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Sechsphasen-Generator Die Erfindung betrifft Mehrphasen-Generatoren,
welche eine zusammengesetzte Sechsphasen-Ankerwicklung mit zwei Kreisen je Feldpolpaar
aufweisen.
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Beim Entwurf von turbinengetriebenen Mehrphasen-Generatoren größerer
Abmessungen ist es wünschenswert, eine möglichst große Ausgangsleistung von einem
Generator gegebener physikalischer Abmessungen zu erhalten. Um dies zu erreichen,
hat man verschiedene Anordnungen vorgeschlagen, welche eine Herabsetzung der Einzelphasenspannungen
der zusammengesetzten Mehrphasen-Ankerwicklung mit sich bringen, um auf diese Weise
die erforderliche Isolation der Windungsseiten der einzelnen Phasen herabzusetzen.
In diesem Sinne machte man in erheblichem Umfange von Dreiphasen-Ankerwicklungen
mit zwei Kreisen je Polpaar Gebrauch, und in einigen Fällen wurden Sechsphasen-Ankerwicklungen
mit einem Kreis je Polpaar benutzt.
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Bisher wurden keine Versuche gemacht, eine Sechsphasen-Ankerwicklung
mit zwei Kreisen je Polpaar zu entwerfen, da es zunächst bei üblichen symmetrischen
Sechsphasen-Ankerwicklungen unmöglich erschien, zwei Kreise je Polpaar vorzusehen,
weil derartige Sechsphasen-Ankerwicklungen mit zwei Kreisen je Polpaar es notwendig
machen, zwei Phasenbereiche für jede Phase um r8o° gegeneinander
versetzt
vorzusehen; dabei würde der »negative« Phasenbereich der Phase I denselben Raum
einnehmen wie der »positive« Phasenbereich der Phase 4, der »negative« Phasenbereich
der Phase 2 würde denselben Raum einnehmen müssen wie der »positive« Phasenbereich
der Phase 5 usw.
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Es ist nun eine Hauptaufgabe der Erfindung, bei einem Mehrphasen-Generator
eine zusammengesetzte Sechsphasen-Ankerwicklung vorzusehen mit zwei Kreisen je Polpaar,
wobei die Phasenbereiche so angeordnet sind, daß die beiden entsprechenden Vorteile
in bezug auf die Herabsetzung der Spannung in ihren Einzelphasen erhalten werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Mehrphasen-Generators,
der eine symmetrische Sechsphasen-Spannung liefert, welche aus zwei symmetrischen
Dreiphasen-Spannungen besteht, die gegeneinander um ungefähr 30° winkelverschoben
sind.
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Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, bei einem Mehrphasen-Generator
eine verbesserte Verteilung und Anordnung der zusammengesetzten Ankerwicklung anzugeben,
so daß von ihr eine symmetrische Sechsphasen-Spannung mit gut ausgeglichenen Einzelphasen-Spannungen
mit den Phasenwinkelfolgen 90, 30, 90, 30, 9o und 30° geliefert wird.
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Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Sechsphasen-Generator-
und Dreiphasen-Verteiler-Schaltung anzugeben, welche einen Mehrphasen-Generator
mit der Ankerwicklung der beschriebenen Art enthält.
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Weitere Merkmale der Erfindung betreffen die besondere Anordnung der
Elemente des Mehrphasen-Generators und der Mehrphasen-Schaltung, wodurch die oben
angegebenen und auch weitere zusätzliche Vorteile erhalten werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Zeichnungen, in denen Fig.
I eine schematische Darstellung eines Sechsphasen-Zweikreis-Generators der Zweipolbauart
mit zylindrischem Rotor gemäß der Erfindung ist; Fig.2 zeigt ein Schaltschema der
zusammengesetzten Sechsphasen-Zweikreis-Ankerwicklung des Generators der Fig. I,
Fig. 3 ein Zusammensetzungs-Vektor-Diagramm der Mehrphasen-Spannung und ein schematisches
Diagramm der Phasenbereichsfolge der Ankerwicklung gemäß Fig. 2, Fig.4 eine schematische
Widergabe der Wicklungs- und Nutenanordnung der Ankerwicklung gemäß Fig. 2 ,und
Fig. 5 ein Schaltschema einer Sechsphasen-Generator- und Dreiphasen-Verteiler-Anlage
mit dem Mehrphasen-Generator der Fig. I und der Ankerwicklung der Fig. 2 gemäß der
Erfindung.
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Fig. I stellt schematisch einen großen turbinengetriebenen Mehrphasen-Generator
der Sechsphasen-Zweikreis-Zweipol-Bauart gemäß der Erfindung dar. Die Zeichnung
gibt einen stehenden Anker II und einen damit zusammenarbeitenden Feldrotor 12.
Der Anker II weist eine lange Ringform mit einer langen, praktisch axialen zylindrischen
Öffnung 13 auf, welche außen durch eine Anzahl winkelmäßig gegeneinander versetzter
Windungsnuten 14 begrenzt ist, wobei zur Erläuterung 36 einzelne Windungsnuten mit
gleichem winkelmäßigem Abstand dargestellt sind. Der Anker II trägt eine zusammengesetzte
Ankerwicklung 15 von sechs Phasen mit zwei Kreisen je Polpaar. Diese Wicklung umschließt
zwölf einzelne Phasenwindungen, von denen jede eine Anzahl in Reihe geschalteter
Spulenseiten 16 aufweist. Sechs Spulenseiten sind zur Erläuterung dargestellt. Zwei
Spulenseiten 16 sind je auf dem Grund bzw. auf dem achsnahen Ende in jeder Windungsnut
14 angeordnet, und jede der Spulenseiten 16 kann einen einzigen Leiter aufweisen,
der mit einem einschließenden isolierenden Gehäuse versehen ist, welches allgemein
mit 17 bezeichnet ist und den Leiter der Spulenseite 16 gegen den Leiter der benachbarten
Spulenseite 16 und gegen den Anker II isoliert. Der Anker II ist bei 18 geerdet.
Jede der Windungsnuten 14 nimmt nicht nur zwei Spulenseiten Iö, sondern außerdem
eine Kühlanordnung auf, welche im wesentlichen eine Leitung I9 umfaßt, durch welche
Luft oder ein anderes Gas bzw. eine Flüssigkeit hindurchgetrieben wird. Die Anordnung
der Leitung I9 zwischen der äußeren und inneren Spulenseite 16 in der Wicklungsnut
14 ist willkürlich für die Zwecke der Darstellung gewählt. Selbstverständlich werden
die Spulenseiten 16 mechanisch durch geeignete, nicht dargestellte Keilanordnungen
in ihrer Lage festgehalten.
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Das Polrad 12 ist mit Windungsnuten 2o und 21 auf seinen entgegengesetzten
Seiten versehen. Diese Windungsnuten nehmen eine fortlaufende Feldwicklung 22 auf,
die durch nicht dargestellte Keilanordnungen in ihrer Lage festgehalten wird. Wenn
die Feldwicklung 22 gespeist wird, erzeugt sie zwei entgegengesetzt angeordnete
Pole an den benachbarten Segmentflächen, wie dies durch die Buchstaben N und S angedeutet
ist. Wenn die Feldwicklung 22 gespeist und das Feldglied i2 gedreht wird, werden
in den Phasenwindungen der zusammengesetzten Ankerwicklung I5 naturgemäß sechs Phasenspannungen
erzeugt, wobei die Frequenz der induzierten Phasenspannungen sechzig Perioden ist,
wenn das Polrad 12, durch die zugehörige Turbine mit 36oo Umdrehungen je Minute
gedreht wird.
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In Fig. 2 sind schematisch die Verbindungen der zusammengesetzten
Mehrphasen-Ankerwicklung 15 der sechs Phasen mit zwei Kreisen je Polpaar dargestellt,
wie sie gemäß der Erfindung benutzt werden. Die Ankerwicklung 15 umfaßt die sechs
Phasenwindungen ä , d', c', f', e' und b' im ersten Kreis und die
sechs Phasenwindungen d', d", c", e" und b". im zweiten Kreis.
Auf diese Weise besteht die Phase »a« aus den beiden parallel geschalteten Windungen
d .und a", die Phase »b« besteht aus den beiden parallel geschalteten Phasenw
indüngen b' und b" usw.
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Betrachtet man nunmehr Fig. 2 und 3, so ersieht man, daß die Anschlüsse
der Phasenwindungen ä', b" usw. im zweiten Kreis gegenüber den Anschlüssen der Phasenwindungen
a', b' usw. im ersten Kreis umgedreht sind, so daß die in den Phasen-
Windungen
a' und a'', b' und b" usw. induzierten Phasenspannungen relativ zueinander in Phase
sind und die Phasenspannungen a' und a", b' und b" usw. im wesentlichen einander
gleich sind, um auf diese Weise Kreisströme zwischen den Phasenwindungspaaren a'
und a" zu vermeiden, wie sie bei einer Parallelschaltung sonst auftreten; auf diese
Weist wird die zusammengesetzte Ankerwicklung 15 der sechs Phasen mit zwei Kreisen
je Polpaar gebildet. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die benachbarten, entgegengesetzten
Enden der Phasenwindungspaare a'-a" b'-b" usw. zusammengefaßt, um Ausgangsanschlüsse
3I, 32, 33, 34, 35 und 36 und den gemeinsamen Anschluß 37 zu schaffen, der bei 38
an Erde gelegt ist. Außerdem sind, wie man dies am besten der Fig. 3 entnimmt, die
Phasenbereiche auf den Umfang der Ankerwicklung 15 in der elektrischen Folge angeordnet:
+ a, -f, -e, +d, +c, -b, -a, +f, +e, -d, -c und +b. Auf diese Weise ist die in der
Ankerwicklung 15 induzierte Sechsphasen-Spannung unsymmetrisch, doch besteht sie
aus zwei symmetrischen Dreiphasen-Spannungen, die gegeneinander um einen Phasenwinkel
von ungefähr 30° verschoben sind. Genauer gesagt beträgt die Phasenwinkelverschiebung
zwischen benachbarten Phasenspannungen 9o, 30, 90, 30, 9o bzw. 3o°, wie dies Fig.
3 andeutet.
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Die Ankerwicklung 15 kann in der durch Fig. 4 für den vollen Wickelschritt
erläuterten Weise verteilt sein. Die Verteilung der Spulenseiten der verschiedenen
Phasenwindungen in bezug auf die Außenseite und den Grund der 36 Nuten und außerdem
die Anordnung der Ankernuten im Anker II sind im einzelnen der Fig. 4 zu entnehmen
und ohne weitere Erläuterungen verständlich. Insbesondere sind die Spulenseiten
+ aI, + a 3 .und + a 5 am Boden der zugeordneten Windungsnuten I, 2 und 3 im Umfangsbereich
der Phase + a angeordnet, während die Spulenseiten-aI,-a3 und-a5 an den achsnahen
Seiten der zugeordneten Windungsnuten i g, 2o und 21 in dem Umfangsbereich der Phase
-a liegen, wobei die Spulenseiten + a I,. -a I, +a3, -a3, +a5 und -a5 in Reihe geschaltet
im ersten Kreis in der Phase »a« liegen, um die Phasenwindung a' zu bilden. In ähnlicher
Weise sind die Spulenseiten + a2, + a4 und + a6 an den achsnahen Seiten der zugeordneten
Nuten 1,2 und 3 und im Phasenbereich + a angeordnet, während die Spulenseiten-a2,
-a4 und -a6' am Grunde der zugeordneten Windungsnuten 1,9, 20 und 21 im Phasenbereich
-a liegen, wobei die Spulenseiten +a2, -a2, -+4,-a4, +a6 und -a6 in Reihe in den
zweiten Kreis der Phase »a« gelegt sind, um die Phasenwindung a' zu bilden.
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Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ist es verständlich,
daß die Spulenseiten der Phasenwindungen f' und f", der Phasenwindungen
e' und e " usw. in entsprechenden benachbarten Windungsnuten im Anker II in der
dargestellten Weise angeordnet sind.
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Auf diese Weise ist es klar, daß bei einer gegebenen Ausgangsleistung
des Generators Io eine beträchtliche Herabsetzung der Phasenspannung erhalten wird,
und zwar zunächst durch die Anordnung der sechs Phasen in der zusammengesetzten
Ankerwicklung 15 und weiterhin durch die Schaffung von zwei parallelen Kreisen in
dieser. Dadurch wird die erforderliche Isolationsstärke der Gehäuse 17, welche die
Leiter der Spulenseiten 16 einschließen, wesentlich herabgesetzt, so daß man zusätzlichen
Raum in den Windungsnuten 14 erhält. Dieser zusätzliche Raum kann für verschiedene
weitere Konstruktionszwecke benutzt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Querschnittsfläche
der Leiter der Spulenseiten 16 heraufzusetzen. Andererseits können die Abmessungen
der Windungsnuten 14 herabgesetzt werden, um auf diese Weise die Abmessungen der
dazwischenliegenden Ankerzähne zu vergrößern, um die Sättigung herabzusetzen usw.
Zusammengefaßt kann durch Herabsetzen der erforderlichen Isolationsstärke der Gehäuse
17 der Spulenseiten 16 der zusätzliche Raum in den Windungsnuten 14 konstruktionsmäßig
nutzbar gemacht werden, wodurch sich eine erhöhte Leistung des Generators Io ohne
Vergrößerung der Abmessungen ergibt. Auf diese Weise kann durch die Verwendung der
erfindungsgemäßen Ankerwicklung 15 eine höhere Ausgangsleistung erhalten werden,
als wenn eine übliche Ankerwicklung von sechs Phasen mit einem Kreise je Polpaar
oder von drei Phasen mit zwei Kreisen je Polpaar benutzt wird.
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Da nun die erfindungsgemäße Ankerwicklung 15 eine unsymmetrische Sechsphasen-Spannung
erzeugt, muß zwischen dem Generator Io und einem üblichen Dreiphasennetz ein Phasenkorrektionsglied
vorgesehen werden, um einen Energieverteiler zu erhalten. In Fig. 5 ist der die
zusammengesetzte Ankerwicklung 15 aufweisende Generator Io mit einem Phasenkorrektionsglied
und einem Dreiphasennetz 4o dargestellt. Dabei umfaßt das Phasenkorrektionsglied
einen Dreiphasen-Transformator 50 in verlängerter Dreiecksschaltung und außerdem
einen Dreiphasen-Transformator 6o. Im einzelnen weist der Transformator 5o allgemein
mit 5 i bezeichnete Kerne auf, welche eine Primärwicklung 52 und eine Sekundärwicklung
53 tragen. Die Primärwicklung 52 umfaßt drei im ' Dreieck geschaltete Phasenwindungen
54, 55 bzw. 56 mit Drei ecks-Verlängerungswindungen 54a, 55a, 56, Die Sekundärwicklung
53 umfaßt drei im Stern geschaltete Phasenwindungen 57, 58 und 59, wobei der Mittelpunkt
des Sternes bei G geerdet ist. In ähnlicher Weise umfaßt der Transformator 6o allgemein
mit 61 bezeichnete Kerne, *die eine Primärwicklung 62 und eine Sekundärwicklung
63 tragen. Die Primärwicklung 62 umfaßt im Dreieck geschaltete Phasenwindungen 64,
65 und 66, während die Sekundärwicklung 63 drei im Stern geschaltete Phasenwindungen
67, 68 und 69 umfaßt, wobei. der Mittelpunkt des Sternes bei G geerdet ist.
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Bei der dargestellten Schaltung sind die drei Ausgangsanschlüsse 3
i, 32 und 33 der voreilenden Dreiphasenspannungen des Generators ro an die drei
Außenanschlüsse der Primärwicklung 52 des Transformators 5o gelegt, während die
drei Anschlüsse
der Sekundärwicklung 53 des Transformators 5o an
die drei Leiter des Netzes 4o angeschlossen sind. Andererseits sind die drei Ausgangsanschlüsse
34, 35 und 36 der nacheilenden Dreiphasenspannung des Generators Io an die drei
Anschlüsse der Primärwicklung 62 des Transformators 6o gelegt, während die drei
Anschlüsse der Sekundärwicklung 63 des Transformators 6o an den drei Leitern des
Netzes 40 liegen.
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Beim Betrieb der Mehrphasenspeiseanlage erzeugt die Anordnung der
Primärwicklung 52 des Transformators 5o eine Phasenverschiebung nach rückwärts um
ungefähr 30° zwischen ihren Außenanschlüssen, welche an den voreilenden Dreiphasen-Anschlüssen
des Generators Io liegen und ihren inneren Anschlüssen, an welche die Primärphasenwindungen
54, 55 und 56 im Stern angeschlossen sind. Auf diese Weise sind die Dreiphasen-Spannungen,
welche in den Sekundärwicklungen 53 und 63 des Transformators 5o bzw. des Transformators
6o induziert werden, miteinander in Phase, so daß sie in Parallelschaltung die beiden
Dreiphasen-Ausgangsspannungen an das Netz 4o abgeben können.
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Durch entsprechende Bemessung des Transformators 5o kann man erreichen,
daß die Rückwärtsphasenverschiebung zwischen den äußeren und den inneren Anschlüssen
der Primärwicklung 52 genau 30° wird. Ebenso kann man durch die Bemessung des Transformators
6o erreichen, daß die Dreiphasen-Ausgangsspannung seiner Sekundärwicklung 63 der
der Sekundärwicklung 53 des Transformators 5o genau gleich und symmetrisch ist,
so daß die dem Netz 40 zugeführte Energie zwischen ihnen gleichmäßig verteilt wird.
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Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ergibt sich,
daß die Erfindung einen Mehrphasen-Generator mit einer Ankerwicklung von 36 Phasen
mit zwei Kreisen je Polpaar ergibt, wodurch die Leistung des Generators wesentlich
erhöht wird und eine außerordentliche Anpassungsfähigkeit im Vergleich zu anderen
Generatoren-Konstruktionselementen erreicht wird. Außerdem wird eine verbesserte
Sechsphasen-Energieerzeugungs- und Dreiphasen-Verteiler-Spannung mit einem solchen
Generator angegeben.