DE2408373C3 - Mehrphasensynchronmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrphssensynchronmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung, die konzentrisch innerhalb einer Hohlwelle an- geordnet ist, welche im Innern einen Kryostaten und am Umfang eine Dämpfereinrichtung aufweist.

Eine Mehrphasensynchronmaschine der vorstehend bezeichneten Art ist bereits bekannt (DT-OS 21 17 192, FR-PS 20 89 515). Bei dieser bekannten Maschine dient die neben der Statorwicklung und der Rotorwicklung vorgesehene Dämpfereinrichtung der Abschirmung eines elektromagnetischen Flusses /wischen den beiden Wicklungen. Die betreffende Dämpfereinrichtung ist dabei in bezug auf die supraleitende Wicklung derart drehbar befestigt und so ausgebildet, daß sie die supraleitende Wicklung gegenüber der sich ändernden Flußverteilung abschirmt und dadurch Wechselstromverluste in der supraleitenden Wicklung verhindert, andererseits aber das Zusammenwirken des konstanten Flusses der supraleitenden Wicklung mit der anderen Wicklung gestattet. Durch diese Maßnahme soll bei der beireffenden bekannten Maschine ferner das Auftreten von Wirbelstromverlusten in irgendeinem elektrisch leitenden Material verhindert werden, welches in dem von der Abschirmung geschützten Bereich vorhanden ist, wie z. B. in der die supraleitenden Wicklung tragenden Anordnung. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die betreffende Abschirmung lediglich eine Abschirmung von Magnetfeldern hoher Frequenz vorzunehmen gestattet, nicht jedoch auch von Magnetfeldern im Bereich niedriger Frequenzen, wie sie z. B. durch zyklische Drehzahländerungen auftreten.

Es ist ferner ein Verfahren zur Vornahme von StabilisienfngsmaBnahmen bei elektrischen Synchronma-Ξ™ bekannt (FR-PS 12 56 503^ Bei diesem Verfah-

en erfolg ScLng der Achse der Feldwicklung der Synchronmaschine bei fehlendem Synchronismus e.ne Se Einwirkung, daß die betreffende Maschine in einen elektrischen Zustand gerbracht wird, in welchem TL Synchronbetrieb arbeitet D,e betreffende Eu₁-wUung auf die Richtung der Achse der Feldwicklung Tr Synchronmaschine kann mittels zweier gleicher elektrischer Erregerschaltungen erfolge* deren Achsen um 90° elektrich verschoben sind. Die Verschiebung des Erregerfeldes ist dabei räumhch abhangig vomUstwinke! Die betreffenden Maßnahmen dienen dabei jedoch nicht der Kompensation der bei gestörtem Betrieb von der Statorwicklung einer Mehrphasen-

ynchronmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung erzeugten, den Induktor beeinflussenden Storfel- ^dtDer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wee zu zeigen, wie bei einer Mehrphasensynchronmaschine der eingangs genannten Art auf relativ einfache Weise eine Kompensation der bei gestörtem Betneb von der Statorwicklung erzeugten, den Induktor beeinflussenden Störfelder vorgenommen werden kann

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Mehrphasensynchronmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß zwei Hilfswicklungen vorgesehen sind, die in bezug auf die Magnetachse des Induktors eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen und deren Ströme so geregelt werden, daß ein magnetisches Drehfeld zur Kompensation der bei gestörtem Betrieb von der Statorwicklung erzeugten den Induktor beeinflussenden Störfelder auftritt. Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich daß mit besonders geringem konstruktivem Aufwand eine Kompensation der bei gestörtem Betrieb von der Statorwicklung erzeugten, den Induktor beeinflussenden Storfeldei erreicht ist, und zwar sowohl im Bereich hoher Frequenzen als auch im Bereich niedriger Frequenzen.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine zweipolige Drehstromsynchronmaschine gemäß der

^Τψ i g. 2 zeigt eine vergrößerte Halbschnittansicht längs der in F i g. 1 eingetragenen Schnittlinien H-II;

F i g. 3 zeigt in einem Blockdiagramm eine Steuerschaltung, die den Strom in bei der Drehstromsynchronmaschine gemäß Fig. 1 und 2 vorgesehenen Hilfswicklungen zu steuern gestattet.

Die in F i g. 1 und 2 dargestellte Mehrphasensynchronmaschine ist ein beispielsweise zweipoliger Wechselstromgenerator oder -Motor.

Der Wechselstromgenerator besitzt ein festes Gestell 10 (F i g. 2), welches eine Ankerwicklung 11 trägt und in welchem die rotierende Anordnung untergebracht ist. Die Ankerwicklung 11 besteht aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff, wie z.B. Kupfer oder Aluminium; sie arbeitet bei den üblichen Temperaturen von Ankerwicklungen bekannter Wechselstromgeneratoren und ist z. B. durch eine Zwangszirkulation von Wasser gekühlt. Die Leiter müssen unterteilt oder verdrillt sein, um die Verluste durch die Foucault-Ströme auf einen minimalen Wert herabzusetzen. Das Gestell 10 trägt an seinen Enden Lager 12 und 13 für

die Aufnahme bzw. Zentrierung einer umlaufenden Hohlwelle 14. Diese Lager 12,13 sind so weit von der Ankerwicklung 11 und den Wicklungen der rotierenden Anordnung entfernt, daß der durch diese Lager hindurchtretende Magnetfluß klein bleibt

Der erwähnte Rotor weist eine supraleitende Feldwicklung 15 auf. Diese Feldwicklung ist bei der beschriebenen Ausführungsform eine zweipolige Wicklung und wird von einem Gleichstrom durchflossen, der im Beharrungszustand der Maschine konstanl ist Die Feldwicklung 15 ist gemäß der üblichen Technologie der supraleitenden Magnete ausgeführt, so daß ihre Ausbildung hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht. Das supraleitende Material kann insbesondere ein zusammengesetztes Adern- bzw. Teilleitermaterial sein, bei welchem Teilleiter aus einer Legierung von Niob und Titan in einer Kupfermatrix eingebettet sind und dann einen Kreisquerschnitt oder Rechteckquerschnitt erhalten. Die Teilleiter sind am Umfang einer zylindrischen Trommel 29 in Nuten untergebracht. Diese Trommel 29 kann aus magnetischem ode; unmagnetischem Stahl — da die Induktion sehr hoch sind — ■ aus einem Isolierstoff oder auch aus einem Metall mit guter mechanischer Festigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Bei Verwendung eines Kunst-Stoffs ist dieser zeckmäßig faserverstärkt oder mit Teilleitern bewehrt Von den verwendbaren Metallen seien insbesondere die Leichtmetallegierungen auf Aluminiumbasis erwähnt. Die Feldwicklung 15 und die sie tragende Trommel 29 sind mit Kühlkanälen für den Umlauf eines kryogenen Strömungsmittels versehen. Da die Feldwicklung 15 im Betrieb den von ihrem Eigenfeld herrührenden magnetischen Beanspruchungen und den von der Fliehkraft herrührenden mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, muß sie an der Trommel 29 durch eines der üblichen Mittel festgelegt werden.

Die Feldwicklung 15 muß zumindest während der Anlaßperiode mit einem Gleichstrom gespeist werden. Diese Speisung kann entweder durch eine mit statischen Gleichrichtern kombinierte angebaute Erregermaschine erfolgen oder von außen. Die zweite Lösung ist beispielsweise in F i g. 1 dargestellt, wobei Gleitkontakte 16 und 17 mit festen Schleifbürsten und Schleifringen gezeigt sind, die von einem Mantel 18 getragen sind, der mit der die Feldwicklung 15 tragenden Trommel 29 verbunden ist. Die die Schleifkontakte mit der Feldwicklung 15 verbindenen Leitungen liegen im Innern des Mantels 18; sie müssen natürlich so ausgebildet sein, daß eine Wärmezufuhr zu der Zone niedriger Temperatur möglichst vermieden ist.

Unabhängig von der zur Speisung der Feldwicklung 15 beim Hochfahren der beschriebenen Wechselstrommaschine gewählten Lösung weist die Feldwicklung 15 zweckmäßigerweise einen supraleitenden Schalter auf, der beim Hochfahren geöffnet ist und der im Beharrungszustand die Feldwicklung 15 kurzschließt. Gleichzeitig muß die Speisung von außen unterbrochen werden.

Die Feldwicklung 15 ist in einem Kryostaten mit einer Innenwand 19 und einer Außenwand 20 eingeschlossen und ist an der Innenwand 19 des Kryostaten mit Hilfe von Zentrierstücken befestigt, welche bei der dargestellten Ausführungsform den Mantel 18 und Verbindungsstücke 21 umfassen. Die Außenwand 20 des Kryostaten selbst ist in der Welle zentriert und an dieser durch Teile befestigt, welche einen möglichst großen Wärmewiderstand haben müssen und mit 22 angedeutet sind. Andererseits brauchen diese Teile nur eine sehr begrenzte mechanische Festigkeit zu besitzen.

Zwichen dem Kryostaten und der Hohlwelle 14 ist eine übliche Wärmeisolierung vorgesehen. Die Teile 22 können durch Flansche oder Bauteile in Form eines symmetrischen Umdrehungskörpers aus rostfreiem Stahl mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet sein. Diese Verbindungen können einen sehr geringen Querschnitt haben, da, wie weiter unten noch ausgeführt wird, die Feldwicklung gegenüber der Welle nur einem dem allgemeinen geringen Drehmoment ausgesetzt ist, welches im Gleichgewichtszustand des Betriebs sogar Null sein kann.

Zur Speisung des Kryostaten mit dem Strömungsmittel ist ein mittlerer Stutzen 23 vorgesehen, welcher in die die Feldwicklung 15 tragende Trommel 29 mündet Durch diesen Stutzen 23 wird das kryogene Strömungsmittel eingespritzt welches flüssiges Helium oder noch besser hyperkritisches Helium sein kann. Das verdampfte Helium kehrt in den Raum zwischen dem Stutzen 23 und dem Mantel 18 zurück (welcher zweckmäßigerweise mit einer Isolierung versehen ist). Das Helium wird durch eine Leitung 24 abgeleitet welche in eine feste Sammelleitung 25 mündet, die mit der Endfläche des Mantels 18 durch eine Drehdichtung 26 zusammenwirkt.

Die Welle 14 trägt eine einen passiven Schirm darstellende Dämpfereinrichtung 27 und zwei Hilfswicklungen 28 die in radial verlaufenden Nuten 30 untergebracht sind. Bei der dargestellten Ausführungsform liegen die Dämpfereinrichtung 27 und die Hilfswicklungen 28 an der Außenseite der Hohlwelle 14, und zwar derart, daß sie die Dämpferwicklung umgeben. Für die Welle 14 wird ein Material mit hoher mechanischer Festigkeit gewählt und zwar im allgemeinen magnetischer oder unmagnetischer Stahl.

Die Dämpfereinrichtung 27, die in üblicher Weise ausgebildet ist dient der Abschirmung von Wechselfeldern um die Supraleitfähigkeit während des Betriebes sicherzustellen. Sie wird im allgemeinen durch eine Kurzschlußwicklung mit einer den Käfigankern von Asynchronmotoren entsprechenden Schaltung gebildet.

Von den in F i g. 1 mit 28 bezeichneten Hilfswicklungen ist die eine eine Längsfeldhilfswicklung und in F i g. 3 mit 31 bezeichnet und die andere, in F i g. 3 mit 32 bezeichnet, eine Querfeldhilfswicklung. Sie sind daher um 90° gegeneinander versetzt und wirken so zusammen, daß sie ein Drehfeld mit einer Kreisfrequenz von 2 ω in bezug auf das Induktorfeld liefern, welches die Auswirkung der Komponente mit derselben Frequenz der Störungen in dem Induktor 15 kompensiert.

Bezüglich der Wicklungen sei noch bemerkt, daß sie auf einer Temperatur gehalten werden, die verträglich ist mit den herkömmlicherweise verwendeten elektrischen Isoliermaterialien und bei der die Wärmeübertragung zu dem Kryostaten eingeschränkt ist. Im allgemeinen wird eine Wasserkühlung benutzt. In gleicher Weise kann aber auch eine Kühlung mittels eines kryogenen Fluids bei einer Temperatur angewandt werden, die zwischen der Supraleitfähigkeitstemperatur und der Umgebungstemperatur liegt. Dabei kann z. B. eine Kühlung durch Zirkulation von flüssigem Stickstoff erfolgen.

Bei der hier betrachteten Ausführungsform sind die Langfeld-Hilfswicklung 31 im nichtgestörten ausgeglichenen Dauerzustand und die Dämpfereinrichtung 27 stromlos. Da man versucht, den Wert der Momente soweit wie möglich zu verringern, welche den Induktor 15 in bezug auf die Welle bzw. Hohlwelle 14 zu drehen

versuchen, wird in diesem FaIi die Querfeld-Hilfswicklung 32 jedoch mittels eines Gleichstromes gespeist, dessen Stärke proportional dem abgegebenen Wirkstromanteil des Ankers bzw. der Ankerwicklung 11 des Wechselstromgenerators ist. Der Proportionalitätskoeffizient ist dabei so gewählt, daß das auf den Induktor 15 einwirkende Moment aufgehoben wird, welches die elektrische Leistung liefern würde. Die diesen Strom regelnden Einrichtungen sind hier nicht beschrieben.

Bei gestörtem Betrieb führen beide Hilfswicklungen 31 und 32, Ströme, die dazu bestimmt sind, das auf den Induktor 15 einwirkende magnetische Störfeld auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird dies dadurch erzielt, daß durch die Längsfeldhilfswicklung 31 ein Wechselstrom und durch die Querfeldhilfswicklung 32 ein Wellenstrom geleitet wird, so daß ein Drehfeld mit geeigneter Amplitude und Frequenz erzeugt wird.

Die Steuerschaltung kann den in F i g. 3 dargestellten prinzipiellen Aufbau haben. Eine Meßeinrichtung 34, welche die Amplitude I und die Phasenverschiebung φ der Wechselströme mißt, welche von der Ankerwicklung 11 des Wechselstromgenerators an ein Verbrauchernetz 33 abgegeben werden, gibt die Größen 1 und φ an einen Rechner 35 ab. Ein Drehzahlmesser und eine Meßeinrichtung zur Messung der Winkelverschiebung des Induktors 15 in bezug auf das Drehfeid der Ankerwicklung 11 (ein z. B. von der Ankerwicklung getragener Feldfühier) sind schematisch mit 36 bezeichnet; sie liefern eine Information bezüglich der Geschwindigkeit und der Nacheilung bzw. Verschiebung an den Rechner 35, und zwar unter Bildung von analogen elektrischen Signalen. Auf der Grundlage dieser Elemente bestimmt der Rechner 35, der z. B. durch ein Analogrechennetzwerk gebildet ist, die periodische Hauptkomponente des Ankerwicklungsfeldes. Ein Ver gleicher 37, der mit Datendarstellungseinrichtungen 38 zur Datendarstellung der maximal zulässigen Werte für die Störungen vor einem Steuerungseingriff versehen ist, steuert einen Rechner 40. welcher Generatoren 39 regelt bzw. steuert, die ihrerseits die geeigneten Ströme durch die beiden Hilfswicklungen 31 und 32 leiten.

Mit der Steuerschaltung werden somit die periodischen Komponenten der den Induktor beeinflussenden Felder bestimmt (oder zumindest die Hauptkomponente dieser Felder) und die Hilfswicklungen 31 und 32 mit solchen Strömen gespeist daß deren Felder die betreffenden Störfelder kompensieren.

Eine Schaltungsanordnung, die eine Variante zu der in F i g. 3 dargestellten Schaltungsanordnung darstellt, enthält in der Meßeinrichtung 34 Stromtransformatoren bzw. Stromwandler, welche den Rechner 35 mit Si gnalen beaufschlagen, die proportional sind zu dem Augenblickswert der Ströme ;«, ib, ic (diese Ströme liefert die Statorwicklung 11) und zu der Kreisfrequenz ω dieser Ströme.

ίο Die oben erwähnte Einrichtung 36 ist in dem Fall weggelassen, und der Rechner 35 weist drei Multiplikatoren auf (z. B. Hall-Effekt-Sonden), welche das Produkt von /«, ib bzw. ic mit einem entsprechenden sinusförmigen Signal der Kreisfrequenz ω liefern. Dieses siis nusförmige Signal, das von einem in dem Rechner 35 enthaltenen Generator geliefert wird, besitzt eine Amplitude, die proportional ist zu einem Grundglied der harmonischen Zerlegung der räumlichen Verteilung der Statorwicklungsleiter (dies ist ein konstruktives Charakteristikum des Wechselstromgenerators und hängt von den drei Phasen ab). Ferner ist das betreffende Signal um 90° gegenüber der Spannung phasenverschoben, die an den Anschlüssen der Wicklung vorhanden ist, welche das entsprechende Signal / liefert Bei jedem Strom i», ib oder ic liefert der entsprechende Multiplikator ein Signal, welches ein konstantes Glied und (wenn der Wechselstromgenerator sich im gestörten Betrieb befindet) ein Kreisfrequenzglied 2 ω enthält. Die drei, auf der Grundlage der Ströme /«, in und ic erhaltenen 2 ω-Komponenten werden summiert z. B. mittels eines als Summiereinrichtung geschalteten bzw. angeordneten Operationsverstärkers. Die dabei erhaltene Summe liefert die Amplitude und die Phase der Kreisfrequenzkomponente 2 ω des den Induktor beeinflussenden Feldes bzw. Störfeldes. Diese Größen wer den dem Vergleicher 37 zugeführt der diese Größen dem Rechner 40 übermittelt wenn die Amplitude den in der Einrichtung 38 festgelegten Wert überschreitet Der Rechner steuert sodann die Stromgeneratoren 39 an, wobei zum einen eine Vervielfachung des von dem Rechner 40 erhaltenen Signals und zum anderen eine Phasenverschiebung um 90° erfolgt und zwar unter Berücksichtigung eines konstanten Proportionallitätskoeffizienten, der gleich ist, wenn die Hilfswicklungen 31 und 32 gleich sind, und dessen Wert durch die Charakteristik des Wechselstromgenerators festliegt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

7ΟΑ

Claims (4)

Patentansprüche: 24 08 373

1. Mehrphasensynchronmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung, die konzentrisch innerhalb einer Hohlwelle angeordnet ist, welche im Innern einen Kryostaten und am Umfang eine Dämpfereinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hilfswicklungen (31,32) vorgesehen sind, die in bezug auf die Magnetachse des lnduk- ι ο tors (15) eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen und deren Ströme so geregelt werden, daß ein magnetisches Drehfeld zur Kompensation der bei gestörtem Betrieb von der Statorwicklung (11) erzeugten, den Indutor beeinflussenden Störfelder auftritt

2. Mehrphäsensynchronmarchine nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfswicklung (32) für jede Phase eine Magnetachse aufweist, die um 90° gegenüber der Magnetachse des Induktors (15) verschoben ist, und daß die andere Hilfswicklung (31) eine mit der Magnetachse des Induktors (15) zusammenfallende Magnetachse aufweist.

3. Mehrphasensynchronmaschine nach Anspruch

2. dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hilfswicklung (32) im Störungsfali mit Wellenstrom gespeist wird.

4. Mehrphasensynchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Verbindungsglieder zwischen dem Induktor (15) und der Welle (14) eine geringe mechanische Festigkeit und einen hohen thermischen Widerstand besitzen.