DE2334687A1

DE2334687A1 - Anlaufsystem fuer elektrische kraftwerke

Info

Publication number: DE2334687A1
Application number: DE19732334687
Authority: DE
Inventors: Lee A Kilgore; Robert E G Ractliffe; Henry L Smith; Jun Bernard S Strait
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1973-07-07
Publication date: 1974-01-24
Also published as: SE405149B; FR2193286B1; GB1429878A; ES416824A1; BE802230A; IT991100B; FR2193286A1; BR7304962D0; JPS4958321A; US3809914A; CA999927A; CH570062A5

Description

DiPL.-iNG. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt 4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9.

Düsseldorf, 6. Juli 1973

IiE 43,523
"7391

Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Anlaufsystem für elektrische Kraftwerke

.Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anlaufsysteme für elektrische Kraftwerke.

Bestimmte Äntriebsmaschinen für Generatoren wie etwa Gasturbinen sind nicht in der Lage, selbsttätig anzulaufen und laüssan^daiier mit einer Einrichtung ausgestattet werden, um die Anlage anzufahren. In der herkömmlichen Anordnung sind Anlaufmotoren für

SXC/

den Antrieb der Gasturbine vorgesehen, so daß aus dem Stillstand auf eine Drehzahl beschleunigt wird, bei der der Brenner zündet und der Betrieb selbsttätig aufrechterhalten wird. Im Fall relativ großer Anlagen, wie sie für elektrische Kraftwerke eingesetzt werden, werden die notwendigen Motoren einschließlich ihrer zugehörigen Zusatzausrüstung ziemlich groß und teuer. Beispielsweise v/erden für Kraftwerksanlagen mit einer Nennlei-.stungsabgabe im Bereich von 50 bis 60 MW Anlaufmotoren in der Größenordnung von 1200 bis 1500 PS benötigt. Darüber hinaus

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müssen geeignete Steuereinrichtungen für die Motoren vorgesehen sein, ferner Drehmomentwandler mit dem zugehörigen Kühlsystem, Übersetzungsgetrieben sowie Kupplungen, um das Anlaufsystem komplett zu machen. Es ist ersichtlich, daß das gesamte Anlaufsystem einschließlich der Motoren selbst und der notwendigen Zusatzeinrichtungen einen großen und teuren Aufbau darstellt, der außerdem zusätzliche Kosten für das Fundament, das Gehäuse sowie die Einstellung oder Justierung des Aufbaus, ferner die Montage bedingt. Die Notwendigkeit, Anlaufmotoren vorsehen zu müssen, hat daher zu einer sehr erheblichen Erhöhung der Kosten großer Gasturbinen-Kraftwerksanlagen geführt.

Es ist vorgeschlagen worden, nicht selbstanlaufende Antriebsmaschinen dadurch zu starten, daß der Generator selbst als Anlaufmotor benutzt wird, wie das in den ÜS-PSen 3 132 297 und 3 591 844 beschrieben wird. Das hat sich für kleine Maschinen mit verhältnismäßig gutem Erfolg verwirklichen lassen, beispielsweise bei Flugzeuggeneratoren, die durch Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden, jedoch erweist diese lösung sich für den Fall großer Synchrongeneratoren, wie sie in den Anlagen elektrischer Kraftwerke Verwendung finden, weder als praktisch .noch als erwünscht.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Anlaufsystem für elektrische Kraftwerke zu schaffen, das geringere Kosten und geringeren Aufwand als bisher bedingt und sich in der Praxis

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bequem einsetzen und zuverlässig betreiben läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Anlaufsystera für ein elektrisches Kraftwerk, mit einer Antriebsmaschine, die mit eineni Synchrongenerator und einer Erregermaschine für den Synchrongenerator mechanisch gekoppelt ist, um bei Normalbetrieb eine von der Antriebsmaschine angetriebene Einheit zu bilden, erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Einrichtung, um die Erregermaschine während einer Anlaufphase als Motor'für den Antrieb der Antriebsmaschine, bei Normalbetrieb nach dem Anlauf der Antriebsmaschine dagegen als Quelle für die Erregung des Generatorfeldes zu betreiben.

einem weiteren Herkraal der Erfindung ist eine dynamoelektrische Synchronmaschine für ein Anlaufsystera der vorgenannten Art, die einen eine Feldwicklung tragenden ersten Läufer aufweist und mit einer zweiten dynamoelektrischen Maschine zusammengeschlossen ist, die ihrerseits einen eine otänderwicklung tragenaen Ständer und einen eine Läuferwicklung tragenden zweiten Läufer aufweist, der mit dei.i ersten Läufer zu einer drehbaren Einheit jiiechanisch zusaifjnengefaßt ist, ferner eine Einrichtung zur Erregung der Statorwicklung der zweiten dynamoelektrischen Maschine mit Wechselstrou hat, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verbinuung eines externen Widerstandes i.iit der Wicklung des zweiten Läufers, u:v. so die zweite Ilaschine als Motor mit veränderlicher L>roiizaiil betreiben zu können, wenn ihre v.icklung iiit

'wechselstrom erregt wird, eine Einrichtung zur wahlweisen Erregung der Statorwicklung der zweiten dynamoelektrischen Maschine mit Gleichstrom, so daß die zweite Maschine als Wechselstromgenerator betrieben wird, eine Einrichtung zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung der Wicklung des Läufers der zweiten Maschine, wenn dieser als Generator betrieben wird, sowie eine Einrichtung zur Speisung der Feldwicklung der Synchronmaschine mit der gleichgerichteten Ausgangsspannung.

Vorzugsweise ist die Erregermaschine für den Hauptgenerator so ausgelegt, daß sie als Induktionsmotor mit veränderlicher Drehzahl betrieben werden kann, um die Anlage anlaufen zu lassen und bis auf eine Drehzahl zu beschleunigen, bei der sie in den selbstlaufenden Betrieb übergeht. Die Erregermaschine wird dann als normale Erregermaschine betrieben, die während des Betriebs der Anlage Feldstrom an den Hauptgenerator liefert. Dadurch wird kein gesonderter Anlaufmotor mit seiner Zusatzausrüstung benötigt, weil die Erregermaschine notwendiger Bestandteil der Anlage ist und sich ohne weitere Schwierigkeiten so auslegen läßt, daß sie während der relativ kurzen Anlaufphase als Motor arbeitet. Dieses Anlaufsystem ist naturgemäß nicht auf Gasturbinenanlagen beschränkt, sondern auch für alle sonstigen Arten von dynamoelektrischen Synchronmaschinen einsetzbar, die gesonderte Anlaufeinrichtungen wie große Synchron-Kondensatoren erfordern.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1,2 und 3 scheraatische Schaltbilder, die bestimmte Aus-

führungsformen der Erfindung veranschaulichen.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Kraftwerksanlage, die von einer Antriebsmaschine, etwa einer Gasturbine 10 angetrieben wird, die einen Synchrongenerator 11 und eine Erregermaschine 12 antreibt. Die Gasturbine IO kann als repräsentativ für jede Art von Antriebsmaschine angesehen werden, die nicht selbst anläuft. Der Antrieb des Synchrongenerators 11 und der Erregermaschine 12 erfolgt über eine Welle 13. Der Synchrongenerator 11 kann von jedem gewünschten Wechselstrom-Synchrongenerator gebildet sein und eine dreiphasige Ankerwicklung 14 aufweisen, die in üblicher Weise von einem Stator getragen wird. Der Synchrongenerator 11 weist weiter einen Läufer auf, der auf der Welle 13 sitzt und eine mit Schleifringen 16 verbundene Feldwicklung 15 geeigneter Ausführung trägt.

Der Ständer der Erregermaschine 12 ist mit einer dreiphasigen Wicklung 17 versehen, während der Läufer der Erregermaschine 12, der auf der Welle 13 sitzt, eine dreiphasige Wicklung 18 trägt. Der erste Läufer des Synchrongenerators 11 und der zweite Läufer der Erregermaschine 12 können auf einer gemeinsamen Welle 13 sitzen oder zu einer umlaufenden Einheit 30 zusammengeschlossen

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sein. Die Erregermaschine 12 ist so ausgelegt, daß sie als Induktionsmaschine mit gewickeltem Läufer betrieben werden kann. Daher sind sowohl ihr Ständer als auch ihr Läufer mit dreiphasigen Vlcklungen sowie der gleichen Anzahl Pole versehen. Da es üb-

lipherweise notwendig ist, eine Gasturbine für den Anlauf auf eine Drehzahl von etwa 2400 Upm zu beschleunigen, soll die Errege rraaschine 12 so ausgelegt sein, daß sie die Turbine bis auf diese Drehzahl bringen kann, und vorzugsweise ist sie für 3600 Upm ausgelegt, was normalerweise die Henndrehzahl des Generators ist.

Um die Erregermaschine 12 entweder als Motor oder aber als Erregermaschine laufen lassen zu können, ist sie so ausgestaltet, daß sie mit einem Wechselstrom von einer geeigneten dreiphasigen Quelle 19 über einen Schalter 20 gespeist oder aber von einer geeigneten Quelle 21 über einen Schalter 22 mit Gleichstrom erregt werden kann. Die Gleichstromerregung kann in üblicher Weise über einen Spannungsregler oder von jeder anderen geeigneten Quelle aus zugeführt werden, und die Wicklung 17 ist so ausgebildet, daß bei Zufuhr des Erregergleichstroms zu zwei der Zuleitungen in der gezeigten Weise ein richtig verteiltes symmetrisches Magnetfeld in der Maschine erzeugt wird. Es kann jeder geeignete Schalter vorgesehen werden, der entweder manuell bedient wird, wie das in der Zeichnung gezeigt ist,oder aber in gewünschter Weise automatisch betätigt wird, wobei die Schalter 20 und 22 verriegelt sein können, so daß jeweils nur einer der beiden Schalter geschlossen werden kann.

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Die dreiphasige Wicklung 18 des Läufers ist mit der gleichen Polzahl wie die Wicklung 17 des Ständers gewickelt und so angeordnet, daß sie rait der Statorwicklung zusammenarbeitet, so daß ein Betrieb als Induktionsmotor möglich ist. Die Wicklung 18 ist rait auf der Welle 13 sitzenden Schleifringen 23 verbunden. Ein externer Widerstand 24 geeigneter Bauart kann über die Schleifringe 23 mit der Wicklung 18 verbunden werden. Der Widerstand 24 kann rait den Schleifringen 23 über einen Schalter 25 gekoppelt werden. Eine geeignete Regeleinrichtung 26 üblicher oder gewünschter Ausführung, die zwischen den Schalter 25 und den externen Widerstand 24 geschaltet ist, kann dazu dienen, die Drehzahl und die .Beschleunigung der Erregermaschine 12 zu bestimmen, wenn diese als Motor läuft.

Die Wicklung 18 der Erregermaschine 12 ist über einen Schalter auch rait einer Gleichrichter anordnung 28 verbunden, die jeden geeigneten Aufbau haben kann. Die Gleichrichteranordnung 28 ist hier statisch ausgeführt, und sie weist vorzugsweise Halbleiterdioden auf, die zu einer dreiphasigen Brücke zusammengeschlossen sind. Die Ausgangsleitungen der Gleichrichteranordnung 28 sind mit der Generator-Feldwicklung 15 über die Schleifringe 16 verbunden. Die Schalter 25 und 27 können - wie veranschaulicht manuelle Schalter sein oder in jeder gewünschten Weise betätigt werden. Vorzugsweise sind sie ebenfalls im Verhältnis zueinander verriegelt, so daß zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils nur einer von ihnen geschlossen werden kann.

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Soll die Anlage aus dem Stillstand angefahren werden, um die Anlage in Betrieb zu nehmen, so wird die Erregermaschine 12 zunächst als Motor gefahren. Dazu wird der Schalter 20 geschlossen, UKi die Ständerwicklung mit Wechselstrom zu speisen, und ferner wird der Schalter 25 geschlossen, um den widerstand 24 mit der Läuferwicklung 18 zu verbunden, wobei die Schalter 22 und 27 geöffnet sind. Die Erregermaschine 12 läuft somit wie ein Induktionsmotor mit gewickeltem Läufer an, so daß der Synchrongenerator 11 und die Gasturbine 10 angetrieben werden. Die Drehzahl der Erregermaschine 12 wird durch die Regeleinrichtung 26 bestimmt, die dabei jeden üblichen oder gewünschten Typ einer Induktionsraotor-Regelung bzw. -Steuerung repräsentiert, und der Widerstand 24 wird allmählich verringert, um die als Motor laufende Erregermaschine 12 auf die gewünschte Drehzahl zu beschleunigen, die - wie weiter oben angecteutet - üblicherweise etwa 2400 Upm beträgt. Sobald diese Geschwindigkeit erreicht worden ist, kann die Gasturbine 10'gezündet v/erden, so daß sie beginnt, als selbstlaufende Antriebsraaschine zu laufen, die den Synchrongenerator 11 und die Erregenaaschine 12 antreibt. Ist dieser Betriebszustand erreicht, so v/ird die Erregermaschine 12 so urrigesehaltet, daß sie als eigentliche erregermaschine arbeitet, indem die Schalter 20 und 25 geöffnet, die Schalter 22 und 27 dagegen geschlossen werden, üie Stator-Wicklung 17 wird dann mit Gleichstrom erregt, um als Generator-Feldwicklung zu dienen, und die in der Läufer-Wicklung 18 erzeugte Ausgangs-Wechselspannung wird durch die Gleichrichteranordnung 2S gleichgerichtet und der ilauptgenerator-Feldwicklung 15 als Gleichstro.!erregung zugeführt. Der llaupt-Synchrongenerator

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befindet sich dann in seinen normalen Betriebszustand, und. wenn die Gasturbine IO die vorgesehene Arbeitsdrehzahl erreicht, kann der Synchrongenerator 11 in üblicher itfeise mit den iletz synchronisiert und in den normalen Betrieb überführt werden.

Man erhält so ein Anlaufsystem, bei den kein Anlaufmotor und keine umlaufenden Anlagenteile außerhalb der umlaufenden Einheit 30 mit den Synchrongenerator 11 und der Erregermaschine 12 benötigt v/erden, Die einzigen erforderlichen externen Ausrüstungsgegenstände sind die Regeleinrichtung für den Betrieb der Erregermaschine als Motor und die Gleichrichteranordnung 23, wobei es sich jedoch um statische Einrichtungen mit verhältnismäßig gedrängtem Aufbau

-es handelt. Die Kosten und die räumlichen Anforderungen ein/externen AnIaufmotors mit der notwendigen Hilfsausrüstung werden daher eliminiert.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Erregung des Generators ohne die Zuhilfenahme von Bürsten (bzw. Schleifringen) erfolgt. Das mit Fig. 2 veranscnaulichte Anlaufsystem ist im wesentlichen demjenigen der Fig. 1 gleich, so daß die gleichen ßezugszeichen zur Kennzeichnung entsprechender Elemente verwendet v/erden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Erregermaschine 12 die gleiche wie in Fig. 1 sein, und auch ihr Betrieb als Induktionsmotor veränderlicher Drehzahl für den Anlauf ist der gleiche wie in Verbindung mit Fig. 1 weiter oben beschrieben. Jedoch arbeitet die

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Erregermaschine 12 entsprechend Fig. 2 bei normalem Betrieb als bürsterifreie Erregermaschine. Aus diesem Grund ist auf der Welle 13 ein nit der Welle umlaufender Gleichrichter 32 angeordnet. Der Gleichrichter 32 kann jede geeignete Ausführung eines umlaufenden Gleichrichters sein, wie sie in bürstenfreien Erregermaschinen Verwendung findet und etwa in der US-PS 3 371 235 beschrieben wird. Der Gleichrichter 32 ist mit .der Läufer-wicklung 18 der Errege nnas chine 12 über Leitungen verbunden, die sich längs der vvelle 13 erstrecken und mit deni Gleichrichter über einen Schalter 34 verbunden werden können, der jeden geeigneten Aufbau haben kann. Wie scheraatisch in Fig. 2 angedeutet, kann der Schalter 34 ein Zentrifugalschalter sein, der schließt, wenn die Welle 13 eine vorgegebene Drehzahl erreicht hat, bei der die Turbine 10 anfangen soll zu laufen, wobei dann die Wicklung 18 mit dem Gleichrichter verbunden wird. Bei Bedarf können jedoch auch aufwendigere Schalter wie Thyristoren oder andere Halbleiterschalter mit geeigneter Zündsteuerung verwendet werden, um den Kreis zum gewünschten Zeitpunkt zu schließen. Wenn der Schalter 34 geschlossen wird, soll der äußere Schalter 25 natürlich wie zuvor beschrieben geöffnet werden, und bei dieser Ausführungsforai der Erfindung wird vorzugsweise ein Bürsten-Mechanismus beliebiger Ausführung verwendet, um die Bürsten von den Schleifringen 23 bei ilonualbetrieb abzuheben, wie ersichtlich, ist die tfirkungsweise dieser Ausführungsforru der Erfindung die gleiche wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1, mit Ausnahme, daß eine bürstenfreie Erregermaschine verwendet wird.

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Line iiiogliciie Alternative zu der Ausführung nach Fig. 2, bei der die Llotwendigkeit der Anordnung einer Schalteinrichtung auf deu Läufer elialiniert würde, würde darin bestehen, den Schalter 34 nicht vorzusehen und. stattdessen den umlaufenden Gleichrichter 32 unmittelbar mit der Wicklung 18 zu verbinden. Der, Gleichrichter würde so ständig in den Schaltkreis geschaltet, so daß es zu einer geringen Asymmetrie beim Anlauf .kommen könnte, aber die Maschine könnte ohne besondere Schwierigkeiten so ausgelegt werden, daß diese Asymmetrie während der Anlaufphase in Kauf genoinmen werden kann, wobei es sich bei der Anlauf phase im Vergleich luit der normalen Betriebs zeit um eine verhältnismäßig kurze Zeitdauer handelt. Auf diese Weise könnte die Notwendigkeit eines Schalters auf den Läufer vermieden werden.

Eine weitere Alternative, um einen Schalter auf den Läufer zu vermeiden, ist mit Fig. 3 gezeigt. Wie dort gezeigt, ist die Läufer-V/icklung der Erregermaschine 12 in zwei gesonderte dreiphasige Wicklungen 36 und .37 unterteilt. Mindestens eine Läufer-Wicklung je Phase ist. in der Wicklung 36 enthalten, die umnittel- " bar mit dem Gleichrichter 32 verbunden ist. Die Wicklung 37 ist mit den Schleifringen 23 verbunden,und die Erregermaschine 12 wird - wie zuvor beschrieben - als Induktionsmotor mit gewickeltem Läufer angefahren. :>iachdem die Erregermaschine auf die gewünschte Drehzahl gebracht worden ist, wird der Schalter 25 geöffnet und die Statorwicklung 17 mit Gleichstrom erregt. Der dabei in der Wicklung 36 erzeugte Ausgangs-Wechselstron wird durch den Gleichrichter 32 gleichgerichtet und der Feldwicklung 15 des Synchron-

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generators 11 wie zuvor beschrieben zugeführt. .

Ls versteht sich/ daß eine Vielzahl von Abwandlungen des vorbeschriebenen Gründsystems iriöglich sind. So können beispielsweise die ^T.Jicklungen der Erregermaschine 12 so ausgelegt werden, daß sic nit.unterschiedlichen Polzahlen verbunden werden können, so ciÄä die Maschine als Sweipoluiaschine, d. h. nit einer Drehzahl von 3Goo Upr., anläuft, und¹ naclid.e·..- die Turbine angelaufen ist uuc; die Anlage in den Jor-'ialhe trieb übergehen kann, kann die. Wicklung der Erregermaschine auf eine andere Polsahl umgeschaltet warcen, uv eine höhere Frequenz fär den Gleichrichter zu erhalten, was normalerweise wünschenswert ist. Ss wäre auch ncglich, die GleichstroTtierragung dar Erregemaschine 12 zu eliminieren und die Ständer-Wicklung 17 bei „Tormalbetrieb nit "-".'echselstron 2a erregen, so daß die faschine als umlaufender u?raii3for:aator arbeitet, wobei die Spannung durch Minderung der wechselstromerregung bestixOu,;t wird. ^:.;ia ersichtlich," ist für alle diese Abwandlungen das Grundprinzip das gleiche, und durch Verv/anc.ung uer Erregeriuaachine als Anlaufinotor, uin die Gasturbine auf die notwendige Drehzahl zu bringen, werden äußere Anlaufmotoren nit ihren Hilfseinrichtungen entbehrlich, v/as zu einer sehr beachtlichen Verringerung der Kosten und des Raurabfedarfs einer Gasturbinen-Ivraftwerksanlage führt. £s ist ferner ersichtlich-, tlaß dor üert der Zrfindung nicht auf den Anlauf von Gasturbinen beschränkt' ist, sondern daß die Erfindung"sich auch in Verbindung mit weiteren Synchronmaschinen einsetzen läßt, die nicht selbstanlauf end sind und daher arjsich externe /^ladeeinrichtungen wie

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BAD ORIGINAL

beispielsv/eise große Synchron-Kondens atoren ar fordern.

Patentansprüche :

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Claims

Patentansprüche

laufsystem für ein elektrisches Kraftwerk mit einer Antriebsmaschine, die mit einem Synchron-Generator und einer Erregermaschine für den Synchron-Generator mechanisch gekoppelt ist, um bei Normalbetrieb eine von der Antriebsmaschine angetriebene Einheit zu bilden, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, um die Erregermaschine (12)während einer Anlaufphase als Motor für den Antrieb der Antriebsmaschine, bei Normalbetrieb nach dem Anlauf der Antriebsmaschine dagegen als Quelle für die Erregung des Generatorfeldes zu betreiben.
2. Anlaufsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine eine Gasturbine (10) ist.
3. Anlaufsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermaschine (12) während der Anlaufphase als Induktionsmotor mit veränderlicher Drehzahl betreibbar ist.
4. Anlaufsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermaschine während der Anlaufphase als Induktionsmotor und bei Normalbetrieb als VJechselstromgenerator mit gleichgerichtetem Ausgang betreibbar ist.

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5. Dynamoelektrische Synchronmaschine für ein Anlaufsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, die einen eine Feldwicklung tragenden ersten Läufer aufweist und mit einer zweiten dynamoelektrischen Maschine zusammengeschlossen ist» die ihrerseits einen eine Ständerwicklung tragenden Ständer und einen eine Läuferwicklung tragenden zweiten Läufer aufweist, der mit dem ersten Läufer zu einer drehbaren Einheit mechanisch zusammengefaßt ist, ferner eine Einrichtung zur Erregung der Statorwicklung der zweiten dynamoelektrischen Maschine mit Wechselstrom aufweist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verbindung eines externen Widerstandes (24) mit der Wicklung (18) des zweiten Läufers, um so die zweite Maschine als Motor mit veränderlicher Drehzahl betreiben zu können, wenn ihre Wicklung mit Wechselstrom erregt wird, eine Einrichtung zur wahlweisen Erregung der Statorwicklung der zweiten dynamoelektrischen Maschine mit Gleichstrom, so daß die zweite Haschine als Wechselstrom-Generator betrieben wird, eine Einrichtung zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung der Wicklung .des Läufers der zweiten Maschine, wenn diese als Generator betrieben wird, sowie eine Einrichtung zur Speisung der Feldwicklung der Synchronmaschine mit der gleichgerichteten Ausgangsspannung.

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