DE2714188A1

DE2714188A1 - Buerstenloser synchrongenerator

Info

Publication number: DE2714188A1
Application number: DE19772714188
Authority: DE
Inventors: Hubert Platzer
Original assignee: Hitzinger & Co Dipl Ing
Current assignee: Hitzinger & Co Dipl Ing
Priority date: 1976-04-27
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1977-11-17
Also published as: US4121148A; DE2714188B2; NO148053B; SE7704784L; GB1541406A; TR19493A; AT340523B; NL165615B; FI771140A; FI64871B; NL7703629A; NO771397L; ES457917A1; FR2349992A1; FI64871C; DE2714188C3; NO148053C; NL165615C; IT1081370B; FR2349992B1

Description

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Dipl.-Ing. Hitzinger & Co., Linz (Österreich) Helmholtzstraße 56

Bürstenloser Synchrongenerator

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Synchrongenerator mit einer Erregermaschine, deren Felderregerwicklung über einen an eine gesonderte Hilfswicklung im Stator der Hauptmaschine angeschlossenen Regler gespeist ist, wobei die Polzahl der Hilfswicklung mit der Polzahl der Statorhauptwicklung übereinstimmt.

Eine der Möglichkeiten, die Felderregerwicklung der Erregermaschine eines Synchrongenerators mit Energie zu versorgen, besteht darin, eine Hilfserregermaschine mit einem Dauermagnetpolrad vorzusehen, das in einer Hilfswicklung eine lastunabhängige Wechselspannung induziert, die gleichgerichtet über einen Regler an der Felderregerwicklung der Erregermaschine anliegt und einen entsprechenden Felderregerstrom zur Folge hat. Dieser Gleichstrom steht auch im Kurzschlußfall des Synchrongenerators zur Verfügung, so daß über eine entsprechende Erregung des Synchrongenerators ein Dauerkurzschlußstrom gesichert ist.

Um den mit dem Vorsehen einer Hilfserregermaschine verbundenen Mehraufwand zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, den Erregerstrom für das Feld der Erregermaschine von der Hauptmaschine her abzuleiten, und zwar wurde die Felderreger-

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wicklung unter Zwischehschaltung eines Gleichrichters einerseits an die Spannung des Synchrongenerators gelegt und anderseits an einen Stromtransformator angeschlossen, der mit dem Belastungßstrom des Synchrongenerators gespeist wird. Damit wird ein lastunabhängiger und ein lastabhängiger Stromanteil für die Felderregerwicklung der Erregermaschine erreicht, so daß mit Hilfe einer solchen Erregerstromversorgung der Erregermaschine zugleich eine Spannungssteuerung des Generators erzielt wird. Die Genauigkeit dieser Steuerung ist aber nicht ausreichend, und es werden daher zusätzliche Regler vorgesehen.

Wird bei einer solchen Schaltung der Synchrongenerator kurzgeschlossen, so ist durch den Kurzschlußstrom über den Stromtransformator eine ausreichende Erregung der Erregermaschine gewährleistet. Nachteilig bei dieser Konstruktion ist jedoch, daß durch den Stromtransformator wieder aufwendige Hilfsmittel erforderlich sind, deren großem Raumbedarf meist nur mit vergrößerten Aufbaukästen oder Lagerschildern begegnet werden kann. Außerdem ergibt sich ein erhöhter Prüffeld-Einstellaufwand.

An diesen Mängeln ändert sich auch nichts, wenn die lastunabhängige Stromkomponente für die Erregung der Erregermaschine nicht über die Spannung der Statorwicklung des Generators, sondern über die Spannung einer eigenen, neben der Hauptwicklung untergebrachten Hilfswicklung erhalten wird.

Der Versuch, auf den Stromtransformator zu verzichten, bringt das Problem mit sich, wie die Erregung im Kurzschlußfall des Snchrongenerators sichergestellt werden kann, da ja beim Kurzschluß die Klemmenspannungen Null sind. Um trotzdem im Kurzschlußfall einen Erregerstrom für die Erregermaschine zu erhalten, kann das im Kurzschlußfall stark verzerrte Feld ausgenützt werden, das einen starken Anteil der dritten Oberwelle enthält. Zu diesem Zweck wird in den Stator des Generators eine Hilfswicklung gelegt, die die dreifache Polzahl der Hauptwicklung besitzt und daher die Grundwelle des Feldes nicht berücksichtigt. Die Anregungsenergie des Leerlaufs wird dabei den Anschlußklemmen des Ggnerators entnommen.

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Bei der Belastung Wird dann die Erregung durch die Energie der dritten Oberwelle des Feldes von der Hilfswicklung ergänzt. Um mit einer derartigen Schaltung eine bräuchbare Spannungssteuerung des Synchrongeherators zu erhalten, mUß eine möglichst gut ausgebildete dritte Oberwelle vorhanden sein, was durch eine bewußte Veränderung der Polgeometrie erreicht wird. Diese Maßnahmen verschlechtern aber die Maschinenausnutzung und den Wirkungsgrad. Die Feldkurve einer Synchronmaschine ist zwar nie rein sinusförmig und besitzt immer Oberwellenfelder, die sich abhängig von der Belastung der Maschine verändern, doch ist man wegen der damit verbundenen Verluste immer bestrebt, diese Oberwellenfelder möglichst klein zu halten. Dazu kommt noch, daß bei derartigen Schaltungen die Abstimmung der Leerlauf- und Lastkomponente des Erregerstromes schwierig ist.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, diese Mangel zu vermeiden und einen Synchrongenerator der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, daß ohne Stromtransformator und ohne Hilfserregermaschine auch im Kurzschlußfall des Generators eine ausreichende Erregung sichergestellt werden kann, wobei eine Verzerrung des Feldes möglichst vermieden werden soll.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Spulenweite der Hilfswicklung höchstens der halben Polteilung des Stators, vorzugsweise einem Drittel oder einem Fünftel der Polteilung, entspricht. Durch diese Hilfswicklung wird nämlich erreicht, daß deren Windungen nicht mit dem gesamten magnetischen Fluß einer Polteilung verkettet sind. Dies wirkt sich im Leerlauf und im üblichen Belastungsbereich qualitativ auf die in dieser Hilfswicklung induzierte Spannung nicht aus, da die Hilfswicklung mit dem Hauptfeld verkattet und dessen Oberwellengehalt in diesen Lastbereichen vergleichsweise klein ist. Im Kurzschlußfall aber wird trotz optimaler Polgeometrie eine zur Erzielung des erforderlichen Erregerstromes für die Erregermaschine ausreichende Spannung induziert, obwohl das Feld einer Polteilung, abgesehen von den auftretenden Streufeldern, in der Summe ver-

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schwindend klein wird. Die Windungen der Hilfswicklung sind nämlich nur mit einem Teil dieses Feldes verknüpft, das nur bezüglich einer ganzen Polteilung, nicht aber bezüglich eines Teiles davon verschwindend klein wird» Da die Feldkurve im Kurzschlußfall des Generators eine starke Verzerrung erfährt, die vor allem von der dritten Oberwelle bestimmt wird, ist es besonders vorteilhaft, die Spulenweite der Hilfswicklung einem Drittel der Polteilung anzupassen. Die unter Umständen noch in einer brauchbaren Größe auftretenden Oberwellen der fünften und siebenten Ordnung könnten durch entsprechende Wahl der Spulenweite der Hilfswicklung auch noch besonders berücksichtigt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Hilfswicklung wird also eine Spannung für die Versorgung der Felderregung der Erregermaschine erreicht, die im Leerlauf und bei der Belastung des Generators einen leicht Uberproportionalem Verlauf gegenüber der Klemmenspannung aufweist, im Fall des kurzgeschlossenen Generators jedoch eine für die Kurzschlußerregung ausreichende Spannung liefert. Dabei brauchen keinerlei Maßnahmen getroffen zu werden, die übliche Feldform, beispielsweise durch Änderung der Polgeometrie, zu verzerren.

Wird die Spannung des Synchrongenerators, wie es naheliegt, über einen Thyristorregler geregelt, so kann es von Vorteil sein, wenn der Nulldurchgang der in der Hauptwicklung und in der Hilfswicklung induzierten Spannungen nicht gleichzeitig, sondern hintereinander erfolgt. IAn dies mit einfachen Mitteln zu erreichen, können in weiterer Ausbildung der Erfindung die Statorhauptwicklung und die Hilfswicklung im Sinne einer unterschiedlichen Phasenlage der in ihnen induzierten Spannungen in verschiedene Nuten eingelegt sein, wobei der gewählte Abstand der Spulenanfänge von der Haupt- und Hilfswicklung den zeitlichen Abstand der Nulldurchgänge bestimmt.

Ist für die Erregermaschine ein Gleichstromregler vorgesehen, so sollte dieser mit einem möglichst nicht stark welligen Gleichstrom versorgt werden. Dies kann mit

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einfachen Mitteln dadurch erreicht werden, daß die Hilfswicklung nicht einphasig, sondern dreiphasig ausgeführt wird.

Um eine bessere NutenausnUtzung sicherzustellen, kann schließlich die Hilfswicklung mit wenigstens zwei Spulen je Pol und Phase ausgeführt sein.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Synchrongenerator im Blockschaltbild,

Fig. 2 die Schaltung der Statorhauptwicklung und Fig. 3 die Schaltung der zugehörigen Hilfswicklung.

Der Strom, der auf Grund der Erregung der Erregermaschine in deren Ankerwicklung 31 erzeugt wird, fließt über die rotierenden Gleichrichter 32 zur Polradwicklung der Hauptmaschine und erzeugt ein entsprechendes Polradfeld, über das die im Stator untergebrachte Hauptwicklung 34 induziert wird. Es wird aber nicht nur die Hauptwicklung 34, sondern auch die neben der Hauptwicklung im Stator untergebrachte Hilfswicklung 35 induziert, mit deren Hilfe die Felderregerwicklung 36 der Erregermaschine über einen Regler 37 mit Energie versorgt wird.Die Spannungsregelung erfolgt durch den Regler 37 in üblicher Form. Im Leerlauf und im üblichen Belastungsfall wird in der Hilfswicklung 35 eine Spannung induziert, die der Klemmenspannung des Generators im wesentlichen proportional ist und nur wenig von Oberwellen beeinflußt wird. Bei Kurzschluß des Generators wird jedoch die Spannung und die Frequenz vor allem durch die Größe des Oberwellenfeldes bestimmt, das durch eine entsprechende Spulenweite der Hilfswicklung 35 berücksichtigt wird. Die im Kurzschlußfall durch die Oberwellen des Feldes induzierte Spannung sichert somit über den Regler 37, die Felderregerwicklung 36, die Ankerwicklung 31 der Erregermaschine, die Gleichrichter 32 und die Polradwicklung 33 einen Dauerkurzschlußstrom in der Hauptwicklung 34. Die Größe des Dauerkurzschlußstromes ist einerseits durch die Dimensinnierung der Drehstromerregermaschine bestimmt und kann anderseits mit dem Serienwiderstand 38 eingestellt werden.

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Wie aus Fig« 2 hervorgeht, sind in die 24 Nuten des Stators die Wicklungsstränge so eingelegt, daß sich je Pol und Phase zwei Spulen ergeben, deren Spulenweite der Polteilung T des Stators entspricht. Von den drei Wicklungssträngen ist der besseren Übersicht wegen lediglich einer dargestellt. An Stelle der gezeigten Durchmesserwicklung können selbstverständlich auch gesehnte Wicklungen ausgeführt werden.

Neben der Hauptwicklung befindet sich in den Statornuten noch eine Hilfswicklung, deren Polzahl der Polzahl der Hauptwicklung entspricht, deren Spulenweite W jedoch abweichend von der Spulenweite der Hauptwicklung gewählt ist, und zwar entspricht die Spulenweite W der Hilfswicklung gemäß Fig. 3 einem Drittel der Polteilung T des Stators. Die beiden Spulenaeiten einer Spule der Hilfswicklung liegen daher bei einer vierpoligen Maschine mit 24 Statornuten zwei Nutenschritte auseinander. Der mit einer solchen Spule verkettete Fluß induziert folglich in einer solchen Spule auch eine Spannung, wenn der mit einer Spule der Hauptwicklung verkettete Fluß verschwindend klein wird, weil die sich über eine Polteilung T zum Großteil aufhebenden Flußanteile von der Hilfswicklung erfaßt werden.

Die Hilfswicklung, die auf Grund der Feldform im Kurzschlußfall vorzugsweise auf die dritte Oberwelle des Feldes abgestimmt ist, sichert demnach einen Dauerkurzschlußstrom des Generators ohne unerwünschte Änderungen der Polgeometrie .

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Claims

BUrstenloser Synchrongenerator mit einer Erregermaschine, deren Felderregerwicklung über einen an eine gesonderte Hilfswicklung im Stator der Hauptmaschine angeschlossenen Regler gespeist ist, wobei die Polzahl der Hilfswicklung mit der Polzahl der Statorhauptwicklung übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenweite (W) der Hilfswicklung (35) höchstens der halben Polteilung (T ) des Stators, vorzugsweise einem Drittel oder einem Fünftel der Polteilung (T ),entspricht.
2. Synchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorhauptwicklung (34) und die Hilfswicklung (35) im Sinne einer unterschiedlichen Phasenlage der in ihnen induzierten Spannungen in verschiedene Nuten eingelegt sind.
3. Synchrongenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (35) dreiphasig ausgebildet ist.

h. Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (35) mit wenigstens zwei Spulen je Pol und Phase ausgeführt ist.

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ORIGINAL INSPECTED