DE967711C

DE967711C - Excitation device for an alternating or three-phase synchronous machine

Info

Publication number: DE967711C
Application number: DEA9214D
Authority: DE
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1941-05-10
Filing date: 1941-05-10
Publication date: 1957-12-05

Description

Erregereinrichtung für eine Wechsel- oder Drehstrom-Synchronmaschine Es ist eine Einrichtung zum Erregen von synchron umlaufenden Maschinen bekannt, bei der zum Speisen der umlaufenden Wicklung mit Gleichstrom ein Trockenplattengleichrichter auf dem Läufer angeordnet ist, der unter Vermeidung von Schleifringen mit Wechselstrom aus einer auf dem Läufer angeordneten Hilfswicklung gespeist wird. Diese Maschine besitzt im Stator zwei Drehstromwicklungen, von denen die eine die Drehstromausgangswicklung des Synchrongenerators, die andere die Drehstromwicklung des Erregerteiles ist. Auch im Läufer der Maschine sind zwei Wicklungen untergebracht, und zwar eine Gleichstromfeldwicklung für die Synchronmaschine und eine ebenfalls dreiphasige Wicklung, die vom Drehstromteil des Synchrongenerators erregt wird und über Gleichrichter den Erregerstrom liefert. Hieraus ergibt sich bereits, daß eine Sonderbauform einer elektrischen Maschine vorliegt, die gewisse konstruktive Schwierigkeiten mit sich bringt.Excitation device for an alternating or three-phase synchronous machine A device for exciting synchronously rotating machines is known, a dry plate rectifier for feeding the rotating winding with direct current is arranged on the rotor, avoiding slip rings with alternating current is fed from an auxiliary winding arranged on the rotor. This machine has two three-phase windings in the stator, one of which is the three-phase output winding of the synchronous generator, the other is the three-phase winding of the exciter part. There are also two windings in the rotor of the machine, namely a DC field winding for the synchronous machine and a three-phase winding from the three-phase part of the synchronous generator is excited and supplies the excitation current via a rectifier. This already shows that a special design of an electrical machine present, which brings with it certain constructive difficulties.

Außerdem ist eine Anordnung zur Erregung von Synchronmaschinen durch eine mit der Synchronmaschine starr gekuppelte Hilfsmaschine synchroner oder asynchroner Bauart bekannt, die im Ständer erregt wird, während ihre Läuferwicklung über Gleichrichter die Erregerwicklung der Synchronmaschine speist. Als Gleichrichter dient ein Elektrolytgleichrichter, dessen in den Flüssigkeitsring eintauchende Kontakte unmittelbar mechanisch und elektrisch mit dem Läufer der Hilfsmaschine verbunden sind.In addition, an arrangement for exciting synchronous machines is through an auxiliary machine that is rigidly coupled to the synchronous machine, more synchronous or asynchronous Design known, which is excited in the stator, while its rotor winding via rectifier feeds the field winding of the synchronous machine. An electrolyte rectifier serves as a rectifier, whose Contacts immersed in the liquid ring directly mechanically and electrically are connected to the rotor of the auxiliary machine.

Die Erfindung betrifft eine Erregereinrichtung für eine Wechsel- oder Drehstrom-Synchronmaschine mittels Gleichrichter, die durch eine mit der Synchronmaschine direkt gekuppelte Wechselstrom- oder Drehstrom-Erregermaschine gespeist werden. Die Erregereinrichtung ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die Gleichrichter im Läufer der Erregermaschine oder der Synchronmaschine untergebracht und einerseits an die Läuferwicklung der Erregermaschine, andererseits an die Feldwicklung der Synchronmaschine angeschlossen sind, wobei die Zuleitungen durch die bzw. entlang der gemeinsamen Maschinenwelle geführt sind, und daß als Erregermaschine ein Generator verwendet wird, dessen Erregerwicklung im Ständer untergebracht ist. Man erhält auf diese Weise eine Maschinenanordnung, die überhaupt keine Schleifringe und auch keinen umlaufenden Kontaktgleichrichter erfordert. Somit fallen diese mitunter störungsanfälligen Teile vollständig weg.The invention relates to an excitation device for an alternating or Three-phase synchronous machine by means of a rectifier connected to the synchronous machine directly coupled AC or three-phase excitation machines can be fed. According to the invention, the excitation device is designed so that the rectifier housed in the rotor of the exciter or the synchronous machine and on the one hand to the rotor winding of the exciter, on the other hand to the field winding of the Synchronous machine are connected, the leads through or along the common machine shaft are performed, and that a generator as the excitation machine is used, the field winding of which is housed in the stator. You get in this way a machine arrangement that has no slip rings at all and also does not require a rotating contact rectifier. Thus, these are sometimes susceptible to failure Share away completely.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.Embodiments of the invention are shown in the drawing.

Fig. I und 2 stellen eine Erregereinrichtung mit kondensatorerregter Erregermaschine in Kaskadenbauart, Fig. 3 eine Erregereinrichtung mit netzerregter und Fig. 4 eine mit fremderregter Erregermaschine dar. Die Regelung der Erregerleistung erfolgt im ersten Falle erfindungsgemäß durch an sich bekannte gleichstromvormagnetisierte Stabilisierungsdrosseln. Im zweiten Falle wird erfindungsgemäß die Speisespannung der Erregermaschine in an sich ebenfalls bekannter Art, beispielsweise durch einen Drehregler, geregelt. Im dritten Falle dient für den gleichen Zweck ein Regelwiderstand.Fig. I and 2 represent an excitation device with capacitor excitation Excitation machine in cascade design, Fig. 3 an excitation device with line exciter and FIG. 4 shows a separately excited exciter. The control of the exciter power takes place in the first case according to the invention by known direct current bias Stabilizing chokes. In the second case, according to the invention, the supply voltage is used the exciter in a manner also known per se, for example by a Control dial, regulated. In the third case, a rheostat is used for the same purpose.

Bei der Einrichtung gemäß Fig. x ist die über den Schalter 2 mit dem Netz x verbundene Synchronmaschine 3 mit dem kondensatorerregten Asynchrongenerator 6, 7 in Kaskadenbauart gekuppelt. Die Teilmaschine 6 besitzt einen Kurzschlußläufer. Ihre Ständerwicklung ist über die Zwischensammelschienen g mit den Erregerkondensatoren Io, der Stabilisierungsdrossel II sowie mit der Ständerwicklung der zweiten Teilmaschine 7 verbunden. Diese besitzt einen Läufer mit Phasenwicklung, an die der Erregergleichrichter 5, der seinerseits die Feldwicklung 4 speist, angeschlossen ist. Die Erregung erfolgt also über einen Zwischenstromkreis und einen eigentlichen Erregerstromkreis. Die Stabilisierungsdrossel erhält zwei Vormagnetisierungswicklungen 12 und 13. Die erste wird von den Sammelschienen g über den Hilfsgleichrichter 16 spannungsabhängig und die zweite vom Stromwandler 15 über den Hilfsgleichrichter 18 stromabhängig gespeist. Die Regelwiderstände I9, 21 dienen zur Regelung der Größe der Vormagnetisierung.In the device according to FIG. X, the switch 2 with the Network x connected synchronous machine 3 with the capacitor-excited asynchronous generator 6, 7 coupled in cascade design. The sub-machine 6 has a squirrel cage. Your stator winding is via the intermediate busbars g with the excitation capacitors Io, the stabilization choke II and the stator winding of the second sub-machine 7 connected. This has a rotor with a phase winding to which the field rectifier is connected 5, which in turn feeds the field winding 4, is connected. The excitement ensues thus via an intermediate circuit and an actual excitation circuit. the Stabilizing choke receives two bias windings 12 and 13. The first is voltage-dependent from the busbars g via the auxiliary rectifier 16 and the second is fed by the current transformer 15 via the auxiliary rectifier 18 as a function of current. The variable resistors I9, 21 are used to regulate the size of the premagnetization.

Die Einrichtung wirkt in der Weise, daß sich zunächst die Teilmaschine 6 über die Kondensatoren Io selbst erregt, sobald der Maschinensatz nach dem Anlaufen seine volle Drehzahl erreicht hat. Die Teilmaschine 7 und die Stabilisierungsdrossel ix erhalten von den Sammelschienen 9 aus ebenfalls Spannung. Über den Erregergleichrichter 5 setzt die Erregung der Hauptmaschine ein. Das Ansprechen der Erregung erfolgt unabhängig vom Zustand des Primärnetzes x auch nach Netzstörungen, Kurzschlüssen usw. Ebenso sind keine fremden Hilfsspannungsquellen für Gleich-oder Wechselstrom erforderlich. Diese Erregereinrichtung ist daher besonders für Generatorbetrieb geeignet.The device works in such a way that the sub-machine 6 initially excites itself via the capacitors Io as soon as the machine set has reached its full speed after starting. The sub-machine 7 and the stabilizing reactor ix also receive voltage from the busbars 9. The excitation of the main engine begins via the exciter rectifier 5. The excitation is triggered independently of the state of the primary network x, even after network disturbances, short circuits, etc. Likewise, no external auxiliary voltage sources for direct or alternating current are required. This excitation device is therefore particularly suitable for generator operation.

Der Erregerstrom steigt oder sinkt mit der Spannung an den Zwischensammelschienen. Diese wieder steigt, wie sich zeigen läßt, wenn der Vormagnetisierungsstrom in der Wicklung x2 der Stabilisierungsdrossel mit Hilfe des Regelwiderstandes I9 verringert wird. Umgekehrt sinkt die Spannung, wenn man den Vormagnetisierungsstrom vergrößert. Durch Verstellen des Widerstandes I9 kann die Leerspannung der Hauptmaschine beispielsweise beim Synchronisieren geregelt werden. Zur selbsttätigen stromabhängigen Regelung der Erregung während des Betriebes wird die Vormagnetisierungswicklung 13 durch einen dem Laststromverhältnis gleichen Strom, den der Stromwandler 15 über den Hilfsgleichrichter 18 liefert, gespeist. Die Vormagnetisierungswicklungen sind so geschaltet, daß die Ströme in ihnen entgegengesetzt gerichtet sind. Eine Zunahme des Laststromes verursacht daher eine Verringerung der Gesamt-Vormagnetisierung der Drossel, somit also, wie in diesem Falle erforderlich, eine Vergrösserung des Erregerstromes in der Hauptmaschine. Durch den Regelwiderstand 21 wird ein kleiner oder großer Teil des vom Stromwandler gelieferten Stromes in der Vormagnetisierungswicklung 13 zur Geltung gebracht und so der Kompoundierungsgrad eingestellt.The excitation current increases or decreases with the voltage on the intermediate busbars. This increases again, as can be shown when the bias current in the Winding x2 of the stabilizing choke is reduced with the help of the variable resistor I9 will. Conversely, the voltage drops if the bias current is increased. By adjusting the resistor I9, the open-circuit voltage of the main machine can, for example can be regulated during synchronization. For automatic current-dependent regulation the excitation during operation, the bias winding 13 is through a current equal to the load current ratio, which the current converter 15 via the auxiliary rectifier 18 supplies, fed. The bias windings are connected so that the Currents in them are oppositely directed. It causes an increase in the load current hence a reduction in the total bias of the choke, thus how in this case it is necessary to increase the excitation current in the main machine. Due to the variable resistor 21, a small or large part of the current transformer delivered current in the bias winding 13 brought to bear and so the degree of compounding is set.

Die Teilmaschine 7 ist so an die Hilfssammelschienen g angeschlossen, daß der Drehsinn des erzeugten Drehfeldes dem des Läufers entgegengesetzt ist. Besitzen beide Teilmaschinen der Kaskade die gleiche Polpaarzahl p, so erhält man bei n U/min an den Sammelschienen g eine Frequenz von und im Läuferkreis der Teilmaschine 7 eine Frequenz von 3000 50 Hierbei bedeutet fs die Frequenz, die den Schlupf des Drehfeldes der Teilmaschine 6 gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit des Läufers entspricht. Sind beispielsweise die beiden Teilmaschinen zweipolig und beträgt ihre Drehzahl 3ooo U/min, so erhält man an den Sammelschienen eine Frequenz von Hz, abzüglich der Schlupffrequenz, und dem Läufer der Teilmaschine 7 eine Frequenz von annähernd xoo Hz. Bei dieser hohen Frequenz und dreiphasiger Brückenschaltung des Gleichrichters wird der gelieferte Gleichstrom praktisch vollständig geglättet. Der Zwischenstromkreis ist vom eigentlichen Erregerstromkreis elektrisch getrennt. Man kann daher den Spannungsbereich jedes dieser Stromkreise frei bestimmen. Man wählt die Arbeitsspannung des Zwischenstromkreises möglichst hoch, weil dann die Erregerkondensatoren klein werden, während die Arbeitsspannung des eigentlichen Erregerkreises mit Rücksicht auf die Ausführbarkeit der Erregerwicklung niedrig bemessen wird.The sub-machine 7 is connected to the auxiliary busbars g that the direction of rotation of the rotating field generated is opposite to that of the rotor. If both sub-machines of the cascade have the same number of pole pairs p, a frequency of n is obtained on the busbars g at n rpm and a frequency of 3000 50 in the rotor circuit of the sub-machine 7 Here, fs means the frequency which corresponds to the slip of the rotating field of the sub-machine 6 in relation to the circumferential speed of the rotor. If, for example, the two sub-machines are two-pole and their speed is 3,000 rpm, the busbars have a frequency of Hz, minus the slip frequency, and the rotor of sub-machine 7 has a frequency of approximately xoo Hz. With this high frequency and three-phase bridge circuit of the rectifier, the supplied direct current is practically completely smoothed. The intermediate circuit is electrically separated from the actual excitation circuit. You can therefore freely determine the voltage range of each of these circuits. One chooses the working voltage of the intermediate circuit as high as possible, because then the excitation capacitors are small, while the working voltage of the actual excitation circuit is dimensioned low with regard to the feasibility of the excitation winding.

Die Schaltung der Erregereinrichtung läßt sich (s. Fig. 2) in der Weise abändern, daß die Vormagnetisierungswicklung I2 nicht von der Sammelschiene 9, sondern über den Spannungswandler 14, den Hilfsgleichrichter 17 und den Regelwiderstand 2o vom Netz I spannungsabhängig erregt wird. Der Spannungswandler kann auch unmittelbar an der Maschine, also vor dem Schalter 2, angeordnet sein.The circuit of the excitation device can (see. Fig. 2) in the Modify way so that the bias winding I2 is not off the busbar 9, but via the voltage converter 14, the auxiliary rectifier 17 and the variable resistor 2o is excited by the network I depending on the voltage. The voltage converter can also be used directly be arranged on the machine, i.e. in front of switch 2.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 3. In diesem Falle ist mit der Hauptmaschine 3 der Erregergenerator 8 gekuppelt, dessen Ständerwicklung über den Drehregler 22, gegebenenfalls unter Verwendung eines (nicht dargestellten) Umspanners, an das Netz I angeschlossen ist und dessen Läuferwicklung wieder die Feldwicklung 4 der Hauptmaschine über den Erregergleichrichter 5 speist.Another embodiment of the invention is shown in FIG Trap is coupled to the main machine 3 of the exciter generator 8, its stator winding via the rotary control 22, if necessary using a (not shown) Umspanners, is connected to the network I and its rotor winding again the Field winding 4 of the main machine via the field rectifier 5 feeds.

Der Erregergenerator erhält die gleiche Polpaarzahl wie die Hauptmaschine. Auch hier ist der Anschluß der Ständerwicklung so getroffen, daß Drehfeld und Läufer entgegengesetzt umlaufen. Im Erregerkreis ergibt sich dann eine Frequenz von Bei einer zweipoligen Maschine mit 3ooo U/min (entsprechend fn = 5o Hz) wird f2 = Ioo Hz. Die Erregerleistung, die der Läufer abgibt, wird diesem j e zur Hälfte über den Ständer aus dem Netz elektrisch und über die Maschinenwelle mechanisch zugeführt. Die Erregung der Hauptmaschine wird mit Hilfe des Drehreglers in einfacher Weise geregelt. Die Eigenleistung des Drehreglers beträgt in der gezeigten Schaltung bei höchster Regelstellung die Hälfte der Ständerleistung oder ein Viertel der größten Erregerleistung. Der Drehregler wird daher klein und billig. Er kann ferner ebenfalls schleifringlos gebaut werden.The exciter generator has the same number of pole pairs like the main machine. Here, too, the stator winding is connected in such a way that the rotating field and rotor rotate in opposite directions. A frequency of then results in the excitation circuit In a two-pole machine with 300 rpm (corresponding to fn = 50 Hz), f2 = 100 Hz. Half of the excitation power emitted by the rotor is supplied to it electrically via the stator and half mechanically via the machine shaft. The excitation of the main engine is easily regulated with the help of the rotary control. In the circuit shown, the internal output of the rotary control amounts to half the stator output or a quarter of the greatest excitation output at the highest control setting. The rotary control therefore becomes small and cheap. It can also be built without slip rings.

Eine Maschine mit einer Erregereinrichtung nach Fig. 3 ist sehr einfach und wirtschaftlich. Sie erregt sich aber nicht selbst, eignet sich daher hauptsächlich als Synchronmotor, der von einem vorhandenen Netz gespeist wird. Wegen des schleifringlosen Aufbaues erfordert sie ebenso wie ein Synchronmotor mit Kurzschlußläufer fast keine Wartung, kommt daher besonders dann in Betracht, wenn in einem schlagwetterführenden Bergwerk, in einem explosionsgefährdeten Betriebsraum oder an einer schwer zugänglichen Stelle eines Betriebsraumes ein Synchronmotor aufgestellt werden soll.A machine with an excitation device according to FIG. 3 is very simple and economical. But it does not excite itself, so it is mainly suitable as a synchronous motor that is fed from an existing network. Because of the slip ringless Just like a synchronous motor with a squirrel-cage rotor, it requires almost no structure Maintenance is therefore particularly important when in a firedamp Mine, in an operating room at risk of explosion or in a difficult-to-access area A synchronous motor is to be installed in an operating room.

An Stelle einer netzerregten Erregermaschine kann man auch eine fremderregte verwenden (Fig. 4), falls eine passende Fremdstromquelle, etwa ein Gleichstromnetz, zur Verfügung steht. Hier ist mit der Hauptmaschine 3 die Erregermaschine 8 gekuppelt, die wie eine Gleichstrommaschine außenliegende Magnetpole besitzt. An die Läuferwicklung dieser Erregermaschine ist der Gleichrichter in beschriebener Weise angeschlossen. Vorgesehen sind zwei Erregerwicklungen. Die eine wird vom Gleichstromnetz 23 über den Regelwiderstand 24 gespeist. Die zweite ist über den Gleichrichter I8 an den Stromwandler I5 angeschlossen.Instead of a line excited excitation machine, an externally excited use (Fig. 4), if a suitable external power source, such as a direct current network, is available. Here, the exciter machine 8 is coupled to the main machine 3, which has external magnetic poles like a DC machine. To the rotor winding the rectifier is connected to this exciter in the manner described. Two excitation windings are provided. One is from the direct current network 23 over the variable resistor 24 is fed. The second is via the rectifier I8 to the Current transformer I5 connected.

Eine Maschine mit der letztgenannten Erregereinrichtung erregt sich beim Anlauf; kann daher sowohl als Motor wie auch als Generator arbeiten. Bei Generatorbetrieb wird mit dem Regelwiderstand 24 wieder die Leerlaufspannung der Maschine geregelt, während die zusätzliche lastabhängige Regelung der Erregerleistung über den Stromwandler I5 und den Gleichrichter I8 erfolgt. Bei Motorbetrieb ist in den meisten Fällen eine lastabhängige Regelung der Erregung nicht erforderlich. Es genügt daher eine einzige vom Gleichstromnetz 23 gespeiste Erregerwicklung. Die Erregermaschine erhält die doppelte Polzahl wie die Hauptmaschine, damit im Läuferkreis eine Frequenz von Ioo Hz erreicht wird.A machine with the latter excitation device is excited at start-up; can therefore work both as a motor and as a generator. With generator operation the open-circuit voltage of the machine is regulated again with the regulating resistor 24, while the additional load-dependent control of the excitation power via the current transformer I5 and the rectifier I8 takes place. When the engine is running in most cases a load-dependent regulation of the excitation is not required. One is therefore sufficient only excitation winding fed by direct current network 23. The exciter receives double the number of poles as the main machine, thus a frequency of Ioo Hz is reached.

Man kann den Erregergleichrichter auch in dem Läufer der Hauptmaschine anordnen und die Anschlußleitungen von der Läuferwicklung zum Gleichrichter durch die oder entlang der Maschinenwelle führen, wie dies in Fig. Ia angedeutet ist. Besonders bei vielpoligen Maschinensätzen ist dies zweckmäßiger, weil bei diesen im Läufer der Hauptmaschine mehr Platz zur Unterbringung des Gleichrichters vorhanden ist als im Läufer der Erregermaschine.The exciter rectifier can also be installed in the rotor of the main machine arrange and the connecting lines from the rotor winding to the rectifier through which lead or along the machine shaft, as indicated in Fig. Ia. This is more useful especially with multi-pole machine sets, because with these there is more space in the rotor of the main machine to accommodate the rectifier is than in the rotor of the exciter.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Excitation device for an alternating or three-phase synchronous machine by means of a rectifier, which is directly coupled to the synchronous machine by a AC or three-phase excitation machines are fed, characterized in that that the rectifier is housed in the rotor of the exciter or the synchronous machine and on the one hand to the rotor winding of the exciter, on the other hand to the field winding the synchronous machine are connected, the leads through or along the common machine shaft are performed, and that a generator as the excitation machine is used, the field winding of which is housed in the stator. z. Excitation device according to claim i, characterized in that the excitation winding of the excitation machine is fed by an external power source for direct or alternating current, the The exciter machine has at least twice the number of poles than the synchronous machine, in order to achieve a frequency in the rotor circle that is at least twice that Grid frequency is. 3. excitation device according to claim i and 2, characterized in that that the excitation machine is also provided with a second excitation winding, which in a manner known per se from a current transformer (i5) via a rectifier (i8) is fed depending on the current. q .. excitation device according to claim i, characterized marked that the exciter is an asynchronous generator with the same Number of poles how the main machine is used, being this winding is connected so that the direction of rotation of the rotating field generated corresponds to the direction of rotation of the The rotor is opposite, so that its rotor winding an excitation current of twice the mains frequency. 5. Excitation device according to claim I and 4, characterized characterized in that the stator voltage of the exciter generator for the purpose of regulating the Excitation power is mainly changed by a rotary control. 6. Excitation device according to claim r, characterized in that the exciter machine is a slip ringless capacitor-excited asynchronous generator in cascade design is used, whose Stator windings together with the excitation capacitors on an intermediate busbar are connected, whereby an intermediate circuit is formed, and that the one Sub-machine (6) a squirrel cage rotor and the second (7) a rotor with phase winding to which the exciter rectifiers are connected. 7. Excitation device according to claim 1 and 6, characterized in that the sub-machines have the same number of poles, at least equal to that of the main machine, and that the stator winding of the second sub-machine (7) is connected to the intermediate busbars that the direction of rotation of the rotating field generated in it is opposite to the direction of incidence of the rotor so that the frequency of the rotor current is twice as high as the frequency in the intermediate circuit will. B. excitation device according to claim i, 6 and 7, characterized in that DC-biased stabilizing chokes for regulating the excitation power be used. Publications considered: German Patent Specifications No. 657 626, 589 673, 5o2 811, 56o 781, 675 835.