WO2012127011A2 - Verfahren zur steuerung oder regelung einer rotierenden elektrischen maschine und rotierende elektrische maschine - Google Patents

Verfahren zur steuerung oder regelung einer rotierenden elektrischen maschine und rotierende elektrische maschine Download PDF

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    • H02P2207/07—Doubly fed machines receiving two supplies both on the stator only wherein the power supply is fed to different sets of stator windings or to rotor and stator windings
    • H02P2207/073—Doubly fed machines receiving two supplies both on the stator only wherein the power supply is fed to different sets of stator windings or to rotor and stator windings wherein only one converter is used, the other windings being supplied without converter, e.g. doubly-fed induction machines

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling or regulating a rotating electrical machine with a stator, with a rotor, with a plurality of machine coils and with a controllable or controllable
  • Rotary electrical machines are used, for example, as generators for feeding electrical networks
  • Generators in power plants are often used synchronous machines with outputs up to 1500 megawatts. Partially but also asynchronous machines are used as generators
  • Asynchronous machines operated with a three-phase current.
  • the speed of rotating electrical machines hangs in the Essentially on the frequency of the voltage applied to the machine coil AC voltage or from the number of poles.
  • the rotating electrical machines To be able to operate power supply network with a predetermined frequency of the voltage provided by the electrical network, the rotating electrical machines usually first up to a rated speed
  • Auxiliary unit accelerates or supplied with a variable-frequency supply voltage, which is provided by a corresponding frequency converter.
  • a variable-frequency supply voltage which is provided by a corresponding frequency converter.
  • Synchronous machines are also often equipped with additional damping elements to counteract speed oscillations, which is the fundamental frequency of
  • the object of the invention is therefore considered to provide a method by which a rotating
  • This object is achieved in that it is at least one at the multiple machine coils
  • Load coil for connection to an electrical network and at least one control coil is, with only the
  • control coil with at least one
  • Control coil is controlled or regulated.
  • the control coil may also be part of a control loop.
  • a control loop For example, a synchronous machine or a
  • the invention provides that the at least one
  • the rotary electric machine can be controlled or regulated by a frequency of the
  • Control AC voltage is adjusted to a desired frequency and / or an amplitude of the control AC voltage to a Sollamplitude is adjusted and / or a phase of
  • Control AC voltage is adjusted to a desired phase.
  • each control coil may be from an associated controllable or adjustable supply device
  • Supply means for controlling a single or each control coil may be provided.
  • a starting operation of the rotating electrical machine is realized with the aid of the at least one controllable or controllable supply device and the at least one control coil.
  • synchronization speed approximately corresponds to a synchronization speed.
  • the synchronization speed may be
  • a synchronization condition is monitored.
  • the monitoring device can be monitored, for example, whether the frequency, the amplitude and the phase of the induced in the load coils AC voltages at a starting operation of the frequency, the amplitude and the phase applied to the conductors of the electrical network
  • the at least one load coil is connected to the electrical network, if the synchronization condition is met, wherein the at least one load coil is supplied by the electrical network with an AC voltage of constant frequency and amplitude.
  • the frequency of the control voltage is increased so that a starting current is less than or equal to one
  • Start-up maximum current is. For example, in the case of a sudden change in the rotational field speed of the electromagnetic rotating field of an asynchronous machine in the asynchronous machine, a very high starting current may occur. To limit this starting current, for example, the frequency of the control voltage can be increased slower.
  • the rotating electrical machine can be, for example, a synchronous machine with a
  • Synchronous machine coincides with a mains frequency.
  • the load coils are initially not connected to the electrical network and the control coils are supplied by the controllable or controllable supply device with electrical energy.
  • Supply device can now accelerate the entire electric machine until the
  • Load coils are connected to the electrical network. Now the synchronized and connected to the network
  • Synchronous machine can be charged as an electric motor with a machine or deliver generator power to the electrical network.
  • Machine spools are used.
  • the control or regulation of the supply voltage of only a few machine coils thus represents a cost effective and effective method to rotating electrical
  • the method according to the invention can also be used for damping unwanted vibrations of the rotating electrical machine. This can be done on the
  • Damping devices are dispensed with.
  • Damping process of the rotating electrical machine by means of at least one control coil is controlled or regulated.
  • Speed oscillations of a synchronous machine by adjusting, for example, the amplitude of the control voltage by means of known control or
  • the rotor speed with the help of at least one control coil is adjusted so that the frequency of
  • Control AC voltage and a load AC voltage corresponds to a nominal frequency.
  • the electrically conductive connection of the at least one control coil with the controllable or controllable supply device is disconnected and the at least one control coil is electrically connected to the electrical network, if the synchronization condition is met.
  • the wear of the controllable or controllable supply device can be reduced by the fact that after completion of the startup process Control coils are no longer supplied by the controllable or controllable supply device with electrical energy, but are connected directly to the electrical network. This also leads to reduced losses and thus higher efficiencies.
  • Control unit are detected and processed on a microprocessor of the control unit using a mathematical model to determine the current rotor speed.
  • Machine is detected by means of a arranged on the rotating electrical machine speed sensor.
  • the method according to the invention can be used to control or regulate, for example, permanent and externally excited synchronous machines, asynchronous machines, rotating motors
  • Radial field machine or axial field machine can be used.
  • the invention also relates to a rotating electrical machine for carrying out the method according to one of the preceding claims with a stator, with a rotor, with a plurality of machine coils and with a controllable or controllable supply device.
  • the plurality of machine coils is at least one load coil for connection to an electrical network and at least one control coil, wherein the at least one
  • Control coil with controllable or adjustable
  • Supply device is electrically conductively connected. In this way can be dispensed with a damper cage, so that the controllable rotating electrical
  • Three-phase networks have a three-phase alternating current, which consists of individual alternating voltages of the same frequency, which mutually a phase shift of 120 °
  • Machine coils each with different phases of
  • the rotating electrical machine is a permanent-magnet generator.
  • Supply device must be designed only to provide a partial power, as an additional synchronization device and additional
  • Control coils if necessary, directly to the electrical network be connected so that an even better efficiency is achieved.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a
  • the synchronous machine 1 has an iron hollow cylinder 2, on the
  • stator 3 Inside evenly distributed twelve axially aligned conductors are housed.
  • a permanent magnet In the interior of the hollow cylinder 2, a permanent magnet is rotatably mounted.
  • the iron hollow cylinder 2 with the conductors forms the stator 3.
  • the rotatably mounted permanent magnet forms the rotor 4.
  • the conductors of the stator 3 are in grooves and are electrically insulated from the iron of the stator 3. Two mutually opposite conductors are connected to each other on the back and thus form the first two
  • Load coils 5 the two second load coils 6, the two third load coils 7, the first control coil 8, the second Control coil 9 and the third control coil 10.
  • Each two of the machine coils are spatially offset by 120 ° relative to the two preceding, or to the two following coils.
  • the first two control coils 8 are electrically conductively connected to a first converter phase 11.
  • the second control coil 9 is electrically conductively connected to a second converter phase 12.
  • the third control coil 10 is correspondingly electrically conductively connected to a third converter phase 13.
  • Load coils 7 are correspondingly electrically conductively connected to a first mains phase 14, a second mains phase 15 and a third mains phase 16.
  • the mains phases are supplied by an electrical network 17 with a three-phase alternating current of constant frequency, amplitude and phase.
  • the load coils of the synchronous machine 1 can be separated from the electrical network 17 by means of the switch 18.
  • Inverter phase 13 are controlled.
  • the switch 18 is opened and no voltage is applied to the load coils. Likewise, no voltage is provided to the inverter phases by the frequency converter 20.
  • the converter 20 is controlled with the aid of the control device 19 such that the control coils over the inverter phases with a
  • no-load synchronous machine 1 approached slowly and continuously up to a rated speed. Upon reaching the
  • the synchronous machine 1 is now supplied with electrical energy both via the electrical network 17 and via the converter 20. Now the full power of the synchronous machine 1 is ready.
  • FIG. 2 shows a further simplified schematic
  • the stator 3 has a load coil region 22 and a control coil region 23. At the load coil portion 22 and the control coil portion 23 are not shown load coils or
  • control coils not shown are with a
  • Frequency converter 20 electrically connected when the switch 24 is closed.
  • the rotary electric machine 21 is in a synchronized
  • the switch 24 can be opened and the control coils by means of the switch 25 to the electrical network 17 are electrically connected.
  • the load coils are connected to the
  • electrical network 17 electrically connected and can be separated by means of the switch 18 of the electrical network 17.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer rotierenden elektrischen Maschine. Die Elektrische Maschine weist einen Stator (3), einen Rotor (4), mehrere Maschinenspulen und eine steuerbare Versorgungseinrichtung auf. Bei den mehreren Maschinenspulen handelt es sich um mindestens eine Lastspule (5, 6, 7) zur Verbindung mit einem elektrischen Netz (17) und um mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10), wobei nur die mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10) mit der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung elektrisch leitend verbunden wird und die rotierende elektrische Maschine mit Hilfe der mindestens einen Steuerspule (8, 9, 10) gesteuert wird. Die mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10) wird von der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung mit einer Steuerwechselspannung versorgt. Die Erfindung betrifft außerdem eine rotierende elektrische Maschine zur Durchführung des Verfahrens mit einem Stator (3), einem Rotor (4), mehreren Maschinenspulen und einer steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung. Bei den mehreren Maschinenspulen handelt es sich um mindestens eine Lastspule (5, 6, 7) zur Verbindung mit einem elektrischen Netz (17) und um mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10), wobei die mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10) mit der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung elektrisch leitend verbindbar ist.

Description

Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer rotierenden elektrischen Maschine und rotierende elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem Stator, mit einem Rotor, mit mehreren Maschinenspulen und mit einer steuerbaren oder regelbaren
Versorgungseinrichtung .
Rotierende elektrische Maschinen werden beispielsweise als Generatoren zur Speisung elektrischer Netze mit
elektrischer Energie eingesetzt. Als elektrische
Generatoren in Kraftwerken kommen häufig Synchronmaschinen mit Leistungen bis zu 1500 Megawatt zum Einsatz. Teilweise werden aber auch Asynchronmaschinen als Generatoren
eingeset zt .
In vielen Bereichen der Industrie aber auch beispielsweise in der Haustechnik und der Automobiltechnik werden
rotierende elektrische Maschinen als elektrische Antriebe eingesetzt. Neben den in dieser Anmeldung nicht näher erläuterten Gleichstrommotoren kommen häufig
Asynchronmaschinen als elektrische Motoren zur Anwendung.
Üblicherweise werden Synchronmaschinen und
Asynchronmaschinen mit einem Dreiphasendrehstrom betrieben. Die Drehzahl rotierender elektrischer Maschinen hängt im Wesentlichen von der Frequenz der an den Maschinenspulen anliegenden Wechselspannung oder auch von der Polzahl ab.
Um große rotierende elektrische Maschinen an einem
Versorgungsnetz mit einer vorgegebenen Frequenz der von dem elektrischen Netz bereitgestellten Spannung betreiben zu können, müssen die rotierenden elektrischen Maschinen üblicherweise zunächst bis zu einer Nenndrehzahl
beschleunigt werden, bevor die rotierende elektrische
Maschine mit dem elektrischen Netz elektrisch leitend verbunden wird. Zu diesem Zweck werden rotierende
elektrische Maschinen beispielsweise mit Hilfe eines
Hilfsaggregats beschleunigt beziehungsweise mit einer frequenzvariablen Versorgungsspannung versorgt, die durch einen entsprechenden Frequenzumrichter bereitgestellt wird. Für den Anlauf von rotierenden elektrischen Maschinen gibt es verschiedene technische Verfahren, wie zum Beispiel den Sterndreieckanlauf. Rotierende elektrische Maschinen werden häufig aber auch mit Frequenzumrichtern betrieben,
insbesondere um einen drehzahlvariablen Betrieb der
rotierenden elektrischen Maschinen zu ermöglichen.
Synchronmaschinen werden zudem häufig mit zusätzlichen Dämpfungselementen ausgestattet, um Drehzahlschwingungen entgegenzuwirken, die sich der Grundfrequenz der
Synchronmaschine überlagern.
Der Einsatz von Frequenzumrichtern zum Beschleunigen der rotierenden elektrischen Maschinen sowie zusätzlicher
Dämpfungselemente insbesondere bei einem Betrieb
permanenterregter Synchronmaschinen ist äußerst aufwendig und kostenintensiv. Als Aufgabe der Erfindung wird es daher angesehen, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine rotierende
elektrische Maschine kostengünstig und mit nur geringem Aufwand an einem elektrischen Netz mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude der Versorgungsspannung betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es sich bei den mehreren Maschinenspulen um mindestens eine
Lastspule zur Verbindung mit einem elektrischen Netz und um mindestens eine Steuerspule handelt, wobei nur die
mindestens eine Steuerspule mit mindestens einer
steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung
elektrisch leitend verbunden wird und die rotierende elektrische Maschine mit Hilfe der mindestens einen
Steuerspule gesteuert oder geregelt wird. Insbesondere kann die Steuerspule auch Bestandteil eines Regelkreises sein. Um beispielsweise eine Synchronmaschine oder eine
Asynchronmaschine mit Hilfe der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung steuern oder regeln zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mindestens eine
Steuerspule von der mindestens einen steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung mit einer
Steuerwechselspannung versorgt wird.
Die rotierende elektrische Maschine kann dadurch gesteuert oder geregelt werden, dass eine Frequenz der
Steuerwechselspannung an eine Sollfrequenz angepasst wird und/oder eine Amplitude der Steuerwechselspannung an eine Sollamplitude angepasst wird und/oder eine Phase der
Steuerwechselspannung an eine Sollphase angepasst wird.
Im Folgenden werden einige vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines zu
steuernden beziehungsweise zu regelnden Anfahrvorgangs der rotierenden elektrischen Maschine beschrieben. Im Folgenden wird vereinfachend jeweils nur eine einzige steuerbare oder regelbare Versorgungseinrichtung genannt. Bei mehreren Steuerspulen kann jede Steuerspule von einer zugeordneten steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung
angesteuert werden. Es können auch mehrere
Versorgungseinrichtungen zur Ansteuerung von einer einzigen oder von jeder Steuerspule vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Anfahrvorgang der rotierenden elektrischen Maschine mit Hilfe der mindestens einen steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung und der mindestens einen Steuerspule realisiert wird.
Zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass während des Anfahrvorgangs der elektrischen Maschine die Frequenz und/oder Amplitude der SteuerSpannung
kontinuierlich erhöht wird, bis eine Rotordrehzahl
näherungsweise einer Synchronisationsdrehzahl entspricht. Bei der Synchronisationsdrehzahl kann es sich
beispielsweise um die Drehzahl handeln, die ein elektromagnetisches Drehfeld einer Synchronmaschine nach Anlegen der Netzspannungen an die Lastspulen aufweist.
Um sicherzustellen, dass die Bedingungen, die vor dem
Verbinden der Lastspulen mit dem elektrischen Netz vorliegen müssen, erfüllt sind, ist erfindungsgemäß
vorgesehen, dass mit Hilfe einer Überwachungseinrichtung eine Synchronisationsbedingung überwacht wird. Mit der Überwachungseinrichtung kann beispielsweise überwacht werden, ob die Frequenz, die Amplitude und die Phase der in den Lastspulen induzierten Wechselspannungen bei einem Anfahrvorgang der Frequenz, der Amplitude und der Phase der an den Leitern des elektrischen Netzes anliegenden
Wechselspannungen entspricht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Lastspule mit dem elektrischen Netz verbunden wird, falls die Synchronisationsbedingung erfüllt ist, wobei die mindestens eine Lastspule von dem elektrischen Netz mit einer Wechselspannung konstanter Frequenz und Amplitude versorgt wird.
Um die rotierende elektrische Maschine bei dem
Anfahrvorgang nicht zu beschädigen kann zudem vorgesehen sein, dass die Frequenz der SteuerSpannung so erhöht wird, dass ein Anlaufstrom kleiner oder gleich einem
Anlaufmaximalstrom ist. Beispielsweise kann bei einer sprunghaften Veränderung der Drehfelddrehzahl des elektromagnetischen Drehfelds einer Asynchronmaschine in der Asynchronmaschine ein sehr hoher Anlaufström auftreten. Um diesen Anlaufstrom zu begrenzen, kann beispielsweise die Frequenz der SteuerSpannung langsamer erhöht werden.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um eine Synchronmaschine mit einem
permanenterregten Rotor und einem Stator handeln, an dessen Umfang beispielsweise neun Lastspulen und drei Steuerspulen angeordnet sind. Zum Betrieb der Synchronmaschine an dem elektrischen Netz muss eine stillstehende Synchronmaschine zunächst soweit beschleunigt werden, dass eine
Rotordrehzahl mit einer Drehfelddrehzahl der
Synchronmaschine beziehungsweise eine Frequenz der
Synchronmaschine mit einer Netzfrequenz übereinstimmt. Zu diesem Zweck sind die Lastspulen zunächst nicht mit dem elektrischen Netz verbunden und die Steuerspulen werden von der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt.
Mit Hilfe der steuerbaren oder regelbaren
Versorgungseinrichtung kann nun die gesamte elektrische Maschine beschleunigt werden, bis die
Synchronisationsbedingung erfüllt ist. Dann können die
Lastspulen mit dem elektrischen Netz verbunden werden. Nun kann die mit dem Netz synchronisierte und verbundene
Synchronmaschine als elektrischer Motor mit einer Maschine belastet werden oder im Generatorbetrieb Energie an das elektrische Netz abgeben.
In den Fällen, in denen beim Anfahren einer rotierenden elektrischen Maschine weniger Energie als bei Nennlast benötigt wird, ist das Anfahren auch mit einem Teil der Maschinenspulen möglich. Da nur ein Teil der
Maschinenspulen mit einer SteuerSpannung variabler Frequenz beziehungsweise variabler Amplitude versorgt werden muss, können kostengünstigere und kleinere Frequenzumrichter als bei einer frequenzvariablen Versorgung aller
Maschinenspulen eingesetzt werden. Die Steuerung oder Regelung der Versorgungsspannung nur einiger Maschinenspulen stellt also ein kostengünstiges und wirksames Verfahren dar, um rotierende elektrische
Maschinen, die an einem Versorgungsnetz konstanter
Netzfrequenz betrieben werden sollen, zu steuern
beziehungsweise zu regeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Dämpfung unerwünschter Schwingungen der rotierenden elektrischen Maschine eingesetzt werden. Dadurch kann auf den
kostenintensiven Einsatz zusätzlicher
Dämpfungseinrichtungen verzichtet werden.
Daher ist vorteilhafter Weise vorgesehen, dass ein
Dämpfungsvorgang der rotierenden elektrischen Maschine mit Hilfe der mindestens einen Steuerspule gesteuert oder geregelt wird.
Zur Steuerung des Dämpfungsvorgangs ist vorteilhafter Weise vorgesehen, dass in einem synchronisierten Betriebs zustand der rotierenden elektrischen Maschine die Amplitude und Frequenz der Steuerwechselspannung so angepasst wird, dass einer überlagerten Schwingung oder Drehzahlschwingung entgegengewirkt wird.
Auf diese Weise ist es möglich, unerwünschte
Drehzahlschwingungen einer Synchronmaschine durch eine Anpassung beispielsweise der Amplitude der Steuerspannung mit Hilfe bekannter Steuerungs- beziehungsweise
Regelungskonzepte zumindest teilweise auszuregeln. Da die benötigte Hauptleistung von den an dem elektrischen Netz betriebenen Lastspulen aufgebracht wird, ist zur
Dämpfung der Schwingungen nur eine Teilleistung nötig.
Daher ist der Betrieb nur einiger Maschinenspulen an einer steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung
ausreichend, um eine wirksame Dämpfung der rotierenden elektrischen Maschine sicherstellen zu können.
Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Um in einem Generatorbetrieb der rotierenden elektrischen Maschine eine Wechselspannung konstanter Frequenz
bereitstellen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass während eines Generatorbetriebs der elektrischen
Maschine die Rotordrehzahl mit Hilfe der mindestens einen Steuerspule so angepasst wird, dass die Frequenz der
Steuerwechselspannung und einer Lastwechselspannung einer Sollfrequenz entspricht.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die elektrisch leitende Verbindung der mindestens einen Steuerspule mit der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung getrennt wird und die mindestens eine Steuerspule mit dem elektrischen Netz elektrisch leitend verbunden wird, falls die Synchronisationsbedingung erfüllt ist. Soll
beispielsweise nur der Anfahrvorgang einer rotierenden elektrischen Maschine mit Hilfe der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung gesteuert beziehungsweise geregelt werden, so kann der Verschleiß der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung dadurch reduziert werden, dass nach Beendigung des Anfahrvorgangs die Steuerspulen nicht mehr von der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden, sondern direkt mit dem elektrischen Netz verbunden werden. Dies führt auch zu reduzierten Verlusten und somit höheren Wirkungsgraden.
Um die Rotordrehzahl der rotierenden elektrischen Maschine steuern beziehungsweise regeln zu können ist
vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Rotordrehzahl der rotierenden elektrischen Maschine mit Hilfe eines
mathematischen Modells auf Grundlage gemessener oder vorgegebener elektrischer Größen der mindestens einen
Steuerspule und/oder der mindestens einen Lastspule
bestimmt wird. Zu diesem Zweck können die elektrischen Größen beispielsweise mit Hilfe eines entsprechenden
Steuergeräts erfasst werden und auf einem Mikroprozessor des Steuergeräts mit Hilfe eines mathematischen Modells verarbeitet werden, um die aktuelle Rotordrehzahl zu bestimmen .
Es ist aber auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rotordrehzahl der rotierenden elektrischen
Maschine mit Hilfe eines an der rotierenden elektrischen Maschine angeordneten Drehzahlsensors erfasst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Steuerung oder Regelung beispielsweise von permanent und fremderregten Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen, rotierende
elektrische Maschinen ausgeführt als Außenläufer,
Innenläufer oder Scheibenläufer sowie bei
Radialfeldmaschine oder Axialfeldmaschine verwendet werden. Die Erfindung betrifft auch eine rotierende elektrische Maschine zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der voranstehenden Ansprüche mit einem Stator, mit einem Rotor, mit mehreren Maschinenspulen und mit einer steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung.
Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass es sich bei den mehreren Maschinenspulen um mindestens eine Lastspule zur Verbindung mit einem elektrischen Netz und um mindestens eine Steuerspule handelt, wobei die mindestens eine
Steuerspule mit der steuerbaren oder regelbaren
Versorgungseinrichtung elektrisch leitend verbindbar ist. Auf diese Weise kann auf einen Dämpferkäfig verzichtet werden, so dass die steuerbare rotierende elektrische
Maschine besonders kostengünstig hergestellt werden kann.
Um die rotierende elektrische Maschine an herkömmlichen Drehstromnetzen betreiben zu können kann vorgesehen sein, dass eine Anzahl der Maschinenspulen einem Vielfachen von drei entspricht. Die üblicherweise eingesetzten
Drehstromnetze weisen einen Dreiphasenwechselstrom auf, der aus einzelnen Wechselspannungen gleicher Frequenz besteht, welche zueinander eine Phasenverschiebung von 120°
aufweisen. Um die rotierende elektrische Maschine direkt an einem solchen Dreiphasenwechselstromnet z betreiben zu können ist es zweckmäßig, jeweils mindestens drei
Maschinenspulen mit jeweils verschiedenen Phasen der
Dreiphasenwechselspannung zu verbinden und geeignet an der rotierenden elektrischen Maschine anzuordnen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei der rotierenden elektrischen Maschine um einen permanenterregten Generator handelt. Zusammenfassend werden nachfolgend einige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine aufgeführt.
Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen günstigen Aufbau der rotierenden elektrischen
Maschine, da auf die Dämpfungswicklung verzichtet werden kann .
Zudem wird ein günstiger Aufbau der gesamten Anlage bestehend aus rotierender elektrischer Maschine und
steuerbarer oder regelbarer Versorgungseinrichtung
ermöglicht, da die steuerbare oder regelbare
Versorgungseinrichtung nur auf die Bereitstellung einer Teilleistung ausgelegt werden muss, da eine zusätzliche Synchronisationseinrichtung und zusätzliche
Anlaufeinrichtungen nicht benötigt werden.
Weiterhin wird der Wirkungsgrad der Anlage erhöht, da durch den Einsatz eines kleineren Frequenzumrichters
beziehungsweise einer auf die Bereitstellung einer
Teilleistung ausgelegten steuerbaren oder regelbaren
Versorgungseinrichtung weniger Verlustleistungen in der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung und der rotierenden elektrischen Maschine auftreten.
Darüber hinaus können nach der Synchronisation die
Steuerspulen gegebenenfalls direkt an das elektrische Netz angeschlossen werden, so dass ein noch besserer Wirkungsgrad erreicht wird.
Das beschriebene Verfahren ist prinzipiell bei allen bekannten elektrischen Maschinen anwendbar.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher dargestellt. Es zeigt :
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Synchronmaschine mit einem permanenterregten Rotor, mit drei Steuerspulen und mit neun Lastspulen, und Figur 2 eine zur Veranschaulichung stärker vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Synchronmaschine .
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines
Querschnitts einer Synchronmaschine 1. Die Synchronmaschine 1 weist einen eisernen Hohlzylinder 2 auf, auf dessen
Innenseite gleichmäßig verteilt zwölf axial ausgerichtete Leiter untergebracht sind. Im Innern des Hohlzylinders 2 ist ein Permanentmagnet drehbar gelagert angeordnet . Der eiserne Hohlzylinder 2 mit den Leitern bildet den Stator 3. Der drehbar gelagerte Permanentmagnet bildet den Rotor 4. Die Leiter des Stators 3 liegen in Nuten und sind gegen das Eisen des Stators 3 elektrisch isoliert. Jeweils zwei einander gegenüberliegende Leiter sind auf der Rückseite miteinander verbunden und bilden so die beiden ersten
Lastspulen 5, die beiden zweiten Lastspulen 6, die beiden dritten Lastspulen 7, die erste Steuerspule 8, die zweite Steuerspule 9 und die dritte Steuerspule 10. Jeweils zwei der Maschinenspulen sind räumlich jeweils um 120° relativ zu den zwei vorausgehenden, beziehungsweise zu den zwei folgenden Spulen versetzt.
Die beiden ersten Steuerspulen 8 sind mit einer ersten Umrichterphase 11 elektrisch leitend verbunden. Die zweite Steuerspule 9 ist mit einer zweiten Umrichterphase 12 elektrisch leitend verbunden. Die dritte Steuerspule 10 ist entsprechend mit einer dritten Umrichterphase 13 elektrisch leitend verbunden. Die beiden ersten Lastspulen 5, die beiden zweiten Lastspulen 6 und die beiden dritten
Lastspulen 7 sind entsprechend mit einer ersten Netzphase 14, einer zweiten Netzphase 15 und einer dritten Netzphase 16 elektrisch leitend verbunden. Die Netzphasen werden von einem elektrischen Netz 17 mit einem Dreiphasendrehstrom konstanter Frequenz, Amplitude und Phase versorgt. Die Lastspulen der Synchronmaschine 1 können mit Hilfe des Schalters 18 von dem elektrischen Netz 17 getrennt werden.
Mit Hilfe einer Steuereinrichtung 19 kann eine Frequenz, eine Amplitude und eine Phase der ersten Umrichterphase 11, der zweiten Umrichterphase 12 und der dritten
Umrichterphase 13 gesteuert werden.
Befindet sich die Synchronmaschine 1 im Stillstand, so ist der Schalter 18 geöffnet und an den Lastspulen liegt keine Spannung an. Ebenso wird von dem Frequenzumrichter 20 keine Spannung an den Umrichterphasen bereitgestellt.
Zum Anfahren der Synchronmaschine 1 wird mit Hilfe der Steuereinrichtung 19 der Umrichter 20 so angesteuert, dass die Steuerspulen über die Umrichterphasen mit einem
Dreiphasenwechselstrom kontinuierlich steigender Frequenz versorgt werden. Auf diese Weise wird die zunächst
lastfreie Synchronmaschine 1 langsam und kontinuierlich bis zu einer Nenndrehzahl angefahren. Bei Erreichen der
Nenndrehzahl beziehungsweise bei Vorliegen der
Synchronisationsbedingungen kann der Schalter 18
geschlossen werden. Die Synchronmaschine 1 wird nun sowohl über das elektrische Netz 17 als auch über den Umrichter 20 mit elektrischer Energie versorgt. Nun steht die volle Leistung der Synchronmaschine 1 bereit.
Figur 2 zeigt eine weiter vereinfachte schematische
Darstellung einer rotierenden elektrischen Maschine 21 mit einem Stator 3 und einem Rotor 4. Der Stator 3 weist einen Lastspulenbereich 22 und einen Steuerspulenbereich 23 auf. An dem Lastspulenbereich 22 und dem Steuerspulenbereich 23 sind nicht dargestellte Lastspulen beziehungsweise
Steuerspulen angeordnet.
Die nicht dargestellten Steuerspulen sind mit einem
Frequenzumrichter 20 elektrisch leitend verbunden, wenn der Schalter 24 geschlossen ist. Befindet sich die rotierende elektrische Maschine 21 in einem synchronisierten
Betriebs zustand, so kann der Schalter 24 geöffnet werden und die Steuerspulen mit Hilfe des Schalters 25 mit dem elektrischen Netz 17 elektrisch leitend verbunden werden.
Die nicht dargestellten Lastspulen sind mit dem
elektrischen Netz 17 elektrisch leitend verbunden und können mit Hilfe des Schalters 18 von dem elektrischen Netz 17 getrennt werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer rotierenden elektrischen Maschine und rotierende elektrische Maschine
P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer rotierenden elektrischen Maschine (21) mit einem Stator (3), mit einem Rotor (4), mit mehreren Maschinenspulen und mit einer steuerbaren oder regelbaren
Versorgungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den mehreren Maschinenspulen um mindestens eine Lastspule (5, 6, 7) zur Verbindung mit einem elektrischen Netz (17) und um mindestens eine
Steuerspule (8, 9, 10) handelt, wobei nur die
mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10) mit mindestens einer steuerbaren oder regelbaren
Versorgungseinrichtung elektrisch leitend verbunden wird und die rotierende elektrische Maschine (21) mit Hilfe der mindestens einen Steuerspule (8, 9, 10) gesteuert oder geregelt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10) von mindestens einer steuerbaren oder regelbaren
Versorgungseinrichtung mit einer Steuerwechselspannung versorgt wird. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz der Steuerwechselspannung an eine Sollfrequenz angepasst wird und/oder eine Amplitude der Steuerwechselspannung an eine Sollamplitude angepasst wird und/oder eine Phase der Steuerwechselspannung an eine Sollphase angepasst wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfahrvorgang der rotierenden elektrischen Maschine (21) mit Hilfe der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung und der mindestens einen Steuerspule realisiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Anfahrvorgangs der rotierenden
elektrischen Maschine (21) die Frequenz und/oder die Amplitude der Steuerwechselspannung kontinuierlich erhöht werden, bis eine Rotordrehzahl näherungsweise einer Synchronisationsdrehzahl entspricht.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer
Überwachungseinrichtung eine Synchronisationsbedingung überwacht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lastspule mit dem elektrischen Netz (17) verbunden wird, falls die
Synchronisationsbedingung erfüllt ist, wobei die mindestens eine Lastspule (5, 6, 7) von dem
elektrischen Netz (17) mit einer Wechselspannung konstanter Frequenz und Amplitude versorgt wird.
8. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dämpfungsvorgang der rotierenden elektrischen Maschine (21) mit Hilfe der mindestens einen Steuerspule (8, 9, 10) gesteuert oder geregelt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass in einem synchronisierten Betriebszustand der rotierenden elektrischen Maschine (21) die Amplitude und Frequenz der Steuerwechselspannung so angepasst werden, dass einer überlagerten Schwingung oder
Drehzahlschwingungen entgegengewirkt wird. 10. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass während eines
Generatorbetriebs der rotierenden elektrischen Maschine (21) die Rotordrehzahl mit Hilfe der mindestens einen Steuerspule (8, 9, 10) so angepasst wird, dass die Frequenz der Steuerwechselspannung und einer
Lastwechselspannung einer Sollfrequenz entspricht.
11. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Verbindung der mindestens einen Steuerspule (8, 9, 10) mit der steuerbaren oder regelbaren Versorgungseinrichtung (20) getrennt wird und die mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10) mit dem elektrischen Netz (17) elektrisch leitend verbunden wird, falls die
Synchronisationsbedingung erfüllt ist. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotordrehzahl der rotierenden elektrischen Maschine (21) mit Hilfe eines mathematischen Modells auf Grundlage gemessener oder vorgegebener elektrischer Größen der mindestens einen Steuerspule (8, 9, 10) und/oder der mindestens einen Lastspule (5, 5, 7) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotordrehzahl der rotierenden elektrischen Maschine (21) mit Hilfe eines an der rotierenden elektrischen Maschine (21) angeordneten Drehzahlsensors erfasst wird.
Rotierende elektrische Maschine (21) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der voranstehenden Ansprüche mit einem Stator (3), mit einem Rotor (4), mit mehreren Maschinenspulen und mit einer steuerbaren oder
regelbaren Versorgungseinrichtung, dadurch
gekennzeichnet, dass es sich bei den mehreren
Maschinenspulen um mindestens eine Lastspule (5, 6, 7) zur Verbindung mit einem elektrischen Netz (17) und um mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10) handelt, wobei die mindestens eine Steuerspule (8, 9, 10) mit
mindestens einer steuerbaren oder regelbaren
Versorgungseinrichtung elektrisch leitend verbindbar ist .
Rotierende elektrische Maschine (21) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der
rotierenden elektrischen Maschine (21) um einen
permanenterregten Generator handelt.
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