Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine mit einem Schenkelpolläufer.
Ein Verfahren und eine Anordnung zur Reduzierung mindestens eines Frequenzanteils einer periodischen Pulsation ist durch die EP-A1-0 268 160 bekannt. In diesem Fall werden bei einem von einer Antriebsmaschine angetriebenen Synchrongenerator, insbesondere einem dieselmotorgetriebenen Synchron-Großgenε- rator, die Pulsationen einer elektrischen Größe am Ausgang des Synchrongenerators mit einer Frequenz ausgeregelt, die von der synchrongeneratoreigenen Frequenz abweicht. Die Regelung erfolgt an der durch Dieselmotor, Generator und Netz gebildeten Strecke durch Eingriff in die Erregung des Generators (d.h. durch Regelung des magnetischen Längsfeldes) oder durch Beein- flussung der Betriebsverhältnisse des Dieselmotors (Menge und Zeitpunkt des eingespritzten Kraftstoffes werden gesteuert) oder durch eine am Ausgang des Generators angeordnete Impedanz (einstellbare Zusatzlast). Diese Regelungen sind aufwendig, da unter Umständen eine einzelne der beschriebenen Maßnahmen allein nicht ausreichend ist, um eine weitgehend vollständige Kompensation der periodischen Pulsation zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Synchron¬ maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Auswirkungen mechanischer Pendelungen des Schenkelpol¬ läufers, die sowohl auf antriebsseitige als auch auf last- seitige Einflüsse zurückzuführen sind, auf einfache Weise kompensiert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 ange¬ gebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei der Synchronmaschine gemäß Anspruch l.sind neben den bekannten Erregerspulen, die in üblicher Weise ein regel¬ bares magnetisches Längsfeld erzeugen, erfindungsgemäß Steuer¬ spulen vorgesehen, die ein regelbares magnetisches Querfeld erzeugen. Die Steuerspulen sind derart am Schenkelpolläufer angeordnet, daß im Luftspalt das von den Steuerspulen erzeugte magnetische Querfeld dem magnetischen Längsfeld überlagert ist. Man erhält damit einen zusätzlichen Eingriffsparameter zur Aus¬ regelung der durch mechanische Pendelungen des Schenkelpol - läufers auf der elektrischen Seite hervorgerufenen Schwankungen.
Durch die gleichzeitig mit den Pendelungen erfolgende Rege¬ lung des magnetischen Querfeldes gemäß Anspruch 6 läßt sich ein gleichförmig umlaufender, aus magnetischem Längs- und magneti- schem Querfeld resultierender Grundwellenfluß erzielen. Man erhält damit vergleichbare Betriebsverhältnisse wie bei einem gleichförmig rotierenden Schenkelpolläufer, d.h. ohne Pende¬ lungen.
Insbesondere für langsam laufende Synchrongeneratoren großer Leistung, die z.B. von Dieselmotoren mit einem ungleichförmigen Drehmoment angetrieben werden, ist die erfindungsgemäße Anord¬ nung solcher Steuerspulen vorteilhaft. Generatoren dieser Art mußten bisher so dimensioniert werden, daß sie ein entspre- chend hohes Massenträgheitsmoment aufweisen, was hinsichtlich der Kosten und des Gewichts- und Raumbedarfes ungünstig ist.
Das von den Steuerspulen erzeugte magnetische Querfeld ist dem magnetischen Längsfeld überlagert. Um dies zu erreichen, könnte man z.B. Steuerspulen vorsehen, die auf nach Art von
Wendepolen ausgebildeten "Zusatzpolen" angeordnet sind. Abge¬ sehen von den konstruktiven Problemen und dem Fertigungsauf¬ wand für solche "Zusatzpole" würde jedoch mit einer derartigen Anordnung der Steuerspulen die Polbedeckung für das magnetische Längsfeld und damit die Maschinenausnutzung (Leistung bei gegebenem Maschinenvolumen) relativ stark verringert. Außerdem lassen sich durch die vorgenannte Anordnung nicht ohne weiteres hinreichend hohe Amplituden für das magnetische Querfeld erzielen.
Eine bevorzugte Ausführungsform stellt deshalb eine Synchron¬ maschine nach Anspruch 2 dar. Bei einer derartigen Synchron¬ maschine ist sowohl eine hohe Polbedeckung für das magnetische Längsfeld als auch eine hinreichend hohe Amplitude für das magnetische Querfeld gewährleistet. Durch die Anordnung der Steuerspulen gemäß Anspruch 2 durchsetzt das magnetische Quer¬ feld im wesentlichen nur die Polschuhe, also nur den oberen, an den Luftspalt angrenzenden Polbereich. Der Polkern und das Joch führen hingegen nur den mit den Erregerspulen verketteten magnetischen Längsfluß. Eine solche Anordnung ist daher für relativ rasche Änderungen des magnetischen Querfeldes und damit für schnelle Ausregelungen störender Pendelungen des Schenkel¬ polläufers prädestiniert.
Bei einer Synchronmaschine gemäß Anspruch 4 wird im Hinblick auf dynamische Zustandsänderungen, wie sie z.B. bei Be- und Entlastung auftreten können, wenigstens ein Dämpferrahmen je Pol angeordnet. Eine Synchronmaschine mit einer bevorzugten Anordnung der Dämpferrahmen ist in Anspruch 5 beschrieben.
Diese Dämpferrahmen wirken im Gegensatz zu einem üblichen Dämpferkäfig nicht auf das magnetische Querfeld. Sie beein¬ flussen demzufolge auch nicht die über das magnetische Querfeld erfolgende Ausregelung der mechanischen Pendelungen des Schenkelpolläufers. Ein Dämpferkäfig könnte aufgrund seiner
Wirkung auf das magnetische Querfeld bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine nur dann eingesetzt werden, wenn die erforderlichen Regelzeiten für das magnetische Querfeld mindestens eine Zehnerpotenz größer sind als die maßgeblichen subtransienten Zeitkonstanten des Dämpferkäfigs.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 in abgewickelter Darstellung einen Schenkelpolläufer der erfindungsgemäßen Synchronmaschine im Schnitt, FIG 2 einen Schnitt durch den Schenkelpolläufer entlang der
Linie II-II in FIG 1, FIG 3 das magnetische Längsfeld und das magnetische Querfeld in idealisierter Darstellung, FIG 4 ein Durch flutungsdiagramm der erfindungsgemäßen
Synchronmaschine, FIG 5 einen Polschuh des Schenkelpolläufers nach FIG 2 mit Dämpferrahmen und ohne Spulen (Schnitt II-II wie in
FIG 2).
In FIG 1 ist mit 1 ein Schenkelpolläufer einer Synchronmaschine bezeichnet, der Pole 2 aufweist, die aus einem Polschaft 3 und einem darauf aufgesetzten Polschuh 4 bestehen. Jeder Polschuh 4 weist in seiner Mitte eine Nut 5 auf, die sich in Längsachse des Schenkelpolläufers 1 erstreckt. An beiden Längsseiten eines jeden Polschaftes 3 sind außerdem Aussparungen 6 vorgesehen, die sich jeweils parallel zur Nut 5 erstrecken. Jeder Polschaft 3 des Schenkelpolläufers 1 ist von einer Erregerspule 7 um¬ schlossen (FIG 2). Die Erregerspulen 7 liegen hierbei mit ihren Längsseiten in den beiden Aussparungen 6 eines Polschaftes 3.
Neben diesen üblichen Erregerspulen 7 weist der Schenkelpol - läufer 1 erfindungsgemäß Steuerspulen 8 auf. Jeweils zwei Längsseiten der benachbarten Steuerspulen 8 liegen zusammen in der Nut 5 der Polschuhe 4. Eine Steuerspule 8 umschließt dabei jeweils die benachbarten Polschuhhälften von zwei Polen 2 (FIG 2).
Die Steuerspulen 8 sind z.B. mit einem Verschlußkeil in den Nuten 5 und/oder Bandagen sowie mittels Stützringen oder -kappen im Stirnbereich des Polrades, befestigt.
In FIG 1 ist die Stromrichtung, die in die Papierebene zeigt, mit einem Kreuz gekennzeichnet. Die aus der Papierebene heraus¬ zeigende Stromrichtung ist mit einem Punkt gekennzeichnet. In FIG 2 ist die Richtung des Stromes I mit Pfeilen eingezeichnet. Mit den in FIG 1 und 2 angegebenen Stromrichtungen erhält man die in FIG 1 dargestellten magnetischen Flußverläufe des Schenkelpolläufers 1. Die Erregerspulen 7 erzeugen hierbei das magnetische Längsfeld B0 (ausgezogene Pfeile), die Steuerspulen 8 erzeugen das mit ___χ B bezeichnete magnetische Querfeld (gestrichelte Pfeile).
Für die folgende qualitative Betrachtung wird der Einfachheit halber angenommen, daß das von den Erregerspulen 7 erzeugte Längsfeld B0 einen rechteckförmigen Verlauf aufweist. Diesem Längs feld Bn entspricht die in FIG 3 strichpunktiert eingetra- gene Längsfeld-Grundwellenamplitude B 1ij = BQ -—- coso , wobei mit o. der elektrische Winkel der Polkante bezeichnet ist (Winkel¬ abstand von der Pollückenmitte zur Kante des Polschuhes 4).
Dem von den Steuerspulen 8 erzeugte magnetischen Querfeld A B entspricht eine Querfeld-Grundwellenamplitude von
B = ___, B -z- (1 - sine.). Durch das dem Längsfeld Bn über-
lagerte Querfeld ____ B wird die magnetische Flußdichte in der einen Polhälfte um ____. B vermindert (jeweils die linke Pol¬ schuhhälfte in FIG 1) und in der anderen um Δ B erhöht (jeweils die rechte Polschuhhälfte).
Bei einem in der Praxis üblichen Polbedeckungsfaktor von etwa 0,7 (der entsprechende elektrische Polkantenwinkel ©_ beträgt dann ca. 27* ) erhält man für den interessierenden Quotienten
,
Die für einen Flußdichtehub ____ B/BQ -*-_• + 0,17 notwendige Quer- durchflutung Θ 2 der Steuerspule 8 beträgt bei ungesättigter Synchronmaschine somit ungefähr 17 % der Durchflutungsdiff e- renz ΘJ., die der Vektorsumme aus der Längsdurchf lutung Θ, und der Ankerrückwirkung Θ ft entspricht (FIG 4). Bei gesättig- tem Magnetkreis geht die Flußdichte auf der einen Polschuh¬ hälfte stärker zurück als sie gleichzeitig auf der anderen Polschuhhälfte zunimmt. Für den vorstehend beschriebenen resultierenden Querfeldanteil von 10 % wird man dann mit einer
8 für das Querfeld relativ klein - siehe FIG 4. Der Hauptanteil der Längsdurchflutung Θ, ist zur Kompensation der von der strom- durchflossenen Ständerwicklung hervorgerufenen Ankerrückwirkung Θ - erforderlich.
Wie die FIG 1 ze igt , durchsetz t das von den Steuerspulen 8 erzeugte Quer feld ____ B läuferse itig im wesentl ichen nur die Polschuhe 4. Die Polschäfte 3 führen hingegen nur das mit den Erregerspulen 7 verkettete Längs feld B
Q . Eine solche Anordnung ist daher für relat iv rasche Quer feldänderungen prädestiniert.
Im Hinblick au f die elektromagnetischen Ausgleichsvorgänge bei dynami schen Zustandsänderungen , z. B . bei Laststößen sollte nur dann e in Dämpferkäfig vorgesehen werden , wenn die er forderliche Regelz eit für das Querfeld Δ. B wenigstens e ine Zehnerpotenz größer ist als die maßgeblichen subtransienten Zeitkonstanten der Ausgleichsvorgänge in der Synchronmaschine. Bei üblicher Maschinenbemessung l iegen diese subtransienten Zeitkonstanten in der Größenordnung von 10 bis 50 msec .
Liegt die geforderte Regelzeit jedoch in der gleichen Größen¬ ordnung (wie die subtransiente Zeitkonstante), dann kann zur Dämpfung von Ausgleichsvorgängen bei dem erfindungsgemäßen Synchronmotor in vorteilhafter Weise wenigstens ein Dämpfer- rahmen 9 an jedem Polschuh 4 vorgesehen werden. Ein solcher Dämpferrahmen 9 wirkt nur auf das magnetische Längsfeld BQ und beeinflußt damit nicht das Regelverhalten für das magnetische Querfeld __-B. Gemäß FIG 5 sind die Dämpferrahmen 9 symmetrisch zu den Nuten 5 angeordnet. Die Dämpferrahmen 9 werden zweck- mäßigerweise vor dem Einlegen der Steuerspulen 8 an den Pol¬ schuhen 4 angebracht.
Die konstruktive Ausgestaltung der Erfindung kann gegenüber der Zeichnung mannigfaltig abgewandelt werden. Statt jeweils in einer Nut 5 in der Polmitte können z.B. auch mehrere Nuten zur Aufnahme einer entsprechend räumlich verteilten Steuerwicklung vorhanden sein. Die räumliche Verlegung von Dämpferrahmen 9 erfolgt zweckmäßigerweise an den Stirnseiten der Pole derart, daß sie bereits im unbewickelten Zustand komplettiert werden und ein nachträgliches Einbringen der Wicklungen 7 und 8 ermöglichen.
Neben einer von den mechanischen Pendelungen abhängigen Rege¬ lung nach Anspruch 6 läßt sich die erfindungsgemäße Querfeld¬ steuerung auch für andere regelungstechnische Aufgaben vorteil¬ haft einsetzen, wie z.B. bei netzseitigen Wirklastpendelungen oder bei Windkraftanlagen.