DE2716058A1

DE2716058A1 - Buerstenlose felderregervorrichtung fuer dynamoelektrische maschinen und verfahren zum anfahren einer solchen maschine

Info

Publication number: DE2716058A1
Application number: DE19772716058
Authority: DE
Inventors: Dale I Gorden; Arthur H Hoffman; Lee A Kilgore
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-04-13
Filing date: 1977-04-09
Publication date: 1977-11-03
Also published as: FR2348594B1; JPS5942551B2; FR2348594A1; MX143575A; GB1580155A; JPS52126708A; SE7704071L; BE853540A; CH630495A5; IT1077779B; ES457712A1; US4093869A; CA1074395A

Description

Die Erfindung betrifft eine bürstenlose Felderregervorrichtung für dynamoelektrische Maschinen mit einer mehrphasigen Wechselstrom-Statorankerwicklung und einer Gleichstrom-Rotorhauptfeldwicklung sowie einer Haupterregermaschine, deren Rotorankerwicklung an die Rotorhauptfeldwicklung angeschlossen ist, sowie ein Verfahren zum Anfahren einer solchen mechanisch an eine große Trägheitslast angekoppelte dynamoelektrische Maschine.

Große Antriebsmaschinen wie z. B. für den Antrieb großer Generatoren ausgelegte Gasturbinen können nicht selbsttätig starten und müssen bis nahezu 60 % ihrer Nenndrehzahl fremd beschleunigt werden, worauf die Verbrennungsmaschine gezündet werden kann und die abgegebene Leistung zur Weiterbeschleunigung auf die Nenndrehzahl ausreicht. Typischerweise wird eine Gasturbine über Kupplungsvorrichtungen angeschlossene Maschinen,

Fs/mü

z. B. Induktions-

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ζ. B. Induktionsmotor, Startturbinen oder Dieselmotore gestartet. Diese Anlaßmaschinen sind über Getriebe zur Drehzahlerhöhung und Drehmomentumformung angeschlossen. Wenn zum Starten ein Induktionsmotor Verwendung findet, so muß dessen Größe auf etwa 6 % der Nennleistung des Turbogenerators ausgelegt sein. Wenn z. B. der Turbogenerator für einen Leistungsbereich zwischen 70 und 80 MW ausgelegt ist, wird für den Anlaßmotor eine Leistung von etwa 1 100, -- bis 1 200, -- kW erforderlich. Der Einschaltstrom eines solchen Motors liegt üblicherweise etwa beim 6-fachen der kVA - Motornennleistung , einer Leistungsanforderung, die nicht immer von dem Netz aus zur Verfügung steht, an welches der Motor angeschlossen ist.

Bei einem Kraftwerk, das mehrere Turbogeneratoren umfaßt, erfordert jeder der Turbogeneratoren eine eigene Anlaßmaschine, die nur für die kurze Anlaufzeit benötigt wird. Außerdem sind Überwachungseinrichtungen, Drehmomentwandler mit einem entsprechenden Kühlsystem sowie Übersetzungsgetriebe und Kupplungen für eine solche Anlaßmaschine erforderlich. Die Kosten, die sich für die Beschaffung und den Unterhalt solcher separater Anlaßmaschinen für jeden Turbogenerator ergeben, sind sehr hoch, so daß ein großes Interesse an Einrichtungen und Verfahren besteht, um diese Kosten wesentlich zu ve* ringern.

Es ist bereits bekannt, nicht selbststartende Antriebsmaschinen über den von ihnen angetriebenen Generator als Anlaßmaschine zu starten (US-PS 3 132 297, 3 591 844). Dieses Verfahren ist mit verhältnismäßig gutem Erfolg bei kleinen Maschinen einsetzbar wie z. B. bei Generatoren von Flugzeugen, die von der Verbrennungsmaschine angetrieben werden. Jedoch können sowohl die bekannten Einrichtungen als auch Verfahren nicht bei großen Synchrongeneratoren Anwendung finden, wie sie zur Stromerzeugung in Kraftwerken üblich sind. Eine übliche Startanordnung,

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WS84P-1579 Westinghouse. . . bei der die Erregermas chine des Synchrongenerators dazu benutzt wird, umeine große Antriebsmaschine, z.B. eine Gasturbine zu starten, ist aus der US-PS 3 809 914 bekannt. Diese Anordnung verwendet eine Kombination von Schaltern und Schleifringen, um die Erregermaschine für den Startbetrieb mit einer veränderlichen Geschwindigkeit als Schleifringläufer zu betreiben. Eine solche Anordnung kann jedoch nicht wirtschaftlich zum Starten einer Synchronmaschine mit einer bürstenlosen Felderregervorrichtung verwendet werden, da keine Schleifringe oder Schleifkontakte vorhanden sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zum Anfahren einer dynamoelektrischen Maschine bzw. zum Beschleunigen des Rotors einer solchen Maschine mit einer bürstenlosen Felderregung zu schaffen, die besonders wirtschaftlich und insbesondere bei Großanlagen kostensparend ist.

Diese Aufgabe wird für eine bürstenlose Felderregervorrichtung für dynamoelektrische Maschinen der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotorankerwicklung über eine Gleichrichteranordnung an die Rotorhauptfeldwicklung angeschlossen ist, daß auf den ausgeprägten Polen des Statorkernes zumindest teilweise zu einer Statorfeldwicklung zusammengeschaltete Feldspulen angeordnet sind, daß zumindest eine Anlaßspule zwischen den ausgeprägten Polen angeordnet ist, deren Magnetfeldachse räumlich phasenverschoben zur Magnetfeldachse der Feldspulen liegt, und daß die Anlaßspule in der Rotorankerwicklung einen Wechselstrom induziert, wenn die Anlaßspule erregt wird.

Mit einer derartigen Felderregervorrichtung ist es möglich, den Rotor einer Synchronmaschine, die mechanisch mit einer großen Trägheitslast verbunden ist, ohne Hilfsanlaßeinrichtungen wie z. B. eines Dieselmotors oder eines Induktionsmotors zu starten. Obwohl die Erfindung besondere Bedeutung für das Starten von großen nicht selbststartenden Antriebsmaschinen wie z. B. Gasturbinen hat, kann sie grundsätzlich auch zur Beschleunigung des Rotors beliebiger Synchronmaschinen

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verwendet werden, die an große Trägheitslasten angeschlossen sind. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das Starten extern be lasteter Maschinen gerichtet, vielmehr kann damit jede Synchronmaschine gestartet werden, welche eine separate Anlaßhilfe, ζ. B. in Form eines großen phasenschiebenden Kondensators benötigt.

Für eine spezielle Anwendung der Erfindung ist die Synchronmaschine in Form eines Turbogenerators mit ihrem Rotor mechanisch an eine große Trägheitslast in Form einer Gasturbinen-Antriebsmaschine gekoppelt. Diese Generator-Antriebskombination wird durch das Anschließen der Statorwicklung des Generators an eine Wechselstromversorgung mit niederer Frequenz gestartet. DieFrequenz dieses Wechselstromes wird allmählich erhöht, bis der Rotor auf eine Geschwindigkeit beschleunigt ist, bei der die Antriebsleistung der Antriebsturbine das Anlaufwiderstandsdrehmoment übersteigt, worauf der an die Statorwicklung des Generators angelegte Strom abgeschaltet wird.

Um einen Synchrongenerator mit dem erwähnten Synchronverfahren zu starten, ist es notwendig, daß ein Gleichstrom während der gesamten Anlaufperiode an der Feldwicklung anliegt, wenn die Statorwicklung mit dem Erregerstrom niederer Frequenz beaufschlagt ist. Bei Generatoren mit Kollektorschleifringen bereitet dies keine Schwierigkeiten. Wenn jedoch Turbogeneratoren mit bürstenlosen Erregermaschinen mit einem Erregerstrom beaufschlagt werden, wird dieser von einem bürstenlosen Wechselstromgenerator geliefert, der eine rotierende Ankerwicklung und eine rotierende Gleichrichteranordnung umfaßt. Bei dieser Generatorart ist der Gleichstrom am Ausgang der Gleichrichteranordnung in der Regel proportional der Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle. Daraus ergibt sich, daß der Gleichstrom den Wert Null annimmt, wenn sich die Welle nicht dreht und kein mechanisches Drehmoment erzeugt wird, da am Rotor kein magnetisches Feld wirksam ist, das mit dem Magnetfeld des Stators

in Wechsel-

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in Wechselwirkung treten könnte.

Gemäß der Erfindung wird eine Gleichstromfelderregung für die Feldwicklung des Synchrongenerators in einer Weise vorgesehen, die unabhängig ist von der Drehung der Rotorwelle, so daß für den Anker der Erregermaschine eine für den Start aus dem Stillstand oder einer sehr niederen Umlaufgeschwindigkeit ausreichende Erregung vorhanden ist. Dieser Erregerstrom wird aufgrund einer induktiven Transformation erhalten. Zu diesem Zweck wird eine Wechselstrom-Feldwicklung zwischen die existierenden ausgeprägten Pole der Gleichstromstatorfeldwicklung einer bürstenlosen Erregermaschine angeordnet. Die existierende Feldwicklung auf den ausgeprägten Polen kann hierfür nicht benutzt werden, da ihr induktiver Blindwiderstand bei den üblichen Betriebsfrequenzen das Anlegen einer sehr hohen Spannung notwendig machen würde. Wenn die Gleichstromfeldwicklung für eine Spannung mit einer niederen Frequenz, z. B. 60 Hz, ausgelegt wäre, würde der bei normaler Erregung erforderliche Gleichstrom wegen der relativ kleinen Windungszahl, verglichen mit der Gleichstromwicklung, unzulässig hoch sein.

Die Wechselstromfeldwicklung, d. h. die Anlaßspule gemäß der Erfindung ist in einer räumlich verschobenen Phasenlage zur Gleichstromfeldwicklung, d.h. der Rotorankerwicklung angeordnet. Dabei ist diese Gleichstromfeldwicklung auf den ausgeprägten Polen in der Weise angebracht, daß die Magnetfeldachse mit der Achse der Pole zusammenfällt. Bei dieser Anordnung induziert das Wechselstromfeld, welches von der phasenverschoben angeordneten Anlaßwicklung erzeugt wird, keine Spannungen in der Gleichstromfeldwicklung, die damit während der Anlaufphase nicht wirksam ist. Derartige Induktionsspannungen in der Gleichstromfeldwicklung wären auch nicht wünschenswert, da sie die Isolierung bzw. andere Komponenten der bürstenlosen Gleichstromerregerschaltung beschädigen könnten.

Es

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Es wird bevorzugt, daß der durch die Anlaßspule fließende Erregerstrom ein Einphasenwechselstrom herkömmlicher Netzfrequenz ist. Der von dem einphasigen Wechselstrom in der Ankerwicklung der Haupterregermaschine erzeugte Magnetfluß führt zu ungleichen Spannungen in der Dreiphasen-Ankerwicklung des Rotors. Jedoch während der kurzen für die Beschleunigung des Synchrongenerator Gasturbinenaggregates benötigten Zeit in der Größenordnung von etwa fünf Minuten kann ein Wechselstrom an diese Wicklung angelegt werden, um einen genügend großen Magnetfluß imLuftspalt auszulösen, so daß an die Generatorfeldwicklung ein ausreichend hoher Erregergleichstrom geliefert wird, der in der Regel bei etwa 20 % des Laststromes liegt, um den synchronen Start ohne ein Beschädigungsrisiko für den Anker der bürstenlosen Erregermaschine bzw. dem Anker zugeordneter Komponenten vornehmen zu können.

Das Verfahren zum Anfahren einer dynamoelektrischen Maschine bzw. zum Beschleunigen des Rotors einer solchen Maschine, die mit einer mehrphasigen Wechselstrom-Statorankerwicklung und einer Gleichstrom-Rotorhauptfeldwicklung sowie einer Haupterregermaschine versehen ist, deren Rotorankerwicklung über Gleichrichter an die Rotorhauptfeldwicklung angeschlossen ist, sieht deshalb gemäß der Erfindung vor, daß die Rotorhauptfeldwicklung mit einem Gleichstrom erregt wird, um ein statisches Magnetfeld aufzubauen, daß die Statorankerwicklung mit einem mehrphasigen Wechselstrom zum Aufbau eines umlaufenden dynamischen Magnetfeldes beaufschlagt wird, wobei die Umlaufgeschwindigkeit proportional der Frequenz des angelegten mehrphasigen Wechselstromes ist, und daß die Frequenz des zur Erregung angelegten mehrphasigen Wechselstromes im wesentlichen von der Frequenz Null auf eine höhere Frequenz veränderbar ist, bis der Rotor auf eine bestimmte vorgegebene Drehzahl beschleunigt hat.

Weitere

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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 dasPrinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der ; Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Synchrongenerators einer bürstenlosen Erregermaschine mit einer in phasenverschobener Lage angebrachten Wechselstromwicklung;

Fig. 3 in teilweiser Ansicht die schematische Anordnung der Statorwicklung des Synchrongenerators gemäß Fig. 2;

Fig. 4 das Prinzipschaltbild einer weiteren Anwendungsform der Erfindung in einer Kraftwerksanlage mit einer Vielzahl von Gasturbinengeneratoren.

In Fig. 1 ist eine große Synchronmaschine 10 z.B. in Form eines großen Synchrongenerators dargestellt, der über ein bürstenloses Erregersystem 12 erregt wird und eine Wechselstrom-Erregermaschine 14 sowie eine rotierende Gleichrichteranordnung 16 umfaßt, welche auf einer gemeinsamen mit einer großen Trägheitslast verbundenen Welle 18 montiert ist. Diese Trägheitslast kann z. B. eine Gasturbinen-Antriebsmaschine 20 sein. Die Wechselstrom-Erregermaschine 14 hat eine Statorfeldwicklung 22 und eine Rotorankerwicklung 24, die als Dreiphasenwicklung in radiale Schlitze des Kernes 25 auf der Welle 18 eingelegt ist und sich daher mit der Rotorhauptfeldwicklung 26 der

Synchron-

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Synchronmaschine 10 dreht. Die Rotorankerwicklung 24 ist mit der rotierenden Gleichrichteranordnung 16 verbunden, die seinerseits aus einer Vielzahl von in herkömmlicher Brückenanordnung geschalteten Gleichrichtern 28 und Sicherungen 30 verbunden ist. An den Ausgängen der Gleichrichteranordnung \"ird ein Gleichstrom zur Erregung der Rotorhauptfeldwicklung 26 abgegeben. Dieser durch die Rotorhauptfeldwicklung fließende Erregergleichstrom erzeugt ein magnetisches Feld, welches einen Induktionsstrom innerhalb der Statorankerwicklung 32 der Synchronmaschine 10 auslöst, wenn das Erregersystem von der Antriebsmaschine 20 in Drehung versetzt wird.

Die Felderregung für die Wechselstrom-Erregermaschine 14 liefert eine Piloterregermaschine 34 mit einem Permanentmagnetfeld 36, die ebenfalls mechanisch mit der Welle 18 der Antriebsmaschine 20 verbunden ist. Durch die Drehung der Welle 18 dreht sich das Permanentmagnetfeld innerhalb einer Ringankerwicklung 38, in der das Permanentmagnetfeld in herkömmlicher Weise einen Wechselstrom induziert. Die Ausgangsklemmen der Ringankerwicklung 38 der Piloterregermaschine sind mit einem Regler 40 verbunden, der den mehrphasigen Erregerwechselstrom von der Ringankerwicklung in einen Erregergleichstrom umwandelt, der an die Statorfeldwicklung 22 angelegt wird. Das Aus gangs signal des Reglers 40 ist abhängig von einem Stromsignal 42 und einem Spannungssignal 44, welche mit Hilfe eines mit einem Zweig der Statorankerwicklung 32 verbundenen Stromtransformators 46 sowie Spannungs trans formators48 erzeugt werden. Der Erregergleichstrom vom Regler 40 ist zum Zwecke der Regelung generell proportional einer vorgegebenen Funktion des ausgangsseitigen Leistungsniveaus der Statorankerwicklung 32 des turbinengetriebenen Generators.

In Fig. 2 ist in schematischer Darstellung und teilweise geschnitten die Wechselstrom-Erregermaschine 14 gezeigt, deren Statorkern 50 eine

Vielzahl

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Vielzahl von ausgeprägten Polen 52 aufweist, die konzentrisch auf der Innenseite um den Anker herum angeordnet sind. Jeder der ausgeprägten Pole 52 ist von einer Feldwicklung 56 umgeben, und zwar vorzugsweise in einer Ebene, die parallel zur Achse des Ankers verläuft. Jede Feldwicklung 56 besteht aus einer Vielzahl von Feldspulen 57, die in Serie hintereinander geschaltet sind und die Feldwicklung darstellen. Wenn diese Feldspulen 57 mit Gleichstrom vom Regler 40 erregt werden, entsteht in den ausgeprägten Polen 52 ein magnetisches Feld mit Magnetpolen alternierender Polarität. Durch dieses magnetische Feld wird ein Wechselstrom in der mehrphasigen Rotorankerwicklung 24 erzeugt, womit sich der Anker auf der Welle 18 innerhalb des Statorkernes 50 der Wechselstromerregermaschine 14 dreht. Die Magnetflußlinien durchdringen den Luftspalt 58 zwischen dem Statorkern 50 und dem Ankerkern 25 und verlaufen durch die ausgeprägten Pole 52 im wesentlichen längs der Polachsen, wie sie durch die Linie 60 angedeutet ist.

Zwischen benachbarten ausgeprägten Polen 52 sind Anlaßspulen 62 angeordnet, deren Magnetfeldachse räumlich phasenverschoben zu den durch die Linie 60 gekennzeichneten Magnetfeldachsen des von den Feldspulen 75 erzeugten Magnetfeldes stehen. Diese räumlich phasenverschobenen Magnetfeldachsen des von der Anlaßspule 62 erzeugten Wechselstromes sind mit der Linie 64 angedeutet. Die Anlaßspule 62 besteht aus einer Vielzahl von Windungen, die in Schlitze im Zentrumsbereich der Polfläche eines jeden ausgeprägten Poles 52 angeordnet sind. Diese Spule erstreckt sich über den Raum zwischen benachbart liegenden Polen und der jeweils zugeordneten Feldspule 57. Die Magnetfeldachse der Wechselstrom-Anlaßspule 62 ist, wie bereits erwähnt, räumlich phasenverschoben zur Magnetfeldachse der Gleichstrom-Feldspulen 57 angeordnet, so daß das erzeugte Wechselstromfeld bei der Erregung der Anlaßspule keine Spannungen in der Gleichstrom-Feldwicklung 56 induziert, die während der Anlaufphase inaktiv ist. Derartige Induktionsspannungen

können

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könnten Beschädigungen an der Isolation der Gleichstrom-Feldwicklung oder auch an anderen Komponenten wie z.B. an Dioden oder Thyristoren in der Gleichstromerregerschaltung auslösen. Da die Feldwicklung 56 während der Startphase nicht erregt ist, sind die ausgeprägten Pole 52 auch nicht magnetisiert, wie man aus der Darstellung gemäß Fig. 3 aus dem Verlauf der Magnetflußlinien 70 entnehmen kann, die gestrichelt eingezeichnet sind. Diese Magnetflußlinien gehen von der Anlaßspule 62 zugeordneten Polen zu einer gegebenen Zeit aus.

Da die Spannung innerhalb der Rotorankerwicklung 24 durch Iransformatorische Induktion entsteht, ist keine Drehung der Welle 18 erforderlich, um die Gleichstromerregung für die Rotorhauptfeldwicklung 26 zu erhalten. Der an die Anlaßspule 62 angelegte Wechselstrom kann die übliche Netzfrequenz haben und sollte mit einer ausreichend großen Amplitude zugeführt werden, damit eine ausreichende Gleichstromerregung in der Rotorhauptfeldwicklung 26 ausgelöst wird. Ein einphasiger Wechselfluß bedingt in der Dreiphasenrotorankerwicklung die Entstehung ungleicher Spannungen. Da jedoch die erforderliche Zeitdauer zum Beschleunigen der Antriebsmaschine ζ. Β. bei Gasturbinen verhältnismäßig kurz ist, haben diese ungleichen Ströme in der Regel keinen schädlichen Einfluß.

Wenn die Welle 18 der Antriebsmaschine eine Drehzahl erreicht hat, die ausreicht, daß die Antriebsmaschine nunmehr mit eigener Kraft bis zur Betriebsdrehzahl beschleunigen kann, dann wird die Rotorhauptfeldwicklung 26 durch einen Gleichstrom erregt, der von der rotierenden Gleichrichteranordnung 16 in Abhängigkeit von dem in der Rotorankerwicklung 24 erzeugten Wechselstrom zufließt. Dieser in der Rotorankerwicklung 24 induzierte Wechselstrom ergibt sich aufgrund der Erregung durch den einphasigen Wechselstrom, der der Anlaß-

spule

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spule 62 zugeführt wird, die, wie erwähnt, räumlich phasenverschoben zu den Gleichstrom-Feldwicklungen 56 zwischen den ausgeprägten Polen 52 des Statorkernes 50 in der Erregermaschine 14 angeordnet

Sobald das Statorfeld durch den über die Rotorhauptfeldwicklung 26 fließenden Gleichstrom aufgebaut ist, wird die Synchronmaschine 12 durch das Anlegen eines mehrphasigen Wechselstromes an die Statorankerwicklung 32 synchron gestartet, um das dynamische Magnetfeld aufzubauen, das mit einer der Frequenz der angelegten Erregung proportionalen Geschwindigkeit umläuft. Die Frequenz der angelegten Erregung wird im wesentlichen von der Frequenz Null auf eine höhere Frequenz angehoben, bis sich die Welle 18 auf eine bestimmte Rotations geschwindigkeit beschleunigt hat. Auch die Amplitude der angelegten Erregung wird proportional zur Frequenz vergrößert. Die mehrphasige Erregung mit veränderlicher Frequenz wird von einem Steuerumrichter 80 geliefert, der an seinen Eingangsklemmen mit einem mehrphasigen Wechselstrom beaufschlagt wird, z. B. mit den Phasen A, B und C, die mit einem Phasenunterschied von 120 angelegt werden, und an seinem Ausgang ein mehrphasiges Erregersignal liefert, dessen Phasen ebenfalls um 120 gegeneinander verschoben sind und dessen Amplitude einstellbar sowie dessen Frequenz im wesentlichen vom Wert Null bis auf den Wert der Netzfrequenz des eingangsseitigen Signals verändert werden kann.

Das Anlegen der mehrphasigen Wechselstromerregung an die Statorankerwicklung 32 baut das rotierende Magnetfeld auf, das mit dem von der Rotorhauptfeldwicklung 26 erzeugten statischen Magnetfeld in Wechselbeziehung tritt. Das Ausgangssignal des Steuerumrichters 80 wird schrittweise und kontinuierlich vergrößert, bis die Turbine auf die Geschwindigkeit beschleunigt ist, bei welcher die Turbinenleistung das Anlaßwiderstandsmoment übersteigt. Von diesem Augenblick an wird

der an die

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der an die Statorankerwicklung 32 angelegte Strom abgeschaltet. \uch die Erregung der Anlaßspule wird abgeschaltet, sobald die Nenndrehzahl erreicht ist.

Das Anlassen mit voller Spannung, wie dies herkömmlich üblich ist, eignet sich nicht für die vorliegende Anwendung, da für hohe Geschwindigkeiten ausgelegte zylindrische Rotoren die Energie nicht aufnehmen können, die beim Beschleunigen einer großen Trägheitslast, wie z. B. einer Gas turbine-Antriebsmaschine von der Geschwindigkeit Null ausgehend auf treten. Die Statorspannung kann nicht wesentlich verringert werden, da das Anlauf drehmoment nicht ausreichen würde, um die von der Gasturbine dargestellte Last vor ihrer Zündung anzutreiben. Außerdem kann die Stator- wicklung, die mit dem Starten unter voller Spannung bei normaler Amplitude und Frequenz infolge der großen aufgebrachten Energie verbundenen Kräfte nicht sicher absorbieren. Jedoch, wenn die Spannung proportional der Frequenz und mit einer anfänglich geringen Frequenz angelegt und langsam die Amplitude und Frequenz der Statorerregung in der vorausstehend be schriebenen Weise vergrößert wird, kann der Gasturbinengenerator synchron gestartet werden, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung der Statorwicklung oder von Rotorteilen besteht.

In Fig. 4 ist eine Anwendung der Erfindung für ein Kraftwerk mit mehreren Gasturbinengeneratoren dargestellt. Aus der Darstellung ist zu entnehmen, daß mit einem einzigen Steuerumrichter 80 und einer einzigen Hilfswechselstromquelle das Starten einer Vielzahl von Gasturbinenantriebsmaschinen 20 möglich ist, wobei jede der Synchronmaschinen 10 ein bürstenloses Erregersystem 12 hat, das mit einer räumlich phasen verschobenen Wechselstrom-Anlaßspule 62 versehen ist. Diese Kombination ermöglicht, daß auf einen individuellen Starter für jede Gasturbine verzichtet werden kann, womit sich der Kapitalaufwand bei der Installation derartiger Anlagen erheblich verringern läßt.

Patentansprüche

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Xßürstenlose Felderregervorrichtung für dynamoelektrische ---^Maschinen mit einer mehrphasigen Wechselstrom-Statorankerwicklung und einer Gleichstrom-Rotorhauptfeldwicklung sowie einer Haupterregermaschine, deren Rotorankerwicklung an die Rotorhauptfeldwicklung angeschlossen ist, und ferner mit einem eine Vielzahl von ausgeprägten Polen tragenden Statorkern, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorankerwicklung (24) über eine Gleichrichteranordnung (16) an die Rotorhauptfeldwicklung (26) angeschlossen ist, daß auf den ausgeprägten Polen (52) des Statorkernes zumindest teilweise zu einer Statorfeldwicklung (22) zusammengeschaltete Feldspulen (57) angeordnet sind, daß zumindest eine Anlaßspule (62) zwischen den ausgeprägten Polen (52) angeordnet ist, deren Magnetfeldachse (64) räumlich phasenverschoben zur Magnetfeldachse (60) der Feldspulen (57) liegt, und daß die Anlaßspule in der Rotorankerwicklung (24) einen Wechselstrom induziert, wenn die Anlaßspule erregt wird.

2. Bürstenlose Felderregervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßspule (62) während der Anlaufphase der dynamoelektrischen Maschine mit einem Erregerwechselstrom beaufschlagt ist, und daß Einrichtungen (80) vorhanden sind, mit welchen in die Rotorankerwicklung (24) während

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der Anlaufphase der Maschine ein Erregerwechselstrom mit veränderlicher Frequenz einspeisbar ist.

3. Bürstenlose Felderregervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Erregerwechselstrom mit veränderlicher Frequenz liefernden Einrichtungen ein Steuerumrichter (80) ist, der eingangsseitig mit einem mehrphasigen Wechselstrom von einer Leistungsstromquelle beaufschlagt ist und ausgangsseitig einen mehrphasigen Erregerwechselstrom an die Statorankerwicklung (32) liefert, und daß der Steuerumrichter den eingangsseitigen mehrphasigen Wechselstrom mit gegebener Amplitude und gegebener Frequenz in einen ausgangsseitigen mehrphasigen Erregerwechselstrom umwandelt, dessen Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches und dessen Amplitude innerhalb eines vorgegebenen Amplitudenbereiches veränderbar ist.

4. BHrstenlose Felderregervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Achse (18) der dynamoelektrischen Maschine eine große Trägheitslast mechanisch gekoppelt ist und sich mit der Achse dreht.

5. Bürstenlose Felderregervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die große Trägheitslast eine Gasturbinen-Antriebsmaschine (20) ist.

6. Bürstenlose Felderregervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (18)der dynamoelektrischen Maschine ein Anker angeordnet ist, dessen zugeordneter Stator eine Vielzahl von ausgeprägten Polen (52) in kon-

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zentrischer Anordnung über den inneren Umfang des Stators verteilt aufweist, daß zumindest auf einem Teil der ausgeprägten Pole zu einer Statorfeldwicklung (22) zusammengeschaltete Feldspul en (57) angeordnet sind, und daß Wechselstrominduktionsspulen zwischen benachbarte ausgeprägte Pole eingefügt sind.

7. Bürstenlose Felderregervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfswechselstromquelle (75) vorhanden ist, die bei stehendem Rotor durch magnetische Induktion einen Erregerwechselstrom in der Rotorankerwicklung (24) erzeugt, der über die Gleichrichter (28) zur Rotorhauptfeldwicklung (26) übertragen eine Gleichstromerregung, unabhängig von der Drehung des Rotors, bewirkt, um den Rotor aus dem Stand heraus bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Wechselwirkung zwischen dem statischen, durch die Rotorhauptfeldwicklung erzeugten Magnetfeld und dem in Abhängigkeit von dem mehrphasigen Erregerwechselstrom in der Statorankerwicklung erzeugten umlaufenden Magnetfeld zu beschleunigen, wobei die Frequenz des mehrphasigen Erregerwechselstromes von einer im wesentlichen bei Null liegenden Frequenz aus auf eine höhere Frequenz geändert wird, die der Drehung des Rotors bei einer im wesentlichen der Betriebsfrequenz entsprechenden Geschwindigkeit entspricht.

8. Verfahren zum Anfahren einer dynamoelektrischen Maschine bzw. zum Beschleunigen des Rotors einersolchen Maschine, die mit einer mehrphasigen Wechselstrom-Statorankerwicklung und einer Gleichstrom-Rotorhauptfeldwicklung sowie einer Haupterregermaschine versehen ist, deren Rotorankerwicklung an die Rotorhauptfeldwicklung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorhauptfeldwicklung mit einem Gleichstrom erregt

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wird, um ein statisches Magnetfeld aufzubauen, daß die Statorankerwicklung (32) mit einem mehrphasigen Wechselstrom zum Aufbau eines umlaufenden dynamischen Magnetfeldes beaufschlagt wird, wobei die Umlaufgeschwindigkeit proportional der Frequenz des angelegten mehrphasigen Wechselstromes ist, und daß die Frequenz des zur Erregung angelegten mehrphasigen Wechselstromes im wesentlichen von der Frequenz 0 auf eine höhere Frequenz veränderbar ist, bis der Rotor auf eine bestimmte vorgegebene Drehzahl beschleunigt hat.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorankerwicklung (24) einer Bürstenerregermaschine zugeordnet ist, die einen Generator umfaßt, dessen gleichstrombeaufschlagte Statorfeldwicklung räumlich phasenverschoben zu einer wechselstrombeaufschlagten Anlaßspule angeordnet ist, und daß die Erregung der Statorfeldwicklung (22) durch die Wechselstrombeaufschlagung der Anlaßspule (62) erfolgt, wodurch ein Wechselstrom in der Rotorankerwicklung entsteht, der über die rotierende Gleichrichteranordnung die Rotorhauptfeldwicklung mit einem Erregergleichstrom versorgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mechanisch mit dem rotierenden Teil der Antriebsmaschine (20) gekoppelt ist, und daß die Frequenz des angelegten mehrphasigen Erregerwechselstromes kontinuierlich erhöht wird, bis der Rotor der Antriebsmaschine auf eine Drehgeschwindigkeit beschleunigt ist, bei der das Anlaufwiderstandsdrehmoment der Maschine kleiner als das ausgangsseitige Leistungsdrehmoment der Antriebsmaschine ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des zur Erregung angelegten mehr-

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phasigen Wechselstromes proportional zur Frequenz vergrößert wird.

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