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Asynchrongenerator
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Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-durchflossene Ringwicklung
zur Erzeugung eines magnetischen Gleichflusses im Ständerblechpaket kondensatorerregter
Asynchrongeneratoren zur Beeinflussung der Betriebseigenschaften bei unterschiedlicher
Belastung, wobei das mit der Ringwicklung allein verkettete magnetische Feld nur
im Ständerjoch verläuft.
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Beim Betrieb von elektrischen Maschinen tritt je nach Belastungszustand
in der Regel eine mehr oder minder starke enderung des magnetischen Feldes ein,
wodurch sich die Betriebseigenschaften der Maschine verändern. Für bestimmte technische
Aufgabenstellungen, so z.B. im Inselbetrieb eines über Kondensatoren selbsterregten
Asynchrongenerators, kann es zweckmäßig sein, die magnetischen Eigenschaften der
Maschine, insbesondere den Sättigungzustand im Eisen, gezielt zu beeinflussen.
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Beim kondensatorerregten Asynchrongenerator werden Kapazitäten parallel
zu den Maschinenklemmen geschaltet. Selbsterregung tritt nur ein, wenn sich für
die näherungsweise generierte Frequenz der Drehung f = p n, mit p = Polpaarzahl
der Maschine, n = Drehzahl, ein stabiler Schnittpunkt
zwischen der
Leerlaufkennlinie des Asynchrongenerators und der Kondensator-Geraden einstellt
(ETZ-A Bd. 76 (1955), S. 769 ff., Bild 2c).
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Asynchronmaschinen besitzen vom physikalischen Wirkungsprinzip her
die Eigenschaft, daß bei starrer Klemmenspannung der zur Magnetisierung benötigte
Blindstrom bei Leerlauf minimal ist. Hieraus folgt unmittelbar, daß beim kondensatorerregten
Asynchrongenerator der lastabhängige Blindstrom nur zur Verfügung gestellt werden
kann, wenn mit zunehmender Belastung die Klemmenspannung des Generators sinkt. Der
Spannungsabfall mit zunehmender Belastung wird um so kleiner, je stärker gekrümmt
die Leerlaufkennlinie des verwendeten Generators verläuft. Dies muß bei der Maschinenauslegung
berücksichtigt werden.
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Im praktischen Betrieb eines Generators stellt sich häufig die Forderung
nach einem von der natürlichen Kennlinie abweichenden Verhalten, z.B. nach einer
größeren Spannungs-Konstanz. Bei Anlagen mit Synchron-Generatoren kann diese Forderung
leicht durch Ändern des Erregerstromes erfüllt werden. Für Anlagen mit kondensatorerregten
Asynchrongeneratoren wurden mehrere Lösungsvorschläge bekannt, denen jedoch mehr
oder minder große technische und/oder wirtschaftliche Nachteile anhaften.
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Man kann beispielsweise die Eigenschaften eines kondensatorerregten
Asynchrongenerators mit Hilfe von sog. Stütz-Kondensatoren verändern (s. Th. Bödefeld,
H. Sequenz "Elektrische Maschinen" 6. Auflage, Springer-Verlag Wien, 1962, S. 279).
Hierbei müssen abhängig vom Belastungszustand Kondensatoren zu- bzw. abgeschaltet
werden. Der Vorschlag fand keinen Eingang in die Praxis, weil eine Änderung nur
in Stufen möglich ist, mit wachsender Zahl von Stufen der Aufwand für die Schaltanlage
stark zunimmt und
aus dem Schalten von Kondensatoren erhebliche
Stoßspannungs-Beanspruchungen erwachsen können.
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Nach einem Vorschlag von Kümmel (F. Kümmel: "Verbesserung der Betriebseigenschaften
von kondensatorerregten Asynchrongeneratoren durch Sättigungsdrosseln", Siemens-Zeitschrift,
Bd. 29, 1955, S. 333 bis 341) wird parallel zu den Maschinenklemmen eine hochgesättigte
Drossel geschaltet, welche aus Blechen mit möglichst rechteckiger Magnetisierungskennlinie
aufgebaut ist und den Sättigungsknick dicht unterhalb der Nennspannung besitzt.
Die Kondensatorbatterie muß bei dieser Lösung die induktive Blindleistung des Generators
und der Drossel liefern und entsprechend groß dimensioniert sein. Der Vorteil der
Anordnung liegt darin, daß bei geringem Spannungsabfall der Magnetisierungsbedarf
der Drossel stark zurückgeht und auf diese Weise eine große Spannungs-Konstanz des
Asynchrongenerators realisierbar ist.
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Nachteilig sind jedoch die hohen Kosten für die Drossel und die Kondensatorbatterie
sowie u.U. die aus den Nichtlinearitäten entstehenden Verzerrungen der Kurvenformen
von Spannung und Strom. Der Oberschwingungsgehalt kann nur durch aufwendige Sonderschaltungen
von sog. oberwellenfreien Sättigungsdrosseln vermieden werden.
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Nach einem weiteren Vorschlag (J. Casel und H. Knitterscheidt: " Asynchrongeneratoren
der Zukunft", etz, Bd. 102 (1981), S. 139-141 und S. 1101 - 1103 sowie DE-AS 26
46 550) wird das Ständerblechpaket des Asynchrongenerators in zwei Teil-Blechpakete
aufgespalten, welche mit axialem Abstand voneinander im Gehäuse angeordnet sind.
In dem Zwischenraum ist eine den Läufer ringförmig umschlingende Gleichstrom-gespeiste
Spule angeordnet. Das von der Ringspule erregte magnetische Feld nimmt den Weg über
beide Teil-Blechpakete des Ständers und über den Luftspalt zum Läufer, verläuft
zwischen den Blechpaketen in axialer Richtung in
der Welle und dem
Motorgehäuse und schließt sich über die Lager und Lagerschilde. Innerhalb der von
den Drehstromwicklungen elektromagnetisch beaufschlagten Teil-Maschinen (Zähne und
Joche von Ständer und Läufer) tritt eine Überlagerung der von den Drehstromwicklungen
erregten Felder und des Feldes der Ringspule ein. Die Feldvektoren verlaufen in
den einzelnen Maschinenteilen teils parallel, teils schließen sie einen Winkel von
90" ein. Je nach Größe des in der Ringspule fließenden Gleichstromes ändert sich
der Magnetisierungsbedarf der Drehstromwicklung, und dieser Effekt soll für den
Aufbau eines selbstregelnden Generators ausgenutzt werden. Die beschriebene Anordnung
ist auch bereits in der DE-AS 10 95 387 vorgeschlagen worden. Die Nachteile der
Anordnung liegen in dem außerordentlich komplizierten Aufbau des Ständers (z.B.
zweigeteiltes Blechpaket, große axiale Länge von Gehäuse und Drehstromwicklung,
Ringwicklung mit Stützkörper und magnetischem Rückschluß), welcher sich grundlegend
vom üblichen Aufbau in Drehstrommaschinen unterscheidet, sowie in der Gefahr, daß
der nach dem Wirkungsprinzip entstehende Wellenfluß im Aktivteil durch unvermeidliche
Fertigungseinflüsse Lagerströme nach sich zieht, sofern der Wellenfluß nicht durch
meist aufwendige Maßnahmen wie Lagerschilde aus magnetisch nicht leitfähigem Material
unterdrückt wird. Da der von der Ringspule erregte Magnetfluß zweimal den Weg über
den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer nimmt, ist eine hohe Durchflutung erforderlich,
die viel Kupfer bedingt.
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In der DE-OS 15 63 336 ist zur Steuerung der Maschinenreaktanzen eine
Gleichstrom-durchflossene Ringwicklung vorgesehen, die dem Ständerblechpaket eine
veränderbare tangentiale Vormagnetisierung erteilt. Es wird als vorteilhaft angesehen,
diese Vormagnetisierungswicklung zumindest teilweise mit den Drehstromwicklungen
bzw. mit separaten Wechselstrom-durchflossenen Erregerwicklungen zu
vereinigen.
Die von den Nutzflüssen in der Ringwicklung induzierten Wechselspannungen sollen
sich bei gleichmäßig über den Umfang verteilter Wicklung aufheben. Aus der Offenlegungsschrift
erfährt der Fachmann aber nicht, wie dieses Ziel konkret erreicht werden soll, denn
die angegebenen Beispiele führen nicht zu dem angestrebten Ziel.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten
Nachteile bekannter Lösungen eine Ringwicklung anzugeben, die es ohne grundsätzliche
Änderung des konventionellen Aufbaus von Asynchronmaschinen und ohne zusätzliche
äußere Bauelemente, wie Drosseln, gestattet, die Betriebseigenschaften von kondensatorerregten
Asynchrongeneratoren bei unterschiedlicher Belastung zu beeinflussen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Ringwicklung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß nur bei ganz bestimmter
Bemessung der Wicklung die gewünschte Kompensation der Nutzflüsse eintritt, insbesondere
auch unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Nutzflüsse sich aus Komponenten
mit unterschiedlichen Polpaarzahlen und Frequenzen zusammensetzen.
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Nach der Erfindung soll die aus einer oder mehreren Teilwicklungen
gebildete Ringwicklung, deren Teilwicklungen gleichmäßig oder ungleichmäßig am Umfang
verteilt sind und jeweils aus einer oder mehreren Windungen bestehen, so ausgelegt
sein, daß in ihr durch die im Generator vorhandenen Wechsel- und Drehfelder keine
bzw.
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eine minimale Spannung induziert wird. Die Wicklung wird mit Gleichstrom
gespeist. Dadurch wird ein zusätzlicher magnetischer Gleichfluß im Ständerjoch erzeugt.
Dieser Gleichfluß schließt sich ringförmig im Ständerjoch und überlagert sich den
durch die Drehstromwicklung des Generators erzeugten Wechselflüssen im Joch.
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Gemäß der Erfindung wird die Bemessung und Anordnung einer Gleichstrom-durchflossenen
Wicklung vorgeschlagen, durch die mit geringstmöglichen Aufwand die gewünschte Änderung
der Leerlaufkennlinie einer Asynchronmaschine erreicht wird, ohne daß in dieser
Wicklung unerwünschte Wechselströme auftreten. Dabei unterscheiden sich weder der
Aktivteil noch die inaktiven Konstruktionsteile des Generators von der üblichen
Ausführung. Es muß zusätzlich nur eine das Ständerjoch umschließende Gleichstrom-durchflossene
Wicklung gemäß den Auslegungskriterien nach der Erfindung eingebaut werden.
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Der Platzbedarf und das Kupfervolumen der erfindungsgemäß ausgelegten
Gleichstrom-durchflossenen Wicklung sind gemessen an der Drehstromwicklung gegenüber
einem Teil der bekannten Lösungen klein, weil die Wicklung keine Luftspalte zu magnetisieren
hat.
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Die der Bohrung zugewandten Spulenseiten der Wicklung können in die
vorhandenen Nuten des Ständerblechpaketes am Nutgrund oder unter dem Verschlußkeil
eingelegt werden.
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Die Anordnung unter dem Keil empfiehlt sich bei nachträglichem Einbau
der Gleichstrom-durchflossenen Wicklung in die bereits fertige Maschine. Die zweite
Spulenseite der Zusatzwicklung liegt am Rücken des Ständerblechpaketes.
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Wenn im Einzelfall aus Gründen des Aufwandes die Ringwicklung nach
der Erfindung so bemessen wird, daß die von den Wechsel- bzw. Drehfeldern, die in
der Maschine über das Maschinenhauptfeld, die Wicklungsoberfelder und das Zahnsättigungsfeld
hinaus auftreten, in ihr induzierten Spannungen nicht exakt Null sind, so kann nach
der Erfindung zur Unterdrückung von Wechselströmen eine Glättungsdrossel in den
Gleichstromkreis geschaltet werden.
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Der gewünschte Gleichfluß im Ständerjoch macht eine bestimmte Durchflutung
der Gleichstrom-durchflossenen Wicklung erforderlich. Da die Drehstromwicklung das
Volumen aller Nuten am Umfang gleichmäßig beaufschlagt, bietet sich im Hinblick
auf die Modellausnutzung auch für die Zusatzwicklung eine symmetrische Verteilung
über den Umfang an.
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Figur 1 zeigt beispielhaft eine Anordnung der Wicklung mit D gleichmäßig
über den Umfang verteilt angeordneter Windungen. Wenn hierbei der Faktor
zu Null wird, so induzieren alle diejenigen Wechsel- und Drehfelder mit den Polpaarzahlen
V , für welche diese Bedingung erfüllt ist, in der Zusatzwicklung keine Spannung.
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Nach der Erfindung soll für das Maschinenhauptfeld V = die Wicklungsoberfelder
V= p (1 + 2 mg) (g = + 1, + 2, + 3, ...; m = Strangzahl) und das Zahnsättigungsfeld
u= 3p die Bedingung f = O und die übrigen vorkommenden Wechsel-und Dreh-Induktionsfelder
die Bedingung 9 = minimal er-9 füllt sein. Die angegebene Gleichung für die Polpaarzahlen
der Wicklungsfelder gilt für Drehstrom-Ganzlochwicklungen.
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Bei Verwendung einer anderen Wicklungsart, ist die angegebene Gleichung
sinngemäß durch die für diese Wicklungsart geltende Beziehung zu ersetzen.
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Alle vorstehend genannten Wirkungen bleiben auch erhalten, wenn sich
die beschriebene Anordnung K-mal am Umfang wiederholt, und alle K Teilwicklungen
in Reihen- oder Parallelschaltung an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden.
Für die Wirkung ist es beliebig, ob die K Teilwicklungen an den gleichen Stellen
des Umfangs angeordnet sind
- Figur 2 zeigt eine solche Anordnung
beispielhaft für K = 4 mit am Nutgrund liegenden Spulenseiten der Gleichstrom-durchflossenen
Wicklung -, ober ob die K Teilwicklungen räumlich um beliebige Winkel am Umfang
versetzt angeordnet sind.
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Nach der Erfindung sind auch Anordnungen von ungleichmäßig am Umfang
verteilten Windungen und Teilwicklungen möglich, bei welchen die Verteilung aber
so ausgelegt ist, daß in der Zusatzwicklung durch die in den Ansprüchen genannten
Wechsel- bzw. Dreh-Induktionsfelder keine Spannungen induziert werden.
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Die theoretisch unendlich vielen Ausführungsarten der Zusatzwicklung
nach der Erfindung werden in der Praxis durch die ausgeführte Nutzahl N des Ständerblechpaketes
eingeschränkt, denn die kleinste Symmetrieeinheit ist durch den Umfangswinkel rNC
gekennzeichnet. Es sind Wicklungsausführungen nach der Erfindung möglich, bei welchen
alle Nuten oder auch nur bestimmte Nuten durch Spulenseiten der Zusatzwicklung belegt
sind.
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Die Wirkungsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist so, daß
sich der von der Gleichstrom-durchflossenen Wicklung bewirkte Gleichfluß im Ständerjoch
in einer Polteilung jeweils additiv dem Wechselfluß überlagert, in der darauffolgenden
Polteilung von diesem subtrahiert. Wegen der nichtlinearen Charakteristik der verwendeten
Dynamobleche erwächst hieraus resultierend die gewünschte Eigenschafts-Veränderung.
Die hiermit ebenfalls verknüpften, normalerweise nicht vorkommenden Leitwertschwankungen
im Ständerjoch mit den Polpaarzahlen k p (k = 1, 3, ...) und die daraus resultierenden
zusätzlichen Sättigungsfelder mit den PolpaarzahlenxJ = 2p, 4p, ... führen zu Parasitärwirkungen
(insbesondere
magnetisch angeregten Einzeltönen), die bei fachgerechter Auslegung des Generators
für die praktische Anwendung jedoch ohne Bedeutung sind.
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In Figur 3 ist beispielhaft das Kennlinienfeld eines nach der Erfindung
betriebenen selbsterregten Asynchrongenerators für ohmsche Belastung dargestellt,
bei welchem die Kondensatorbatterie für die verschiedenen Gleichströme 1g1 1g2 in
der Zusatzwicklung so bemessen ist, daß sich jeweils eine identische Leerlaufspannung
U1 einstellt. Der Spannungsabfall mit dem Laststrom IR und der größtmögliche Laststrom
hängen stark vom Gleichstrom 1 ab. Je nach Ang wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann der erforderliche Gleichstrom einer fremden Spannungsquelle oder auch durch
Gleichrichtung der Wechselspannung an den Maschinenklemmen entnommen werden.
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Untersuchungen haben gezeigt, daß die notwendige Durchflutung zur
Erzielung der gewünschten Eigenschafts-Veränderungen so klein ist, daß für die Gleichstrom-durchflossene
Wicklung nur ein vergleichsweise kleiner Anteil des Nutvolumens benötigt wird.