DE2221893A1 - Erregeranordnung - Google Patents

Erregeranordnung

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DE2221893A1
DE2221893A1 DE19722221893 DE2221893A DE2221893A1 DE 2221893 A1 DE2221893 A1 DE 2221893A1 DE 19722221893 DE19722221893 DE 19722221893 DE 2221893 A DE2221893 A DE 2221893A DE 2221893 A1 DE2221893 A1 DE 2221893A1
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DE19722221893
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English (en)
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Herbert Dipl-Ing Auinger
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/38Structural association of synchronous generators with exciting machines

Description

  • Erregeranordnung Die Erfindung betrifft eine Erregeranordnung für eine bürstenlose Synchronmaschine mit einer Erregermaschine mit mehreren Ständerwicklungen, von denen eine ein vom Laststrom der Synchronmaschine abhängiges Drehfeld erregt, wobei die zugeordneten Läuferwicklungen in Reihenschaltung über mitrotierende Gleichrichter an die Haupterregerwicklung der Synchronmaschine angeschlossen sind. Bekannte Anordnungen dieser Art (Prospekt der Firma Leroy-Somer Alternateur AROO) haben eine Induktionsmaschine als Erregermaschine, deren eine Ständerwicklung in Reihe mit der Ständerwicklung der Synchronmaschine (Hauptmaschine liegt und deren über Justierwiderstände in Stern geschaltete zweite Ständerwicklung an die Spa-çunung der Synchronmaschine gelegt ist, so daß beide Ständerwicklungen gesonderte Drehfelder erregen. Damit läßt sich ein gutes dynamisches Spannungsverhalten beim Schalten der Belastung der Synchronmaschine erreichen, das wesentlich besser ist als bei gleichatromerregten Erregermaschinen in Form von Hilfssynchrongeneratoren mit Außenpolen (Siemens-Zeitschrift 43, 1969, Seite 465 bis 472). Solche Erregermaschinen erhalten ihre Erregerenergie über ein Erregergerät vom Ständer der Hauptmaschine, wobei zur besseren Spannungshaltung meist noch ein zusätzlicher, auf die Erregung der Erregermaschine wirkender Spannungsregler dient. Bei diesen Erregermaschinen ist aber nur eine kleine Erregerleistung im Vergleich zur Erregerleistung der Hauptmaschine erforderlich, wogegen die Induktions-Erregermaschinen eine um eine Größenordnang höhere Erregerleistung erfordern, da hier nicht nur die Kupferverluste im Ständer, sondern zusätzlich die im Verhältnis von Ständerfrequenz zu Läuferfrequenz geminderte Erregerleistung der Hauptmaschine aufgebracht werden muß.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erregeranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der nur ein geringer Leistungsbedarf wie bei Hilfssynchrongeneratoren als Erregermaschinen benötigt und trotzdem die wesentlich bessere Dynamik von Induktionserregermaschinen erhalten wird.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß mindestens eine Ständerwicklung der Erregermaschine gleichstromgespeist ist (Grunderregung) und daß die drehstrom- und gleichstromgespeisten Ständerwicklungen solche unterschiedliche Polzahlen aufweisen, daß in den zugehörigen Läuferwicklungen gleichfrequente Spannungen induziert werden.
  • Bei Betrieb einer Synchronmaschine als an ein Netz angeschlossener Motor kann die gleichstromgespeiste Ständerwicklung an eine beliebige Gleichstromquelle angeschlossen und als Grunderregung den jeweiligen Erfordernissen angepaßt sein.
  • Für den Betrieb der Synehronmaschinen als Generator ist die Bereitstellung einer in Fig, 1 idealisiert dargestellten Erregerspannung UE notwendig, die sich bekanntlich aus einer von der Maschinenspannung abhängigen konstanten Leerlaufkomponente U0 d einer dem Laststrom proportionalen Komponente UJ unter Berücksichtigung des Phasenwinkels # zwischen Laststrom und Maschinanspannung in der gezeigten Weise zusammengesetzt. Der die gleichstromgespeiste Ständerwicklung durchfließende Strom ist also in entsprechende Abhängigkeit von der Spannung des Synch@ongenerators z- bringen. Hierzu kann in einfachster Weise die betreff@@d. Ständerwicklung der Er@egermasch@ oder @@@ @@@@ v@@ @hr über eine Gleichrichteranordnung @@ die @@änder @@ung des Synchrongenerators angeshclossen sein.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die betreffende Ständerwicklung der Erregermaschine von einer gesonderten Gleichspannungsquelle aus zu speisen, die ihrerseits in Abhangigkeit von der Spannung der Hauptmaschine so beeinflußt wird, daß die jeweils benötigte Erregerspannung UE nach Fig. 1 erhalten wird. Die laststromproportionale zweite Erregerkomponente Uj wird in allen Fällen über das von der drehstromgespeisten Ständerwicklung bewirkte Drehfeld auf den Läufer übertragen und phasenrichtig zur Grunderregung Uo hinzugefügt.
  • Die läuferseitig abgegebene Erregerspannung der Erregermaschine bleibt in an sich bekannter Weise innerhalb gewisser Grenzen auf diese Weine selbsttätig konstant, solange man mit Rücksicht auf die temperaturabhängige Spannungstoleranz und die sättigungsbedingten Niohtli.nearitäten im Erregerdiagramm nach Fig. 1 die Ausnutæung der Erregeranordnung in verhältnismäßig niedrigen Grenzen halt Bei höheren Anforderungen an die Konstanz der Spannung und zur optimalen Ausnutzung der Erregermaschine kann eine Regelu-ng der gleichstromgespeisten Ständerwicklung der Induktions-Erregermaschine nach der Erfindung durch einfache und leistungsarme Regelanordnungen vorgenommen werden, die einen wesentlich geringeren Aufwand als die bei den bekannten Induktions-Erregermaschinen erforderlichen, drehfeldbeeinflussenden, mindestens zweiphasigen Wechselspannungsregler benötigen.
  • Der Gegenstand der Erfindung ergibt bei entsprechender räumlicher Anordnung und elektrischer Verbindung der LäuSerwicklungen der Erregermaschine eine Spannungsadditionsschaltung zur Erzielung der Erregerspannung nach Fig. 1, bei der der Grunderregungsanteil U0 von der gleichstromgespeisten Ständerwicklung herrührt, die ob ihres verhältnismäßig geringen Erregerleistungsbedarfs mit einfachen Reglern, insbesondere Transistorreglern, geregelt werden kann, und bei der der laststromabhängige Erregungsanteil UJ - jedem Laststrom verzögerungsfrei folgend - dem Läuferkreis der Hauptmaschine zugeführt wird, so daß sich ein gleich gutes dynamisches Verhalten wie bei einer reinen Drehfelderregermaschine in bekannter Spannungsadditionsschaltung ergibt.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt Fig. 2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung von Erreger- und Hauptmaschine in Gestalt eines Synchrongenerators, Fig. 3 einen schematischen Längsechnitt durch eine Anordnung nach Fig. 2 mit jeweils gesonderten Blechpaketen für die laststrom- und spannungsabhängig beeinflußten Wichlungen der Erregermaschine, Fig4 4 in schematischen Längsschnitt durch eine abgeänderte Anordnung mit gemeinsamen Blechpaketen für beide Wicklungen der Erregermaschine und Fig. 5 eine vereinfachte weitere Schaltung für die Erregeranordnung nach der Erfindung4 Gemäß Fig. 2 ist die Ständerwicklung 1 der zu erregenden Hauptmaschine einerseits an die Klemmen U, V, W eines Netzes angeschlossen und andererseits mit der drehfelderregenden Ständerwicklung 6 der Erregermaschine verbunden, die an einen Sternpunktleiter Mp des Netzes angeschlossen ist. Eine gleichstromgespeiste zweite Ständerwicklung 4 der Erregermaschine wird über einen Regler 9 mit Gleichstrom gespeist, wobei der Gleichstrom in Abhängigkeit von des Spannung der Hauptmaschine beeinflußt ist Jede Ständerwicklung 4 und 6 ist gemäß Fig. 3 in einem gesonderten Ständerblechpaket 4a, 6a angeordnet, wobei jedem Ständerblechpaket ein gesondertes Läuferblechpaket 5a, 7e mit gesonderten Läuferwicklungen 5, 7 zugeordnet ist. Die beiden als Drahstromwicklungen ausgebildeten Läuferwicklungen 5, 7 sind in Reihe geschaltet und speisen über eine mitrotierende Gleichrichteranordnung 5 die Erregerwicklung 2 der Hauptmaschine.
  • Der Ständer 4a ist nach Art eines Gleichstrommaschinenständers ausgeführt, dem in an sich bekannter Weise zusätzliche Permanentmagnete 4b zur sicheren Selbsterregung zugeordnet sein können.
  • Die Polzahlen der beiden Ständerwicklungen 4, 6 sind so unterschiedlich gewählt, daß in den Läulerwicklungen 5, 7 Spannungen von gleicher Frequenz induziert werden.
  • Es besteht hierbei folgender Zusammenhang PU = PH ~ Pj mit PH = Polpaarzahl der Hauptmaschine PU = Polpaarzahl der gleichstromgespeisten Grunderregeranordnung (4, 5) = = Polpaarzahl der laststromabhängigen Erregeranordnung (6, 7).
  • Das positive (negative) Vorzeichen gilt, wenn die Umlaufrichtung des von der Ständerwicklung 6 hervorgerufenen Drehfeldes gleichsinnig (gegensinnig) mit der Drehrichtung der Läuferwelle ist. Bei gegensinniger Drehrichtung weist die gleichstromgespeiste Grunderregeranordnung 4, 5 die höhere Polzahl mit kleineren Wickelköpfen als die laststromabhängige Erregeranordnung 6, 7 auf.
  • Besonders vorteilhaft ist es, die Polpaarzahlen nach folgenden Bedingungen auszuwählen: PJ = ph und pU = 2 H' da dann bei unsymmetrischer Belastung der Hauptmaschine das in der Ständerwicklung 6 auftretende inverse Drehfeld relativ zur Läuferwicklung 7 stillsteht und somit keine Störungen im Läuferkreis verursachen kann.
  • In Fig. 4 ist eine in axialer Richtung wesentlich kürzer bauende Erregermaschine gezeigt, bei der die gleichstromgespeiste Erregeranordnung 4', 5' sowie die laststromabhängige Erregeranordnung 6', 7' in einem gemeinsamen Ständerblechpaket 4a' bzw. Läuferblechpaket 5a' angeordnet sind, wobei die beiden Ständerwicklungen 4', 6' nach Art einer Doppelfeldmaschine im gemeinsamen Ständerblechpaket 4a' z.B.
  • radial in gemeinsamen Nuten übereinander liegen. Entsprechendes gilt auch für die beiden Läuferwicklungen bezüglich des Läuferblechpakets 5a'. Wie von anderen Doppelfeldmaschinen bekannt ist, können die verschiedenpoligen Wicklungen zumindest teilweise auch vereinigt werden.
  • Nach Fig. 5 ist im Ständerkreis 1 der Hauptmaschine ein Stromwandler 8 vorgesehen, der sekundärseitig einen an die Ständerwicklung 6' der Erregermaschine angepaßten herabgesetzten Strom liefert. Von der Spannung der Ständerwicklung 1 der Hauptmaschine oder einer Teilspannung wird über einen vorzugsweise geregelten Gleichrichter 9 die Ständerwicklung 4' der Erregermaschine mit Gleich£;trom gespeist.
  • Im vorgenannten Fall ist bei der magnetischen Bemessung der Blechpakete 4a' und 5a' zu berücksichtigen, daß sich dem von der Ständerwicklung 4' erregten Gleichfeld das von der Ständerwicklung 6' erregte Drehfeld anderer Polzahl überlagert.
  • Außerdem ist durch Wahl geeigneter Polpaarzahlen eine direkte Kopplung der beiden Ständerwicklungen zu vermeiden, was sich in zweckmäßger Weise gemäß Pj = ph und Pu = 2 erreichen läßt.
  • Zur sicheren Selbsterregung können im Ständerblechpaket 4a' wiederum zusätzliche Permanentmagnete vorgesehen werden.
  • 9 Patentansprüche 5 Figuren

Claims (9)

  1. Patent ansprüche 1. Erregeranordnung für eine bürstenlose Synchronmaschine mit einer Erregermaschine mit mehreren Ständerwicklungen, von denen eine ein vom Laststrom der Synchronmaschine abhängiges Drehfeld erregt, wobei die zugeordneten Låuferwicklungen in Reihenschaltung über mitrotierende Gleichrichter an die Haupterregerwicklung der Synchronmaschine angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ständerwicklung (4, 4') der Erregermaschine gleichstromgespeist ist und daß die drehstrom- und gleichstromgespeisten Ständerwicklungen (4, 6; 4', 62) solche unterschiedliche Pol zahlen aufweisen, daß in den zugehörigen Läuferwicklungen (5, 7; 5', 7') gleichfrequente Spannungen induziert werden.
  2. 2. Erregeranordnung nach Anspruch 1 für einen Synchrongenerator, dadurch gekennzeichnet, daß der die gleichstromgespeiste Ständerwicklung (4, 4') durchfließende Strom von der Spannung des Synchrcagenerators (1, 2) beeinflußt ist,
  3. 3. Erregeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichstromgespeiste Ständerwicklung (4, 4') über einen Gleichrichter (9, 9') von der Spannung des Synchrongenerators (1, 2) gespeist ist.
  4. 4. Erregeranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein geregelter Gleichrichter (9, 9') vorgesehen ist.
  5. 5. Erregeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der gleichstromgespeisten Ständerwicklung von einer gesonderten regelbaren Gleichstromquelle gespeist ist, die in Regelabhängigkeit von der Ständerspannung des Synchrongenerators gebracht ist.
  6. 6. Erregeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die laststromabhängige Ständerwicklung (6, 6') der Erregermaschine die gleiche Polzahl (pJ) wie die Synchronmaschine (PH) und die halbe Polzahl (Pu) wie die gleichstromgespeiste Ständerwicklung (4, 4') hat.
  7. 7, Erregeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ständerwicklung (4, 6) ein eigenes Ständerblechpaket (4a,6a) und jeder Läuferwicklung (5, 7) ein gesondertes Läuferblechpaket (5a, 7a) zugeordnet ist, wobei die gleichstromgespeiste Ständerwicklung (4) vorzugsweise nach Art eines Gleichstrommaschinenständers mit ausgeprägten Polen ausgebildet ist.
  8. 8. Erregeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Ständer- und Läuferwicklungen 4', 6'; 5', 7') in Nuten eines gemeinsamen Ständer- bzw.
    Läuferblechpaketes (4a', 5a') angeordnet sind.
  9. 9. Erregeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im Ständerblechpaket (4a, 4a') der gleichstromgespeisten Ständerwicklung (4, 4') zusätzliche Permanentmagnete (4b) angeordnet sind.
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