DES0026762MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 11. Januar 1952 Bekanntgemacht am 1. März 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Bei Dampfkraftwerken für die Stromversorgung der Bahnnetze mit i6²/speriodigem Einphasenstrom werden die ioootourigen, zweipoligen Einphasengeneratoren über ein Getriebe von 3oootourigen Dampfturbinen angetrieben. Das Getriebe ist erforderlich, da bei der unmittelbaren Kupplung die Dampfturbine infolge der niedrigen Drehzahl einen zu schlechten Wirkungsgrad aufweist. Durch das pulsierende Drehmoment bei den Einphasengeneratoren, das bei cos φ i-Belastung der Generatoren zwischen Null und dem doppelten Nennmoment mit 33 Vs Hertz schwankt, werden die Getriebe außerordentlich schwer beansprucht. Hinzu kommt noch, daß die erste Dreheigenschwingungszahl des gesamten Wellenstranges meist sehr nahe der Impulsfrequenz von 33 Ve Hertz, d. i. 2000 Umdr./Min., liegt, so daß die Drehmomentschwankungen noch erheblich verstärkt werden. Wenn der Generator Blindleistung an das Netz tabgibt oder vom Netz aufnimmt, schwankt das Drehmoment auch bis in den negativen Bereich und führt im Getriebe zu Zahnablösungen, wodurch die Getriebezähne besonders hoch beansprucht werden. Es ist dann außer einer erheblichen Überdimensionierung des

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Getriebes noch ein hochelastisches Zwischenglied zwischen Generator und Getriebe erforderlich, das entweder als elastischer Welleneinsatz oder (als hochelastische, kraftschlüssige Kupplung ausgebildet wird.

Diese Maßnahme wird auch notwendig, um das Getriebe vor zu hohen Stoßbeanspruchungen zu schützen bei auftretenden Kurzschlüssen im Einphasengenerator oder im Einphasennetz. Der

ίο Kosten- und Raumaufwand für das Getriebe und die elastischen Zwischenglieder ist dann sehr groß. Trotz aller Vorkehrungen muß aber immer noch mit einem erheblichen Verschleiß der Getriebe gerechnet werden. Ähnliche Verhältnisse stellen sich ein, wenn man für, den Antrieb eine Gasturbine benutzt, die ebenfalls für die Erzielung eines guten Wirkungsgrades mit hoher Drehzahl umlaufen muß. Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von 16 Vs- oder 25periodigem Einphasen-

ao strom mittels einer Dampf- oder einer Gasturbine und einer an. sich bekannten Umformermaschine für 16 Vs- oder 25periodigen Wechselstrom, bei der die geschilderten Nachteile vermieden sind. Erfindungsgemäß ist mit der Turbine ein zweipoliger Drehstromgenerator unmittelbar gekuppelt, dessen Drehzahl ,einer erzeugten Frequenz gleich dem Mehrfachen von 16 ²A Hertz (zweckmäßig dem 3fachen) oder dem Mehrfachen von 25 Hertz entspricht, wobei die Umformermaschine mit gemeinsamem Wechselstrom- und Erregerteil für ihre beiden unterschiedlichen Frequenzen von dem Drehstromgenerator zur Herstellung von i6²/s- oder 25periodigem Einphasenstrom gespeist wird. Infolge der vervielfachten Drehzahl besitzt dabei die Turbine einen guten Wirkungsgrad. Da an der Umformermaschine das höherperiodige System und das i6²/3periodige oder 25periodige System auf einem gemeinsamen Wechselstromteil (Ständer) und Erregerteil (Läufer) untergebracht sind, wird die Umformermaschine nur um etwa 30% größer als ein normaler Einphasengenerator gleicher Leistung. Bei dieser Anordnung ersetzen also der dreiphasige Turbogenerator und der 5operiodige Teil der Umformermaschine das Zahnradgetriebe mit dem elastischen Zwischenglied ■ wie eine hochelastische, elektromagnetische Kupplung. Der dreiphasige, z.B. 5operiodige Generator kann dabei sehr günstig für cos φ = ι bemessen werden. Da der Drehstromgenerator nur die Umformermaschine zu speisen hat, kann man bei der Wahl der Wicklungs- und Spannungsverhältnisse ausschließlich von, den für den Umformer und den Generator günstigsten Verhältnissen ausgehen. Man kann also die. Spannung des Drehstromgenerators so wählen, daß eine einfache und robuste Zweistabwicklung pro Generafbrnut , vorgesehen werden kann. Infolge der niedrigen, Generatorspannung kann man auch die Soperiodige Drehstromwicklung an der Umformermaschine: als Einstabwicklung pro Nut ausführen. Führt man dann auch noch die i6²/3periodige Ständerwicklung der Umformermaschine als Einstabwicklung aus, so kann man diese beiden Wicklungssysteme in denselben Ständernuten unterbringen, wobei sich zusammen nur zwei Stäbe je Nut ergeben. Es wird sich dann allerdings als notwendig erweisen, die von der Umformeranlage gelieferte i6²/3- oder 25periodige Einphasenspannung für die Speisung der Fahrleitung von Fernbahnen auf die übliche. Spannung von, 15 kV oder mehr herauf zutransformieren. Will man diesen Transformator vermeiden, SO¹ kann man den. Umformer an dem i6²/3periodigen Teil für die unmittelbare Fahrdrahtspannung wickeln.

Die Zeichnung veranschaulicht in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Gesamtanordnung und in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die Ausbildung des gemeinsamen Erregersystems für die Umformermaschine. In Fig. 1 ist 1 eine Dampfturbine, die einen zweipoligen Drehstromgenerator 2 mit 3000 Umdrehungen antreibt. Die 5operiodige Drehstromwicklung des Generators speist das Drehstromsystem an der Umformermaschine 3, wobei die Umformermaschine für 50 Perioden mit 12 Polen ausgerüstet ist, so daß ihre synchrone Drehzahl 500 Umdr./Min. beträgt. Auf dem Ständer der Umformermaschine ist dann außer der Drehstromwicklung noch eine vierpolige, also i6²/3periodige Einphasenwicklung untergebracht, die generatorisch einen Einphasentransformator 4 speist, dessen Sekundärsp&nnung dann mit der Fahrleitung 5 und go den Schienen 6 einer i6²/3periodigen Fernbahn verbunden ist. Der für das 5operiodige und das i6²/3periodige System ebenfalls gemeinsame Erregerteil der Umformermaschine 3 kann derart ausgebildet sein, daß an diesem Erregerteil 12 mit Gleichstrom erregte Feldpole vorgesehen, sind, und diese Feldpole sind in zwei oder mehrere Gruppen unterteilt, deren Gleichstromerregungen für die gesonderte Beeinflussung des I2poligen (50 Hertz) und des vierpoligen (i6²/3 Hertz) Erregerfeldes gesondert regelbar sind.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform dieses gemeinsamen Erregerteils zeigt Fig. 2 der Zeichnung. Die Umformermaschine besitzt vier ausgeprägte Feldpole für das i6²/3periodige Wechselstromsystem, von denen Fig. 2 einen darstellt. Diese Feldpole entsprechen im unteren Teil den normalen Erregerpolen einer Synchronmaschine mit ausgeprägten Polen. Für ihre Erregung dient die den ganzen unteren Polschaft umschlingende Erregerwicklung 7. Für ihre Befestigung ist das Läuferrad 8 in bekannter Weise als Rillenwelle ausgebildet, in deren Nuten die Zähne der ebenso geformten unteren Teile der Polschäfte eingreifen und mittels der axialen Bolzen 9 mit der Rillenwelle verbunden sind. Der obere Teil des Polschaftes ist mit Hilfe der Nuten 10 und 11 in drei Teilpole 12, 13, 14 aufgespalten, die mit Hilfe der Erregerwicklungen 15 und, 16 gesondert erregt werden können und die in der Hauptsache das i2polige Feld, des 5operiodigen Systems der Umformermaschine erzeugen. Bei der dargestellten Anordnung werden nur'die äußeren Teilpole 12 und 14 von Erregerwicklungen umfaßt, während die magrietomotorische Kraft für den Fluß im Pol 13 durch die Erregerwicklungen 15 und 16

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mitgeliefert wird. Dies ergibt eine besonders günstige Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Wickelraumes für das I2polige Feld.

Die Größe der von der Umformermaschine abgegebenen i6²/3periodigen Spannung kann man mit Hilfe des Erregerstromes der Erregerwicklung 7 regeln. Für die Regelung der Größe der der Umformermaschine zugeführteil 5operiodigen Spannung benutzt man die Spannungsregelung an dem Drehstromgenerator 2, während der Erregerstrom in den Erregerwicklungen 15 und 16 des 5Operiodigen Systems der Umformermaschine für die Einstellung des Leistungsfaktors im 5Operiodigen System benutzt werden kann. Die Spannungs-

'5 regelung der 5operiodigen Seite erfolgt also vor-. wiegend am Generator 2 als cos φ = ι-Regelung auf kleinstem Ständerstrom, d. h., der Generator arbeitet bei veränderlicher Belastung mit veränderlicher Spannung.

Die Anordnung nach der Erfindung mit Doppelfeldumformer und Drehstromturbogenerator wird besonders bei Grenzleistungen (bis etwa 30 MVA) vorteilhaft, weil Zahnradgetriebe für so hohe Leistungen noch nicht entwickelt sind bzw. sehr teuer kommen. Als weiterer Vorteil für die Anordnung nach der Erfindung ergibt sich, daß man . den Doppelfeldumformer mit einem gasdichten Gehäuse versehen kann, das keine Wellendurchführungen besitzt, und an dem sowohl die Erregerströme als auch die 5operiodigen und die i6²/3periodigen Ströme durch die Gehäusewand isoliert und gasdicht hindurchgeführt sind. Man kann also den Doppelfeldumformer besonders vorteilhaft mit Wasserstoffkühlung des Maschineninnern ausrüsten, bei der bekanntlich die Abdichtung an der Wellendurchführung durch das Gehäuse die größten Schwierigkeiten bietet. Diese Möglichkeit der vollständigen Abkapselung des Doppelfeldumformers erleichtert auch eine Freiluftausführung des Umformers. Die Ausbildung der Umformermaschine als Schenkelpolmaschine bei einer Drehzahl von 500 Umdr./Min. (wie dargestellt) hat den Vorteil der geringeren Verluste und der erhöhten Sicherheit in der Ausbildung der nicht dargestellten Dämpferwicklung.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE: .

   i. Anordnung zur Erzeugung von i6²/3- oder 25periodigem Einphasenstrom mittels einer

   ■50 Dampf- oder Gasturbine und einer Umformermaschine, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Turbine (1) ein zweipoliger Drehstromgenerator (2) unmittelbar gekuppelt ist, dessen Drehzahl einer erzeugten Frequenz gleich dem Mehrfachen von 16 ²/s Hertz (zweckmäßig dem ßfachen) oder gleich dem Mehrfachen von 25 Hertz entspricht, wobei die Umformermaschine (3) mit gemeinsamem Wechselstrom- und Erregerteil für ihre beiden unterschiedlichen Frequenzen von dem Drehstromgenerator (2) zur Herstellung von 16 ²/s- oder 25periodigem Einphasenstrom gespeist wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Umformermaschine Soperiodigen Drehstrom in i6²/8periodigen Einphasenstrom umformt und OM-polige Erregerfelder für das 50-Perioden-System und 2w-polige für das iöVa-Perioden-System vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an der Umformermaschine 6 η mit Gleichstrom erregte Feldpole vorgesehen sind und diese Feldpole in zwei oder mehrere Gruppen unterteilt sind, deren Gleichstromerregungen für die gesonderte Beeinflussung der 6n- und der 2 n-poligen Erregerfelder gesondert regelbar sind, wobei η eine beliebige ganze Zahl bedeutet.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformermaschine 2» ausgeprägte Feldpole für das i6²/3periodige Wechselstromsystem besitzt und diese Feldpole im oberen Teil des Polschaftes in drei gesondert erregte Teilpole für das 5Operiodige Drehstromsystem aufgespalten sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformermaschine (3) für eine größere Polzahl¹ als der zweipolige Drehstromgenerator ausgeführt ist (insbesondere in Schenkelpolbauärt auf der dem Drehstromgenerator zugeordneten Seite die Polzahl 12 aufweist).
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformermaschine ein geschlossenes Gehäuse ohne Wellendurchführung aufweist und mit Wasserstoffkühlung des Maschineninnern ausgerüstet ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstromwicklung des Drehstromgenerators als Zweistabwicklung pro Nut ausgeführt ist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Umformer- maschine (3) die 5operiodige und die i6-²/3periodige Wechselstromwicklung als Einstabwicklung pro Nut ausgeführt ist und zweckmäßig die beiden Wicklungen in gemeinsamen Nuten mit je einem Stab pro Nut zu liegen kommen. 1.05
8. 8. Verfahren zur Regelung der Spannung bei der Anordnung des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei veränderlicher Belastung des Drehstromgenerators die Erregung -des Drehstromgenerators im Sinne einer Erhaltung des günstigsten Leistungsfaktors (cos φ = ι) auf veränderliche Generatorspannung geregelt wird.

   Angezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 494 439.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen