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Synchronmaschine mit supraleitender Erregerwicklung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Synchronmaschine, insbesondere einen Turbogenerator, mit supraleitender
Erregerwicklung.
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Synchrongeneratoren für. Netzfrequenz können in konventioneller Bauweise
mit Wasserkühlung im Ständer und Läufer zweipolig für Leistungen bis ca. 1500 MVA
und vierpolig bis etwa 2500 MVA wirtschaftlich sinnvoll gebaut werden. Vielfach
höhere Leistungen bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrades und Senkung der
Abmessungen sind bei Anwendung von Supraleitern für die Erregerwicklung möglich
(Zeitschrift Bull. SEV 62 (1971)18, 4.September, Seite 874, CRYOGENICS April 1972,
Seite 109 bis 115, insbesondere Seite ili, IEEE-Transactiornon Power apparatus and
systems Vol. Pos.90, No. 2 Narchiipril 1971, Seite 610 bis 619 und Seite 620 bis
627 und Technology Review, Februar 1972, Seite 61 und Seite 62). Die hohe Strombelastbarkeit
der Supraleiter erlaubt die Anwendung höherer Induktionen als üblich unter Verzicht
auf magnetisch leitfähiges Eisen im Läufer und im Zahnkranz des Ständers. Zugleich
wird eine größere Stabilität im Betrieb und eine Erweiterung des stabilen Bereiches
auf das ganze Gebiet der kapazitiven Last erreicht.
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Es ist notwendig, von einigen 100 MVA ab, auch bei Verwendung von
Supraleitern, die Erregerwicklung im Läufer zu belassen, da bei hoher Leistung eine
Energieabführung
nur vom Ständer zweckmäßig ist (deutsche Patentschrift
1 488 7305. Allerdings steht dem Einsatz von supraleitenden Erregerwicklungen im
Läufer bei Synchronmaschinen der verhältnismäßig hohe bauliche Aufwand für die Zu-
und Abführung der Kühlmedien (flüssiges Helium, evtL auch flüssiger Stickstoff)
entgegen. Ebenso ist bei den hohen Feldstärken ein Supraleitermaterial nötig, dessen
Herstellung sehr aufwendig ist.
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Bei zweipoligen Synchronmaschinen in supraleitender Ausführung treten
mit wachsender Leistung hohe Kräfte auf, die die ausführbaren Leistungen begrenzen,
infolge der bei den angewendeten hohen Luftspaltinduktionen extrem hohen Stoßkurzschlußmomente
neben den durch die hohe Drehzahl bedingten großen Fliehkräften. Zusätzlich führen
diese bei den vorwiegend als Dampf- oder Gasturbinenantrieben ausgebildeten Antriebsmasch1en
zu noch schwerer zu beherrschen Beanspruchungen als dies schon bei konventionell
gebauten Turbogeneratoren der Fall ist (siehe Technische Rundschmn ArX 3, 21.Januar
1972, weite 41).
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Aufgabe der Erfindung ist es. einen möglichst sinusförmigen Verlauf
des Erregerfeldes ber dem Polbogen unter bestmöglicher Ausnutzung des Supraleitermaterials
durch Anpassung der Supraleiterquerschnitte an die Jeweiligen Feldstärkewerte zu
erzielen, wobei eine Einsparung an Supraleitermaterial erreicht werden soll.
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Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Querschnitte
der von gleich großen Strömen durchflossenen Windungen der supraleitenden Erregerwicklung
abhängig von der Lage auf dem Polbogen, den dort durch den sinusförmigen Verlauf
geforderten und durch die Ankerrückwirkung zusätzlich beeinflußten magnetischen
Feldstärkewerten und den von diesen abhängigen Werten der Stromtragfähigkeit
des
Supraleitermaterials bemessen sind. Dies bedingt, daß in der Nähe der neutralen
Zone wesentlich kleinere Windungen querschnitte als bei durchwegs konstantem 'Querschnitt
benötigt werden, so daß dort ein fühlbare Raumgewinn erzielt wird, der für die Unterbringung
der elektrischen Verbindungen und Kühlmittelverbindungen einschließlich der elektrischen
und thermischen Isolation sowie für sonstige Konstruktionsteile (z.B. auch Schalt-
und Regeleinrichtungen) zur Verfügung steht oder der zur Senkung des Läuferdurchmessers
ausgenutzt werden kann. Auf diese Weise wird bei gleicher Leistung der Aufwand an
teurem Supralcitermaterial gesenkt oder man erzielt bei gleicher Supraleitermaterialmenge
und gleichem Läuferdurchmesser eine höhere Leistung der Maschine. Das heißt aber,
daß für einen aus Festigkeitsgründen maximal zulässigen Läuferdurchmesser die Grenzleistung
der Maschine erhöht wird. Da die Windungen der Erregerwicklung von gleich großen
Strömen durchflossen werden, brauchen nur zwei Verbindungen zwischen den supraleitenden
Windungen und der Speisestromquelle vorgesehen zu werden, so daß man mit einer einfachen
Schaltung auskommt und auch die Kälteverluste besonder. klein gehaltei werden können.
Durch die Senkung des Bedarfs an Supraleitermaterial wird ferner eine Herabsetzung
der Verluste erzielt, weil diese dem Gesamtleitervolumen/proportional sind.
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Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1a in schematischer Darstellung einen Längsschnitt
durch eine Synchronmaschine, Fig. 1b einen Querschnitt durch den Läufer, Fig. 2
bis 4 verschiedene Flußdiagramme zu einem Erregerpol der in Fig. 1 gezeigten Synchronmaschine,
Fig. 5a Diagramme zur Bemessung der Leiter der Erregerwicklung des Läufers, Fig.
5b ihre Lage auf dem Polumfang einer Synchronmnschine und Fig. 5c den zugehörige
Querschnitt.
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Wie die Figuren 1a und Ib zeigen, besitzt die vierpolige Synchronmaschine
1 eine Ständerwicklung 2 mit einer Eisenabschirmung 3 und einen Läufer 4 mit supraleitender
Erregerwicklung 5, die durch eine Vakuumzone~ 6 von der Ständerwicklung 2 getrennt
ist. Der äußere Trägerzylinder 7 trägt innen einen Dämpferzylinder 8. Durch eine
weitere Vakuumzone 6 getrennt folgt der innere Trägerzylinder 9, der die supraleitende
Erregerwicklung 5 trägt. Innerhalb dieses Zylinders 9 sind Kühlmittelzuführungen
12 und Kühlmittelabführungen 13, beispielsweise für Helium, die Stromzuführungen
10 und die-thermische Isolation 11 untergebracht.
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Der Trägerzylinder 7 ist in Lagern 14 geführt und geht in einen Antriebsflansch
15 über. Der rechte Teil der Maschine 1 ist nicht dargestellt. Bis auf die Eisenabschirmung
3 sind die Konstruktionsteile aus unmagnetischem Material.
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Durch die supraleitender Erregerwicklung 5 werden wesentlich höhere
Induktionen als bei konventionellen Generatoren erzielt, so daß im Läufer die Sättigungsinduktion
von Eisen weit überschritten ist. Die einzelnen Windungen der vierpoligen supraleitenden
Erregerwicklung 5 werden mit gleich großen Strömen aus einer nicht dargestellten
Stromquelle ges-eist. Dabei sind die Windungen 5a bis 5f (Fig.5b) abhängig von ihrer
Etage auf dem Polbogen, den dort durch den sin1lsförmigen Verlauf geforderten und
durch die Ankerrückwirkung zusätzlich beeinl'lußten magnetischen Feldstarkewerten
H sowie den von diesen abhängigen Werten der Stromtragfähigkeit S des Supraleitermaterials
unterschiedlich bemessen. Rel dieser erfinawmgsgemäSen Wicklungsausführung ergibt
sich, wie Fig0 1b zigt, in der Nähe der neutralen Zone 16 ein freier Raum, der für
andere Konstruktionsteile 10 bis 13 o.dgl. zur Verfügung steht. Dabei wird unter
dem Pol eine an sich bekannte Magnetfeldkurve erzeugt, die annähernd Sinusform hat.
Die Form der Magnetfeldkurve ist zur Erzeugung einer sinusförmigen Spannung in Abhängigkeit
von der Zeit im Ständer von wesentlicher Bedeutung.
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In Fig. 2 ist die Erregerdurchflutungsgrundwelle 21 und die Grundwelle
der zugehörigen Flußdichte 22 über der Polteilung eines Turbogeneratorläufers dargestellt.
Für die Erregerdurchflutungskurve 21 gilt an jeder Stelle im Leerlauf I.w = H.1
darin bedeutet I den Erregerstrom, w die eine betrachtete Stelle umschließenden
Erregerwindungen, H die magnetische Feldstärke und 1 die Gesamtlänge einer magnetischen
Kraftlinie, die an der betrachteten Stelle hindurchtritt.
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Dabei ist hier vereinfacht die Voraussetzung gemacht, daß der magnetische
Kreis durchwegs aus unmagnetischem Material (Permeabilität = 1) besteht.
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Die Feldstärke H am entsprechenden Leiter der Erregerwicklung ist
somit H = I.w/l.
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Die Feldstärke H hat in Polmitte entsprechend der Kurve 21 ein Maximum
und ist in der neutralen Zone zwischen zwei Polen Null. Ist der Turbogenerator 1
belastet, so tritt auch ein Feldstärkeanteil, herrührend von der stromdurchflossenen
Ständerwicklung 2, auf, der von der Durchflutung der Erregerwicklung 5 kompensiert
werden muß, soweit er in Richtung der Polachse wirkt, wenn die Grundwelle der Flußdichte
(Kurve 22) und damit die induzierte Spannung unverändert bleiben soll. Bekanntlich
ist bei kapazitiver Last der Erregerstrom zu verringern, bei induktiver Last zu
erhöhen. Die Kurve 23 zeigt die Grundwellewder Ankerrückwirkung bei rein induktiver
Blindlast des Generators 1. Die Amplitudenachse fällt mit der Achse der Leerlauferregerkurve
21«zusarmen.
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Die Amplitude der Erregerkurve für Last muß somit gegenüber der Kurve
21 durch entsprechende Steigerung des Erregerstromes erhöht werden. Die entsprechende
Erregerdurchflutungskurve ist als Kurve 24 eingezeichnet.
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In Fig. 3 ist die Ankerrückwirkung für eine Last, die annähern einer
Wirklast entspricht, dargestellt. Die Wirklasterregerkurve 25 ist um 900 elektrisch
auf dem Rotorumfang verschoben. Die resultierenden Feldstärken, die an den Leitern
der Erregerwicklung auftreten, sind durch die Werte der Kurve 26 gegeben.
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Fig. 4 zeigt entsprechende Kurven bei gemischter Wirk- und Blindlast,
deren Grundwelle mit 27 bezeichnet ist. Durch Zerlegen erhält man die Kurve 27a
für den Blindlastanteil und 27b für den Wirklastanteil. Zum Kompensieren des Blindlastanteils
muß der Strom in der Erregerwicklung bis zum Erreichen der Erregerdurchflutungskurve
28 erhöht werden.
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Die resultierenden Feldstärken an den über den Polbogen verteilten
Supraleitern der Erregerwicklung folgen aus der Kurve 29, die aus den Kurven 27b
und 28 zusammengesetzt ist.
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In den Figuren 2 bis 4 zeigen die Kurven 23, 25, 27 die Grundwellen
der Ankerrriickwirkung mit der maximalen Amplitude, die mit Rücksicht auf die Belastbarkeit
der Ankerwicklung zulässig ist. Die Amplituden sind relativ zur Leerlaufamplitude
bei Maschinen mit Supraleitererregung weit niedriger als bei konventioneller Ausführung
und bewegen sich im allgemeinen zwischen 10 und 20% des Wertes für Leerlauferregung,
weil infolge des weitgehenden Fortfalls von magnetisch leitendem Eisen und der höheren
Flußdichtewerte eine entsprechend hohe Leerlauferregung vorliegt.
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Somit läßt sich eine Hüllkurve angeben, die alle Feldstärkewerte einschließlich
der durch die maximalen Lastkurven 23, 25, 2 und aller sonstigen durch davon abweichende
Winkellagen der Lastkurven bedingten Feldstärkewerte, einschließt.
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Diese Hüllkurve ist um die Amplitude der LastRurven gegenüber der
Leerlauferregerkurve nach oben verschoben. Sie
gibt die Grenzfeldstärkewerte
an, denen die' Leiter der Erregerwicklung abhängig von ihrer Lage auf dem Polumfang
bei den vorkommenden Lastzuständen ausgesetzt sein können.
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In Fig. 4 ist diese Hüllkurve 30 eingetragen. Daneben ist eine mit
31 bezeichnete Kurve für die Grenzstromdichten des verwendeten Supraleitermaterials
eingezeichnet. Auf der Ordinate ist die Feldstärke H EKA/m3 auf der Abszisse die
Stromdichte S 6A/mm2 aufgetragen. Für einen Punkt SO auf dem Polbogen in der Nähe
der neutralen Zone ist die maximale Feldstärke II auf der Hüllkurve 30 durch den
Punkt al gekennzeichnet. Die zulässige Strombelastung eines dort angeordneten Supraleiters
entspricht dem Punkt a2 auf der Kurve 31. Für den gegebenen Erregerstrom ergibt
sich danach bei einer Stromdichte Sa ein bestimmter Querschnitt für diesen Leiter.
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Für einen Punkt näher zur Polmitte hin ergibt sich in ähnlicher Weise
eine Strombelastbarkeit b2 für das gleiche Supraleitermaterial. Der Wert Sb liegt
sehr viel niedriger als Sa, d.h. für den Querschnitt des Leiters an dieser Stelle
ergibt sich ein entsprechend größerer Wert.
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Fig. 5a und 5b zeigen die Ausführung einer. Erregerwiklung aus einem
bestimmten Supraleitermaterial. Die Erregerwicklung 5 ist in Nuten a bis f des Läufers
4 untergebracht. Bei stromdurchflossener Erregerwicklung. wird eine treppenförmige
Leerlauferregerkurve 22a erzeugt. Die zugehörige sinusförmige Grundwelle ist im
Bereich zwischen der neutralen Zone 16 und der Polmitte PM dargestellt. Die Hüllkurve
32 ist wegen des Einflusses der Treppen stärker nach oben verschoben als die entsprechende
Kurve 30 in Fig. 4.
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Zur Ermittlung der Windungsquerschnitte der Erregerwicklung ist rechts
neben dem Diagramm mit der Hüllkurve 32 die Kurve für die Grenzstromdichten S des
obengenannten Supraleitermaterials eingezeichnet. Die nachstehende Tabelle enthält
für die Nuten a bis f die maximalen Feldstärkewerte H, die sich aus der Hüllkurve
32 ergeben und dazu die Strombelastungen sowie die zugehörigen Querschnittsrelationen
der Supraleiter in den verschiedenen Nuten.
| Nut max. Feld- max. Strom- Supraleiterquer- |
| stärke dichte2 schnitts-Einheiten |
| A/m A/mm |
| a 1,32 . 106 5,8 . 103 5 |
| b 2,0 . 106 4,5 . 103 6 |
| c 2,62 . zu 3,7 . 103 8 |
| d ,35 . 106 3,0 . io3 10 |
| e 4,0 . 106 2,5 103 12 |
| f 4,62 . 106 2,0 . 103 15 |
Wie aus der rechten Tabellenspalte hervorgeht, ist der Supraleiterquerschnitt in
der Nut a nur ein 1/3 des in der Nut f erforderlichen. Querschnitts. Gegenüber eine
Bewicklung mit konstantem Querschnitt, der dem in der Nut f entsprechen müßte, ist
die Einsparung beträchtlich.
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Die Querschnitte der Windungen der supraleitenden Erregerwicklung
sind so bemessen, daß die in ihnen auftretenden Maximalwerte für r die Stromdichte
bei den vorkommenden Betriebszuständen um einen orgegebenen Betrag unterhalb der
materialbedingten Werte der Grenzstromdichte liegen, bei deren Überschreiten Normalleitung
eintritt.
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Der Uebergang von einem Windungsquerschnitt zu einem anderen in den
verschiedenen Lagen auf dem Polbogen wird vorteilhaft
in einem
der Wickelköpfe vorgenommen, wo infolge des größeren Abstandes der Ständerwicklung
eine geringere Ankerrückwirkung auftritt und die Feldstärken niedriger sind (WickelkUpfe
W).
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Bei den vorstehenden Uberiegungen ist davon ausgegangen worden, daß
gleiches Supraleitermaterial für alle Windungen verwendet wird. Für die Windungen
im Bereich höherer Feldstärken (Polmitte) kann in an sich bekannter Weise auch ein
anderes Supraleitermaterial verwendet werden, das größere Stromdichten bei höheren
Feldstärken zuläßt, z.B.
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ein Material mit Supraleitern aus Niob-Zinn oder Vanadium-Gallium
gegenüber einem Material lit Niob-Titan-Filamenten im Bereich der niedrigeren Feldstärken
(nahe der neutralen Zone).
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Die vorhergehenden Ausführungen gelten unter der Voraussetzung, daß
keine ins Gewicht fallenden Wechselstromkomponenten in der Erregerwicklung auftreten.
Sie lassen sich bis zu üblichen Schieflasten genügend klein halten, wenn eine wirksame
Dämpferwicklung vorgesehen ist. Sofern die Wechselstromkomponenten nicht vernachlässigbar
sind, verschiebt sich die Hüllkurve 32 um einen entsprechenden Betrag in Richtung
höherer Strombelastungen. Entsprechendes gilt auch für die vorübergehenden Stromanstiegswerte
in der Erregerwicklung 5 bei Kurzschluß.
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5 Figuren 4 Patentansprüche