DE19953583C1 - Vewendung eines Drehstromtransformator zur bürstenlosen Übertragung der Schlupfleistung einer Asynchronmaschine - Google Patents

Vewendung eines Drehstromtransformator zur bürstenlosen Übertragung der Schlupfleistung einer Asynchronmaschine

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Abstract

Zur bürstenlosen und schleifringlosen Übertragung der Schlupfleistung vom Rotor einer Asynchronmaschine auf ein feststehendes Maschinenteil wird ein spezieller Drehstromtransformator beschrieben. Er besteht aus einem feststehenden Primärteil und einem auf der Welle der Asynchronmaschine angebrachten rotierenden Sekundärteil. Beide Teile tragen eine Drehstromwicklung mit tangential gewickelten Spulen.

Description

Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer haben im Läufer meist eine Drehstromwicklung mit drei Strängen, die in Stern. oder in Dreieck geschaltet werden können. Diese Drehstrom­ wicklung wird durch drei mit der Welle mitrotierende Leitungen mit drei Schleifringen verbun­ den. Über drei auf die Schleifringe aufliegende Bürsten besteht eine elektrisch leitende Ver­ bindung von der rotierenden Läuferwicklung zu den feststehenden Klemmen.
An die feststehenden Klemmen können z. B. ohmsche Widerstände angeschlossen werden oder auch ein Frequenzumrichter. Auf diese Weise kann man das Betriebsverhalten, z. B. die Drehzahl der Asynchronmaschine beeinflussen. Diesem Vorteil steht als Nachteil der Verschleiß an den Bürsten und den Schleifringen und der damit verbundene notwendige Wartungsaufwand entgegen.
In DE 197 07 860 C2 wird ein Transformator beschrieben, der zur Übertragung eines Mess­ signals vom Rotor einer Drehstrom-Asynchronmaschine auf einen feststehenden Maschi­ nenteil und zur Überwachung von physikalischen Größen des Rotors, z. B. der Temperatur dient. Dort wird der Transformator nur zur Informationsübertragung verwendet; die übertra­ gene Leistung ist gering und für die beschriebene Anwendung unbedeutend. Der Transfor­ mator ist als Einphasentransformator ausgeführt.
Aus der DE 33 04 719 A1 ist ein Drehstromtransformator zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie von einem feststehenden ferromagnetischen Primärteil zu einem, von dem Primärteil durch einen radialen Luftspalt getrennten, drehbeweglichen ferromagneti­ schen Sekundärteil bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ausgehend von der DE 197 07 860 C2 zum Zweck der Veränderung des Betriebsverhaltens von Asynchronmaschinen eine berührungs­ lose und wartungsfreie elektrische Verbindung zwischen Rotor und einem feststehenden Maschinenteil zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines Drehstromtransformators gemäß Patentan­ spruch 1 gelöst.
Die schleifende elektrische Verbindung zwischen dem Läufer und dem feststehenden Ma­ schinenteil wird gemäß Anspruch 1 durch eine induktive Kopplung ersetzt. Hierzu wird ein Drehstromtransformator mit rotierendem Sekundärteil verwendet, wie er an sich aus der DE 33 04 719 A1 bekannt ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bild 1 zeigt ein Beispiel für einen nach Anspruch 1 verwendeten Drehstromtransformator in der Draufsicht; Bild 2 zeigt dazu den Längsschnitt.
Der Drehstromtransformator besteht aus dem primären Eisenkern (1), dem sekundären Ei­ senkern (2), den Primärwicklungen (3) und den Sekundarwicklungen (4). Zwischen dem pri­ mären und dem sekundären Eisenkern befindet sich ein Luftspalt (20).
Zur Vermeidung von Wirbelströmen hat der Drehstromtransformator jeweils einen radial verlaufenden Spalt (11) im Primärteil (1) bzw. einen radial verlaufenden Spalt (12) im Sekun­ därteil (2).
Der primäre Eisenkern (1) ist aus kreisrunden Blechen gefertigt. Es wurden zwei verschiede­ ne Blechschnitte (mit gleichem Außendurchmesser, aber mit verschiedenen Innendurchmes­ sern) verwendet. Das Blechpaket kann durch Schweißnähte, Nieten oder Schrauben zu­ sammengehalten werden.
Der sekundäre Eisenkern (2) ist ebenfalls mit zwei Blechschnitten gefertigt. Die Primärwick­ lungen (3) und die Sekundärwicklungen (4) sind auf nach außen offene Spulenträger (5) und (6) aufgewickelt. Durch die radialen Spalte (11, 12) der Blechpakete werden die Wicklungs­ enden (7, 8) aus den Eisenkernen geführt. Die Primärwicklungen (3) sind an den feststehen­ den Klemmen (9) anschließbar, die rotierenden Sekundarwicklungen (4) können über die Klemmen (10) an die ebenfalls rotierende Läuferwicklung der Asynchronmaschine ange­ schlossen werden.
Der Drehstromtransformator muss für die zu übertragende Leistung dimensioniert werden. Diese Leistung ist um so kleiner, je kleiner der Schlupf der Asynchronmaschine ist. Beson­ ders vorteilhaft ist die Erfindung daher für Anwendungen mit kleinem Schlupfbereich, da dann der Drehstromtransformator klein bemessen werden kann.
Ein Anwendungsgebiet ist die Energieerzeugung durch Windkraft, bei der z. B. Schlupfwerte von etwa 20% ausreichend sind. Die Drehstromtransformatorleistung braucht dann nur etwa 20% der Leistung der Asynchronmaschine zu betragen.
Bild 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Drehstromtransformator zusammen mit einer Asynchronmaschine.
In einem Gehäuse (40) ist das Ständerblechpaket (31) einer Asynchronmaschine und au­ ßerdem der Primärteil (1) eines Drehstromtransformators befestigt. Auf einer drehbar in den Lagern (41) und (42) gelagerten Welle (43) ist das Läuferblechpaket (32) einer Asynchron­ maschine und außerdem der Sekundarteil (2) des Drehstromtransformators befestigt. Das Ständerblechpaket (31) der Asynchronmaschine trägt eine dreisträngige Drehstromwicklung (33), die über feststehende Klemmen (35) an das Drehstromnetz angeschlossen werden kann.
Die Läuferwicklung (34) der Asynchronmaschine ist über die mit der Welle (43) mitrotieren­ den Verbindungsleitungen (36) über die Klemmen (10) mit drei Wicklungsenden (8) des Drehstromtransformators verbunden. Die restlichen drei Wicklungsenden können in Stern geschaltet werden. Die Primärwicklung (3) und die Sekundarwicklung (4) sind symbolische dargestellt. Ein Kreuz kennzeichnet einen in die Blattebenen hinein fließenden Strom, ein Punkt einen heraus fließenden Strom.
Drei Wicklungsenden der Primärwicklungen (3) können in Stern geschaltet werden. Die ver­ bleibenden drei Wicklungsenden (7) führen zu den feststehenden Klemmen (9). An diese Klemmen kann man z. B. einen Frequenzumrichter zur Drehzahlsteuerung der Asynchron­ maschine anschließen. Dieses System hat dann das Betriebsverhalten der "Doppelt gespei­ sten Asynchronmaschine", mit dem zusätzlichen Vorteil der Wartungsarmut.

Claims (13)

1. Verwendung eines Drehstromtransformators,
mit einem feststehenden ferromagnetische Primärteil und einem durch einen radialen Luftspalt getrennten, auf dem Rotor einer Asynchronmaschine befestigten ferromagneti­ sche Sekundärteil,
wobei der Primärteil (1) oder der Sekundärteil (2) oder beide aus einzelnen, in axialer Richtung zu einem Blechpaket geschichteten Blechen oder massiven hohlzylindrischen Einzelteilen mit kreisrunder Innenkontur bzw. Außenkontur bestehen und
der Primärteil (1) und der Sekundärteil (2) jeweils mindestens drei in axialer Richtung durch ferromagnetische Teile voneinander getrennte tangential gewickelte Wicklungen (3) und (4) besitzen und
die Wicklungen (4) des Sekundärteils (2) mit der Drehstromwicklung (34) des Läufers der Asynchronmaschine elektrisch leitend verbunden ist,
zur berührungslosen Übertragung der Schlupfleistung der Asynchronmaschine vom Rotor auf einen feststehenden Maschinenteil.
2. Verwendung eines Drehstromtransformators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre ferromagnetische Teil (1) nur einen einzigen vom inneren Rand zum äuße­ ren Rand ganz oder teilweise durchlaufenden Spalt (11) besitzt.
3. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre ferromagnetische Teil (2) nur einen einzigen vom inneren Rand zum äußeren Rand ganz oder teilweise durchlaufenden Spalt (12) besitzt.
4. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (3) des Primärteils (1) des Drehstromtrans­ formators mit einem Stromrichter verbunden ist, der die elektrische Leistung mit variabler Spannung und variabler Frequenz überträgt.
5. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (3) des Primärteils (1) des Drehstromtrans­ formators mit ohmschen Widerständen verbunden sind.
6. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (3) des Primärteils (1) des Drehstromtrans­ formators zu einer Sternschaltung verbunden sind.
7. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (3) des Primärteils (1) des Drehstromtrans­ formators zu einer Dreieckschaltung verbunden sind.
8. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (4) des Sekundärteils (2) des Drehstrom­ transformators zu einer Sternschaltung verbunden sind.
9. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (4) des Sekundärteils (2) des Drehstrom­ transformators zu einer Dreieckschaltung verbunden sind.
10. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstromtransformator und die aktiven Teile der Asynchronmaschine in einem gemeinsamen Gehäuse (40) untergebracht sind.
11. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstromtransformator außerhalb des Gehäuses (40) der Asynchronmaschine untergebracht ist.
12. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (3) des Primärteils (1) des Drehstrom­ transformators durch einen oder mehrere axiale Luftspalte zwischen ferromagnetischen Tei­ len magnetisch entkoppelt sind.
13. Verwendung eines Drehstromtransformators nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (4) des Sekundärteils (2) des Dreh­ stromtransformators durch einen oder mehrere axiale Luftspalte zwischen ferromagnetischen Teilen magnetisch entkoppelt sind.
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