Synchronmaschine mit Selbsterregung Um die Selbsterregung von Synchronmaschinen si cherzustellen und um eine Abhängigkeit von anderen Stromquellen zu vermeiden, werden in vielen Fällen den Synchronmaschinen Hilfs-Synchronmaschinen hinzuge fügt. Dazu ist es beispielsweise bekannt geworden, die Feldwicklung der Synchronmaschine an Gleichrichter anzuschliessen, welche mit einem Teil der von der Haupt maschine selbst erzeugten Wechselstromenergie gespeist werden. Um die Erregung auch bei Kurzschluss oder bei sehr grosser Belastung der Hauptmaschine aufrechtzu erhalten, wird dabei in den meisten Fällen wenigstens ein Teil der erforderlichen Erregungsenergie von Stromwand lern abgenommen, deren Primärwicklungen von dem Belastungsstrom der Synchronmaschine durchflossen sind.
Bei Kurzschluss der Synchronmaschine werden da bei aber die Gleichrichter hoch beansprucht; deren Schutz ist besonders dann sehr schwierig, wenn diese aus Halb leiterventilen bestehen.
Es ist auch bekannt geworden, im Gesamtfeld des Erregerteils einer Synchronmaschine harmonische Kom ponenten hervortreten zu lassen, deren Polteilung zur natürlichen Polteilung des Erregerteils in einem nicht ganzzahligen Verhältnis steht. Der Zweck dieser Mass- nahmen war, bei einem einzigen Motor mehrere Dreh zahlen durch Vervielfachung der Polzahl zu erreichen. Eine derartige Ausführung ist jedoch nicht geeignet, eine solche Komponente der Synchronmaschinenspannung zu induzieren, welche gegenüber der Belastung der Ma schine unempfindlich ist und nach Gleichrichtung für die Erregung verwendet werden kann.
Es ist auch bekannt geworden, unter Verwendung der 3. Harmonischen des Hauptfeldes durch eine zusätz liche Wicklung dreifacher Polzahl in den Ankernuten eine Mehrphasenspannung dreifacher Frequenz zu gewin nen, welche dann ebenfalls nach Gleichrichtung durch Trockengleichrichter zur Erregung der Maschine verwen det wird. auch diese Anordnung ist wie die beiden vorher genannten als stark abhängig vom Hauptfeld anzusehen, so dass im Kurzschlussfall erhebliche Schwierigkeiten auftreten. Es ist auch eine Anordnung bekannt geworden, wel che bei Kurzschluss und grosser Belastung der Synchron maschine die Erregung aufrechterhalten soll, ohne dass die Gleichrichter unzulässigen elektrischen Beanspruchun gen ausgesetzt werden.
Dazu wird der Feldmagnet der Synchronmaschine derart ausgebildet, dass er ausser einem magnetischen Hauptfluss, der in der Ankerhaupt wicklung der Synchronmaschine die ausgangsspannung induziert, auch eine zusätzliche Magnetflusskomponente von erheblicher Grösse erzeugt. Dieses wird insbeson dere dadurch erreicht, dass zusätzliche Nuten im Feld magnet der Synchronmaschine mit dadurch verbundener Änderung der Wicklung angeordnet werden. Der dazu notwendige Aufwand ist recht erheblich und eine prak tisch absolute Trennung der beiden der Erregung dienen den magnetischen Flüsse wegen deren Symmetrieachse unwahrscheinlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und möglichst ohne wesentliche Änderung der aktiven Eisenbestandteile und der Polwick lung der Synchronmaschine durch geeignete Wicklungen eine weitere Synchronmaschine zu bilden, die vom Haupt generator elektrisch praktisch unabhängig und völlig entkoppelt ist.
Dazu wird bei einer elektrischen Synchronmaschine mit Selbsterregung erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass den von den Feldmagneten ausgehenden magnetischen Hauptflüssen abschnittsweise oder am ganzen Umfang der Synchronmaschine ein von einer Hilfsfeldwicklung er regter, magnetischer Gleichfluss überlagert ist, welcher in einer im Stator angeordneten, mit im Verhältnis zur Hauptwicklung mit halber Polteilung versehenen Hilfs wicklung durch die magnetischen Leitwertschwankungen Pol/Pollücke eine Spannung von doppelter Frequenz er zeugt.
Es ersteht also durch die besondere Ausbildung der Magnetisierung der im wesentlichen sonst unveränderten Synchronmaschine zusätzlich eine Reluktanzmaschine, wobei lediglich darauf zu achten ist, dass der überlagerte Gleichfluss so ausgebildet ist, dass er dem Polradfeld, also dem vom Feldmagneten ausgehenden Hauptfeld, infolge der Leitwertschwankungen eine 2. Harmonische einprägt.
Dabei entsprechen Pol und Pollücke dem Zahn und der Lücke eines Polrades einer Reluktanzmaschine. Damit dieses Reluktanz-Polsystem eine Spannung erzeu gen kann, wird also im Stator eine Hilfswicklung mit halber Polteilung vorgesehen, wozu man dann zweck mässig die Nutzahl je Pol und Phase der Hauptmaschine durch zwei teilbar ausbildet.
Die Anordnung der Hilfsfeldwicklung und der Hilfs wicklung kann gemäss allen vom Mittelfrequenzbau her bekannten Wicklungsarten erfolgen, z. B. nach dem Sy stem der klassischen Gleichpolmaschine, als Erregung homopolar durch Ringspulen. Auch ist eine heteropolare Erregung durch in den Statornuten angeordnete grosse Erregerspulen möglich, wobei diese um ein Vielfaches der doppelten Hauptpolzahl voneinander entfernt ange ordnet werden, so dass das Hauptfeld keine Spannung in ihnen erzeugen kann.
Auch die Verwendung der an sich bekannten Mittelfrequenzmaschinen des < c Guy-Typs oder des Interferenz-Typs ist selbstverständlich möglich.
Bei Ringspulen z. B. wird man zweckmässig darauf achten. dass die Durchflutungsachsen der von den beiden Ringspulen (Feldwicklung und Hilfsfeldwicklung) aus gehenden magnetischen Flüsse aufeinander senkrecht ste hen. Damit ist die praktisch völlige Trennung der beiden Systeme voneinander erreichbar. Die als Hilfserreger maschine wirkende Reluktanzmaschine wird dann völlig unempfindlich gegenüber Kurzschlüssen und überlastun- gen bzw. Lastspitzen der Hauptmaschine, ohne dass we sentliche Anderungen bei der Herstellung der Synchron maschine notwendig sind.
Bei Fortschaltung eines Kurz schlusses steht dann die volle Deckenspannung, d.h. die höchste Spannung, die die Maschine abgeben kann, der Erregeranordnung sofort zur Verfügung.
Die Erfindung wird anhand von Beispielen in der Zeichnung erläutert. In Fig. 1 ist ein Teil der Abwicklung einer normalen Synchronmaschine in Schenkelpolbauart dargestellt. Die abwechselnd mit verschiedener magne tischer Polarisation ausgebildeten Schenkelpole 1, die also den Feldmagnet bilden, sind mit Feldwicklungen 2 umgeben, von welchen der zur Erregung notwendige ma gnetische Hauptfluss entsprechend den Pfeilen 3 erzeugt wird. Dieser Hauptfluss induziert durch Übertritt über den Luftspalt in den Hauptwicklungen 4 die normale Generatorspannung mit entsprechend normaler Frequenz. Ein achsparalleler Schnitt der, allerdings nicht abge wickelten.
Maschine nach Fig. 1 wird in Fig. 2 darge stellt, wobei zusätzlich noch Ringspulen 5 angeordnet sind, die feststehen und als Hilfsfeldwicklung entspre chend der Erfindung dienen. Sie könen jedoch auch mit umlaufen.
Der von diesen Ringspulen 5 erzeugte magnetische Gleichfluss 6 tritt über den Luftspalt in das Ständerblech- paket 7 ein und induziert dort eine Spannung in den ihm zugeordneten Hilfswicklungen. Diese Hilfswicklun gen 8 sind aus der Fig. 3 ersichtlich, welche massstab- gerecht zur Fig. 1 unterhalb derselben dargestellt ist. Man erkennt, dass die Polteilung der Hilfswicklung 8 im Verhältnis zu der der Hauptwicklung 4 (Fig. 1) halb so gross ist.
Da nun durch das System Pol/Pollücke des umlaufenden Polrades der von den Ringspulen 5 aus gehende Gleichfluss 6 im Ständerblechpaket 7 einen Fluss doppelter Frequenz gegenüber dem von der Feldwicklung 2 ausgehenden erzeugt, wird er entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Induktionswelle 9 in den Hilfswicklungen 8 und im wesentlichen nur in diesen eine Spannung erzeu- gen. Diese Spannung doppelter Frequenz wird dann in an sich bekannter Weise gleichgerichtet und zur Erregung des Feldmagneten in die Feldwicklungen 2 des Genera- tors eingespeist.
In der Fig. 4 wird nun eine heteropolare Erregung dargestellt, wobei die Wicklungen 10 als Hilfsfeldwick- lung in entsprechend ausgebildeten Nuten des Ständers angeordnet sind. Die Kreuze bzw. Punkte in der Nut geben die unterschiedlichen Stromrichtungen in den Wicklungen 10 an. Die entsprechenden Spulen sind als konzentrierte ausgeführt. Der von ihnen ausgehende Gleichfluss erzeugt in den Hilfswicklungen 8 eine Span nung, die dann in die Feldwicklung 2 (siehe Fig. 2) in -in sich bekannter Weise und über an sich bekannte Mit tel eingespeist wird.
Die Kreuze und kleinen bzw. grossen Kreise geben die zugehörigen Phasen der Hauptwicklung 4 bzw. der Hilfswicklung 8 an, wobei die obere Reihe sich auf die Hilfswicklung 8 und die untere Reihe sich auf die Hauptwicklung 4 bzzieht. Die gestrichelten Ver bindungslinien stellen schematisch die unmittelbare elek- trische Verbindung zwischen den jeweiligen Nuten dar, um dem Betrachter das Abzählen bezüglich der im Ver hältnis zur Hauptwicklung 4 mit halber Polteilung ver- sehenen Hilfswicklung 8 zu erleichtern. Die Lochzahl je Pol und Strang ist dabei für die Hauptwicklung gleich 2 und die für die Hilfswicklung gleich 1 angesetzt.
Man erkennt, dass die Wicklungen 10 um ein Vielfaches der doppelten Hauptpolzahl (entsprechend der Hauptwick lung 4) voneinander entfernt liegen, so dass das Haupt feld in ihnen keine erzeugen kann.
In der Fig. 5 wird eine der Fig. 4 ähnliche Anordnung für eine ebenfalls heteropolare Erregung dargestellt, wo bei jedoch der Stator über den Umfang mit gleichartigen Nuten ausgebildet ist. Die der Erregung dienende Hilfs- feldwicklung 11 ist hierbei auf den Nutgrund von 2 x 3 Nuten verteilt, während die als Arbeitswicklung dienende Hilfswicklung 8 den Nutgrund der restlichen 6 Nuten einnimmt. Die Hauptwicklung ist in allen Nuten zur Nutöffnung hin angeordnet.
Die Kreuze und Punkte stel len die Stromrichtungen in den am Nutgrund liegenden Wicklungen dar, wobei in üblicher Weise ein Kreuz einen vom Betrachter wegfliessenden, ein Punkt einen auf den Betrachter zufliessenden Strom darstellt. Die Verbin dungslinien zwischen den in den Nuten liegenden Wick lungen stellen wieder schematisch die unmittelbare elek trische Verbindung zwischen diesen dar, und damit dem Betrachter insbesondere das Abzählen der im Verhältnis zur Hauptwicklung 4 mit halber Polteilung angeordneten Hilfswicklung 8 zu erleichtern.
Schliesslich wird in der Fig. 6 ein Prinzip-Schaltbild einer Synchronmaschinen-Anlage mit nach der Erfindung ausgebildeter Reluktanzmaschine dargestellt. Die ge strichelte Linie 12 umschliesst dabei die Generatorbe- standteile, welche aus der dreiphasigen Hauptwicklung 4 und der vorzugsweise als einzige im Sinne des Pfeil rings 13 rotierenden Wicklung ausgebildeten Feldwick lung 2 bestehen. Hinzu kommt die Reluktanzmaschine, die ebenfalls dreiphasig mit einer Hilfswicklung 8 und einer Hilfsfeldwicklung 11 ausgebildet ist.
Die in der Hilfswicklung 8 erzeugte Spannung wird über Gleich richter 14 gleichgerichtet und unter Regelung der Feld wicklung 2 zugeführt. Dazu ist ein Sollwert-Einsteller 15 vorgesehen, von welchem unter Vergleich mit dem Mess- glied 16 der Regler 17 zur entsprechenden Regelung der Gleichrichter 14 veranlasst wird. Ein ähnlicher Regelsatz ist auch für die Erregung der Reluktanzmaschine vorge sehen, wobei die dafür notwendige Spannung aus der Hilfswicklung 8 über den Regelsatz 18 abgenommen wird.
Dabei wird davon ausgegangen, dass die Remanenzspan- nung zur Selbsterregung . des Hilfsgenerators, also der Reluktanzmaschine, über den Regelsatz 18 völlig aus reicht.
Man erkennt, dass neben den bereits oben geschil derten Vorteilen, insbesondere dem Aufeinanderstehen der Durchflutungsachsen der Magnetflüsse, auch die der doppelten Frequenz hinzukommen. Dadurch wird näm lich die Grösse der angeschlossenen Geräte, wie beispiels weise Motoren, Transduktoren, Transformatoren, Um formersatz wesentlich herabgesetzt. Auch die magne tischen Zeitkonstanten der Regler werden dadurch klei ner und damit die Regelvorgänge beschleunigt. Auch die Bauhöhe und die Baulänge der Hauptmaschine wer den um den Platzbedarf des Hilfsgenerators verringert.
Die Erfindung bezieht sich selbstverständlich nicht nur auf Synchronmaschinen der Schenkelpolbauart, son dern auch auf solche mit Walzenläufern, da diese ja auch mehrere zumeist zwei oder vier magnetisch ver schiedene Achsen in Folge der ungleichmässigen Nu- tung haben.