manner known per se through walls built into the winding head.
Wird für den Trägerzylinder 14 ein elektrisch gut leitendes Material verwendet, so dient er zugleich als Dämpferwicklung. Um dabei für den Fall, daß Normalleitung der supraleitenden Erregerwicklung 4 eintritt, einen Kurzschluß der einzelnen Supraleiter zu vermeiden, wird zwischen dem Trägerzylinder 14 und den die Supraleiterschichten tragenden Metallschichten ein Isolierbelag 22 angeordnet.If a material with good electrical conductivity is used for the carrier cylinder 14, it also serves as a Damper winding. In order to do this in the event that normal conduction of the superconducting excitation winding 4 occurs, to avoid a short circuit of the individual superconductors is between the support cylinder 14 and An insulating covering 22 is arranged on the metal layers carrying the superconductor layers.
Die supraleitenden Schichten der Erregerwicklung 4 können auch auf den Längsstegen 17 angeordnet werden, wobei diese aus einem Metall mit gutem elektrischen und gutem Wärmeleitwert bei der tiefen Temperatur, z. B. aus Kupfer, sind. Tritt in der Supraleiterschicht der Erregerwicklung 4 Normalleitung ein, so wirken die Längsstege 17 als Shunt.The superconducting layers of the excitation winding 4 can also be arranged on the longitudinal webs 17 being made of a metal with good electrical and good thermal conductivity at the deep Temperature, e.g. B. made of copper. Occurs in the superconductor layer of the excitation winding 4 normal line a, the longitudinal webs 17 act as a shunt.
Um Schwierigkeiten in der Verlustwärmeabfuhr zu vermeiden, wenn der in dem tiefgekühlten Raum untergebrachte normalleitende Trägerzylinder 14 durch induzierte Ströme belastet wird, ist es zweckmäßig, als zusätzliche Dämpferwicklung einen besonderen Außenmantel 18 aus Metall, vorzugsweise aus unmagnetischem Metall, anzuordnen, der mit dem Trägerzylinder 15 drehmomentschlüssig verbunden ist (F i g. 1). Als Verbindungselement dienen dabei Stege oder Ringe 19. Dieser Außenmantel 18, der eine Zusatzwicklung darstellt, übernimmt im wesentlichen die durch stoßartige Änderungen der Läufergesamtdurchflutung bei Spannungs- oder Laständerungen auftretenden Ströme. Können bei den genannten betrieblichen Vorgängen größere stoßartige Erreger-Stromänderungen durch die supraleitenden Schichten nicht bewältigt werden, so übernimmt der Außenmantel 18 bei der hierbei auftretenden geringen Flußänderung den entsprechenden Strom. Dieser Strom klingt im Außenmantel hinreichend langsam ab, so daß die gegen rasche Stromänderungen empfindliche supraleitende Wicklung einen entsprechenden Strom nach und nach wieder übernehmen kann.In order to avoid difficulties in the dissipation of heat loss when in the deep-freeze room accommodated normally conducting carrier cylinder 14 is loaded by induced currents, it is expedient to as an additional damper winding a special outer jacket 18 made of metal, preferably made of non-magnetic metal to be arranged, which is connected to the carrier cylinder 15 in a torque-locking manner is (Fig. 1). As a connecting element, webs or rings 19 serve. This outer jacket 18, the one Represents additional winding, essentially takes over the sudden changes in the total flow of the rotor currents occurring in the event of voltage or load changes. Can with the mentioned operational Processes larger sudden changes in excitation current through the superconducting layers are not mastered, the outer jacket 18 takes over in the case of the slight change in flow occurring in this case the corresponding current. This current decays slowly enough in the outer jacket, so that the superconducting winding, which is sensitive to rapid changes in current, generates a corresponding current can gradually take over again.
Die mit Anschlüssen 8 versehene Erregerwicklung 4 ist durch die entsprechende Ausbildung der Stirnverbindungen 20 mit mehr als einer Windung ausgeführt (F i g. 3).The exciter winding 4 provided with connections 8 is due to the corresponding design of the end connections 20 executed with more than one turn (Fig. 3).
Für die supraleitenden Schichten der Erregerwicklung 4 kann in bekannter Weise hartes Supraleitermaterial, insbesondere eine intermetallische Verbindung der Art A3B verwendet werden, wobei A unter anderem Niob oder Vanadium und B beispielsweise Zinn oder Gallium ist. Als hartes Supraleitermaterial kann bekanntlich auch eine Legierung wie Niob-Zirkon, Niob-Titan oder eine Mehrstofflegierung Verwendung finden. Durch die Anwendung verhältnismäßig dünner Schichten der genannten harten Supraleitermaterialien, die durch das Aufbringen auf den Trägerzylinder 14 von Fliehkräften praktisch entlastet sind, bestehen große Reserven bezüglich der kritischen Feldstärke, da — wie F i g. 4 zeigt — bei großen Feldstärkenänderungen H1-H2 keine Flußänderung eintritt. Es wird also auch bei Kurzschluß der Eintritt von Normalleitung vermieden.For the superconducting layers of the excitation winding 4, hard superconducting material, in particular an intermetallic compound of the A 3 B type, can be used in a known manner, where A is niobium or vanadium and B is, for example, tin or gallium. As is known, an alloy such as niobium-zirconium, niobium-titanium or a multicomponent alloy can also be used as the hard superconductor material. By using relatively thin layers of the hard superconducting materials mentioned, which are practically relieved of centrifugal forces by being applied to the carrier cylinder 14, there are large reserves with regard to the critical field strength, since, as shown in FIG. 4 shows - in the case of large changes in field strength H 1 -H 2, no change in flux occurs. The entry of normal lines is avoided even in the event of a short circuit.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3027340A1 (en) * | 1980-07-18 | 1982-02-04 | Valentin Nikolaevič Leningrad Šachtarin | Contactless superconducting synchronous machine - has fixed inductor with multiphase winding concentric with superconducting armature winding |
Families Citing this family (2)
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DE10156212A1 (en) | 2001-11-15 | 2003-06-05 | Siemens Ag | Device for the electrical supply of at least one superconductor |
-
1965
- 1965-11-17 DE DE19651488730 patent/DE1488730B2/en active Pending
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DE3027340A1 (en) * | 1980-07-18 | 1982-02-04 | Valentin Nikolaevič Leningrad Šachtarin | Contactless superconducting synchronous machine - has fixed inductor with multiphase winding concentric with superconducting armature winding |
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DE1488730A1 (en) | 1969-07-17 |
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