DE657626C

DE657626C - Arrangement for the excitation of synchronous machines

Info

Publication number: DE657626C
Application number: DES118575D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hermann Harz
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1935-06-07
Filing date: 1935-06-07
Publication date: 1938-03-09

Description

Zur Gleichrichtung von Wechselströmen sind neuerdings umlaufende Elektrolytgleichrichter in Anwendung gekommen. Diese arbeiten wie die bekannten Ouecksilberdampfgleichrichter mit einem Gleichrichtertransformator in der üblichen Schaltung. Der Anschluß der Transformatorwicklung erfolgt jedoch an eine Anzahl im Kreise angeordneter Kontaktsegmente, die mit synchroner Gesch windigkeit umlaufen und der Reihe nach in eine leitende Flüssigkeit eintauchen, aus der der Strom gleichgerichtet entnommen werden kann. Die leitende Flüssigkeit befindet sich in einer Trommel, die mit geeigneter Geis schwiiidigkeit angetrieben wird, so daß sich ein Flüssigkeitsring an den Wänden der Trommel bildet, in die die Kontaktsegmente eintauchen. Bei passender Umläufgeschwindigkeit von Flüssigkeitsring und Segmenten ao entsteht praktisch keine Spritzwirkung. 'Rotating electrolyte rectifiers have recently been used to rectify alternating currents come into use. These work like the well-known mercury vapor rectifiers with a rectifier transformer in the usual circuit. However, the transformer winding is connected to a number of contact segments arranged in a circle that rotate at synchronous speed and one after the other immerse in a conductive liquid from which the current can be drawn in a rectified manner can. The conductive liquid is in a drum with a suitable geis dizziness is driven, so that a liquid ring forms on the walls of the drum into which the contact segments immerse. With a suitable rotating speed of the liquid ring and segments ao there is practically no spray effect. '

Bei der üblichen Ausführungsform dieser Gleichrichter muß nun der Strom von dem ruhenden Gleichrichtertransformator den umlaufenden Segmenten über Schleifringe zugeführt und von der Trommel über einen Schleifring abgenommen werden. Darin liegt nun ein Nachteil dieses an sich einfachen Geräts, namentlich wenn es sich um große Ströme und kleine Spannungen handelt. Derartige Verhältnisse liegen aber gewöhnlich bei der Erregung von Synchronmaschinen vor, wo der Erregerstrom sowieso schon über Schleifringe zu- und abgeführt werden muß. Die Verwendung eines Elektrolytgleichrichters üblicher Bauart vermehrt also die Zahl der Schleifringe, wo doch schon die zwei Erregerschleifringe der Synchronmaschine manchmal Schwierigkeiten bereiten.In the usual embodiment of this rectifier, the current must now be from the The stationary rectifier transformer is fed to the rotating segments via slip rings and removed from the drum via a slip ring. This is a disadvantage of this device, which is simple in itself, especially when it comes to large currents and small voltages. Such However, conditions usually exist when exciting synchronous machines, where the excitation current is already over anyway Slip rings must be supplied and removed. The use of an electrolytic rectifier The usual design increases the number of slip rings, where the two exciter slip rings of the synchronous machine sometimes cause trouble.

Die Erfindung ermöglicht nun, eine Synchronmaschine überhaupt ohne Schleifringe zu betreiben und damit die mit ihnen verbundenen Nachteile zu vermeiden. Mit der Synchronmaschine ist dabei eine Hilfsmaschine synchroner oder asynchroner Bauart starr gekuppelt, die im Ständer erregt wird, während ihre Läuferwicklung über Gleichrichter die Erregerwicklung der Synchronmaschine speist. Erfindungsgemäß dient als Gleichrichter ein Elektrolytgleichrichter, dessen in den Flüssigkeitsring eintauchende Kontakte unmittelbar mechanisch und elektrisch mit dem Läufer der Hilfsmaschine verbunden sind. Die Erregerwicklung der Hauptmaschine ist mit einem Ende an den Nullpunkt der Läuferwicklung der Hilfsmaschine angeschlossen, mit dem anderen Ende an die Kontaktscheibe, die den gleichgerichteten Strom der Elektrol}'tflüssigkeit entnimmt. Läufer der Hauptmaschine, Läufer der Hilfsmaschine, Kontaktsegmente und Kontaktscheibe bilden ein in sich abgeschlossenes, mit synchroner Drehzahl angetriebenes Gebilde, das jede Verbin-The invention now enables a synchronous machine without slip rings at all to operate and thus avoid the disadvantages associated with them. With the synchronous machine an auxiliary machine of synchronous or asynchronous design is rigidly coupled, which is excited in the stator, while its rotor winding feeds the field winding of the synchronous machine via a rectifier. According to the invention, an electrolyte rectifier is used as the rectifier, its in the liquid ring Immersing contacts are directly mechanically and electrically connected to the rotor of the auxiliary machine. the The excitation winding of the main machine is one end to the zero point of the rotor winding connected to the auxiliary machine, with the other end to the contact disc, which carries the rectified current of the electrolytic fluid removes. The rotor of the main machine, rotor of the auxiliary machine, contact segments and contact disc form a self-contained structure driven at synchronous speed, which every connection

") Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:") The patent seeker stated as the inventor:

Dipl.-Ing. Hennann Harz in Berlin-Siemensstadt.Dipl.-Ing. Hennann Harz in Berlin-Siemensstadt.

dung über Schleifringe überflüssig macht. Die Verbindung erfolgt vielmehr einzig und allein über die Elektrolytflüssigkeit.makes use of slip rings superfluous. Rather, the connection is made solely and exclusively via the electrolyte liquid.

An sich ist bereits eine Anordnung zur Err regung von Synchronmaschinen bekannt, bei der ebenfalls Schleifringe an der Synchronmaschine vermieden sind, trotzdem die Er¹ regerwicklung sich auf dem Läufer befindet. Zu diesem Zwecke ist zum Speisen der umlaufenden Erregerwicklung mit Gleichstrom ein Trockenplattengleicfirichter auf dem Läufer der Synchronmaschine angeordnet, der unter Vermeidung von Schleifringen mit Wechselstrom aus einer auf dem Läufer der Sychronmaschine angeordneten Hilfswicklung gespeist wird. Diese Hilfswicklung ist mit der Ständerwicklung der Synchronmaschine induktiv gekuppelt und wird vom Ständerliauptfeld oder Oberfeld induziert. Eine derartige Anordnung hat jedoch außer der abnormalen Bauart der Synchronmaschine den Nachteil, daß die auf dem Läufer untergebrachten Trockengleichrichter im Verhältnis zu ihren Abmessungen oder ihrem Ge- wicht eine verhältnismäßig geringe Leistung besitzen. Infolgedessen kann man entweder nur schwache Erregerströme gleichrichten, oder die Abmessungen und das Gewicht der zusätzlich mitumlaufenden Gleichrichter wer-den unwirtschaftlich groß.An arrangement for excitation of synchronous machines is already known per se, in which slip rings on the synchronous machine are likewise avoided, despite the fact that the Er ¹ excitation winding is on the rotor. For this purpose, to feed the circulating excitation winding with direct current, a dry plate rectifier is arranged on the rotor of the synchronous machine, which is fed with alternating current from an auxiliary winding arranged on the rotor of the synchronous machine, avoiding slip rings. This auxiliary winding is inductively coupled to the stator winding of the synchronous machine and is induced by the stator main field or upper field. However, apart from the abnormal design of the synchronous machine, such an arrangement has the disadvantage that the dry rectifiers accommodated on the rotor have a relatively low power in relation to their dimensions or their weight. As a result, either only weak excitation currents can be rectified, or the dimensions and weight of the additional rectifiers that also circulate are uneconomically large.

Einige Ausführungsbeispiele sollen den Erfindungsgedanken näher erläutern. In Fig. 1 bezeichnet 1 eine _; Synchronmaschine, deren Ständer am Netz liegt. Die Erregerwicklung im Läufer wird durch die Hilfsmaschine 2 über den Kontaktsegmentstern 3 und die Kontaktscheibe 4 gespeist, die beide in die Elektrolytflüssigkeit 5 eintauchen. Die Läuferwicklung der Hilfsmaschine 2 ist einphasig dargestellt, ihre beiden Enden führen zu den Kontaktsegmenten 6 und 7, der Nullpunkt an das eine Ende der Erregerwicklung der Hauptmaschine. Das andere Ende ist mit der Kontaktscheibe 4 verbunden. DieSome exemplary embodiments are intended to explain the concept of the invention in more detail. In Fig. 1, 1 denotes a _; Synchronous machine whose stator is connected to the network. The excitation winding in the rotor is fed by the auxiliary machine 2 via the contact segment star 3 and the contact disk 4, both of which are immersed in the electrolyte liquid 5. The rotor winding of the auxiliary machine 2 is shown single-phase, its two ends lead to the contact segments 6 and 7, the zero point to one end of the excitation winding of the main machine. The other end is connected to the contact disk 4. the

+5 Erregerwicklung der Hilfsmaschine befindet sich im. Ständer und ist über einen Regler an irgendeine Gleichstromquelle angeschlossen. In Fig. 2 ist das gleiche Äusführungsbeispiel in anderer Weise dargestellt. Hier ist noch die umlaufende, in irgendeiner Weise angetriebene Trommel 9 mit der Elektrolytflüssigkeit angedeutet. Gibt man der Hilfsmaschine die gleiche Polzahl wie der Hauptmaschine, so besitzt auch der gleichzurichtende Strom die gleiche Frequenz wie der Ständerstrom der Hauptmaschine. Man kann natürlich die Hilfsmaschine auch mit anderer Polzahl ausführen. In dem in Fig. ι dargestellten Augenblick sei die in der Läuferwicklung der Hilfsmaschine 2 erzeugte Spannung von oben nach unten gerichtet.+5 excitation winding of the auxiliary machine is located in. Stand and is connected to any DC power source via a regulator. In Fig. 2 is the same Example shown in a different way. Here is the one in some way driven drum 9 indicated with the electrolyte liquid. Gives if the auxiliary machine has the same number of poles as the main machine, then the machine too current to be rectified has the same frequency as the stator current of the main machine. Of course, the auxiliary machine can also have a different number of poles. In the in Fig. Ι the moment shown is generated in the rotor winding of the auxiliary machine 2 Tension directed from top to bottom.

Demgemäß kann sich ein Strom ausbilden, der über das eingetauchte Kontaktsegment 7, ,_;den Elektrolyten 5, die Kontaktscheibe 4, in i|cter Pfeilrichtung durch die Erregerwicklung 'iijjer Hauptmaschine 1 nach dem Nullpunkt fließt. Nach einer halben Umdrehung hat sich (bei einer zweipoligen Maschine) die Läuferwicklung der Hilfsmaschine 2 um i8o° gedreht; das Kontaktsegment 6 ist nunmehr in die Elektrolytflüssigkeit eingetaucht. Die erzeugte Spannung ist wieder von oben nach unten gerichtet, und der Strom in der Erregerwicklung der Hauptmaschine 1 verläuft wieder in der gleichen Weise wie in der vorausgegangenen Halbperiode. Die Anpassung des Erregerstromes der Synchronmaschine an die geänderte Belastung erfolgt durch Ändern der Gleichstromerregung im Ständer der Hilfsmaschine.Accordingly, a current can form, which over the immersed contact segment 7,, _; the electrolyte 5, the contact disk 4, flows in the i | cter direction of the arrow through the excitation winding 'iijjer main machine 1 to the zero point. After half a revolution (in the case of a two-pole machine) the rotor winding of auxiliary machine 2 has rotated by 180 °; the contact segment 6 is now immersed in the electrolyte liquid. The voltage generated is directed from top to bottom again, and the current in the field winding of the main machine 1 again runs in the same way as in the previous half-cycle. The adaptation of the excitation current of the synchronous machine to the changed load takes place by changing the direct current excitation in the stator of the auxiliary machine.

Man kann jedoch den Ständer der Hilfsmaschine auch mit Wechselstrom speisen. Besonders zweckmäßig wird dies, wenn man dem Ständer Netzfrequenz zuführt, weil man dann eine Schaltung zur selbsttätigen Stoß- und Schnellerregung verwenden kann, wie sie im Prinzip bereits anderweitig vorgeschlagen wurde. Man muß dann nur dafür sorgen, daß der Läufer der Hilfsmaschine nicht synchron mit dem vom Ständer erzeugten Drehfeld um- go läuft, weil sonst in der Läuferwicklung die zur Erzeugung von Wechselspannungen erforderliche Frequenz fehlt. Auch muß die Anzahl der umlaufenden Kontaktsegmente der Läuferfrequenz der Hilfsmaschine und der Drehzahl angepaßt werden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung zeigt Fig. 3. Soweit die Bezeichnungen dieselben sind, haben sie die gleiche Bedeutung wie in den vorausgegangenen Beispielen. Der Ständer der Hilfsmaschine wird jedoch über den Transformator 10 in S tromtrans forma tor schaltung mit N etzfrequenz gespeist. Dem Transformator io, der hier als Spartransformator angedeutet ist, werden primärseitig der Strom der Drosselspule 11 und über den Stromtransformator 12 der Ständerstrom der Hauptmaschine zugeführt. Beide Ströme überlagern sich im Transformator, so daß sekundärseitig die geometrische Summe beider der Hilfsmaschine no zufließt. Die Scheinleistung der Drosselspule ist so groß, daß die Größe und Phasenlage ihres Stromes durch Änderungen der Spannung am Transformator 10 praktisch nicht beeinflußt werden. Der über die Drosselspule fließende Strom liefert daher den. Gruiidanteil des Erregerstromes der Hauptmaschine 1, der über den Stromtransformator 12 den Belastungsanteil. Durch Anzapfungen am Transformator können beide Ströme nach Bedarf geregelt werden. Die Schaltung bewirkt eine selbsttätige Änderung des ErregerstromesHowever, the stand of the auxiliary machine can also be fed with alternating current. This is particularly useful if the stator is supplied with mains frequency, because a circuit for automatic shock and high-speed excitation can then be used, as has already been proposed in principle elsewhere. It is then only necessary to ensure that the rotor of the auxiliary machine does not run synchronously with the rotating field generated by the stator, because otherwise the frequency required to generate alternating voltages is missing in the rotor winding. The number of rotating contact segments must also be adapted to the rotor frequency of the auxiliary machine and the speed. An example of such an arrangement is shown in FIG. 3. To the extent that the designations are the same, they have the same meaning as in the previous examples. However, the stator of the auxiliary machine is fed via the transformer 10 in S tromtrans forma gate circuit with mains frequency. The transformer io, which is indicated here as an autotransformer, is supplied on the primary side with the current of the choke coil 11 and the stator current of the main machine via the current transformer 12. Both currents are superimposed in the transformer, so that the geometric sum of both flows to the auxiliary machine no on the secondary side. The apparent power of the choke coil is so great that the size and phase position of its current are practically not influenced by changes in the voltage at the transformer 10. The current flowing through the choke coil therefore provides the. Basic component of the excitation current of the main machine 1, which is the load component via the current transformer 12. Both currents can be regulated as required by taps on the transformer. The circuit causes an automatic change in the excitation current

mit Größe und Art der Belastung, so daß die Spannung des Generators innerhalb weiter Grenzen praktisch gleichbleibt oder unter Umständen vorhandene Regler nur Feinheiten auszuregeln haben.with size and type of load so that the voltage of the generator continues within Limits remains practically the same or possibly existing controllers only subtleties have to regulate.

Die Anzahl der Kontaktsegmente bei Wechselstromerregung ergibt sich' aus folgender Überlegung: Die Hauptmaschine ι besitze z. B. zwei Pole und laufe mit 3000 Umdr./Min.The number of contact segments with alternating current excitation results from the following Consideration: The main machine ι have z. B. two poles and run at 3000 rev / min.

um. Die Hilfsmaschine 2 sei mit vier Polen ausgeführt, ihre Drehungsfrequenz beträgt demnach bei unmittelbarer Kupplung 100 Hz. Je nach dem Drehsinn mit oder entgegen dem Drehfeld des Ständers erhält man eineLäuferfrequenz von 50 oder 150 Hz. Im ersten Fall beträgt die Anzahl der Kontaktsegmente sechs, im zweiten Fall achtzehn Segmente, von denen je drei gleichmäßig am Umfang verteilte parallel zu schalten sind. Wie sich ohne weiteres ergibt, beträgt die Anzahl deraround. The auxiliary machine 2 is designed with four poles, its frequency of rotation is therefore 100 Hz with direct coupling. Depending on the direction of rotation with or against the The rotating field of the stator results in a rotor frequency of 50 or 150 Hz. In the first case the number of contact segments is six, in the second case eighteen segments, of which three are to be connected in parallel, each evenly distributed around the circumference. How yourself without further ado, is the number of

Kontaktsegmente .3 = —^- , darin bedeutet f_L die Läuferfrequenz der Hilfsmaschine und η die Drehzahl des Kontaktkreuzes bzw. der Hauptmaschine.Contact segments .3 = - ^ -, where f _{L means} the rotor frequency of the auxiliary machine and η the speed of the contact cross or the main machine.

Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich um waagerechte Maschinensätze. Man kann die erfindungsgemäße Anordnung jedoch auch bei senkrechten Maschinensätzen anwenden. Die Trommel 9 erhält dabei zweckmäßig eine Form, wie sie in Fig. 4 angedeutet ist. Die äußere Trommelwand 9 ist in der dargestellten Weise nach unten verjüngt und bildet mit der inneren Trommelwand einen Hohlkörper, in dem sich bei stillstehender Trommel die Elektrolytflüssigkeit sammelt. Bei Drehung der Trommel kann sich dagegen die Flüssigkeit als Ring 5 an der äußeren Trommelwand mit dem größtmöglichen Durchmesser ausbilden. Die Trommel kann auch bei waagerechten Maschinensätzen so ausgebildet sein, daß die Hauptwelle durch sie hindurchgeht, so daß sie nicht nur am Wellenende, sondern auch an einer Zwischenstelle der Welle angeordnet werden kann.The exemplary embodiments shown are horizontal machine sets. However, the arrangement according to the invention can also be used with vertical machine sets use. The drum 9 is expediently given a shape as indicated in FIG. 4. The outer drum wall 9 is tapered downwards in the manner shown and, together with the inner drum wall, forms a hollow body in which collects the electrolyte liquid when the drum is at a standstill. When the drum rotates on the other hand, the liquid can form as a ring 5 on the outer drum wall with the largest possible diameter. The drum can be designed so that the Main shaft passes through them so that they are not only at the shaft end but also at an intermediate point of the shaft can be arranged.

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for the excitation of synchronous machines by one with the synchronous machine Rigidly coupled auxiliary machine of synchronous or asynchronous design, which is excited in the stator while its rotor winding feeds the field winding of the synchronous machine via rectifier, characterized in that that an electrolyte rectifier serves as a rectifier, its in the liquid ring Immersing contacts are directly mechanically and electrically connected to the rotor of the auxiliary machine.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the excitation winding the auxiliary machine two or more mains-frequency currents are fed, of which preferably one the mains voltage and a second the load on the main engine proportionally is.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the circumferential Drum for the liquid ring of the electrolyte rectifier is mounted as a hollow shaft, so that they are both at the shaft end as well as at an intermediate point of the shaft of the main machine.

4. Arrangement according to claim 1 for machines with a vertical axis, characterized characterized in that the rotating drum for the liquid ring of the electrolyte rectifier in the lower part has an annular approach that allows the liquid to run out when the Drum prevented.

1 sheet of drawings