DE708038C - Staender- oder laeufererregte Synchrongrossmaschine hoher Drehzahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Synchronmaschinen großer Leistung, die infolge ihrer hohen Drehzahl im Läufer großen, bis an die Grenze der Zulässigkeit heranreichenden Fliehkraftbeanspruchungen ausgesetzt sind. Dies ist insbesondere bei Turbogeneratoren großer Leistung, aber auch bei Wasserkraftgeneratoren, die die hohe Durchgangsdrehzahl aushalten müssen, der Fall. Durch die Anordnung nach der Erfindung wird eine wesentliche Herabsetzung der Fliehkraftbeanspruchung des Läufers der Synchronmaschine erzielt, so daß man umgekehrt die Maschine nunmehr für größere Leistung

«5 durch Vergrößerung der Radialabmessungen entwerfen kann. Erfindungsgemäß wird die Erregung der Maschine zum größeren Teil durch umlaufende permanente Magnete bewirkt, während der kleinere Teil der Erregung der Maschine von während des Betriebes regelbaren' Magnetisierungsströmen herrührt. Mit Hilfe dieser Magnetisierungsströme läßt sich dann die Spannung der Synchronmaschine bzw. deren Erregung für die betriebsmäßigen Erfordernisse regeln. Für die permanenten Magnete des Läufers der Synchronmaschine eignen sich insbesondere solche Magnetstähle, die eine besonders hohe Koerzitivkraft aufweisen, z. B. die neuerdings entwickelten Stähle, die als sog. ausscheidungsgehärtete Magnetstähle einen Zusatz aus Aluminium oder Titan besitzen. An sich ist es bereits bekannt, den als erregenden Teil dienenden Läufer von Wechselstrommaschinen aus permanentem Magnetstahl herzustellen. Es handelt sich dabei aber um Wechselstrommaschinen ganz geringer Leistung, insbesondere Fahrradlichtmaschinen, bei denen die Fliehkraftbeanspruchung keine Rolle spielt. Außerdem wird bei diesen bekannten Maschinen die Gesamterregung von den umlaufenden permanenten Magneten geliefert, während bei der Erfindung noch der kleinere Teil der Erregung von während des Betriebes regelbaren Magnetisierungsströmen herrührt.

In Fig. ι ist die magnetische Charakteristik des permanenten Stahlmagneten als Kurve α aufgetragen, während die Gerade b den magnetischen Widerstand des Luftspaltes und des Weicheisens der Synchronmaschine darstellt, deren Wirkung hier bei dem üblichen Betrieb als Generator verfolgt werden soll. Im Leerlauf arbeitet die Maschine auf dem Schnittpunkt / und besitzt eine innere Spannung Zi₁, die gleich der Klemmenspan-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden; Dr.-Ing. Dr.-Ing. e. h. Reinhold Rüdenberg in Northwood, Middlesex, England.

^ rfung ist. Wird der Generator belastet, so entsteht vorwiegend durch den Blindstrom eine Ankerrückwirkung, die den Generator, entmagnetisiert, und zwar um den Betrag.der' Gegenamperewindungen g in Fig. i. Die¹ magnetische Widerstandslinie verschiebt sich daher in die Lage c, die die magnetische Charakteristik im Punkt 2 schneidet, so daß die EMK der Maschine sich auf E₂ vermindert. Durch die Wirkung der Streufelder sinkt die Klemmenspannung noch unter diesen Wert. Durch eine magnetische Zusatzerregung des Permanentmagneten sollen diese Wirkungen des Belastungsstromes nunmehr aufgehoben werden. Gibt man dem Permanentmagneten eine Zusatzerregung m im Sinne seiner Permanentmagnetisierung, so verschiebt sich die Widerstandslinie bis zur Lage d. Sie schneidet die Magnetcharakteao ristik im Punkt 3, und die innere Spannung wird nunmehr ZT₃, also größer als die bei Leerlauf. Sie reicht jetzt aus, um Streuabfälle der Maschine zu überwinden und die Klemmenspannung auf den gewünschten ^a5 Leerlaufsbetrag oder sogar darüber hinaus zu steigern.

Die Zusatzmagnetisierung m erfordert nur sehr viel weniger Erregungsamperewindungen, als sie etwa für eine Synchronmaschine mit Weicheisenläufer notwendig wären. Denn ein großer oder sogar der größte Teil der Magnetisierung wird durch die Koerzitivkraft des Permanentmagnetstahles ohne äußeren Erregerstrom geliefert, und nur zur Überwindung von Ankerrückwirkung und Streuung ist ein Aufwand von Erregerstrom notwendig. Die Erregerwicklungen derartiger Synchronmaschinen können daher sehr viel leichter gehalten werden als die der bisher üblichen Synchronmaschinen mit Weicheisenläufer. Hierdurch verringern sich die Läuferverluste, so daß der Wirkungsgrad steigt und die Erwärmung zurückgeht. Und da das Volumen und das Gewicht der Läuferwicklung sich verkleinert, so steigt die Möglichkeit guter Kühlwirkung, und es vergrößert sich die mechanische Festigkeit gegenüber der Zentrifugalkraft. Dies spielt insbesondere bei schnellaufenden Turbogeneratoren eine große Rolle, bei denen die Zentrifugalkräfte die Festigkeit des Läufers und daher die Gesamtkonstruktion beherrschen. Durch das verringerte Gewicht der Läuferwicklung kann man mit der Umfangsgeschwindigkeit der Maschine erheblich höher gehen als bisher und erreicht dadurch eine gesteigerte Ausnutzung der Materialien und dadurch kleinere Einheitsgewichte und größere Grenzleistungen.

Man kann in der Verringerung des Materialaufwandes für die Erregerwicklung noch einen Schritt weiter gehen, indem man den Erregerstrom zur Erzielung der magnetisierenden Amperewindungen nicht stets in ^gleicher Richtung fließen läßt. Es ist viel- ^riaehr zweckmäßig, die magnetischen Verhältnisse der Maschine so auszulegen, wie es in ''Fig. 2 dargestellt ist. Die Spannung E₁ ohne Zusatzerregung ist hier größer als die Leerlaufspannung E₀ gewählt, so daß man zur Erzielung der Leerlaufspannung eine gewisse Gegenerregung — m benötigt, die erzielt werden soll, indem man den Erregergleichstrom in umgekehrter Richtung durch die Erregerwicklung schickt. Bei Vollast der Maschine benötigt man die innere Spannung E₃, und zu ihrer Erzeugung wird der Erregerstrom umgekehrt, so daß er wieder in positiver Richtung zusätzlich zur Permanenterregung wirkt. Durch diese Maßnahme kann man den Bedarf an Erregerstrom, an Erregeramperewindungen und damit den Aufwand für die Erregerwicklung nochmals auf die Hälfte herabdrücken, so daß die oben geschilderten Vorteile hinsichtlich der Verringerung der Verluste sowie des Volumens und Gewichts der Erregerwicklung sich noch weitergehend verbessern, Benutzt man eine Gleichstromerregermaschine zur Erregung, so läßt sich diese nach Fig. 3 durch einen Wendeerregerstromregier genau so leicht auf +-Spannung regulieren, wie es bisher für die einseitige Spannungsregelung der Weicheisensynchronmaschinen üblich war.

Die beschriebene Regelung der Synchronmaschine kann natürlich durch an sich bekannte Regulierungseinrichtungen in Abhängigkeit von der Spannung, dem Strom mit seiner Wirk- und Blindkomponente, von dem Leistungsfaktor oder einer ähnlichen Ausgangsgröße her erfolgen. Man hat bei diesen Anordnungen den weiteren Vorteil, daß auch die Erregergleichstrommaschine wesentlich kleiner wird als bisher und daß deren Regelung mit einfachen Mitteln und viel geschwinder erfolgen kann als die der bisher benötig- < ten großen Erregermaschinen für schwere Synchrongeneratoren.

Wenn der Synchrongenerator starke Kurzschlußströme abgeben muß, besonders bei einem relativ nahen Kurzschluß, so treten > sehr starke entmagnetisierende Wirkungen durch die Ankerrückwirkung in der Ständerwicklung auf. Es ist zweckmäßig, den Strom im statu nascendi derart auf die Erreger-Stromkreise wirken zu lassen, daß sich ent- ■.-.■ sprechend starke Gegenströme in der Läuferwicklung ausbilden. Gelingt dies jedoch nicht oder nicht vollkommen, so soll die Erregungsanordnung befähigt sein, nach Ablauf des i»o Kurzschlußstromes kurzzeitig einen so starken magnetisierenden Erregerstrom in die

Erregerwicklung der Synchronmaschine zu liefern, daß der permanentmagnetische Läufer dadurch wieder auf seinen normalen Remanentmagnetismus herauf erregt wird, den er durch die Kurzschlußströme möglicherweise verloren hat.

Ganz besondere Vorteile im Bau der Synchronmaschine erzielt man sichtlich Erwärmung, Lüftung und Zentrifugalkraft durch ίο Anwendung permanentmagnetischer Läufer ohne jede Erregerwicklung. Da derartige Maschinen jedoch starken Spannungsabfall mit zunehmendem Belastungsstrom besitzen, so muß man die Regulierung, die in Fig. ι durch inneren Erregergleichstrom erläutert war, durch äußeren Erregerwechselstrom bewirken. In Fig. 4 ist dargestellt, wie dies z. B. durch schaltbare Kondensatoren erzielt werden kann, deren Kapazitätsstrom die Ständerwicklung der Synchronmaschine durchfließt und hier Amperewindungen erzeugt, die hochmagnetisierend im Sinne des Permanentfeldes des Läufers wirken. Zunächst einmal kompensieren sie dort den nacheilenden entmagnetisierenden Blindstrom des Netzes und verhindern, daß sich die Leerlaufcharakteristik b der Maschine nach Fig. ι in die Lage c verschiebt. Sie entlasten dadurch die Ständerwicklung der Synchronmaschine von diesen Blindströmen und bewirken eine stärkere Ausnutzbarkeit der Maschine. Sie ermöglichen aber auch durch Hineinfließen überschießender voreilender Magnetisierungsströme in die Ständerwicklung eine Verschiebung der Charakteristik in die Lage d in Fig. 1 und damit eine Spannungssteigerung.

Die Regelung an diesen Kondensatoren kann man entweder durch Zu- oder Abschalten vornehmen oder auch durch vorgeschaltete Regulierdrosselspulen, etwa mit Gleichstrommagnetisierung .zur Einstellung ihrer Selbstinduktion. Man kann auch stetig oder absatzweise regulierbare Kondensatoren benutzen, oder man kann die Kondensatorbatterien ganz oder zum Teil durch Parallelschaltung von stetig regelbaren Drosselspulen ergänzen. Auch durch Stromtore oder ähnliche Schaltmittel kann man die Regulierung des magnetisierenden Kapazitätsstromes vornehmen. Auch hier wird man die Regelung in Abhängigkeit von der Spannung oder von den Strömen des Netzes durchführen. Die Regelung der Synchronmaschine durch Kapazitäten und Drosselspulen im Wechselstromkreis hat gegenüber der Regelung durch Veränderung des Erregerstromes auch den bedeutenden Vorteil, daß die Dauerkurzschlußströme der Maschine wesentlich verringert werden. Denn bei Kurzschluß im Netz verlieren die Kondensatoren und Drosseln ihre Spannung und können daher keine erheblichen Ströme ins Netz liefern, während eine entsprechend verstärkte Gleichstromerregung der Synchronmaschine einen anteilig stärkeren Kurzschlußstrom erzeugen würde.

Wenn man die Ankerrückwirkung und die Herabdrückung des Feldes durch Gegenamperewindungen des Ständers vermeiden will, so muß man durch die Regulierung der äußeren Kapazitätsströme zunächst dafür sorgen, daß keine nacheilenden Blindströme in den Generator eintreten. Alsdann bleibt noch die Wirkung der Streuung übrig, die auch bei Entnahme reinen Wirkstromes aus dem Generator spannungserniedrigend wirkt. In Fig. 5 a ist das Diagramm der Maschine dargestellt für den Fall reiner Wirkstromentnahme. Dieser Strom /,„ in Richtung der Klemmenspannung £ erzeugt eine Streufeldspannung E_s senkrecht zum Strom, die von der inneren Spannung £,- in Abzug kommt und die Klemmenspannung E als Kathete des rechtwinkligen Dreiecks stets gegenüber der Hypotenuse Et verkleinert. Günstiger ist es daher, in die Synchronmaschine einen äußeren Kapazitätsstrom J_c hineinfließen zu lassen. Wählt man denselben stets proportional dem Wirkstrom /_lv, so kann man erreichen, daß der gesamte Ständerstrom / stets in Richtung der inneren Spannung Ef liegt, wie es in Fig. 5 b dargestellt ist. Dann steht die Streuspannung stets senkrecht auf E₁, und die Klemmenspannung E wächst nun sogar mit zunehmender Belastung an. Die Bedingung für den inneren Kapazitätsstrom, ist hierbei

Jc = E_s

Jw

wie man aus Fig. S b ohne weiteres entnimmt. Unter E_s ist hierbei die Streuspannung der S tänder wicklung einschließlich der wirksamen Ankerrückwirkungsfelder verstanden. Die schwache Erhöhung der Klemmenspannung nach Fig. 5 b mit zunehmender Belastung ist meistens angenehm, um auch äußere Spannungsabfälle zu überwinden. Wünscht man sie nicht, so kann man die Klemmenspannung auch konstant halten, wenn man den magnetisierenden Kapazitätsstrom etwa halb so groß einreguliert wie nach der eben genannten Formel, so daß man an Stelle der rechtwinkligen Dreiecke in Fig. 5 c gleichschenklige Dreiecke der Spannung erhält.

An Stelle der in Fig. 4 dargestellten Kondensatoren zur Entlastung von äußeren Magnetisierungsströmen und zur Erzeugung von inneren Kapazitätsströmen der permanentmagnetischen Synchronmaschine kann man natürlich auch andere Mittel zur Blind-

Claims (8)

1. stromregelung verwenden. Beispielsweise kann man parallel arbeitende Synchrongeneratoren oder Phasenschieber mit Gleichstromfelderregern oder asynchrone Blind-Strommaschinen mit Kollektorregelung oder Stromrichter-Blindstromanordnungen in der gleichen Weise wie die Kondensatoren zur Regelung der Permanentmaschine benutzen. Dies ist dann besonders nützlich, ίο wenn es sich um die Ergänzung eines bestehenden Kraftwerkes durch eine neue hochtourige große Maschine handelt, die mit einem rein permanentmagnetischen Läufer viel leistungsfähiger, einfacher und mit größerer t5 Modelleistung herzustellen ist als die bisherigen Synchronmaschinen.

   Auch diese Regelung durch äußere Blindstromerzeugung kann man in der vielfach bekannten Weise von Spannung, Strom oder so dem Leistungsfaktor aus vornehmen. Sehr einfach wird die Regelung, wenn man als \ießgröße den Winkel zwischen Strom und Klemmenspannung des Generators wählt, indem man z. B. ein tg φ-, cos φ- oder sin<p-Instrument als Indikator für die Spannungsregelung benutzt. Hält man diesen Winkel gemäß Gleichung ι und Fig. 5 b für alle Belastungen aus dem Netz konstant, so ergibt sich eine mit der Last zunehmende Klernmenspannung. Hält man durch andere Einstellung des Reglers den halben Winkel konstant, so ergibt sich nach Fig. 5 c eine völlig konstante Klemmenspannung des Generators. Alle vom Netz her etwa sonst noch anfallenden induktiven oder kapazitiven Blindströme werden dann durch die Regulierungsanordnung vor dem Eintritt in den Generator abgefangen und annulliert.

   Da der Permanentsmagnetläufer bei der letztbeschriebenen Ausführungsform wicklungslos ist, so besitzt er nur eine mäßige magnetische Zeitkonstante, die lediglich durch die Wirbelstrombildung im schlecht leitenden Eisen gegeben ist. Es ist jedoch wichtig, bei ♦5 Schaltvorgängen aller Art und besonders bei Kurzschlüssen eine möglichst große magnetische Zeitkonstante zu erhalten, damit das normale Magnetfeld sich während dieser Störungszeit nur möglichst wenig ändert. Bei Maschinen mit Permanentmagnetläufer ist dies besonders wichtig, da man ja die Blindströme bei, Kurzschluß unmöglich durch äußere Mittel voll aufnehmen lassen kann. Die Kurzschlußströme werden daher im Generator Gegenamperewindungen erzeugen, und diese drücken das Magnetfeld noch weit unter den Punkt 3 in Fig. 1 herab. Nach ihrem Verschwinden bleibt daher eine starke dauernde Entmagnetisierung des Permanentmagnetstahles zurück. Rüstet man den Läufer aber mit einer so starken Dämpferwicklung aus, daß deren Zeitkonstante wesentlich größer ist als die Dauer des Kurzschlußzustandes, so bilden sich in ihr durch einfache Transformationswirkung im Generator so lange andauernde Dämpferströme aus, daß die Kurzschlußankerrückwirkung kaum einen Einfluß auf das Hauptfeld der Maschine ausübt und daß daher nur eine geringfügige Entmagnetisierung eintritt. Da diese Dämpferwicklung beim Fehlen der Erregerwicklung nur sich selbst zu tragen hat, so kann man sie leicht aus gut leitendem Kupfer herstellen und erzielt dadurch eine sehr hohe Läuferzeitkonstante.

   Pa T IiNTA N Sl' RUCH Ii:

   i. Ständer- oder läufererregte Synchrongroßmaschine hoher Drehzahl, da- *° durch gekennzeichnet, daß die Erregung der Maschine zum größeren Teil durch umlaufende ausscheidungsgehärtete, permanente Magnete hoher Koerzitivkraft bewirkt wird, während der kleinere Teil der Erregung der Maschine von betriebsmäßig regelbaren Magnetisierungsströmen im Ständer oder Läufer herrührt.
2. 2. Synchrongroßmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Läufer der Maschine eine Gleichstromwicklung trägt, der regelbarer Gleichstrom als zusätzlicher Magnetisierungsstrom zugeführt wird, zweckmäßig unter Verwendung der Zu- und Gegenschaltung der Gleichstromerregung bei der Ausnutzung des Regelbereichs.
3. 3. Synchrongroßmaschine nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Kurzschluß der Gleichstromerregerwicklung der Synchronmaschine kurzzeitig starke Magnetisierungsströme zugeführt werden.
4. 4. Synchrongroßmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß an die Wechselstromseite der Synchronmaschine regelbare Apparate für die Erzeugung von zusätzlichem Magnetisierungsstrom, z. B. Kondensatoren oder Drosselspulen, angeschlossen sind.
5. 5. Schaltanordnung zur Regelung des zusätzlichen Magnetisierungsstroms für Synchrongroßmaschinen nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine regelbare ι»5 Gleichstromvormagnetisierung oder Anzapfung der Drosselspulen, die in Parallelschaltung zu den Kondensatoren die zusätzliche Erregung ständerseitig liefern.
6. 6. Schaltanordnung nach Anspruch 4 iao und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den zusätzlichen Magnetisierungsstrotn
7. liefernden Geräte bei Belastung der Synchronmaschine selbsttätig die Klemmenspannung konstant halten oder steigern. 7. Schaltanordnung nach Anspruch· 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Magnetisierungsstrom selbsttätig in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen Strom und Klemmenspannung der Synchronmaschine geregelt wird.
8. 8. Synchrongroßmaschine nach Anspruch ι und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus permanentem Magnetstahl bestehende wicklungslose Läufer mit einem Dämpferkäfig ausgerüstet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen