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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Ständer 4a ist nach Art eines Gleichstrommaschinenständers ausgeführt,
dem in an sich bekannter Weise zusätzliche Permanentmagnete 4b zur sicheren Selbsterregung
zugeordnet sein können.
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Die Polzahlen der beiden Ständerwicklungen 4, 6 sind so unterschiedlich
gewählt, daß in den Läulerwicklungen 5, 7 Spannungen von gleicher Frequenz induziert
werden.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur sicheren Selbsterregung können im Ständerblechpaket 4a' wiederum
zusätzliche Permanentmagnete vorgesehen werden.
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9 Patentansprüche 5 Figuren