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Synchronmaschine.
Die Erfindung bezieht sich auf Synchronmaschinen mit dauernd oder vorübergehend hoher Umdrehungszahl, deren Erregerteil umläuft. Bei derartigen Maschinen mit grösserer Leistung besteht die Schwierigkeit, dass der die Erregerwicklung tragende Läufer hohen mechanischen Beanspruchungen infolge der Fliehkraft ausgesetzt ist. Deshalb ist beispielsweise die Leistung von hochtourigen und daher billigen Turbogeneratoren begrenzt, wenn die axiale Länge der Maschine ein bestimmtes Mass nicht überschreiten soll. Auch bei Wasserkraftgeneratoren, deren Betriebsdrehzahl an sieh niedriger ist, besteht diese Schwierigkeit, da diese Generatoren auch noch die ein Mehrfaches der Betriebsdrehzahl ausmachende Durchgangsdrehzahl aushalten müssen.
Die hohen Fliehkraftbeanspruehungen sind zum grossen Teil dadurch bedingt, dass der Stahlkörper des Läufers nicht nur die Fliehkraftbeanspruchungen durch sein eigenes Gewicht aushalten muss, sondern auch noch die Fliehkräfte, die die Erregerwicklung verursacht. Z. B. tritt bei Turbogeneratoren die grösste Fliehkraftbeanspruchung am Grund der Läuferzähne auf, die die in den Nuten liegende Wicklung halten. Diese Fliehkraftbeanspruchung ist zum wesentlichen Teil durch das Kupfergewicht der Erregerwicklung verursacht. Ähnliches gilt auch für die bei Wasserkraftgeneratoren am Grund der einzelnen Pole auftretende Fliehkraftbeanspruchung.
Nach der Erfindung wird hier wesentliche Abhilfe geschaffen, indem die Erregung der Maschine teilweise durch umlaufende permanente Magnete bewirkt wird. Eine Teilerregung durch regelbaren Magnetisierungsstrom bleibt erforderlich, wenn die Feldstärke bzw. Spannung der Maschine geregelt werden soll. Diese Teilerregung erfordert jedoch bedeutend geringere Mittel. Im Verhältnis der Verminderung des Anteiles der elektromagnetischen Erregung an der Gesamterregung sinkt auch das Kupfergewicht der Erregerwicklung und werden die Fliehkraftbeanspruchul1gen des umlaufenden Teiles herabgesetzt. Die Erfindung ermöglicht also unter Beibehaltung der bisher üblichen zusätzlichen Fliehkraftbeanspruchungen die Leistung des Generators erheblich zu vergrössern bzw. bei gleicher Leistung seine Abmessungen zu verkleinern.
In der Zeichnung sind in den Fig. 1, 2 und 5 Arbeitsdiagramme einer gemäss der Erfindung ausgebildeten Synchronmaschine gezeigt, die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Schaltbild.
In Fig. 1 ist die magnetische Charakteristik des permanenten Stahlmagneten als Kurve a aufgetragen, während die Gerade b den magnetischen Widerstand des Luftspaltes und des Weieheisens der Synchronmaschine darstellt, deren Wirkung hier bei dem üblichen Betrieb als Generator verfolgt werden soll. Im Leerlauf arbeitet die Maschine auf dem Schnittpunkt 1 und besitzt eine innere Spannung E1, die gleich der Klemmenspannung ist. Wird der Generator belastet, so entsteht vorwiegend durch den Blindstrom eine Ankerrückwirkung, die den Generator entmagnetisiert, u. zw. um den Betrag der Gegenamperewindungen g in Fig. 1. Die magnetische Widerstandslinie verschiebt sich daher in die Lage e, die die magnetische Charakteristik im Punkte 2 schneidet, so dass die EMK der Maschine sich auf E2 vermindert.
Durch die Wirkung der Streufelder sinkt die Klemmenspannung noch unter diesen Wert. Durch eine magnetische Zusatzerregung des Permanentmagneten sollen diese Wirkungen des Belastungsstromes nunmehr aufgehoben werden. Gibt man dem Permanentmagneten eine Zusatzerregung m im Sinne seiner Permanentmagnetisierung, so verschiebt sieh die Widerstandslinie bis zur
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Lage d. Sie schneidet die Magneteharakteristik im Punkte 3 und die innere Spannung wird nunmehr E3, also grösser als die bei Leerlauf. Sie reicht jetzt aus, um Streuabfälle der Maschine zu überwinden und die Klemmenspannung auf den gewünschten Leerlaufbetrag oder sogar darüber hinaus zu steigern.
Die Zusatzmagnetisierung m erfordert nur sehr viel weniger Erregungsamperewindungen, als sie etwa für eine Synchronmaschine mit Weicheisenläufer notwendig wären. Denn ein grosser oder sogar der grösste Teil der Magnetisierung wird durch die Koerzitivkraft des Permanentmagnetstahls ohne äusseren Erregerstrom geliefert, und nur zur Überwindung von Ankerrückwirkung und Streuung ist ein Aufwand von Erregerstrom notwendig. Die Erregerwicklungen derartiger Synchronmaschinen können daher sehr viel leichter gehalten werden als die der bisher üblichen Synchronmaschil1en mit Weicheisenläufer. Hiedurch verringern sich die Läuferverluste, so dass der Wirkungsgrad steigt und die Erwärmung zurückgeht.
Und da das Volumen und das Gewicht der Läuferwicklung sich verkleinert, so steigt die Möglichkeit guter Kühlwirkung, und es vergrössert sich die mechanische Festigkeit gegen- über der Zentrifugalkraft. Dies spielt insbesondere bei schnellaufenden Turbogeneratoren eine grosse Rolle, bei denen die Zentrifugalkräfte die Festigkeit des Läufers und daher die Gesamtkonstruktion beherrschen. Durch das verringerte Gewicht der Läuferwicklung kann man mit der Umfangsgesehwindig- keit der Maschine erheblich höher gehen als bisher und erreicht dadurch eine gesteigerte Ausnutzung der Baustoffe und dadurch kleinere Einheitsgewichte und grössere Grenzleistungen.
Man kann in der Verringerung des Materialaufwandes für die Erregerwicklung noch einen Schritt weitergehen, indem man den Erregerstrom zur Erzielung der magnetisierenden Amperewindungen nicht stets in gleicher Richtung fliessen lässt. Es ist vielmehr zweckmässig, die magnetischen Verhältnisse der Maschine so auszulegen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Spannung Ei ohne Zusatzerregung ist hier grösser als die Leerlaufspannung Eo gewählt, so dass man zur Erzielung der Leerlaufspannung eine gewisse Gegenerregung-m benötigt, die erzielt werden soll, indem man den Erregergleichstrom in umgekehrter Richtung durch die Erregerwicklung schickt.
Bei Vollast der Maschine benötigt man die innere Spannung E3, und zu ihrer Erzeugung wird der Erregerstrom umgekehrt, so dass er wieder in positiver Richtung zusätzlich zur Permanenterregung wirkt. Durch diese Massnahme kann man den Bedarf an Erregerstrom, an Erregeramperewindungen und damit den Aufwand für die Erregerwicklung nochmals auf die Hälfte herabdrücken, so dass die oben geschilderten Vorteile hinsichtlich der Ver- ringerung der Verluste, sowie des Volumens und Gewichts der Erregerwicklung sich noch weitergehend verbessern.
Benutzt man eine Gleichstromerregermaschine zur Erregung, so lässt sich diese nach Fig. 3 durch einen Wende-Erregerstromregler genau so leicht aufspannung regeln, wie es bisher für die einseitige Spannungsregelung der Weicheisen-Synchronmasehinen üblich war.
Die beschriebene Regelung der Synchronmaschine kann natürlich durch an sich bekannte Regeleinrichtungen in Abhängigkeit von der Spannung, dem Strom mit seiner Wirk-und Blindkomponente, von dem Leistungsfaktor oder einer ähnlichen Ausgangsgrösse her erfolgen. Man hat bei diesen Anordnungen den weiteren Vorteil, dass auch die Erregergleichstrommaschine wesentlich kleiner wird als bisher und dass deren Regelung mit einfachen Mitteln und viel geschwinder erfolgen kann als die der bisher benötigten grossen Erregermaschinen für schwere Synchrongeneratoren.
Wenn der Synchrongenerator starke Kurzschlussströme abgeben muss, besonders bei einem relativ nahen Kurzschluss, so treten sehr starke entmagnetisierende Wirkungen durch die Ankenlüek- wirkung in der Ständerwicklung auf. Es ist zweckmässig, den Strom im statu naseendi derart auf die Erregerstromkreise wirken zu lassen, dass sich entsprechend starke Gegenströme in der Läuferwicklung ausbilden.
Gelingt dies jedoch nicht oder nicht vollkommen, so soll die Erregungsanordnung befähigt sein, nach Ablauf des Kurzschlussstromes kurzzeitig einen so starken magnetisierenden Erregerstrom in die Erregerwicklung der Synchronmaschine zu liefern, dass der permanentmagnetische Läufer dadurch wieder auf seinen normalen Remanentmagnetismus herauf erregt wird, den er durch die Kurzschluss- ströme möglicherweise verloren hat.
Ganz besondere Vorteile im Bau der Synchronmaschine erzielt man hinsichtlich Eiwärmung,
Lüftung und Zentrifugalkraft durch Anwendung permanentmagnetiseher Läufer ohne jede Erregerwicklung. Da derartige Maschinen jedoch starken Spannungsabfall mit zunehmendem Belastungsstrom besitzen, so muss man die Regelung, die in Fig. 1 durch inneren Erregergleichstrom erläutert war, durch äusseren Erregerwechselstrom bewirken. In Fig. 4 ist dargestellt, wie dies z. B. durch schalt- bare Kondensatoren erzielt werden kann, deren Kapazitätsstrom die Ständerwicklung der Synchron- maschine durchfliesst und hier Amperewindungen erzeugt, die hochmagnetisierend im Sinne des
Permanentfeldes des Läufers wirken.
Zunächst einmal kompensieren sie dort den nacheilenden ent- magnetisierenden Blindstrom des Netzes und verhindern, dass sieh die Leerlaufeharakteristik b der
Maschine nach Fig. 1 in die Lage c verschiebt. Sie entlasten dadurch die Ständerwicklung der Synchron- maschine von diesen Blindströmen und bewirken eine stärkere Ausnutzbarkeit der Maschine. Sie ermöglichen aber auch durch Hineinfliessen überschiessender voreilender Magnetisierungsströme in die Ständerwicklung eine Verschiebung der Charakteristik in die Lage d in Fig. 1 und damit eine
Spannungssteigerung.
Die Regelung an diesen Kondensatoren kann man entweder durch Zu-oder Abschalten vor- nehmen oder auch durch vorgeschaltete Regeldrosselspulen, etwa. mit Gleichstrommagnetisieiung
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zur Einstellung ihrer Selbstinduktion. Man kann auch stetig oder absatzweise regelbare Kondensatoren benutzen, oder man kann die Kondensatorbatterien ganz oder zum Teil durch Parallelschaltung von stetig regelbaren Drosselspulen ergänzen. Auch durch Stromtore oder ähnliche Schaltmittel kann man die Regelung des magnetisierenden Kapazitätsstromes vornehmen. Auch hier wird man die Regelung in Abhängigkeit von der Spannung oder von den Strömen des Netzes durchführen.
Die Regelung der Synchronmaschine durch Kapazitäten und Drosselspulen im Weschelstromkreis hat gegenüber der Regelung durch Veränderung des Erregerstromes auch den bedeutenden Vorteil, dass die Dauer- kurzschlussstrome der Maschine wesentlich verringert werden. Denn bei Kurzschluss im Netz verlieren die Kondensatoren und Drosseln ihre Spannung und können daher keine erheblichen Ströme ins Netz liefern, während eine entsprechend verstärkte Gleichstromerregung der Synchronmaschine einen anteilig stärkeren Kurzschlussstrom erzeugen würde.
Wenn man die Ankerrückwirkung und die Herabdrückung des Feldes durch Gegenamperewindungen des Ständers vermeiden will, so muss man durch die Regelung der äusseren Kapazitätsströme zunächst dafür sorgen, dass keine nacheilenden Blindströme in den Generator eintreten. Alsdann bleibt noch die Wirkung der Streuung übrig, die auch bei Entnahme reinen Wirkstromes aus dem Generator spannungserniedrigend wirkt. In Fig. 5 a ist das Diagramm der Maschine dargestellt für den Fall reiner Wirkstromentnahme. Dieser Strom J, in Richtung der Klemmenspannung E erzeugt eine Streufeldspannung Es senkrecht zum Strom, die von der inneren Spannung Ei in Abzug kommt und die Klemmenspannung E als Kathete des rechtwinkeligen Dreiecks stets gegenüber der Hypotenuse Ei verkleinert.
Günstiger ist es daher, in die Synchronmaschine einen äusseren Kapazitätsstrom Je hineinfliessen zu lassen. Wählt man denselben stets proportional dem Wirkstrom J w, so kann man erreichen, dass der gesamte Ständerstrom J stets in Richtung der inneren Spannung Ei liegt, wie es in Fig. 5 b dargestellt ist. Dann steht die Streuspannung stets senkrecht auf Ei, und die Klemmenspannung E wächst nun sogar mit zunehmender Belastung an. Die Bedingung für den inneren Kapazitätsstrom ist hiebei
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wie man aus Fig. 5 b ohne weiteres entnimmt. Unter Es ist hiebei die Streuspannung der Ständer- wicklung einschliesslich der wirksamen Ankerrückwirkungsfelder verstanden.
Die schwache Erhöhung der Klemmenspannung nach Fig. 5 b mit zunehmender Belastung ist meistens angenehm, um auch äussere Spannungsabfälle zu überwinden. Wünscht man sie nicht, so kann man die Klemmenspannung auch konstant halten, wenn man den magnetisierbaren Kapazitätsstrom etwa halb so gross einregelt wie nach der eben genannten Formel, so dass man an Stelle der rechtwinkeligen Dreiecke in Fig. 5 c gleiehschenkelige Dreiecke der Spannung erhält.
An Stelle der in Fig. 4 dargestellten Kondensatoren zur Entlastung von äusseren Magnetisieiungs- strömen und zur Erzeugung von inneren Kapazitätsströmen der permanentmagnetisehen Synchronmaschine kann man natürlich auch andere Mittel zur Blindstromregelung verwenden. Beispielsweise kann man parallel arbeitende Synchrol1generatoren oder Phasenschieber mit Gleicl1stromfelderregern oder asynchrone Blindstrommaschinen mit Kollektorreglung oder Stromrichter-Blindstromanordnungen in der gleichen Weise wie die Kondensatoren zur Regelung der Permanentmaschine benutzen.
Dies ist dann besonders nützlich, wenn es sich um die Ergänzung eines bestehenden Kraftwerkes durch eine neue hochtourig grosse Maschine handelt, die mit einem rein permanentmagnetischen Läufer viel leistungsfähiger, einfacher und mit grösserer Modelleistung herzustellen ist als die bisherigen Synchronmaschinen.
Auch diese Regelung durch äussere Blindstromerzeugung kann man in der vielfach bekannten Weise von Spannung, Strom oder dem Leistungsfaktor aus vornehmen. Sehr einfach wird die Regelung, wenn man als Messgrösse den Winkel zwischen Strom und Klemmenspannung des Generators wählt, indem man z. B. ein tgeg cos ; p oder sin y-Instrument als Indikator für die Spannungsregelung benutzt.
Hält man diesen Winkel gemäss Gleichung 1) und Fig. 5 b für alle Belastungen aus dem Netz konstant, so ergibt sich eine mit der Last zunehmende Klemmenspannung. Hält man durch andere Einstellung des Reglers den halben Winkel konstant, so ergibt sich nach Fig. 5 c eine völlig konstante Klemmenspannung des Generators. Alle vom Netz her etwa sonst noch anfallenden induktiven oder kapazitiven Blindströme werden dann durch die Regelanordnung vor dem Eintritt in den Generator abgefangen und aufgehoben.
Da der Permal1entmagnetläufer bei der letztbeschriebenen Ausführungsform wicklungslos ist, so besitzt er nur eine mässige magnetische Zeitkonstante, die lediglich durch die Wirbelstrombildung im schlecht leitenden Eisen gegeben ist. Es ist jedoch wichtig, bei Schaltvorgängen aller Art und besonders bei Kurzschlüssen eine möglichst grosse magnetische Zeitkonstante zu erhalten, damit das normale Magnetfeld sich während dieser Störungszeit nur möglichst wenig ändert. Bei Maschinen mit Permanentmagnetläufer ist dies besonders wichtig, da man ja die Blindströme bei Kurzschluss unmöglich durch äussere Mittel voll aufnehmen lassen kann.
Die Kurzschlussströme werden daher im Generator Gegenamperewindungen erzeugen, und diese drücken das Magnetfeld noch weit unter den Punkt 2
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in Fig. 1 herab. Nach ihrem Verschwinden bleibt daher eine starke dauernde Entmagnetisierung des Permanentmagnetstahles zurück. Rüstet man den Läufer aber mit einer so starken Dämpferwicklung aus, dass deren Zeitkonstante wesentlich grösser ist als die Dauer des Kurzschlusszustandes, so bilden sieh in ihr durch einfache Transformationswirkung im Generator so lange andauernde Dämpferströme aus, dass die Kurzschlussankerrückwirkung kaum einen Einfluss auf das Hauptfeld der Maschine ausübt und dass daher nur eine geringfügige Entmagnetisierung eintritt.
Da diese Dämpferwicklung beim Fehlen der Erregerwicklung nur sich selbst zu tragen hat, so kann man sie leicht aus gut leitendem Kupfer herstellen und erzielt dadurch eine sehr hohe Läuferzeitkonstante.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Synchronmaschine grosser Leistung mit dauernd oder vorübergehend hoher Umdrehungszahl, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Herabsetzung der Fliehkraft die Erregung der Maschine teilweise durch umlaufende permanente Magnete bewirkt wird.