DE1638344A1 - Buerstenlose Synchronmaschine mit Spezialerregermaschine - Google Patents

Description

• Bezeichnung: Bürstenlose Synchronmaschine mit Spezialerregermaschine Die bürstenlosen Synchronmaschinen haben sich in jüngerer Zeit zunehmend durchgesetzt, da es notwendig war, den Wartungsaufwand auf ein erträgliches Minimum zu reduzieren. Das wesentliche Merkmal dieser bürstenloser. Synchronmaschinen ist die Wechselstromerregermaschine mit rotierenden Gleichrichtern, die neben der Hauptmaschine mit den rotierenden Polen in einem gemeinsamen Gehäuse eingebaut ist. Die Ausgangsleistung der Wechselstromerregermaschine wird über rotierende Gleichrichter dem Polrad der Hauptmaschine zugeführt. Die Regelung der Wechselstromerregermaschine zur Konstanthaltung der Klemmenspannung kann durch Systeme unterschiedlicher Bauart erfolgen. Durchgesetzt hat sich die Ausführung mit einer Compoundschaltung, bestehend aus Stromtransformatoren und Drosseln, und einem zusätzlichen Tranaistorspannungsregler. Diese Bauweise wird den vielfältigsten-Anforderungen gerecht und hat sich in der Praxis bestens bewährt. Synchrongeneratoren vor allem größerer Leistungen sollten sich zum Schutze der Wicklungen und der nachgeschalteten Verbraucher entregen lassen. Bei Synchrongeneratoren mit Schleifringen ist die Schnellentregung nicht problematisch. Man kann hier direkt in den Erregerkreis des Generators eingreifen und durch Unterbrechung oder Kurzschluss der Erregerwicklungen die Erregung der Hauptmaschine verhindern. Ferner ist es bekannt, daß die Entregung durch Anlegung einer Gegenspannung an die Polradwicklung herbeigeführt werden kann.
• Die bürstenlosen Synchronmaschinen dagegen lassen einen Eingriff in den Erregerkreis der Hauptmaschine nicht zu, da sowohl der Anker der Erregermaschine als auch das Polrad des Hauptankers auf der gleichen Welle rotieren. Daher ist es bei diesen Generatoren nicht möglich, durch Einwirkungen von aussen die Remanenzspannung der Hauptmaschine zu vernichten. Die Remanenz der Erregermaschine wird mit dem Verstärkungsverhältnis der letzteren an die Hauptmaschine weitergegeben. Es besteht bisher keine wirtschaftliche Lösung der Schnellentregung zum Schutze der bürstenlosen Generatoren. Die Verwendung von rotierenden, gesteuerten Ventilen (Thyristoren) in Verbindung mit einer zweiten gesteuerten Erregermaschine ist bekannt. Diese Konstruktion hat sich bei Turbogeneratoren bewährt, ist aber für Generatoren bis in die Grössenordnungen von 2.000 kVA viel zu aufwendig und zu teuer. Die Verwendung lamellierter Polräder in den Generatoren und lamellierter Erregerjoche in den Erregermaschinen mag in den Kosten von Fall zu Fall noch vertretbar sein, bringt aber fast nie den gewünschten technischen Erfolg.-Trotz Unterbrechung der Erregerwicklungen der Erregermaschine wird dit- rrregung der Hauptmaschine auf den Remanenzwert nicht verhindert. Überdies ist die Entregung auf diese Art zu langsam. Die Tatsache, dass bei den bürstenlosen Synchronmaschinen ein Eingriff in den Erregerkreis der Hauptmaschine nicht möglich-ist, bringt auch grosse Nachteile im Betrieb als Synchronmotor mit sich. Ein normaler Synchronmotor mit Schleifringene dessen Polradwicklungen geöffnet oder kurzgeschlossen werden können, läuft mit Hilfe eines einfachen Dämpferkäfigt ohne Schwierigkeiten in den Synchronismus. Die mit Schlupffrequenz in den Polradwicklungen induzierten Spannungen lassen bei Kurzschluss der Polradwicklungen Ströme fließen, deren Wechselfelder eher beschleuni- gend als bremsend wirken. Wird jedoch ein bürstenloser Synchronmotor mit rotie- renden Gleichrichtern verwendet, so kann trotz indu- zierter Wechselspannung infolge der Sperrwirkung der Gleichrichter nur pulsierender Gleichstrom in den Wicklungen des Polrades fliessen. Dieser Gleichstrom erzeugt ein Magnetfeld, das gegenüber dem um die Schlupffrequenz vor&useilenden Ständerdrehfeld eine verzögernde Wirkung ausübt. Der Synchronmotor läuft folglich gar nicht an oder bleibt bei einer meist sehr niedrigen asynchronen Drehzahl hängen. Es sind ver- schiedene Wege bekannt, die Ausbildung dieses pul- sierenden Magnetfeldes abzuschwächen. Ein weit über- dimensionierter Dämpferkäfig ist nicht nur wegen des grossen Kupferaufwandes teuer, sondern verringert den Eisenquerschnitt der Polschuhe erheblich und erfor- dert daher eine Überdimensionierung des Synchronmo- tors. Eine weitere Möglichkeit der ,Abschwächung des pulsie- renden Magnetfeldes besteht in-der Beschaltung der Polradwicklungen mit rotierenden Widerständen und rotierenden Drosseln. Diese Lösung ist nicht nur in der Fertigung,teuer, sondern hat im Betrieb auch noch zusätzliche elektrische Verluste zur Folge. Mit Hilfe einer Spezialerregermaschine ist es möglich, den asynchronen Hochlauf und die Umpolung bei bürsten- losen Synchronmotoren,-sowie die vollständige Schnellentregung bei. bürstenlosen Synchrongeneratoren in _ einfacher und wirtschaftlicher Form zu lösen. Der ' Aufbau der biirstenlosen Synchronmaschine mit Spezialerregermaschine ist in der beiliegenden Abbildung dargestellt. Die Synchronmaschine besteht im wesentlichen aus der Statorwicklung 1 der Hauptmaschine und dem Polrad 2 mit den beiden Polradwicklungen 3 und 4. Die im gleichen Gehäuse eingebaute Spezialerregermaschine 7 ist mit den beiden getrennten Drehstromwicklungen 8 und 9 ausgeführt, die an die rotierenden Gleichrichter 5 und 6 in Dr-hstrombrückenschaltung geführt werden. Die Beschaltung der rotierenden Gleichrichter erfolgt mittels Schutzwiderständen.
• Die Regelung der. Spezialerregermaschine übernehmen die beiden Erregerwicklungen 10 und 11, die vom Regelgerät 13 beziehungsweise vom Gleichrichtergerät 14 über den Schalter 12 gespeist werden. Die Polradwicklungen 3 und 4 des Polrades-der Hauptmaschine befinden sich auf den gleichen Polen. Die Magnetisierung erfolgt jedoch wegen, der Polarität der Gleichrichter 5 und 6 in entgegengesetzter Richtung. Die Drehstromwicklungen 8 und 9 im Anker der Spezialerregermaschine liegen zwar in denselben Nuten, haben aber voneinander abweichende Wickelschritte und Wicklungsausführungen. Die Erregerwicklungen 10 und 11 befinden sich auf den gleichen Polen der Spezialerregermaschine, sind jedoch unterschiedlich geschaltet. Die Arbeitsweise der Spezialerregermaschine soll zungchst bei Anwendung der bürstenlosen Synchronmaschine als Motor erläutert werden. Wird die Statorwicklung 1 des Synchronmotors an das Netz gelegt, so muss der Umschalter 12, di e Erregerwicklungen 10 und 11 unterbrechen. Die während des Anlaufes in den Polradwicki'u.ngen 3 und 4 induzierten Spannungen lassen durch die Sperrwirkung der rotierenden Gleichrichter 5 und 6 zwei entgegengesetzt pulsierende Gleichströme fliessen, deren Maxima um 180° elektrisch verschoben sind. Unter der Voraussetzung, dass die Polradwicklungen 3 und 4 gleiche Windungszahl besitzen, ergibt sich durch die Addition ein reines Wechselfeld mit einem maximalen Anlaufmoment. Da jedoch Synchronmotoren nur im Leerlauf angelassen werden, kann ein gewisser Anteil an Gleichfeld in Kauf genommen werden, ohne den Hochlauf zu gefährden. In der Praxis kann man daher die Windungszahl der Polradwicklung 4 geringer als die der rolradwicklung 3 ausführen. Nach Erreichen der Synchrondrehzahl wird der Schalter 12 so umgelegt, daß die Erregerwicklung 10 vom Regelgerät Gleichstrom erhält, während die Wicklung 11 unterbrochen wird. Die Drehstromwicklungen 8 und 9 im Erregeranker sind i r. ihrer Polzahl so ausgeführt, dass bei Erregung durch die Erregerwicklung 10 kein Strom in der Polrzdwicklung 4 fliessen kann. Der Synchronmotor wird nur über die Polradwicklung 3 erregt. Ist der Motor in einer unerwünschten Pollage in Tritt gefallen, was zum Beispiel bei Parallelbetrieb von Frequenzumformern vorkommen kann, wird der Schalter 12 so gelegt, dass die Erregerwicklung 11 von einem Gleichstrom durchflossen wird. Die nunmehr in der Drehstromwicklung 9 induzierte Spannung lässt in de= Polradwicklung 4 einen Erregerstrom fliessen, welcher dem ursprünglichen Strom in der Polradwicklung 3 entgegengesetzt ist. Der Motor schlüpft infolge Umpolung des Polrades 2 uni eine Polteilung. Wegen der unterschiedlichen Polzahl der Drehstromwicklungen 8 und 9 kann in der Polradwicklung 3 kein Strom fliessen. Nach Schlüpfen des Polrades um eine Polteilung wird der Schalter 12 wieder-in die ursprüngliche Lage zur Speisung der Erregerw.icklung 10 zurückgestellt. Dieser Vorgang kann nach Bedarf beliebig wiederholt werden. - Hei Anwendung der Erfindung auf einem bürstenlosen Synchrongenerator ergibt sich folgenden Arbeitsver- halten. Im Normalbetrieb arbeitet der Synchrongenerator mit dem Regelgerät 13 auf die Erregerwicklung-@10.
• Die von der Drehstromwicklung 8 abgegebene Spannung wird Über die rotierenden Gleichrichter. 5 gleichge- richtet und der Polradwicklung 3 zugeführt. Wie- bereits beim Verhalten des Synchronmotors beschrieben, ist der Erregerstrom der Polradwicklung 4 gleich null. Um eine Schnellentregung des Generators vorzunehmen, wird der Schalter 12 so gestellt, dass das Gleichrichtergerät 14 die Erregerwicklung 11 speist und eine Erregung der Polradwicklung 4 in entgegengesetz- ter Richtung zur Polradwicklung 3 erzwingt. Das Polrad 2 wird umgepolt und der Abbau des Generatorfeldes erfolgt beschleunigt, so dass innerhalb kürzester Zeit keine Generatorspannung mehr vorhanden ist. Wie beim Generator kann auch beim Motor die Windungszahl der Polradwicklung 4 geringer als die von 3 sein, fernekönnen die Gleichrichter 6 und die Wicklungen 3 und 11 schwächer dimensioniert werden; da sie nur etwa 1 bi: 2 Sekunden belastet sind. Die Anordnung der Wicklungen nach der beschriebenen Erfindung ist unabhängig davon, ob es sich um einen Schenkelpolläufer oder um einen Vollpolläufer mit konstantem Luftspalt handelt.

Claims (4)

1. P a t e n t a n s p r ü c h es C
2. 2. Bürstenlose Synchronmaschine mit Spezialerreger--@ maschine in der Ausführung einer statorerregten Drehstromerregermaschine mit rotierenden Gleich-. richtern, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker der Erregermaschine zwei Drthatromwicklungen 8 und 9 in unterschiedlicher Ausführung erhält, die über zwei rotierende Gleichrichter 5 und 6 in Drehstrombrückenschaltung zwei gegeneinander geschaltete Polradwicklungen 3 und 4 im Polrad 2 der Synchronmaschine speist, und dass der Stator der Erregermaschine zwei Erregerwicklungen 10 und 11 unterschiedlicher Polzahl besitzt, wobei über einen Umschalter 12 einmal die Erregerwicklung 10 von einem Regelgerät 13, oder die Erregerwicklung 11 von einem Gleichrichtergerät 14 gespeist werden kann, und gleichzeitig die Möglichkeit besteht, beide Erregerwicklungen zu unterbrechen. z. Bürstenlose Synchronmaschine mit Dämpferwicklung bzw. Dämpferkäfig im Polrad und mit Spezial-erregermaschine nach Anspruch 1, .-.::--durch gekennzeichneti dass im Betrieb als Synchronmotor bei Anlauf der Schalter 12 die beiden Erregerwicklungen 10 und 11 unterbricht, so dass sich-im Polrad der Synchronmaschine nur ein geringes Zleichfeld ausbilden kann und der Hochlauf dadurch sichergestellt ist.
3. 3. Bürstenlose Synchronmaschine mit Spezialerregermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb als Synchronmotor zum Zwecke der Synchronisation von Frequenzumformern durch kurzzeitige Speisung der Erregerwicklung 11 durch das Gleichrichtergerät 14 und Unterbrechung der Erregerwicklung 10 das Polrad um eine Polteilung .schlüpft und dadurch die für die Synchronisation notwendige gleiche Polradlage sicherstellt.
4. 4. Htirsteri =_cse Synchronmaschi ne ml t Spezi al.erregermaschine r ach Anspruch 1, dadurch g&l:eriri,-.ei clinet, dass hei ri Betrieb als #'ynchronger-ier ator zum Zwecke der Sclnellentregurig der Schalter 12 so eingelegt wird, dass das Gleichrichtergerät 14 die Erregerwicklung 11 speist und über die Polradwicklung 4 den Generatcr entregt. Hiirstei-.lose Synchronmaschine mit Spez i.alei re@@@er- masch-_iie nach Anspruch 1, dadurch rnt.enn.,e:i cliiiet, daß in die r.rregerwicl:luna 11 zum Zwecke der- Uin-- t)olunc; cdc-i- Schnellentredung na t einer fremden Gleichstromquelle ei egespei st wird, wobei es gleichgültig ist, ob dri- Schalter 12 i ri 1`ei.iin ü(.if d_'' e. 10 aus- oder e-i i@c:f#sc:ha7- F. Bilrsteii_.- se ü@@echroninachine mit_ SpE:-j.iiler.i-egermaschi- rie nach Anspruch 1, dadurch <;c_l@c@nraceicainet, das:; di e LPi dn:t I):_ el: stroriwi ckl@irigen i` und 9 und di n lf@i cir#i. Errererws.chlunden 1(i lind 11 :statt in einer cTC@mr@;ri- samen Fz-i-eqermasclzine ai:z:li ir: zwei cretre-.niiteii i=rrcfzr. r_;::4: cl-iir=@n aus(lc;fühL't vei der kciaier-.