DE1638584C

DE1638584C - Pole-changing electrical synchronous machine

Info

Publication number: DE1638584C
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl.-Ing. 1000 Berlin Kottenhagen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1972-04-13

Description

Die vorliegende Erfindung helrifl'l eine polumsehallhure elektrische Synchronmaschine, die hei zwei verschiedenen Frequenzen mit gleicher Leistung und gleicher Drehzahl betrieben werden kann.The present invention helrifl'l a polumsehallhure electrical synchronous machine, which is called two different frequencies with the same power and can be operated at the same speed.

Eine derartige Umschaltung wird /.. B. erforderlich, wenn die Frequenz einer bestehenden Netzanlage umgestellt werden soll, z. B. von 60 auf 50 Hz. Hs ist üblich, die Umstellung von einer höheren auf eine niedrigere Frequenz durch Verringerung der Drehzahl der Antriebsmaschine des Synchrongenerators im Frequenzverhältnis vorzunehmen. Dabei geht jedoch die Leistung der Synchronmaschine und der Antriebsmaschine im gleichen Verhältnis zurück. Es ist aber gerade erwünscht, daß bei einer derartiger. Frequenzumstellung kein Leistungsveriust der vorhandenen Synchronmaschinen zur Versorgung des Netzes auftritt. Außerdem soll eine derartige Frequenzumschaltung leicht durchzuführen sein und ohne großen Abwand am Aufstellungsort der Maschine vorgenommen werden können.Such a switch is / .. B. necessary if the frequency of an existing network system is to be changed, z. B. from 60 to 50 Hz. It is common practice to switch from a higher to a lower frequency by reducing the speed of the drive machine of the synchronous generator in the frequency ratio. However, the performance of the synchronous machine and the drive machine decreases in the same ratio. But it is precisely desirable that with such a. Frequency changeover there is no loss of performance of the existing synchronous machines for supplying the network. In addition, such a frequency switch should be easy to carry out and can be carried out at the installation site of the machine without major deviations.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer polumschaltbaren elektrischen Synchronmaschine mit einem Läufer mit ausgeprägten Erregerpolen und einer an den Klemmen umschaltbaren Ständerwicklung mit je drei Spulengruppen von 60° el über eine Polteilung ζ r Anpassung an zwei unterschiedliche Netzfrequenzen, insbesondere für 50 und 60 Hz, die so ausgebildet ist, daß der Umfang des Läufers Platz für die der größeren Umschaltpolzahl entsprechenden trregerpolc besitzt, deren Abmessungen nach dem notwendiger Erregerstrom und dem magnetischen Fluß für die kleinere Umschaltpolzahl festgelegt sind, und daß d·? Läuferkörper die jeweils für die Lage der Erregerpole bei den beiden Umschaltpolzahlen erforderlichen, in axialer Riehtung nebeneinander angeordneten Befestigungslöcher aufweist. Gemäß der Erfindung ist bei einer derartigen Synchronmaschine die Ständerwicklung für eine Ersatzpolzahl ausgelegt, die auch ungeradzahlig sein kann und für beide Urnschal»polzahlen die Bedingung erfüllt, daß der Zähler A des teilerfremden BruchesTo solve this problem, the invention is based on a pole-changing electrical synchronous machine with a rotor with pronounced exciter poles and a stator winding that can be switched over at the terminals, each with three coil groups of 60 ° el over a pole pitch ζ for adaptation to two different mains frequencies, in particular for 50 and 60 Hz, which is designed so that the circumference of the rotor has space for the trregerpolc corresponding to the larger number of switching poles, the dimensions of which are determined according to the necessary excitation current and the magnetic flux for the smaller number of switching poles, and that d ·? The rotor body has the fastening holes, which are arranged next to one another in the axial direction, and which are necessary for the position of the exciter poles for the two switching pole numbers. According to the invention, in such a synchronous machine, the stator winding is designed for a replacement number of poles, which can also be odd and for both primary numbers of poles satisfies the condition that the numerator A of the fractional fraction

A BA. B.

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durch 3 teilbar ist, wobei P die Ersatzpolzahl und 2 ρ die jeweilige Umschalipolzahl ist. Eine derartig aufgebaute Synchronmaschine hat den Vorteil, daß sie bei jeder Umschaltpolzahl mit fast der gleichen Drehzahl betrieben wird und auch angenähert die gleiche Leistung abgibt, da sowohl der Läufer als auch die Ständerwicklung auf einfache Weise der jeweiligen Umschaltpolzahl angepaßt werden. Dadurch kann die Antriebsmaschine bei beiden Frequenzen des Netzes in ihrem wirtschaftlichsten Bereich betrieben werden.is divisible by 3, where P is the number of substitute poles and 2 ρ is the respective number of switching poles. A synchronous machine constructed in this way has the advantage that it is operated at almost the same speed for every number of reversing poles and also delivers approximately the same power, since both the rotor and the stator winding are easily adapted to the respective number of reversing poles. As a result, the prime mover can be operated in its most economical range at both network frequencies.

Die Anpassung der Ständerwicklung geschieht fo durch eine einfache Änderung der Schaltung an den Klemmen der Spulengruppen, die für beide Umschaltpolzahlen unverändert bleiben. Die Auslegung über eine Ersatzpolzahl, die möglichst in der Mitte zwischen den beiden Umschaltpolzahlen liegen soll, f>5 ermöglicht eine normale Wicklung, deren Nutenzahl und Schrittweite für beide Poizahlen geeignet ist; durch die Umschaltung der Aufeinanderfolge von WickluniiSteilen wird lediglich eine Änderung des Wicklungsfaktors hervorgerufen, die jedoch keine große Änderung in der Leistungsabgabe zur Folge hat. Die Umstellung des Läufers erfolgt durch ein Hinzufügen oder ein Entfernen von Erregerpolen. wobei die jeweils erforderlichen Befestigungslocher schon am Läuferkörper angeordnet sind. Die gemäß der Erfindung ausgebildete Synchronmaschine wird also mit einer der höheren Umsehalrpolzahl entsprechenden Anzahl von Erregerpolen geliefert, so daß die Ausrüstung des Läufers mit der gewünschten Anzahl an Erregerpolen jeweils am Aufstellungsort in einfachster Weise, ohne daß dazu besondere Spezialisten notwendig sind, vorgenommen werden i*ann.The stator winding is adapted by simply changing the circuit to the Clamping of the coil groups, which remain unchanged for both numbers of changeover poles. The interpretation via a number of substitute poles, which should be in the middle between the two numbers of changeover poles, f> 5 enables a normal winding, the number of slots and the step size are suitable for both numbers of poles is; by switching the sequence of winding parts, only a change in the Winding factor caused, but this does not result in a large change in the power output has. The rotor is changed over by adding or removing exciter poles. whereby the required fastening holes are already arranged on the rotor body. According to The synchronous machine designed according to the invention is thus provided with a number corresponding to the higher Umsehalrpolzahl Number of exciter poles supplied, so that the equipment of the runner with the desired Number of exciter poles in each case at the place of installation in the simplest way, without any special Specialists are necessary to be made i * ann.

Die Verwendung der gleichen Erregerpole für beide Umschahpolzahlen hedingt zwar eine entsprechende Uherdimensionierung bei der höheren Umschalipolzahl, jedoch fällt dieser Nachteil gegenüber dem Vorteil, daß die Maschine bei beiden Frequenzen die gleiche Leistung abgeben kann, nicht ins Gewicht. Außerdem ergibt die in axialer Richtung nebeneinanderliegende Anordnung der für die unterschiedlichen Umschaltpolzahlen jeweils erforderlichen Befestigungslöcher der Erregerpole am Läuferkörper den ^vorteil, daß -cwei Befestigungslöcher niemals so eng zusammenliegen können, daß sie ein Langloch bilden, was eine besondere Ausrichtung der Läuferkörper erforderlich machen würde.The use of the same exciter poles for both switchover pole numbers ensures a corresponding Uherdimensioning with the higher switchover pole number, but this disadvantage is not significant compared to the advantage that the machine can deliver the same power at both frequencies. In addition, the juxtaposed in the axial direction of arrangement provides the necessary in each case for the different Umschaltpolzahlen mounting holes of the exciter poles on the rotor body to ^v orteil that -cwei fastening holes may so close together not to form an elongated hole, which would require a special alignment of the rotor body.

Handelt es sich bei den ausgeprägten Erregerpolen der gemäß der Erfindung ausgebildeten Synchronmaschine um Rundpole, die mit einer in der Mitte liegenden Polschraube am Läuferkörper befestigt werden, so wird bei der Umschaltung infolge der in axialer Richtung nebeneinanderliegenden Befestigungslöcher die magnetische Mitte des Läufers verschoben. In diesem Fall empfiehlt es sich, daß der Ständer gegenüber dem Läuft in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet ist. Durch die entsprechende axiale Verschiebung des Ständers erreicht man wieder eine nbereinstimmung der magnetischen Mitte von Ständer und Läufer. Das Ständergehäuse und die Ständerfüße sind konstruktiv so auszubilden, daß die axiale Verschiebung einfach durchzuführen ist.Is it the pronounced exciter poles of the synchronous machine designed according to the invention? Round poles, which are attached to the rotor body with a pole screw in the middle when switching is due to the mounting holes lying next to one another in the axial direction moved the magnetic center of the rotor. In this case it is recommended that the Stand opposite to running in the axial direction is designed to be displaceable. By shifting the stator axially, you can achieve it again a coincidence of the magnetic center of the stator and rotor. The stand housing and the Stand feet are to be designed in such a way that the axial displacement can be carried out easily.

Weist die Maschine dagegen Langpole als ausgeprägte Erregerpole auf. so ist es vorteilhaft, daß die Polkörper unsymmetrisch zur Polmitte liegenden Gewindelöcher für die Polschrauben aufweisen. Liegen die Befestigungslöcher für die beiden Umschaltp'.)!- zahlen um einen der Unsymmetrie entsprechenden Betrag axial nebeneinander, so kann man in einfacher Weise bei der Umschaltung von einer Umschaltpolzahl auf die andere jeweils die Langpole um ISO drehen, so daß die magnetische Mitte nicht durch die Umschaltung verändert wird. Eine Ständerverschiebung erübrigt sich dann.If, on the other hand, the machine has long poles as distinct exciter poles. so it is advantageous that the Pole bodies have threaded holes for the pole screws that are asymmetrical to the pole center. Lie the mounting holes for the two Umschaltp '.)! - numbers by one corresponding to the asymmetry Amount axially next to each other, so you can easily switch over from a number of changeover poles turn the long poles around ISO on the other, so that the magnetic center is not is changed by switching. There is then no need to move the stand.

Im folgenden sei die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Ein durch einen Dieselmotor angetriebener Syn chrongenerator soll von 60 auf 50 Hz Frequenz um stellbar sein und die Umschaltpolzahlen 2 p, = 3'. und Zp₂ — -18 aufweisen. Die Ständerwicklung wire gemäß der Erfindung so ausgelegt, daß die Nenn spannung nach der Frequenzumstellung erhaltei bleibt, wobei die Drehzahl etwa gleich is («1 = 187,5 U/min; ;i₂ = 189.5 U/min).A syn chrongenerator driven by a diesel engine should be adjustable from 60 to 50 Hz frequency and the number of switching poles 2 p, = 3 '. and Zp ₂ - -18. The stator winding wire according to the invention is designed so that the nominal voltage is retained after the frequency changeover, the speed being approximately the same («1 = 187.5 rpm; i ₂ = 189.5 rpm).

Zur Auslegung der Ständerwicklung wird zunächs die Ersatzpolzahl P genau in der Mitte zwischen deTo design the stator winding, the number of equivalent poles P is first placed exactly in the middle between de

I 638I 638

Ihnschiiltpolzahlen gewählt, da P = 35 die Bedingung, daß der Zähler des teilerfremden BruchesIhnschiiltpolverbindungen selected, since P = 35 the condition that the numerator of the prime fraction

A 6 P ß " 2p A 6 P ß "2p

für beide Umschalipolzuhlcn durch 3 teilbar sein muH, erfüllt. Für /^J = 35 ergibt sichmust be divisible by 3 for both Umschalipolzuhlcn, fulfilled. For / ^J = 35 we get

.-I 6x35
H ⁼ 32.-I 6x35
H ⁼ 32

6x35 1056x35 105

1616

^bZWor

105
19105
19th

Da die StänderwickJung über einer Ersatzpolteilung (elektr. 180") drei Spulengruppen von je M) el aufweisen soll, ergibt sich die Anzahl der Spulengruppen zu 3P= 105. 1st der Zähler A ein Vielfaches von 3 P, so kann man eine entsprechende Anzahl von Parallelschaltungen oder eine Bruchlochwicklung wählen. Im vorliegenden Fall ist A = 3 P, to daß eine Ganzlochwicklung gewählt werden muß. Die Anzahl der Spulen pro Spulengruppe wird nach den üblichen Gesichtspunkten für die Dimensionierung gewählt. Since the StändwickJung should have three coil groups of M) el each over an equivalent pole pitch (electrical 180 "), the number of coil groups is 3P = 105. If the counter A is a multiple of 3 P, a corresponding number of Select parallel connections or a broken-hole winding. In the present case, A = 3 P, so that a full-hole winding must be selected. The number of coils per coil group is selected according to the usual criteria for dimensioning.

Die Spannungen der 105 Spulengruppen werden bei beiden Umschaltpolzahlen irr. Vektordiagramm dargestellt (s. F i g. 1 für die Umschaltpolzahl 2 p₂ = 38 und F i g. 2 für die Umschaltpolzahl 2 ρ, = 32). Die Richtung der Spulengruppenspannungen •wird bei gleicher Schaltung aller Spulengruppen --- Eingang/Ausgang — angegeben. Zwei im Ständer der Maschine räumlich aufeinanderfolgende Spulengruppen schließen den Winkel β ein, der als Zonenbreite bezeichnet wird.The voltages of the 105 coil groups are irr with both numbers of changeover poles. Vector diagram shown (see Fig. 1 for the number of changeover poles 2 p ₂ = 38 and Fig. 2 for the number of changeover poles 2 ρ, = 32). The direction of the coil group voltages • is given with the same circuit of all coil groups --- input / output. Two coil groups spatially consecutive in the machine frame enclose the angle β , which is referred to as the zone width.

Ii = 60 · ²^ . Ii = 60 * ² ^.

Dies gibt für beide UmschaltpolzahlenThis applies to both numbers of changeover poles

/<, = 54"/₇ el; th = 65'A° el./ <, = 54 "/ ₇ el; th = 65'A ° el.

aufgebaut Es bilden sich 18 Spulengruppenketten, darunter drei anormale, die verschiedenen Phasen angehören. Jede Phase wird aus sechs Spulengruppenketten gebildet. Davon lassen sich jeweils drei Spulengruppenketten so zusammenfassen, daß sie auch nach der Umschaltung erhalten bleiben. Die Zusammenfassungen bestehen jeweils aus 17 bzw. 18 Spulengruppen. Ihre Ausgänge werden über Klemmen herausgeführt, so daß die Umschaltung ohnebuilt up 18 coil group chains are formed, including three abnormal ones belonging to different phases. Each phase is made up of six coil group chains educated. Of these, three coil group chains can be summarized in such a way that they are retained even after the switchover. The summaries consist of 17 resp. 18 coil groups. Their outputs are brought out via terminals so that switching can be carried out without

ίο Eingriff in die Wicklung über 12 Klemmen erfolgen kann. Die zusammengefaßten Spulengruppenketten sind in F i g. 5 dargestellt und die Schaltung der mittleren Klemmen für die eine Polzahl punktiert und für die andere ausgezogen gezeichnet.ίο Intervention in the winding takes place via 12 terminals can. The summarized coil group chains are shown in FIG. 5 and the circuit of middle terminals dotted for one number of poles and drawn solid for the other.

Die Erregerpole 1 der Maschine sind als Langpole ausgebildet. Sie werden jeweils über zwei Befestigungslöcher 2, 3 am Läuferkörper 4 mit Hilfe von Polschrauben angebracht. F i g. 6 zeigt im Schema eine Abwicklang des Läuferkörpers 4 mit den in axialer Richtung nebeneinanderliegend. n Befestigungslöchem 2, 3 bzw. 2', 3' für die jeweilige Umschaltpolzahl. Im Erregerpol sind die Befestigungslöcher dem Abstand zwischen beiden Reihen entsprechend unsymmetrisch zur Polmitte angeordnet. Wird nun der Langpol bei der Umschaltung von der einen Befestigungslöcherreihe auf die andere gesetzt, so wird er um 18ö° gedreht, und die Polmitte behält ihre ursprüngliche Lage.The exciter poles 1 of the machine are designed as long poles. They are each attached to the rotor body 4 via two fastening holes 2, 3 with the aid of pole screws. F i g. 6 shows in a diagram a development of the rotor body 4 with the elements lying next to one another in the axial direction. n mounting holes 2, 3 or 2 ', 3' for the respective number of reversing poles. In the exciter pole, the mounting holes are arranged asymmetrically to the pole center according to the distance between the two rows. If the long pole is now set when switching from one row of fastening holes to the other, it is rotated by 180 ° and the center of the pole retains its original position.

Da der Polzwickel bei jeder Umschaltpolzahl der Synchronmaschine unterschiedliche Größe hat, sind die Verbindungen der Erregerwicklung von Pol zu Pol, die Verbindungen der Dämpferringsegmente sowie die Ausleitungen der Anschlußpole zweckentsprechend auszuführen.Since the pole gusset has a different size for each switching pole number of the synchronous machine the connections of the field winding from pole to pole, the connections of the damper ring segments as well as the lead-outs of the connection poles to be carried out appropriately.

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Claims

Claims: 40 The numbering of the coil groups takes place in the order of their spatial position. The ordinal number is given a negative sign if the input and output of the coil group are swapped and their voltage therefore rotates by 180 °. The angle between two consecutive groups in the vector diagram is 360 3, a = -T = 3/7 el. The 105 voltage arrows shown in the vector diagram are now distributed symmetrically over the three phases. The starting point for this division is that coil group 1 is assigned to phase U, the coil group of phase V which has been shifted by 120 ° el relative to coil group 1, and the coil group to phase W which has been displaced by 240 ° el relative to coil group 1. This results in the single phase starting coils for

1. Ι Ό1 switchable electrical synchronous machine with a rotor with pronounced exciter poles and a stator winding that can be switched over at the terminals, each with three coil groups of 60 el over a pole pitch for adaptation to two different mains frequencies, in particular for 50 and 60 Hz, at which the circumference of the rotor Has space for the exciter poles corresponding to the larger number of changeover poles, the dimensions of which are determined according to the required excitation current and the magnetic flux for the smaller number of changeover poles, and the rotor body, the fastening holes which are axially arranged next to one another and which are necessary for the position of the exciter poles for the two number of changeover poles , characterized in that the stator winding is designed for a Ersatzpolzahl, which may also be ungeradz-.hlig and for both Umschaltpo '/ recommended the condition is satisfied that the counter a of the prime fraction

CPCP

2p2p

H7 + 71

2 p, = 32 t // + i F / + 36
2fc = * 38l // + l K / + 36

The phases, as shown in FIG. 3 for 2 p, = 38 and Fi g. 4 for 2 p, = 32 recognizable, is divisible by 3, where P is the number of replacement poles and 2 ρ is the respective number of switchover poles.

2. Pole-changing electrical synchronous machine according to claim 1, characterized in that that the stator is designed to be displaceable in the axial direction with respect to the rotor.

3. Pole-changing electrical synchronous machine according to claim 1, characterized in that that the exciter poles (l) designed as long poles are asymmetrical to the center of the pole Have threaded holes for the pole screws.

4. Pole-changing electrical synchronous machine according to claim 3, characterized in that that the r.rregerpole (1) when switching from one pole number to the other rotated by 180.

1 sheet of drawings