Dynamoelektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine dynamoelektri sche Maschine, mit einem Rotor mit mindestens zwei Polen und einer mehrphasigen Statorwicklung.
Ein typischer turbinengetriebener mehrphasiger Genera tor umfasst einen Stator mit Statorwicklungen oder Anker wicklung, sowie ein Feldelement oder Rotor mit einem Paar oder mehreren Paaren magnetischer Pole. Mehrheitlich sind zwei Pole vorgesehen und eine Drehzahl von 3600 Touren zur Erzeugung einer mehrphasigen elektrischen Leistung mit einer Frequenz von 60 Hertz
Der Stator besteht bekanntlich aus einem Kern aus la mellierten magnetisierbaren Material und ist als Hohlkörper ausgebildet. An der Innenwandung des Kerns sind sich radial erstreckende Nuten vorgesehen, welche in Achsrich tung von einer Stirnseite des Stators zur anderen verlaufen.
Sogenannte Statorstäbe in diesen Nuten bilden hierbei die Wicklungen, wobei jeder Statorstab eine Mehrzahl isolierter
Leiter umfasst Zur Bildung von Kreisen sind Mittel vorgesehen, welche die Verbindung der Statorstäbe untereinander ermöglichen, wobei ein solcher Kreis oder mehrere davon eine Phase der Wicklung des Stators darstellen. In jeder Nüt sind zwei Statorstäbe angeordnet, wobei der eine die obere Wicklungslage und der andere die untere Wicklungslage darstellt.
Zwei seriegeschaltete Statorstäbe bilden dann eine Spule, wofür Stäbe unterschiedlicher Nuten verbunden werden. Jede Spule umfasst so eine obere Wicklungslage und eine untere Wicklungslage, welche betreffenden Stäbe Spulenseiten bilden und welche in Nuten liegen, die in Umfangsrichtung voneinander getrennt sind.
Die Spulenseiten sind hierbei um weniger als eine volle Polteilung voneinander getrennt, wobei eine Polleitung definiert ist durch 180 elektrische Grade, oder, äquivalent, durch 360 mechanische Grade dividiert durch die Anzahl der Rotorpole. Eine Gruppe von benachbarten Spulenseiten mit oberer Wicklungslage führt hierbei Strom von der gleichen Phase und die Gruppe von winkelförmig versetzten Spulenseiten mit unterer Wicklungslage sind mit ersteren zu sogenannten Phasenschleifen verbunden. Alle diese Spulen in einer Phasenschleife sind seriegeschaltet oder können verbunden sein zu einer Mehrzahl von Seriekreisen mit einer Spule oder mehreren Spulen.
Bei mehr als einem Kreis oder Teilen von mehr als einem Kreis in einer Phasenschleife ist es notwendig, die Spulen oder Spulenseiten, welche in jedem Kreis seriegeschaltet werden, so auszuwählen, dass die Vektorsumme der erzeugten Spannungen in den Spulenseiten jedes Kreises im wesentlichen den gleichen Phasenwinkel und die gleiche Grösse aufweisen, um Wirbelströme zwischen den parallelgeschalteten Kreisen auszuschliessen.
Mit der Zunahme der Dimensionen eines Generators nimmt auch der magnetische Fluss pro Pol zu. Somit nimmt die Generatorspannung zu und zwar in direkter Proportion des Flusses bei identischer Statorwicklung. Um hierbei unerwünschte Spannungen zu vermeiden, welche grössere Dicke der Isolation gegen Erde an den Leitern und bestimmte Massnahmen an den Generatoranschlüssen zur Vermeidung von Überschlägen oder Corona erfordern würden, müssen pro Phase mehr parallele Kreise vorgesehen werden. Um hierbei wieder Wirbelströme auszuschalten, muss wieder eine besondere Auswahl der seriegeschalteten Spulen oder Spulenseiten getroffen werden. Eine bekannte Art zur Bestimmung einer geeigneten Kombination von Serie zu schaltenden Spulen mit identischer erzeugten Spannung in jeden Kreis zu deren Parallelschaltung beschreibt das US-Patent Nr. 2 778 962.
Mit dem Aufkommen von Medium-gekühlten Leitern wurden auch die Stator-Stäbe grösser, um Strömungskanäle zu bilden. Dies führte zur Verminderung der Anzahl Statornuten, gleichzeitig zur Vergrösserung der Stromaufnahmefähigkeit pro Nut. Somit wird es nötig, die Anzahl Leiter einer Phase in eine grössere Anzahl paralleler Kreise zu unterteilen, um unerwünschte Spannungen mit deren Folgen zu vermeiden.
Im US-Patent Nr. 3408517 ist bereits ein Wicklungsdiagramm vorgeschlagen worden, um das Spannungsungleichgewicht zwischen den einzelnen Kreisen von seriegeschalteten Leitern in einer Phasenwicklung zu vermindern. Dies wird dort erreicht durch unterschiedliche Spulenteilung in der Phasenschleife, derart, dass die Reihenfolge der zweiten Spulenseiten in der unteren Wicklunglage in einer Gruppe von Nuten umgekehrt ist wie jene der ersten Spulenseiten in der oberen Wicklungslage. Hierdurch wird die Differenz zwischen den erzeugten Spannungen in jeden Kreis einer Phase bei gleichförmiger Spulenteilung im wesentlichen durch einen Faktor reduziert, der im nachfolgenden als Austauschfaktor bezeichnet wird.
Dieser Austauschfaktor ist eine Funktion der mittleren Spulenteilung für die betreffende Phasenschleife und angenähert Null (kein Spannungsungleichgewicht), wenn die mittlere Teilung gleichförmig (volle Spulenteilung) ist. Die Gleichförmigkeit in einer 3-Phasenwicklung ist aber begrenzt durch die Verluste durch die Harmonischen, wobei die grösste Spulenteilung in einem 3-Phasen-Generator etwa 5/6 der vollen Polteilung oder 150 elektrische Grade betragen darf, wenn diese Verluste durch die Harmonischen im Rahmen bleiben sollen.
Es ist bekannt, dass die durch eine Mehrzahl von gleichmassig distanzierten Wicklungen erzeugte Ordnung der Harmonischen der Beziehung nq + 1 folgt, wobei q die Anzahl der Phasenschleifen pro Polpaar und n alle aufeinanderfolgenden Ganzzahligen 1, 2, 3 ... darstellt. Hieraus ergeben sich für eine normale 3-Phasen-Wicklung mit 6 Phasenschleifen pro Polpaar erzeugte 5. und 7., 11. und 13. und Harmonische höherer Ordnung. Die Grösse der Harmonischen ist hierbei proportional dem Teilungsfaktor für die einzelnen Wicklungen dividiert durch die Ordnung der Harmonischen selbst. Die Verluste durch den Fluss ändern hierbei im Quadrat der Grösse der Harmonischen. Somit werden die Hauptverluste durch die Harmonischen geringerer Ordnung, also durch die 5. und 7. Harmonische in einem 3-Phasen-Generator erzeugt.
Bei einem bekannten 3-Phasen-Generator werden nun die Harmonischen niederer Ordnung durch Beschränkung der mittleren Teilung der Wicklung auf 5/6 der vollen Spulenteilung eliminiert, um so weit als möglich die zwei untersten, durch die Ankerwicklungsströme erzeugten Harmonischen, nämlich die 5. und 7. Harmonische zu unterdrücken.
Da nämlich die Grösse der Harmonischen direkt proportional dem Teilungsfaktor für die einzelne Harmonische und umgekehrt proportional der Ordnung der Harmonischen ist, können die beiden Harmonschen mit der geringsten Ordnungszahl einigermassen reduziert werden durch Auswahl der Spulenteilung im Bereich von (q-1)/q oder 5/6 für eine 3-Phasen-Wicklung mit 6 Phasenschleifen.
Wenn die Beschränkung einer mittleren Spulenteilung von etwa 5/6 zur Steuerung der harmonischen Verluste der Harmonischen niederer Ordnung wegfällt, könnte also die Spulenteilung bis zur vollen Teilung zunehmen. Dies würde eine Verminderung der Spannungsdifferenzen bedeuten zwischen den parallelen Kreisen pro Phase, wenn die Spulenseiten mit oberer und unterer Wicklunglage in ihrer Folge für jede Phase vertauscht werden. Dies würde zu Generatoren führen mit hoher KVA bei geringen Spannungen, da der gesamte Ausgangsstrom durch viele parallele Kreise pro Phase und durch mehr Phasen als bisher geführt würde.
Die vorliegende Erfindung bezweckt deshalb die Schaffung einer dynamoelektrischen Maschine, welche einen grösseren KVA-Ausgang ohne Vergrösserung der Statorspannung gestattet bei geringerem Spannungsungleichgewicht zwischen den parallelen Kreisen.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Statorwicklung Spulenseiten mit einer oberen und einer unteren Wicklungslage umfasst, die zur Bildung von mindestens zwei Phasenschleifen pro Phase und Polpaar zusammengeschaltet sind; wobei die Spulenseiten jeder Phasenschleife um 180 elektrische Grade bezüglich der korrespondierenden Spulenseiten der anderen Phasenschleifen versetzt angeordnet sind; wobei mindestens eine Phasenschleife jeder Phase Teile von mindestens zwei parallelgeschalteten Kreisen umfasst, die je mindestens zwei Spulenseiten in Serieschaltung aufweisen; wobei ferner die Spulenseiten der oberen Wicklungslagehälfte der Phasenschleife eine erste Kreisreihenfole aufweisen, gegenüber welcher die Reihenfolge der unteren Wicklungslagehälfte vertauscht ist;
wobei ferner die mittlere Spulenteilung in der Phasenschleife grösser ist als 5/6 und wobei die resultierenden Phasenwicklungen zu mindestens zwei getrennten 3-Phasen-Wicklungen mit Phasenverschiebung zusammengeschlossen sind.
Eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Wicklungsdiagramm für einen 6-Phasen-2-Pol48-Nuten-Generator,
Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung von 2 Phasenschleifen einer Phase des Generators gemäss Fig. 1 und
Fig. 3 ein Vektoren-Diagramm der in der Maschine gemäss Fig. 1 und 2 erzeugten Spannung.
In Fig. list eine dynamoelektrische Maschine 101 angedeutet in Form eines 6-Phasen-Generators, dessen Rotor mit Polen 12 und 13 drehbar gelagert ist in einem genuteten, magnetisierbaren Statorkern 14. Der Kern 14 weist 48 gleichmässig distanzierte Nuten auf, in welchen sich eine 2-lagige Schleifenwicklung befindet. In der Darstellung ist hierbei nur eine der 6 Phasenwicklungen veranschaulicht und mit 15 bezeichnet. Die anderen 5 Phasenwicklungen sind gleich ausgebildet, aber in bekannter Art um einen gegebenen Winkelbetrag versetzt. Hierbei sind zwei Phasenschleifen A und A' angedeutet, welche je vier Statorspulen umfassen. Jede Spule hat dabei eine erste Seite in der oberen Hälfte einer Nut und eine zweite Seite, welche sich in der unteren Hälfte einer in Umfangsrichtung versetzten Nut befindet.
Die vier Spulen jeder Phasenschleife sind so verbunden, dass zwei parallele Kreise gebildet werden, wobei jeder Kreis zwei seriegeschaltete Spulen umfasst. Die Kreise sind hier mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet, wobei jeder Kreis ein erstes Ende aufweist, das mit einem Verbindungsring 17 verbunden ist. Hierbei haben Spulen Seiten, die in benachbarten Nuten liegen und welche mit einem weiteren, die Phasenschleife bildenden Verbindungsring verbunden sind.
Die Wicklungen der Phasenschleifen A und A' überlappen sich bei den Nuten 25, 26 und 27; ebenso die Gegenseiten in den Nuten 1, 2 und 3, was hier nicht näher gezeigt ist, nachdem die Fig. 1 eine Abwicklung veranschaulicht.
Die oberen Wicklungslagen der Phasenschleife A' beginnen in der Nut 1 und die unteren Wicklungslagen in der Nut 24. Ähnlich beginnen die oberen Wicklungslagen der Phasenschleife A in der Nut 25 und die unteren Wicklungslagen in der Nut 48. Für die gezeigte 2-Pol-Maschine mit 48 Nuten ist somit die Teilung für die Phasenschleife 23 Nuten oder 23/24 für die volle Polteilung.
Wie erwähnt, ist die mittlere Teilung der Ankerspulen bei herkömmlichen hochbemessenen 3-Phasengeneratoren auf etwa 5/6 beschränkt. Hier werden nun. durch eine grössere Anzahl Phasenschleifen pro Pol die unteren Harmonischen, welche bisher bei 3-Phasen-Wicklungen aufgetreten sind, unterdrückt. Beispielsweise erscheinen bei einer 6-Phasen-Wicklung mit 12 Phasenschleifen pro Polpaar nur die 11.
und 13. Harmonische; die 23. und 25. Harmonische; die 35.
und 37. Harmonische usf. im Gegensatz zur 5. und 7.; 11. und 13.; 17. und 19. Harmonischen bei einer normalen 3-Phasenwicklung. Ähnlich erzeugt ein 9-Phasengenerator mit 18 Phasenschleifen pro Polpaar nur die 17. und 19.; 35. und 37.;...
Harmonische. Für solche Mehrfach-3-Phasen-Generatoren bleiben somit die örtlichen Verluste infolge der Harmonischen wesentlich geringer, was eine grössere Auswahlmöglichkeit gestattet. Aus diesen Gründen ist die beste Teilung bei einer 3-Phasenwicklung etwa 5/6; die optimale Teilung einer 6-Phasenwicklung mit 12 Phasenschleifen pro Polpaar etwa 11/12, um die untersten Harmonischen, nämlich die 11.
und 13. Harmonische am geringsten zu halten. Da aber die Grösse dieser Harmonischen nun wesentlich geringer ist, können wesentlich grössere Abweichungen von den optimalen Werten toleriert werden.
Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung der Wicklungsdiagramme gemäss genanntem Patent Nr. 3 408 517 das Spannungsungleichgewicht in den parallelen Kreisen einer gemeinsamen Phasenschleife verringert werden kann. Dieses Wicklungsdiagramm zeigt die Verteilung in einer ersten Reihenfolge der Seiten mit der oberen Wicklungslage solcher Stator-Spulen mit den Parallelkreisen einer ersten Phasenschleife und die Verteilung der anderen Spulenseiten in einer umgekehrten Reihenfolge. Mit der umgekehrten Verteil lung ergibt sich die Verminderung des Spannungsungleichgewichtes zwischen den Kreisen in einer Phasenschleife nach der Beziehung: Austauschfaktor = j cotg. p), wobei p die Spulenteilung und j eine 90" Phasenverschiebung in Richtung der Spannungsungleichheit zwischen den Kreisen bedeuten.
Für eine 5/6 Wicklungsteilung, welche bisher die maximal ausführbare Teilung war, hat sich somit ein Austauschfaktor von 0,268 ergeben; die Spannungsungleichheit konnte also nur um 26,8 0/0 gesenkt werden.
Bezüglich Fig. 1-ist beispielsweise die Reihenfolge der Spulenseiten mit oberer Wicklungslage der Phasenschleife A 3-4-4-3, wogegen die Reihenfolge der anderen Spulenseiten mit der unteren Wicklungslage 4-3-3-4 ist. Ähnlich ist die Kreis-Reihenfolge der Phasenschleife A', nämlich für die Reihenfolge der oberen Wicklungslage 1-2-2-1 und für die untere Wicklungslage 2-1-1-2. Wie aus dem genannten Patent hervorgeht, setzt diese Anordnung für eine mittlere Spulenteilung von 5/6 eine Phasenwinkelungleichheit zwischen den Kreisen 3 und 4 (und den Kreisen 1 und 2) in der oberen oder unteren Wicklungslage allein um in eine gleichphasige Spannungsungleichheit in ihrer Summe, deren relativer Betrag um nur 26,89/o reduziert wird vergleichsweise dem Betrag bei gleichförmiger Spulenteilung.
Durch die nunmehr verwendete 6-Phasenwicklung mit total 12 Phasenschleifen pro Pol-Paar werden die niederen Frequenzharmonischen beseitigt und die Teilung bleibt nicht mehr auf einen Wert von 5/6 beschränkt. Durch Erweiterung der mittleren Spulenteilung kann das Spannungsungleichgewicht zwischen den Kreisen einer Phasenschleife, gegeben durch die vorgenannte Formel, wesentlich vermindert werden.
Beispielsweise ist der Wert des Austauschfaktors bei Verwendung einer 11/12 Teilung 0,132; bei Verwendung einer 23/24 Teilung gemäss der Anordnung nach Fig. 1 auf 1/16 (0,0655) des Ungleichgewichtes eines herkömmlichen Spulenseiten-Diagramms vermindert Mit anderen Worten kann für diese Teilungsart eine Kreisreihenfolge erreicht werden mit 16mal so viel Spannungsungleichgewicht zwischen dem seriegeschalteten Leitern in der Spulenseitenreihenfolge, als dies bei der gleichmässigen Spulenteilung gemäss genanntem Patent toleriert werden konnte. In bezug auf eine 3-Phasenmaschine gemäss genanntem Patent, wo die Spulenteilung auf 5/6 beschränkt ist, kann bei der 6-Phasenmaschine mit 23/24-Teilung 4mal mehr Ungleichgewicht zwischen der erzeugten Spannung in den seriegeschalteten Leitern jeder Spulenseitenwicklung einer Phasenschleife toleriert werden.
In Fig. 2 ist die Umfangsverteilung der Wicklungen der Phasenschleifen A und A' im Statorkern angedeutet Hierbei ist an jedem Ort jeder Spulenseite im Kern ein Pfeil vorgesehen, welcher die relative Phase der induzierten Spannung angibt, wobei die Nummern 1, 2, 3 oder 4 die Kreise bezeichnen. Die Überlappung der Phasenschleifen A und A' ist hier klarer sichtbar, wobei 3 von 4 Nuten Spulenseiten einer gegebenen Phasenschleife sowie Spulenseiten der anderen Schleife der Phase enthalten.
Wie sichtbar, ist wegen der symmetrischen Anordnung der Leiter um die Mittellinie jeder Phasenschleifenhälfte die Vektorsumme der Spulenseitenspannungen für jeden Kreis in Richtung der Mittellinie der betreffenden Phasenschleifenhälfte orientiert, aber unterschiedlich in der Grösse. Die Umkehrung der Kreisreihenfolge für die Leiter der unteren Wicklungslagenhälfte der Phasenschleife bezüglich der Reihenfolge der oberen Wicklungslagenhälfte dieser Schleife bewirkt übereinstimmende Phase der Vektorsumme der unteren Wicklungslagenspannung, jedoch mit relativen Werten für jeden Kreis in umgekehrter Beziehung bezüglich den Kreissummen für die obere Wicklungslagenhälfte dieser Schleife.
So zeigen die Vektoren 3t und 4 der Kreise 3 und 4, welche in den oberen Wicklungslagen liegen, ungleiche Längen; befinden sich jedoch in Richtung der Mittellinie der Phasenschleifenhälfte mit oberer Wicklungslage. Ähnlich zeigen die Vektoren 3b und 4b Teile der Kreise 3 und 4, welche sich in der unteren Wicklungslage befinden, wobei sich die Vektoren 3b und 4b entlang der Mittellinie der Phasenschleifenhälfte mit unterer Wicklungslage erstrecken. Diese genannten beiden Mittellinien der Pasenschleifenhälften bilden einen Winkel von ps, welcher mit der mittleren Teilung der Spulen in der Phasenschleife übereinstimmt, so dass die in den oberen und unteren Phasenschleifenhälften erzeugte Spannung phasenverschoben ist.
Fig. 3 zeigt die Vektoren der in den verschiedenen Phasenschleifen erzeugten Spannungen. Hierbei ist der Vektor 3r die Vektorsumme der Spannungen 3 und 3b des Kreises 3; der Vektor 4r die Vektorsumme der Spannungen 4t und 4b. Wegen der Spannungsdifferenz in einem gegebenen Phasenschleifensegment sind die Vektoren 3r und 4r unterschied- lich bezüglich dem Phasenwinkel, aber gleich in ihrer Grösse. Wie die US-Patentschrift Nr. 3 408 517 vermittelt, wird die Ungleichheit der erzeugten Spannungen zwischen den getrennten, parallelen Kreisen 3 und 4 bei vertauschter Reihenfolge der oberen und unteren Wicklungslage multipliziert durch den Faktor j cotg. 2
Ist also die Teilung p angenähert 1, ist auch die Ungleichheit zwischen den parallelen Kreisen angenähert 0.
Kann somit der Unterschied der Phasenwinkel zwischen den Kreisen 3 und 4 sehr gering gehalten werden, ohne dass dazwischen unzulässig grosse Stromkomponenten auftreten können.
Ähnliche vorbeschriebene Beziehungen sind auch anwendbar auf die Kreise 1 und 2 der Phasenschleife A'. Vektoren 1r und 2r in Fig. 3 bilden die Vektorsummen der oberen und unteren Wicklungslagen lt, 2t, lb und 26, welche die Kreise 1 und 2 bilden. Die Phasenschleife A' hat die gleiche Teilung wie die Phasenschleife A mit einer Versetzung um 1800 im Statorkern, so dass die Spannungen der Wicklungen der Phase A' in umgekehrter Richtung der Spannungen der Phase A verlaufen. Ferner ist die Spannung des Kreises 1 in Phase mit jener des Kreises 3 und die Spannung des Kreises 2 in Phase mit derjenigen des Kreises 4. Alle vier Kreise werden durch Verbindungsringe parallelgeschaltet.
Gemäss den Fig. 1 und 2 sind die Kreise der Phasenschleifen A und A' parallelgeschaltet, welche Kreise also eine der Phasen der 6-Phasenwicklung bilden. Die anderen Phasen sind dann gleich ausgebildet Drei der Phasen im Be reich von 1200 sind vorteilhaft an einen gemeinsamen Punkt angeschlossen zur Bildung einer ersten 3-Phasenwicklung.
Die übrigen 3 Phasen bilden eine zweite 3-Phasenwicklung, deren Ausgang bezüglich der ersten um 30 versetzt ist. Die 6 resultierenden Phasen werden zweckmässig an einen Transformator angeschlossen, um die Ausgänge in Phase zu bringen, was zu einem 3-Phasen-Leistungsausgang der Anordnung führt.
Selbstverständlich ist das Vorbeschriebene nicht auf eine 6-Phasen-Wicklung mit 12 Phasenschleifen beschränkt. So ist beispielsweise eine 9-Phasen-Wicklung mit einer oder zwei Phasenschleifen pro Pol denkbar. Letztere Wicklung ergibt eine 3fache 3-Phasen-Wicklung, deren Ausgänge um 20 elektrische Grade verschoben sind. Auch hier können wieder 2 der 3 Wicklungen ausgangsseitig um 20 phasenverschoben werden, um einen 3-Phasen-Ausgang zu erhalten.
Ebenso beschränkt sich das Wicklungsdiagramm der Phasenschleifen nicht auf die vorbeschriebene symmetrische Verteilung bezüglich der Mittellinie der Phasenschleifenhälften, wie schon dem genannten US-Patent Nr. 3408 517 entnommen werden kann.