DE629143C - Schiffspropellerantrieb, bestehend aus Synchrongenerator und Synchronmotor - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 27. APRIL 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d² GRUPPE 42os

Patentiert im Deutschen Reiche vom 7. März 1934 ab

Bei dem Antrieb von Schiffspropellern mit Synchronmotoren, welche von Synchrongeneratoren gespeist werden, wird eine bestimmte Uberlastungsfähigkeit verlangt. Im normalen Betrieb arbeiten der Motor und der Generator mit cos φ = ΐ,ο oder cos φ — ι, was wegen der in allen Maschinen auftretenden Verluste zweckmäßig ist. Zur Erreichung eines großen Kippmomentes hat man solche Maschinen mit großem Luftspalt, also kleiner Ständerreaktanz ausgeführt.

Diese Verhältnisse sind in den Abb. 1 und 2 dargestellt, die z. B. für den Motor gelten: /„ sei der Ständerstrom bei normalem Volllastbetrieb, Ja₀ = -w- der vom Ständer auf-

genommene Leerlaufmagnetisierungsstrom, U die Nennspannung und S₁ = S₀ (1 + ?i) die Ständerreaktanz, S₀ die Hauptreaktanz

Je

_ 1+,T₁ _

~ Jn *

as Zur Erreichung einer großen Überlastbarkeit muß. also die Ständerreaktanz S₁ klein sein, damit ergibt sich ein großer Erregerstrom J_e.
Erfindungsgemäß wird nun, sobald das Polrad in die der Abb. 2 entsprechende Kipplage geht, die Hauptreaktanz S₀ vergrößert, so daß die Ständerreaktanz vS*! auf den Wert S[ ansteigt und damit der vom Ständer auf-Jk

Je

Jd₀ ■

Je

1+T₁

Strom, Jd₀ —

der Blindstrom.

Die Überlastbarkeit ist das Verhältnis des Kippmomentes K zum Normalmoment N:

J do

Jn

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Arthur Mandl in Berlin-Schöneberg.

und T₁ die Ständerstreuung. ——-— ist der

dem auf die S tänder windungszahl umgerechneten Läufererregerstrom J_e entsprechende Dauerkurzschlußsfrom. Die Spannung U sei zunächst als konstant angenommen. Im Kipppunkt ergibt sich das Diagramm der Abb. 2. Der Winkel zwischen J_e\i + X₁ und Jd₀ ist 90°, und der zufließende Netzstrom I_k besteht aus zwei Teilen:

ist der drehmomentbildende Wirk-

genommene Leerlaufmagnetisierungsstroni Jd₀ auf einen kleineren Wert Jd₀ abfällt. Dadurch ergibt sich für den Kippunkt das in Abb. 3 gezeichnete Diagramm. Aus diesem ist zu ersehen, daß sich der cos q>_k auf den Wert cos g?/_c verbessert hat. Der Generator wird vom Blindstrom entlastet, wodurch die Konstanthaltung seiner Spannung mit kleinerer Übererregung des Motors oder des

Generators gelingt. Durch den Einfluß der Ständerstreuung (T₁ verkleinert sich auf τ[) steigt auch das Kippmoment etwas an.

Das Spannungsdiagramm der Übertragung Generator — Motor ist für den Fall, daß beide Erregungen nicht geregelt werden, also konstant bleiben, in Abb. 4 dargestellt. Die Ohmschen Widerstände sind vernachlässigt. Außerdem ist angenommen, daß die Längs- und Querfeldreaktanz einander gleich sind. Es sind J_em und I_es die auf die Ständerwindungszahl umgerechneten Erregerströme von Motor und Generator, S_m· (τ + t_m) undS_g · (1 + r_g) die Hauptreaktanzen, J der Strom in beiden Maschinen und U die Klemmenspannung an beiden Maschinen. Bei mehreren parallel oder in Reihe geschalteten Maschinen sind die entsprechenden Ersatzwerte zu bilden. In Abb. 4 ist z. B. die Richtung der Mo-

2a torpolradspannung (Motorleerlaufs-EMK) hm' Sm — OM als festliegend angenommen. Für die Normallast falle die Generatorpolradspannung J_eg · Sg in die Richtung O G, für die Kipplast in die Richtung O G_k. Das übertragene Drehmoment oder die übertragene Leistung ist der Fläche OMG bzw. 0MG_k proportional. Die Überlastbarkeit ist demnach durch das Verhältnis der Strecken

gegeben. Die Strecke MG stellt den Spannungsverbrauch in den Ständerreaktanzen beider Maschinen, dar und teilt sich, wie in Abb. 4 dargestellt ist, in den Verbrauch "MN = J · S_m · (1 + r_m) im Motor und in den Verbrauch NG = J·S_g · (1 + z_g) im Generator. Die Netzspannung U=ON an beiden Maschinen verringert sich bei Anstieg des Drehmomentes bis zum Kippunkt allmählich bis zum Wert U_k = 0N_k, wobei der Endpunkt N des Spannungsvektors ON auf dem eingezeichneten Kreis nach N& wandert. Der von der Generatorpolradspannung

J_eg · S

J_eg

_g getriebene Strom ist

leg-'

Sfn-{x+r_m) + Sg-{i+Tg) -Dieser Strom ist im Kippunkt

[(/eg·' Sg)k Jem ' Sm]

mit der Polradspannung J_em · S_m des Motors in Gegenphase. Es ist daher die Kippleistung je Phase

Jem *

J eg· Sg.

Erfindungsgemäß wird nun bei diesem Übergang die Hauptreaktanz, z. B. die Hauptreaktanz S_m, des Motors vergrößert. Es gilt dann für den Kippunkt das gestrichelte Diagramm. Die Polradspannung J_em · S_n, des Motors hat sich auf den Wert J_em ■ S'_m vergrößert. Die Klemmenspannung U= ON an den Maschinen fällt jetzt weniger ab, und zwar nur mehr auf den Wert Ui = O Ni. Die Kippleistung ist in dem gleichen Verhältnis wie die Klemmenspannungen Ui: Uj₁ gestiegen. Durch den Einfluß der Ständerstreuung (die Streureaktanz S'_m-T_m des Motors bleibt in obiger Gleichung konstant) steigt die Kippleistung noch etwas mehr an.

Es ist klar, daß eine Vergrößerung der Ständerreaktanz des Generators oder der Ständerreaktanzen von Generator und Motor beim Übergang von der Normallast zur Kipplast in dem gleichen Sinn wirkt.

Die Vergrößerung der Hauptreaktanz wird dadurch bewirktj daß ein Teil des magnetischen Kreises im Nennbetrieb so stark gesättigt ist, daß das dort verbrauchte magnetische Gefalle beim Rückgang der Klemmenspannung U an den beiden Maschinen während des Anstieges des Nennmomentes zum Uberlastmoment stark zurückgeht. Damit wird dieselbe Wirkung erzielt, als ob bei Überlast der Luftspalt der Synchronmaschine kleiner gemacht würde. Für den stark gesättigten Teil eignet sich z. B. besonders der Polkern. Durch entsprechende Bemessung seines Querschnittes und seiner Länge kann man erreichen, daß die Hauptreaktanz etwa im gleichen oder noch größeren Verhältnis vergrößert wird, als die Klemmenspannung !7 bei der geforderten Überlast zurückgeht, d. h.

Als Zahlenbeispiel sei folgende Rechnung durchgeführt. Für die in Abb. 4 gezeichnete Übertragung ergab sich im Kippunkt ein Spannungsrückgang von U=ON auf U'_k= ÜW_k um 10%. Beträgt die Luftspaltinduktion im Normalbetrieb S3 =80

cm²

und der wirksame Luftspalt einschließlich Ständereisen I = X cm, so ergibt sich die erforderliche Amperewindungszahl für Luftspalt und Ständereisen: für die Normalspannung U= O⁷N zu —*±-? =

- 0,4Jt-IO-'- 0,4 '71 HO

= 6400 AW und für die Spannung im Kippunkt Uk = ON'k zu etwa 0,9 · 6400 = 5760 AW. Die Polkerninduktion betrage im Mittel

= 181

für Nennlast und ermäßige

sich bei dem obengenannten io%igen Spannungsrückgang durch den Einfluß des Polstreufeldes um etwa 6,5 °/₀ auf 33^, = 169

Aus den Magnetisierungskennlinien erhält

Ui "VsIc A^W *

man für 33_D = 181 140 und für

cm-=

cm

8 ο . Bei einer Polkernlänge

\*iXL cm.

von Ip = 20 cm ergibt sich die erforderliche Amperewindungszahl für den Polkern zu 140 · 20 = 2800 AW bzw. 80 · 20 == 1600 AW. Insgesamt sind also erforderlich: Im Normalbetrieb 6400 + 2800 = 9200 AW bei 100 % Spannung, im Kippunkt 5760 + 1600 = 7360 AW bei 90 % Spannung.
Die Hauptreaktanz ist demnach von S_m zu SI in dem Verhältnis:

100

90
—— = 0,0109 :0,01223

9200 ' 7360

gestiegen, so daß die obige Ungleichung zahlenmäßig lautet:

0,01223 100

0,0109

oder 1,22 > 1,11.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Schiffspropellerantrieb, bestehend aus Synchrongenerator und Synchronmotor, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Maschinen oder beide Maschinen so ausgelegt sind, daß die Änderung der Hauptreaktanz im Vergleich zur Änderung der Klemmenspannung von Normallast auf Überlast nach der Formel

   U'

   erfolgt, wobei JT₀ und U die Hauptreaktanz und die Klemmenspannung der Maschinen bei Normallast und S'_o und TJ' die Hauptreaktanz und die Klemmenspannung der Maschinen bei der gewünschten Überlast bedeuten.
2. 2. Schiffspropellerantrieb nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Hauptreaktanz von dem Wert S₀ auf den Wert S'_o durch Sättigung eines Teiles des magnetischen Kreises der Maschine erzielt wird.
3. 3. Schiffspropellerantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesättigte Teil in dem Polkern des gleichstromerregten Teiles vorgesehen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen