EP4552211A1 - Synchronmaschine und verfahren zum betrieb einer synchronmaschine - Google Patents

Synchronmaschine und verfahren zum betrieb einer synchronmaschine

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EP4552211A1
EP4552211A1 EP23787028.2A EP23787028A EP4552211A1 EP 4552211 A1 EP4552211 A1 EP 4552211A1 EP 23787028 A EP23787028 A EP 23787028A EP 4552211 A1 EP4552211 A1 EP 4552211A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
synchronous machine
rotor
short
rotor winding
power semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23787028.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Centner
Thorsten Getschmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innomotics GmbH
Original Assignee
Innomotics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innomotics GmbH filed Critical Innomotics GmbH
Publication of EP4552211A1 publication Critical patent/EP4552211A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/46—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor
    • H02P1/50—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor by changing over from asynchronous to synchronous operation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • H02P25/03—Synchronous motors with brushless excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • Synchronous machine and method for operating a synchronous machine The invention relates to a synchronous machine and a method for operating a synchronous machine.
  • an additional resistor is arranged in the machine's rotor circuit. This only develops its greatest effect in terms of torque at relatively high speeds, but the rotor winding alternating current flows through it during the entire run-up and is therefore exposed to large power losses. The resistance must be dimensioned accordingly with regard to its thermal capacity.
  • Such a synchronous machine, which is electrically excited can also be referred to as a separately excited synchronous machine.
  • the invention also relates to a device for switching on the additional rotor resistance in an electrically excited synchronous machine with asynchronous starting.
  • a synchronous machine is designed, for example, as a salient-pole synchronous motor, which has a rotor designed with solid poles, in particular without a starting cage, this rotor being a slip ringless exciter machine consisting of a stator and a rotor arranged within the stator and one of the Rotor winding assigned rectifier arrangement and the rectifier arrangement is electrically assigned a resistor, for example to reduce a pendulum torque and increase the torque in the starting phase of the synchronous motor.
  • asynchronous starting phase For synchronous motors that are excited without slip rings or "brushless" and whose rotor is designed without a starting cage, it is usual for the asynchronous starting phase to short-circuit the field winding via an external ohmic resistance of approx. 10 times the field resistance.
  • an external ohmic resistance of approx. 10 times the field resistance.
  • the electrically excited synchronous machine has a rotor with a winding.
  • the resistance can be dimensioned smaller, or with existing resistors or an existing resistance, heavier starts can be carried out. In this context, heavy also means starts with high inertia and counter-torque.
  • the resistance can be designed with one or a plurality of resistance elements. From US 9018888 B2 a synchronous machine is known in which the resistance is moved directly. If there is no possibility of connecting the resistor, the resistor is operated permanently in the rotor circuit during startup and is only bridged when the machine is in synchronized operation.
  • a synchronous machine has a stator and a rotor, the rotor having a rotor winding has, wherein a first power semiconductor is provided for short-circuiting the rotor winding, the first power semiconductor and the rotor winding forming a first mesh.
  • a mesh can be described as a circuit closed over branches. The rotor winding can therefore be short-circuited by the first power semiconductor. This results in a short circuit.
  • the first power semiconductor is a first short-circuiter across the rotor winding.
  • the mesh is in particular free of starting resistance of the synchronous machine.
  • the first power semiconductor is at least part of a device for switching on or off a starting resistor, ie an additional rotor resistor, in an electrically excited synchronous machine with asynchronous starting.
  • the synchronous machine has an excitation machine for the rotor winding.
  • a second power semiconductor is provided for short-circuiting the rotor winding, the second power semiconductor being connected in parallel to the first power semiconductor. In this way, the rotor winding can be short-circuited in a further current direction.
  • the power semiconductors for short-circuiting the rotor winding are provided for different current directions in the rotor winding.
  • At least one of the power semiconductors can be controlled.
  • This control for the short circuit enables an influenceable short circuit in the rotor winding.
  • the at least one first power semiconductor and the rotor winding are connected in parallel, with a starting resistor being connected in series.
  • the resistor in particular the starting resistor.
  • the synchronous machine to be operated has a stator and a rotor, the rotor having a rotor winding, the rotor winding is short-circuited in an operating state of the synchronous machine, a first short-circuiter being used for short-circuiting, the Short-circuiter and the rotor winding form a first mesh.
  • the first short-circuiter has in particular the first power semiconductor.
  • a second short-circuiter which has the second power semiconductor, is connected antiparallel to the first short-circuiter.
  • the operating state relates to a ramp-up and/or start-up of the synchronous machine.
  • a starting resistor with a second short-circuiter connected in parallel is connected in series to the parallel connection of the first short-circuiter and rotor winding. This is a simple and compact way to influence the behavior of the synchronous machine. 202204988 Foreign version 5
  • a synchronous machine is used in one of the embodiments described.
  • a synchronous machine in one of the described embodiments according to one of the described methods is used for the method.
  • a synchronous machine is operated in one of the embodiments described. Operation takes place according to one of the methods described.
  • FIG. 1 shows a first circuit for a synchronous machine
  • FIG. 2 shows a second circuit for a synchronous machine
  • FIG. 3 shows a third circuit for a synchronous machine
  • FIG. 4 shows a fourth circuit for a synchronous machine.
  • 1 shows a first circuit for a synchronous machine 1.
  • the synchronous machine 1 has a stator 3 with stator windings 4, 4', 4'', a rotor with a rotor winding 5 and an excitation circuit 2.
  • the stator windings 4, 4 ⁇ , 4 ⁇ ⁇ are intended for connection to the phases U, V and W.
  • one side of the stator windings 4, 4', 4'' is connected in a star to the connections U2, V2 and W2.
  • the connections U1, V1 and W1 are shown for a further second side of the stator windings 4, 4', 4''.
  • the excitation circuit has a resistance 11, in particular a starting resistance.
  • the excitation circuit is operated via a control A1 10 for the excitation.
  • the control has connections J1A, J1B, J1C, A4, A5, A7, A8, J62 and J61. With the J1A connection it is possible to measure the voltage between J1A and J1B.
  • connection A7 is to charge the capacitor to ignite the thyristors T3.1.
  • connection A8 has the task of charging the capacitor to ignite the thyristors T3.2.
  • the resistor RZ 11 can also be referred to as an additional resistor.
  • the rotor winding itself also has a resistance value.
  • the additional resistor RZ 11 used in the excitation circuit influences the behavior of the synchronous machine, for example when it starts up or ramps up.
  • the circuit according to the invention allows the resistor RZ to be designed with a smaller heat capacity, since it only has to absorb a portion of the losses that would otherwise occur.
  • the resistor RZ can be short-circuited via the thyristors T3.1 and T3.2.
  • the thyristors T3.1 and T3.2 are both connected in parallel to the resistor RZ 11.
  • the thyristor T3.1 is controlled via the connection J61 of the control A110.
  • the thyristor T3.2 is controlled via connection J62 of the control A110.
  • the control takes place, for example, a few seconds after the asynchronous startup as described above.
  • the thyristors remain on 202204988 Foreign version 7 closing due to the current flow caused by the excitation F1 F2.
  • HK means auxiliary terminal for the thyristors.
  • a diode bridge with the diodes V1 to V12 is also shown.
  • a first RC element is connected in parallel.
  • This first RC element has a capacitor element C1 and a resistance element R1, the capacitor element C1 being connected in series with the resistance element R1.
  • a second RC element is connected in parallel to the first RC element.
  • This second RC element has a capacitor element C2 and a resistance element R2, the capacitor element C2 being connected in series with the resistance element R3.
  • a third RC element is connected in parallel to the first and second RC elements.
  • This third RC element has a capacitor element C3 and a resistance element R3, the capacitor element C3 being connected in series with the resistance element R3.
  • High-frequency voltage peaks can be diverted via the RC elements in order to protect the other components.
  • Two thyristors T1 and T2 connected in series are connected parallel to the RC elements.
  • the thyristor T1 is controlled via the connection J1B.
  • the thyristor T2 is controlled via the connection J1C.
  • the circuit can be supplemented.
  • the basic structure of the circuit in the rotor circuit does not need to be changed much. This has the advantage that existing proven components can continue to be used.
  • FIG. 2 shows an addition to FIG.
  • the control power section has the switchable power semiconductors.
  • the addition is based on the fact that a bidirectional switch or practically two power electronic unidirectional switches 6 and 7 connected in anti-parallel are arranged parallel to the rotor winding 5. These are a first power semiconductor 6 and a second power semiconductor 7.
  • a control 9 is provided to switch these switches.
  • the control 9 has the control logic.
  • the power semiconductors 6 and 7 are activated in the initial phase of startup.
  • a first phase from 0% to 50-80% of the speed (synchronous speed/nominal speed (rated speed))
  • the rotor winding 5 is short-circuited by the circuit according to the invention in order to prevent the current flow and thus losses in RZ.
  • the marginal reduction of the pendulum moments through RZ can be dispensed with in this phase.
  • a second phase following the first phase from approx. 50%-80% of the rated speed to 95-98% of the rated speed, the circuit is locked to prevent another short circuit and further startup with current flow via RZ and thus achieve the advantages that are significant in this phase, such as reducing the pendulum moments and increasing the average moment.
  • a third phase following the second phase from 95%-98% of the rated speed (nominal speed) until the end of the asynchronous startup, the excitation described above takes place and thus the bridging of RZ for synchronous operation.
  • Periods of time that affect the starting resistor 11 run in the chronological sequence of these phases.
  • thyristors are used in particular, which directly bridge the field winding after ignition. The alternating current in the field winding causes it to go out again after a half-wave. The components connected in anti-parallel must therefore be activated alternately in order to carry an alternating current.
  • thyristors are advantageous because they can cope well with the centrifugal force in the rotor due to their design as a so-called “press pack”. Auxiliary energy is required to trigger the switch or to ignite the power electronic components. This is obtained, for example, directly from the voltage induced in the field winding. Proven types (T1, T2) from the excitation circuit, with appropriate cooling, can be used as thyristors 6 and 7, since the bridging thyristors carry exactly the same current as T1 and T2. The bridging should now only take place until a certain speed is reached. This means that the switching process described above must be controlled by an additional logic signal that suppresses switching above a defined speed threshold.
  • this signal can be controlled by an external source (telemetry or similar) or, on the other hand, it can be generated directly from the existing voltages/currents on the rotor. This can be done, for example, by measuring the time intervals between the alternating switching of the switches. Since the speed increases during startup and the slip of the rotor decreases accordingly, the switching frequency becomes smaller and smaller. The time intervals are increasing. For example, a timer can now monitor whether a certain minimum time period between switchovers has been exceeded. If this is the case, switching is suppressed.
  • This purely frequency-dependent variant has the advantage that – apart from permissible tolerances of the network frequency – no calculation data subject to uncertainty is included.
  • the connection speed can then be varied via bridge configuration/jumper or similar.
  • the switchability can have the advantage that the energy conversion in the resistance is reduced without noticeably affecting the effect in terms of torque.
  • This entails 202204988 Foreign version 10 that the resistance can be made smaller for a certain effect because less thermal capacity has to be provided.
  • the starting resistance is defined on the one hand by an ohmic resistance value and the associated influence on the starting behavior, such as the pendulum moments mean moment and the starting time. On the other hand, the starting resistance absorbs the losses that arise during starting, since only a small proportion of these are released directly into the environment during the starting phase.
  • the thermal capacity of the starting resistor can be reduced to around 50% of the otherwise required thermal capacity. With the same materials, this means that the mass of the starting resistance is approximately halved. Due to the typical arrangement of the resistance on the rotor, the weight saving means a significant improvement in rotor dynamics.
  • a typical starting resistance weighs in the range of 50kg to 500kg. The now possible reduction in weight makes it possible to save weight by 30%-60%, in particular 40-50%.
  • 3 shows a current flow 8 in the case of activated thyristors 6 and 7.
  • the path of the current flow 8 also shows a mesh 8. In the mesh 8 there is one of the power semiconductors 6 for short-circuiting and the field winding 5, which is to be short-circuited at certain times.
  • the illustration according to Figure 4 shows a current flow 12 in the case of deactivated thyristors 6 and 7.

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Abstract

Eine Synchronmaschine (1) weist einen Stator (3) und einen Rotor auf, wobei der Rotor eine Rotorwicklung (5) aufweist, wobei ein erster Leistungshalbleiter (6) zum Kurzschluss der Rotorwicklung (5) vorgesehen ist, wobei der erste Leistungs- halbleiter (6) und die Rotorwicklung eine erste Masche (8) ausbilden. Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Synchronma- schine (1), wird die Rotorwicklung (5) in einem Betriebszu- stand der Synchronmaschine (1) kurzgeschlossen, wobei zum Kurzschließen ein erster Kurzschließer (6) verwendet wird, wobei der Kurzschließer (6) und die Rotorwicklung (5) eine erste Masche (8) ausbilden.

Description

202204988 Auslandsfassung 1 Beschreibung Synchronmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Synchronma- schine Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine und ein Verfah- ren zum Betrieb einer Synchronmaschine. Um das Drehmoment während des asynchronen Anlaufs von elektrisch erregten Synchronmaschinen zu erhöhen, wird ein Zusatzwiderstand im Rotorstromkreis der Maschine angeordnet. Dieser entfaltet seine größte Wirkung bzgl. des Drehmoments erst bei relativ großen Drehzahlen, wird aber während des ge- samten Hochlaufs vom Rotorwicklungswechselstrom durchflossen und ist deshalb großer Verlustleistung ausgesetzt. Entspre- chend muss der Widerstand bzgl. seiner thermischen Kapazität dimensioniert werden. Eine derartige Synchronmaschine, welche elektrisch erregt ist, kann auch als fremderregte Synchronma- schine bezeichnet werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Zuschalten des Rotor-Zusatzwiderstands bei einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit asynchronem Anlauf. Eine Synchronmaschine ist z.B. als ein Schenkelpol-Synchron- motor ausgeführt, welcher einen mit massiven Polen insbeson- dere ohne Anlaufkäfig ausgeführten Rotor aufweist, wobei die- sem Rotor eine schleifringlose Erregermaschine aus einem Sta- tor und einem innerhalb des Stators angeordneten Rotor und einer der Rotorwicklung zugeordneten Gleichrichteranordnung aufweist und der Gleichrichteranordnung elektrisch ein Wider- stand, z.B. zur Verringerung eines Pendelmomentes und Erhö- hung des Drehmomentes in der Anlaufphase des Synchronmotors, zugeordnet ist. Bei schleifringlos oder auch "bürstenlos" er- regten Synchronmotoren, deren Rotor ohne Anlaufkäfig ausge- führt ist, ist es für die Phase des asynchronen Anlaufs üb- lich, die Feldwicklung über einen äußeren ohmschen Widerstand von ca. dem 10fachen Feldwiderstand kurzzuschließen. Um auch bei erschwerten Anlaufbedingungen eine sicher arbeitende 202204988 Auslandsfassung 2 bürstenlose Erregung zu verwirklichen, ist es auch möglich, beim Anlaufvorgang den Gleichrichter entweder kurzzuschließen oder vom Feld zu trennen, wobei das Feld auf einen ohmschen Widerstand (Anlaufwiderstand) geschaltet ist. Durch zusätzli- che Maßnahmen kann dieser Widerstand während des synchronen Betriebes abgeschaltet werden. Die elektrisch erregte Synchronmaschine hat einen Rotor mit einer Wicklung. Weist der Rotor einen Anlaufwiderstand auf, ist es vorteilhaft, wenn es gelingt, den Widerstand erst ab Erreichen einer gewissen Drehzahl zuzuschalten, dann besteht hinsichtlich seiner Wirkung kein Nachteil, aber ein Vorteil durch den wesentlich geringeren Verlusteintrag. Damit kann der Widerstand kleiner dimensioniert werden, bzw. mit vorhan- denen Widerständen, bzw. einem vorhandenen Widerstand können schwerere Anläufe durchgeführt werden. Schwer heißt in diesem Zusammenhang insbesondere auch Anläufe mit hohem Trägheits- und Gegenmoment. Der Widerstand kann mit einem oder einer Vielzahl von Widerstandselementen ausgeführt sein. Aus der US 9018888 B2 ist eine Synchronmaschine bekannt, bei welcher der Widerstand direkt gerückt wird. Wenn es keine Möglichkeit der Zuschaltung des Widerstandes gibt, wird der Widerstand während des Anlaufs dauerhaft im Rotorkreis betrieben und erst im synchronisierten Betrieb der Maschine gebrückt. Diese Brückung erfolgt allerdings nur für eine Stromrichtung, da im synchronisierten Betrieb der Ma- schine im Rotor ein Gleichstrom fließt, im Gegensatz zum An- lauf, wo in der Rotorwicklung von der induzierten Spannung ein Wechselstrom getrieben wird. Auch eine Schaltung, die ei- nen dauerhaften Betrieb mit Zusatzwiderstand vorsieht, ist möglich, jedoch nachteilig. Eine Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Synchron- maschine zu gestalten. 202204988 Auslandsfassung 3 Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich nach den Ansprüchen 1 und 5. Weitere beispielhafte Ausgestaltungen ergeben sich nach den davon abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 bzw. 7 bis 8. Eine Synchronmaschine weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor eine Rotorwicklung aufweist, wobei ein erster Leistungshalbleiter zum Kurzschluss der Rotorwicklung vorge- sehen ist, wobei der erste Leistungshalbleiter und die Rotor- wicklung eine erste Masche ausbilden. Eine Masche kann als ein über Zweige geschlossener Umlauf bezeichnet werden. Durch den ersten Leistungshalbleiter kann also die Rotorwicklung kurzgeschlossen werden. Es ergibt sich eine Kurzschlussschal- tung. Der erste Leistungshalbleiter ist ein erster Kurz- schließer über der Rotorwicklung. Die Masche ist insbesondere frei von einem Anlaufwiderstand der Synchronmaschine. Der erste Leistungshalbleiter ist zumindest ein Teil einer Vor- richtung zum Zuschalten bzw. Wegschalten eines Anlaufwider- standes, d.h. eines Rotor-Zusatzwiderstands, bei einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit asynchronem Anlauf. Die Synchronmaschine weist eine Erregermaschine für die Ro- torwicklung auf. In einer Ausgestaltung der Synchronmaschine ist ein zweiter Leistungshalbleiter zum Kurzschluss der Rotorwicklung vorge- sehen, wobei der zweite Leistungshalbleiter parallel zum ers- ten Leistungshalbleiter verschalten ist. So kann in einer weiteren Stromrichtung die Rotorwicklung kurzgeschlossen wer- den. In einer Ausgestaltung der Synchronmaschine sind die Leis- tungshalbleiter zum Kurzschluss der Rotorwicklung für unter- schiedliche Stromrichtungen in der Rotorwicklung vorgesehen. Hierzu ergeben sich insbesondere Maschen für einen Kurz- schlusskreis, welche den Anlaufwiderstand nicht aufweisen, also frei von diesem sind. In einer Ausgestaltung der Synchronmaschine ist zumindest ei- ner der Leistungshalbleiter ansteuerbar. Hierfür ist eine An- 202204988 Auslandsfassung 4 steuerung vorgesehen. Diese Ansteuerung für die Kurzschlie- ßung ermöglicht einen beeinflussbaren Kurzschluss der Rotor- wicklung. In einer Ausgestaltung der Synchronmaschine sind der zumin- dest eine erste Leistungshalbleiter und die Rotorwicklung pa- rallel verschalten, wobei dazu ein Anlaufwiderstand seriell verschalten ist. Es gibt also eine weitere Masche, in welcher insbesondere die antiparallel geschaltenen Leistungshalblei- ter, der erste Leistungshalbleiter antiparallel zum zweiten Leistungshalbleiter, seriell mit dem Widerstand, insbesondere dem Anlaufwiderstand, verschalten sind. In einem Verfahren zum Betrieb einer Synchronmaschine, wobei die zu betreibende Synchronmaschine einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor eine Rotorwicklung aufweist, wird die Rotorwicklung in einem Betriebszustand der Synchron- maschine kurzgeschlossen, wobei zum Kurzschließen ein erster Kurzschließer verwendet wird, wobei der Kurzschließer und die Rotorwicklung eine erste Masche ausbilden. Der erste Kurz- schließer weist insbesondere den ersten Leistungshalbleiter auf. Antiparallel zum ersten Kurzschließer ist insbesondere ein zweiter Kurzschließer geschalten, welcher den zweiten Leistungshalbleiter aufweist. In einer Ausgestaltung des Verfahrens betrifft der Betriebs- zustand einen Hochlauf und/oder Anlauf der Synchronmaschine. Dies kann einen positiven Effekt auf die Momentenbildung ha- ben. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Anlaufwider- stand mit einem dazu parallel verschaltenen zweiten Kurz- schließer seriell zur Parallelschaltung von erstem Kurz- schließer und Rotorwicklung verschalten. Dies ist eine einfa- che und kompakte Möglichkeit das Verhalten der Synchronma- schine zu beeinflussen. 202204988 Auslandsfassung 5 In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Synchronma- schine in einer der beschriebenen Ausgestaltungen verwendet. In einer Ausgestaltung wird für das Verfahren also eine Syn- chronmaschine in einer der beschriebenen Ausgestaltungen ge- mäß eines der beschriebenen Verfahren verwendet. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Synchronma- schine in einer der beschriebenen Ausgestaltungen betrieben. Der Betrieb erfolgt nach einem der beschriebenen Verfahren. Die Merkmale der einzelnen beanspruchten bzw. beschriebenen Gegenstände sind ohne Weiteres miteinander kombinierbar. Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Figuren näher dargestellt und erläutert. Die in den Figuren gezeigten Merkmale können fachmännisch zu neuen Ausführungsformen kom- biniert werden, ohne die Erfindung zu verlassen. Es zeigen FIG 1 eine erste Schaltung für eine Synchronmaschine, FIG 2 eine zweite Schaltung für eine Synchronmaschine, FIG 3 eine dritte Schaltung für eine Synchronmaschine und FIG 4 eine vierte Schaltung für eine Synchronmaschine. Die Darstellung nach Figur 1 zeigt eine erste Schaltung für eine Synchronmaschine 1. Die Synchronmaschine 1 weist einen Stator 3 mit Statorwicklungen 4, 4´, 4´´ einen Rotor mit ei- ner Rotorwicklung 5 und einen Erregerkreis 2 auf. Die Stator- wicklungen 4, 4´, 4´´ sind zum Anschluss an die Phasen U, V und W vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel ist eine Seite der Statorwicklungen 4, 4´, 4´´ mit den Anschlüssen U2, V2 und W2 im Stern verschaltet. Für eine weitere zweite Seite der Statorwicklungen 4, 4´, 4´´ sind die Anschlüsse U1, V1 und W1 dargestellt. Der Erregerkreis weist einen Widerstand 11, ins- besondere einen Anlaufwiderstand, auf. Über eine Ansteuerung A1 10 für die Erregung wird der Erregerkreis betrieben. Die Ansteuerung weist Anschlüsse J1A, J1B, J1C, A4, A5, A7, A8, J62 und J61 auf. Mit dem Anschluss J1A ist eine Messung der Spannung zwischen J1A und J1B möglich. Das Erreichen der über Zenerdioden ein- 202204988 Auslandsfassung 6 gestellten Ansprechspannung bewirkt einen Zündimpuls an den Thyristor T1 über den Anschluss J1B. Mit dem Anschluss J1C ist eine Messung der Spannung zwischen J1A und J1C möglich. Das Erreichen der über Zenerdioden ein- gestellten Ansprechspannung bewirkt einen Zündimpuls an den Thyristor T2 über den Anschluss J1C.Bei etwa 92-98% Drehzahl reicht die induzierte Spannung nicht mehr aus, um die An- sprechspannung zu erreichen. T1 und T2 zünden nicht mehr. Nach Ende des Hochlaufs wird die Erregung F1, F2 eingeschal- tet. Das Erreichen der über Zenerdioden eingestellten An- sprechspannung über den Klemmen A4 und A5 bewirkt einen Zün- dimpuls an die Thyristoren T3.1 und T3.2 über den Anschlüssen J61 und J62. Beim anschließenden synchronen Betrieb der Ma- schine bleiben die Thyristoren T3.1 und T3.2 auf Grund des Stromflusses dauerhaft leitend. Der Anschluss A7 hat die Aufgabe den Kondensator zum Zünden der Thyristoren T3.1 zu laden. Der Anschluss A8 hat die Auf- gabe den Kondensator zum Zünden der Thyristoren T3.2 zu la- den. Der Widerstand RZ 11 kann auch als Zusatzwiderstand bezeich- net werden. Die Rotorwicklung weist für sich selbst auch schon einen Widerstandswert auf. Der im Erregerkreis verwen- dete zusätzliche Widerstand RZ 11 beeinflusst das Verhalten der Synchronmaschine beispielsweise bei deren Anlauf bzw. Hochlauf. Durch die erfindungsgemäße Schaltung kann der Widerstand RZ mit einer kleineren Wärmekapazität designed werden, da er nur einen Teil der sonst in im anfallenden Verluste aufnehmen muss. Der Widerstand RZ kann über die Thyristoren T3.1 und T3.2 kurzgeschlossen werden. Die Thyristoren T3.1 und T3.2 sind beide zum Widerstand RZ 11 parallel verschalten. Der Thyris- tor T3.1 wird über den Anschluss J61 der Ansteuerung A110 angesteuert. Der Thyristor T3.2 wird über den Anschluss J62 der Ansteuerung A110 angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt beispielsweise wenige Sekunden nach erfolgtem asynchronem Hochlauf wie oben beschrieben. Die Thyristoren bleiben an- 202204988 Auslandsfassung 7 schließend durch den durch die Erregung F1 F2 hervorgerufenen Stromfluss leitend. In den Figuren bedeutet HK bei den Thy- ristoren Hilfsklemme. Nach Figur 1 ist ferner eine Diodenbrücke mit den Dioden V1 bis V12 gezeigt. Parallel dazu ist ein erstes RC-Element ge- schalten. Dieses erste RC-Element weist ein Kondensatorele- ment C1 und ein Widerstandselement R1 auf, wobei das Konden- satorelement C1 mit dem Widerstandselement R1 seriell ver- schalten ist. Parallel zum ersten RC-Element ist ein zweites RC-Element ge- schalten. Dieses zweite RC-Element weist ein Kondensatorele- ment C2 und ein Widerstandselement R2 auf, wobei das Konden- satorelement C2 mit dem Widerstandselement R3 seriell ver- schalten ist. Parallel zum ersten und zweiten RC-Element ist ein drittes RC-Element geschalten. Dieses dritte RC-Element weist ein Kondensatorelement C3 und ein Widerstandselement R3 auf, wo- bei das Kondensatorelement C3 mit dem Widerstandselement R3 seriell verschalten ist. Über die RC-Elemente können hochfrequente Spannungsspitzen abgeleitet werden, um so die übrigen Komponenten zu schützen. Parallel zu den RC-Elementen sind zwei in Reihe verschaltene Thyristoren T1 und T2 verschalten. Der Thyristor T1 wird über den Anschluss J1B angesteuert. Der Thyristor T2 wird über den Anschluss J1C angesteuert. Zwischen den Thyristoren T1 und T2 befindet sich ein Abgriff M1, welcher die Funktion hat das Potenzial zwischen T1 und T2 auf ein definiertes Niveau zu heben und so das Schalten beider Thyristoren sicherzustellen. Um das Verhalten der Synchronmaschine zu verbessern kann die Schaltung ergänzt werden. Der prinzipielle Aufbau der Schal- tung im Rotorkreis ist nicht groß zu verändern. Dies hat den Vorteil, dass vorhandene bewährte Komponenten weiterverwendet werden können. Dies ist insbesondere auch dafür wichtig, dass es Maschinen ohne Zusatzwiderstand gibt bzw. Nachbauten die alte Technik verwenden. 202204988 Auslandsfassung 8 Die Darstellung nach Figur 2 zeigt eine Ergänzung zu Figur 1. Es ist eine ergänzte Schaltung zum drehzahlabhängigen Zu- schalten des Zusatzwiderstandes (RZ) 11 mit Thyristoren 6 und 7, welches schaltbare Leistungshalbleiter sind, sowie einer Ansteuerlogik und einem Ansteuerleistungsteil. Das Ansteuer- leistungsteil weist die schaltbaren Leistungshalbleiter auf. Die Ergänzung beruht darauf, dass parallel zur Rotorwicklung 5 ein bidirektionaler Schalter bzw. praktisch zwei anti- parallel geschaltete leistungselektronische unidirektionale Schalter 6 und 7 angeordnet werden. Dies sind also ein erster Leistungshalbleiter 6 und ein zweiter Leistungshalbleiter 7. Zum Schalten dieser Schalter ist eine Ansteuerung 9 vorgese- hen. Die Ansteuerung 9 weist die Ansteuerlogik auf. Die Leis- tungshalbleiter 6 und 7 werden in der Anfangsphase des An- laufs aktiviert. In einer ersten Phase von 0% bis 50-80% der Drehzahl (syn- chronen Drehzahl/Nenndrehzahl (Bemessungsdrehzahl)) erfolgt ein Kurzschluss der Rotorwicklung 5 durch die erfindungsgemä- ße Schaltung, um den Stromfluss und damit Verluste in RZ zu verhindern. Auf die marginale Reduzierung der Pendelmomente durch RZ kann in dieser Phase verzichtet werden. In einer der ersten Phase nachfolgenden zweiten Phase von ca. 50%-80% der Bemessungsdrehzahl bis 95-98% der Bemessungsdreh- zahl, erfolgt eine Verriegelung der Schaltung, um ein erneu- tes Kurzschließen zu verhindern und den weiteren Hochlauf mit Stromfluss über RZ und damit die in dieser Phase signifikan- ten Vorteile, wie z.B. die Reduzierung der Pendelmomente und die Erhöhung des mittleren Moments, zu erreichen. In einer der zweiten Phase nachfolgenden dritten Phase von 95%-98% der Bemessungsdrehzahl (Nenndrehzahl) bis zum Ende des asynchronen Hochlaufs, erfolgt die oben beschriebene Er- regung und damit das Brücken von RZ für den synchronen Be- trieb. In der zeitlichen Abfolge dieser Phasen verlaufen Zeiträume, die den Anlaufwiderstand 11 betreffen. 202204988 Auslandsfassung 9 Im weiteren Beispiel werden insbesondere Thyristoren verwen- det, die nach dem Zünden die Erregerwicklung direkt brücken. Der Wechselstrom in der Erregerwicklung führt dazu, dass die- se nach einer Halbwelle wieder verlöschen. Die antiparallel geschalteten Bauelemente müssen demnach wechselseitig akti- viert werden, um einen Wechselstrom zu führen. Der Einsatz von Thyristoren ist vorteilhaft, da diese aufgrund der Aus- führung als sog. „Presspack” gut mit der Fliehkraftbeanspru- chung im Rotor zurechtkommen. Zum Auslösen des Schalters bzw. zum Zünden der leistungselektronischen Bauelemente ist Hilfsenergie nötig. Diese wird z.B. direkt aus der in der Er- regerwicklung induzierten Spannung gewonnen. Als Thyristoren 6 und 7 können bereits bewährte Typen (T1, T2) aus dem Erre- gerkreis, mit entsprechender Kühlung verwendet werden, da die Überbrückungsthyristoren exakt denselben Strom wie T1 und T2 führen. Die Brückung soll nun nur bis zum Erreichen einer be- stimmten Drehzahl erfolgen. D.h. der oben beschriebene Schaltvorgang muss durch ein zusätzliches Logiksignal gesteu- ert werden, welches das Schalten ab einer definierten Dreh- zahlschwelle unterdrückt. Dieses Signal kann einerseits durch eine externe Quelle (Telemetrie o.ä.) gesteuert werden oder andererseits direkt aus den vorhandenen Spannungen/Strömen auf dem Rotor generiert werden. Dies kann z.B. so erfolgen, dass die Zeitabstände des wechselseitigen Schaltens der Schalter gemessen werden. Da die Drehzahl während des Anlaufs zunimmt, der Schlupf des Rotors entsprechend abnimmt, wird die Frequenz des Umschaltens immer kleiner. Die Zeitabstände nehmen zu. Beispielsweise kann nun ein Timer überwachen, ob eine gewisse Mindestzeitdauer zwischen den Umschaltungen überschritten ist. Ist dies der Fall, dann wird das Schalten unterdrückt. Diese rein frequenzabhängige Variante hat den Vorteil, dass – abgesehen von zulässigen Toleranzen der Netz- frequenz – keine mit Unsicherheit behafteten Berechnungsdaten einfließen. Über Brückenkonfiguration/Jumper o.ä. kann dann z.B. die Zuschaltdrehzahl variiert werden. Durch die Zu- schaltbarkeit kann der Vorteil entstehen, dass der Energieum- satz im Widerstand reduziert wird, ohne die Wirkung bzgl. des Drehmoments spürbar zu beeinträchtigen. Dies zieht nach sich, 202204988 Auslandsfassung 10 dass der Widerstand für eine bestimmte Wirkung kleiner ausge- führt werden kann, da weniger thermische Kapazität vorgehal- ten werden muss. Daraus ergeben sich insbesondere direkte Kostenvorteile, aber auch indirekte Vorteile, wie geringere Masse auf dem Rotor, Vorteile bzgl. der Rotordynamik etc. Der Anlaufwiderstand definiert sich zum einen durch einen ohmschen Widerstandswert und damit verbunden seinen Einfluss auf das Anlaufverhalten, wie die Pendelmomente, das mittlere Moment und die Anlaufzeit. Zum anderen nimmt der Anlaufwider- stand die während des Anlaufs in ihm entstehenden Verluste auf, da diese in der Phase des Anlaufs nur in einem geringen Anteil direkt an die Umgebung abgegeben werden. Durch die Re- duzierung der Einsatzdauer auf Phase 2 kann die Wärmekapazi- tät des Anlaufwiderstands auf etwa 50% der sonst notwendigen Wärmekapazität möglich. Dies bedeutet bei gleichen Materia- lien ca. eine Halbierung der Masse des Anlaufwiderstands. Aufgrund der typischen Anordnung des Widerstandes auf dem Ro- tor bedeutet die Gewichtseinsparung eine signifikante Verbes- serung der Rotordynamik. Ein typischer Anlaufwiderstand wiegt im Bereich von 50kg bis 500kg. Durch die nun mögliche Redu- zierung des Gewichtes kann so eine Einsparung des Gewichtes von 30%-60%, insbesondere 40-50% ermöglicht werden. Die Darstellung nach Figur 3 zeigt einen Stromfluss 8 im Fall aktivierter Thyristoren 6 und 7. Der Pfad des Stromflusses 8 zeigt auch eine Masche 8 an. In der Masche 8 befindet sich einer der Leistungshalbleiter 6 zum Kurzschließen und die Er- regerwicklung 5, welche zu bestimmten Zeiten kurzzuschließen ist. Die Darstellung nach Figur 4 zeigt einen Stromfluss 12 im Fall deaktivierter Thyristoren 6 und 7.

Claims

202204988 Auslandsfassung 11 Patentansprüche 1. Synchronmaschine (1) mit einem Stator (3) und einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwicklung (5) aufweist, wobei ein erster Leistungshalbleiter (6) zum Kurzschluss der Rotorwick- lung (5) vorgesehen ist, wobei der erste Leistungshalbleiter (6) und die Rotorwicklung eine erste Masche (8) ausbilden, wobei der zumindest eine erste Leistungshalbleiter (6) und die Rotorwicklung (5) parallel verschalten sind und dazu ein Anlaufwiderstand (11) seriell verschalten ist. 2. Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei ein zweiter Leistungshalbleiter (7) zum Kurzschluss der Rotorwicklung (5) vorgesehen ist, wobei der zweite Leistungshalbleiter (7) pa- rallel zum ersten Leistungshalbleiter (6) verschalten ist. 3. Synchronmaschine (1) nach Anspruch 2, wobei die Leistungs- halbleiter (6,7) zum Kurzschluss der Rotorwicklung (5) für unterschiedliche Stromrichtungen in der Rotorwicklung (5) vorgesehen sind. 4. Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wo- bei zumindest einer der Leistungshalbleiter (6,7) ansteuerbar ist. 5. Verfahren zum Betrieb einer Synchronmaschine (1), wobei die zu betreibende Synchronmaschine einen Stator (3) und ei- nen Rotor aufweist, wobei der Rotor eine Rotorwicklung (5) aufweist, wobei die Rotorwicklung (5) in einem Betriebszu- stand der Synchronmaschine (1) kurzgeschlossen wird, wobei zum Kurzschließen ein erster Kurzschließer (6) verwendet wird, wobei der Kurzschließer (6) und die Rotorwicklung (5) eine erste Masche (8) ausbilden, wobei ein Anlaufwiderstand (11) mit einem dazu parallel verschaltenen zweiten Kurz- schließer (7) seriell zur Parallelschaltung von erstem Kurz- schließer (6) und Rotorwicklung (5) verschalten ist. 202204988 Auslandsfassung 12 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Betriebszustand einen Hochlauf und/oder Anlauf der Synchronmaschine (1) betrifft. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei eine Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 verwendet wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei eine Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 betrieben wird.
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