DE2402013C3 - Polumschaltbare elektrische Maschine fur 50 und 60 Hz - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine polumschaltbar elektrische Synchronmaschine für 50 und 60 Hz mit einem Läufer mit ausgeprägten Erregerpolen, dessen Umfang Platz für die der größeren Umschaltpolzahl entsprechenden Erregerpole besitzt, deren Abmessungen nach dem notwendigen Erregerstrom und dem magnetischen Fluß für die kleinere Umschaltpolzahl festgelegt sind, und bei dem am Kranzring Befestigungsmittel, insbesondere Nuten, vorgesehen sind, die für jede Polzahl eine symmetrische Anordnung der Pole ermöglichen, und einer umschaltbaren Ständerwicklung.

.Eine solche umschaltbar elektrische Synchronmaschine ist aus der DT-PS 16 38 584 bekannt. Der Einsatz dieser Maschinen ist erforderlich, wenn ein Energieversorgungsnetz, z. B. von 50 Hz, nach einer gewissen Zeit des Betriebes auf die andere gebräuchliche Frequenz von 60Hz umgestellt werden soll Dazu ist es erforderlich, daß die energieerzeugenden Generatoren in ihrer Polzahl im Ständer und Läufer an die neue Frequenz angepaßt werden, weil im allgemeinen mit Rücksicht auf den optimalen Wirkungsgrad der antreibenden Turbine die Drehzahl unverändert bleiben soll. Bei der bekannten polumschaltbaren Synchronmaschine sind die Erregerpole auf einem massiven Kranzring mit Hilfe von Schrauben befestigt, und es sind von vornherein die für eine symmetrische Anordnung der Erregerpole bei beiden Betriebsarten, somit beiden Polzahlen, erforderlichen Befestigungslöcher vorgesehen. Die Anpassung erfolgt also in einfacher Weise am Aufstellungsort der Maschine durch ein Versetzen der Pole entsprechend der gewünschten Polzahl. Dabei werden die gleichen Erregerpole für beide Umschaltpolzahlen verwendet, was zwar eine entsprechende Überdimensionierung bei der höheren Umschaltpolzahl bedingt, jedoch fällt dieser Nachteil gegenüber dem Vorteil geringer Lagerhaltung und daß die Maschine bei beiden Frequenzen die gleiche Leistung abgeben kann, nicht ins Gewicht.

Die Ständerwicklung der bekannten Maschine besteht aus einer Spulen- oder Stabschleifenwicklung, die für eine Ersatzpolzahl, zwischen beiden Betriebspolzahlen liegend, ausgelegt ist. Sie läßt sich durch eine entsprechende Änderung der Spulen- und Schaltverbindungen der jeweiligen Betriebsart anpassen, derart, daß durch die Umschaltung der Aufeinanderfolge von Wicklungsteilen lediglich eine Änderung des Wicklungsfaktors hervorgerufen wird, jedoch keine große Änderung der Leistungsabgabe.

Bei Synchronmaschinen mit niedrigen Drehzahlen wird nun aber die Ständerwicklung zur Vermeidung von Ringleitungen und zu vielen Schaltverbindungen häufig als Wellenwicklung ausgeführt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine von 50 auf 60 Hz polumschaltbar Synchronmaschine eine für beide Betriebsarten gleiche optimale Leistung abgebende, auch als Wellenwicklung ausführbare, umschaltbar Ständerwicklung zu finden.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer polumschaltbaren elektrischen Synchronmaschine für 50 bis 60 Hz der eingangs beschriebenen Art, bei welcher die umschaltbare Ständerwicklung aus einer zweischichtigen, symmetrischen Drehstromwicklung

mit q =— als Nutenzahl pro Pol und Phase η > 1)

besteht. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der Zähler ζ so gewählt ist, daß er bei 50 Hz durch 6 und bei 60 Hz durch 5 ohne Rest teilbar ist, und sich eine Nutenzahl pro Pol ergibt, die jeweils angenähert entweder für 60-Hz-Betrieb bei 10 und für 50-Hz-Betrieb bei 12 oder aber bei 60-Hz-Betrieb bei 5 und bei 50-Hz-Betrieb bei 6 liegt, und daß auf beiden Maschinenseiten die Neigung der Stäbe im Wickelkopf angenähert einem Wicklungsschritt von dem Mittelwert beider Polteilungen entspricht und jeweils die Verbindung zwischen Ober- und Unterstab zumindest auf einer Maschinenseite um mindestens eine Nutteilung abweichend von dem der Neigung entsprechenden Wicklungsschritt ausgeführt ist.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Ständerwicklung läßt sich sowohl als Wellen- wie auch als Schleifenwicklung ausbilden. Durch eine einmalige Umschaltung der Verbindungen zwischen Ober- und Unterstab, unter Verwendung der gleichen Teile, die

jeweils nur gedreht und anders ausgerichtet werden, erreicht man für beide Polzahlen und somit für beide Betriebsarten· einen weitgehend optimalen Wicklungsschritt und somit eine gute Leistungsabgabe. Es ändern sich jeweils zwar die Lage der notwendigen Schaltverbindungen, die Ausnutzung der Maschine ist aber bei beiden Polzahlen fast gleich gut. Trotz der durch die Erfindung gegebesten einschränkenden Bedingungen hat der Fachmann außerdem für jede Polzahl mindestens zwei Auslegungsmöglichkeiten für die Ständerwicklung, von denen die eine eine Umschaltung auf beiden und die andere nur eine Umschaltung auf einer Maschinenseite erfordert. Von diesen kann er sich jeweils die hinsichtlich anderer für die Synchronmaschine gegebenen Bedingungen, wie z. B. Kühlung, günstigere heraussuchen.

Im allgemeinen wird man eine Abweichung des Wicklungsschrittes um jeweils eine Nutteilung von dem der Stabneigung im Wickelkopf entsprechenden Wicklungsschritt vorsehen. Sofern aber für die Isolierung der Verbindung genügend Raum zur Verfügung steht, können auch zwei Nutteilungen als Abweichung in Betracht gezogen werden. Dadurch vergrößert sich die Auswahlmöglichkeit für die Wicklungsauslegung.

Die Umstellung des Läufers auf die andere Betriebsart wird in an sich bekannter Weise so vorgenommen, daß jeweils ein Teil der Erregerpole entfernt und unter Weglassung oder Hinzufügung von Erregerpolen in den dafür bereits vorhandenen Befestigungsmöglichkeiten in symmetrischer Anordnung wieder eingesetzt werden. Es empfiehlt sich, die Befestigung so vorzusehen, daß eine Veränderung des Maschinenluftspaltes möglich ist, wofür beide Betriebsarten die gewünschten Maschinenparameter einstellbar sind. Die Umschaltung der Erregerpole ist sowohl bei massivem Kranzring möglich, wenn die Erregerpole als Kammpole oder als Pole mit Hammerkopf- und Schwalbenschwanzbefestigung ausgeführt sind, als auch bei einem aus einzelnen, überlappt geschichteten Blechen bestehenden Kranzring. Bei einem derartigen, als Blechkette ausgebildeten Kranzring empfiehlt es sich, als Befestigungsmöglichkeiten Nuten vorzusehen, mit jeweils sechs Nuten pro Pol — bezogen auf die Polteilung beim 50-Hz-Be!rieb. Diese Nuten sind so ausgebildet, daß in ihnen die Befestigungselemente des Polschaftes gehalten werden können.

Im folgenden sei die Erfindung noch an Hand des in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die

Fig. 1 und 2 zeigen jeweils schematisch die Anordnung der Erregerpole am Läufer bei 60 Hz (Fig. 1) und bei 50 Hz (F ig. 2). Inder

Fig.3 ist schematisch ein Ausschnitt aus dem Wickelschema für die umschaltbare Ständerwicklung dargestellt; die

F i g. 4 und 5 zeigen jeweils die Lage der Schaltverbindungen zwischen dem Oberstab urd Unterstab der Ständerwicklung in den beiden Betriebszuständen, F i g. 4 bei 60 Hz, F i g. 5 bei 50 Hz.

Eine elektrische Synchronmaschine mit ausgeprägten Erregerpolen 1 im Läufer 2 soll bei einer Drehzahl von 600 U/min sowohl für eine Frequenz von 60 Hz als auch für eine Frequenz von 50 Hz eingesetzt werden. Diese Frequenzumstellung erfolgt jedoch, z. B. bedingt durch eine Netzumstellung, nur einmalig oder in sehr großen Zeitabständen. Die sich daraus ergebende Anpassung des Läufers 2 bzw. der Ständerwicklung 3 wird am Aufstellungsort der Synchronmaschine vorgenommen.

Bedingt durch die Drehzahl von 600 U/min sind am Läufer 2 für den 60-Hz-Betrieb 12 Errogerpole 1 und für den 50-Hz-Betrieb 10 Erregerpole 1 vorgesehen. Die Abmessungen der Erregerpole 1 und der Erregerwicklung 4 sind nach dem notwendigen Erregerstrom und dem magnetischen Fluß für den 50-Hz-Betrieb, d. h. für die Polzahl 10, festgelegt. Die Erregerpole 1 werden von einer aus überlappt geschichteten Blechen aufgebauten Blechkette 5 getragen, die längs ihres äußeren

ίο Umfanges mit gleichmäßig verteilten Befestigungsnuten 6 versehen ist, derart, daß eine Polteilung für den 50-Hz-Betrieb (F i g. 2) jeweils sechs Befestigungsnuten 6 enthält. Die Befestigung jedes Erregerpoles 1 erfolgt durch den Befestigungsnuten 6 in der Form entsprechende Hammerkopfbefestigungsmittel 7 in jeweils zwei Befestigungsnuten 6. Bei der Umstellung von einem Betriebsfall auf den anderen, z. B. von 60 Hz auf 50 Hz, werden von den am Läufer 2 vorhandenen 12 Erregerpolen 1 jeweils 2 Erregerpole 1 ganz aufgebaut und neun der verbleibenden 10 Erregerpole 1 um jeweils eine, zwei, drei usw. Läufernutteilungen in Umfangsrichtung versetzt, um wiederum eine symmetrische Anordnung von zehn Erregerpolen 1 im Läufer 2 zu erzielen.
Die dreiphasige Ständerwicklung 3, die als zweischichtige Stabwellenwicklung ausgeführt ist, erfüllt die durch die Erfindung gegebenen Kriterien und ist somit geeignet, bei der Synchronmaschine mit 600 U/min sowohl für eine Frequenz von 60 Hz als auch für eine Frequenz von 50 Hz geschaltet zu werden und eine gleich gute Leistung abzugeben. Die Ständerwicklung 3 ist für den 60-Hz-Betrieb als Ganzlochwicklung mit einer Nutenzahl pro Pol und Phase qw = 3 und für den 50-Hz-Betrieb als Bruchlochwicklung mit einer Nutenzahl pro Pol und Phase qso = 3 3/5 ausgelegt. Dies ergibt für beide Betriebsarten eine Gesamtnutenzahl N = 108, und die Nutenzahl pro Pol beträgt beim 60-Hz-Betrieb 3 q_b0 = 9, beim 50-Hz-Betrieb 3 <?5o = 104/5. Dies entspricht für den 60-Hz-Betrieb einem Wicklungsschritt bei der Wellenwicklung von 9 Nutteilungen, und beim 50-Hz-Betrieb einem Wicklungsschritt von 11 Nutteilungen.

Bei der Ständerwicklung 3 liegen in jeder Nut zwei Stäbe, der Oberstab 8 und der Unterstab 9, der in F i g. 3 jeweils strichpunktiert dargestellt ist. Im Wickelkopf 10 werden alle Stäbe gleichmäßig mit einer Neigung abgekröpft, die angenähert einem Wicklungsschritt von dem Mittelwert beider Polteilungen entspricht. Die Abkröpfung der Oberstäbe 8 erfolgt jeweils in einer Richtung (nach rechts in F i g. 3) und die Abkröpfung der Unterstäbe in der anderen, so daß eine direkte radiale Verbindung zwischen den sich jeweils gegenüberstehenden Enden eines Unterstabes 9 mit einem Oberstab 8 im Wickelkopf 10 einem Wicklungsschritt von 10 Nutteilungen entsprechen würde. Bei der gemäß der Erfindung ausgebildeten Synchronmaschine erfolgt in der Ständerwicklung 3 d^;e Verbindung zwischen Oberstab 8 und Unterstab 9 aber jeweils abweichend von der udialen Verbindung. Die Verbindungsteile 11 werden jeweils schräg, um eine Nutteilung abweichend angeordnet, d. h. für den 60-Hz-Betrieb wird der Wicklungsschritt gegenüber der im Wickelkopf 10 vorhandenen Neigung der Stäbe um eine Nutteilung verkürzt (Fig.4) und ergibt somit 9 Nutteilungen und für den 50-Hz-Betrieb wird der Wicklungsschritt um eine Nutteilung vergrößert (F i g. 5) und ergibt somit 11 Nutteilungen. Der Wicklungsschritt entspricht somit also bei jeder Betriebsart angemihert der Polteilung, wodurch eine optimale Wicklungsauslegung erzielt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Polumschaltbar elektrische Synchronmaschine für 50 und 60 Hz ,mit einem Läufer mit ausgeprägten Erregerpolen, dessen Umfang Platz für die der größeren Umschaltpolzahl entsprechenden Erregerpole besitzt, deren Abmessungen nach dem notwendigen Erregerstrom und dem magnetischen Fluß für die kleinere Umschaltpoizahl festgelegt sind, und bei dem am Kranzring Befestigungsmittel, insbesondere Nuten, vorgesehen sind, die für jede Polzahl eine symmetrische Anordnung der Pole ermöglichen, und einer umschaltbaren Ständerwicklung, bestehend aus einer zweischichtigen symmetrischen Dreh-

Stromwicklung mit q =— als Nutenzahl pro Pol und

Phase (n ^ 1), dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler /. so gewählt ist, daß er bei 50 Hz durch 6 und bei 60 Hz durch 5 ohne Rest teilbar ist und sich eine Nutenzahl pro Pol ergibt, die jeweils angenähert entweder für 60-Hz-Betrieb bei 10 und für 50-Hz-Betrieb bei 12 oder aber bei 60-Hz-Betrieb bei 5 und bei 50-Hz-Betrieb bei 6 liegt und daß auf beiden Maschinenseiten die Neigung der Stäbe im Wickelkopf (10) angenähert einem Wicklungsschritt von dem Mittelwert beider Polteilungen entspricht und jeweils die Verbindung (11) zwischen Ober- (8) und Unterstab (9) zumindest auf einer Maschinenseite um mindestens eine Nutteilung abweichend von dem der Neigung entsprechenden Wicklungsschritt ausgeführt ist.

2. Polumschaltbar elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Betrieb mit 60 Hz der durch die Verbindung (11) zwischen Ober- (8) und Unterstab (9) gegebene Wicklungsschritt um mindestens eine Nutteilung gegenüber dem der Neigung der Stäbe im Wickelkopf (10) entsprechenden Wicklungsschritt verkürzt ist.

3. Polumschaltbar elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit einer aus überlappt geschichteten Blechen bestehenden Blechkette im Läufer, an der die Erregerpole befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß gleichmäßig längs des Umfanges verteilte Befestigungsnuten (6) vorgesehen sind, von denen jeweils sechs Befestigungsnuten (6) in der dem 50-Hz-Betrieb entsprechenden Polteilung liegen.

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