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Erregersystem für elektrische Synchronmaschinen
Unter einem Erregersystem für elektrische Synchronmaschinen ist eine Anordnung zu verstehen, bei welcher ein oder mehrere Erregermaschinen, sogenannte Haupt- bzw. Hilfserregermachinen, die Erre- gerleistung zunächst in Form von Wechselstrom aufbringen. Der so erzeugte Wechselstrom wird dann ent- weder über Kommutator oder Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt und in die Erregerwicklung der elektrischen Synchronmaschine eingespeist.
Derartige Erregermaschinen werden im allgemeinen auf der Welle der Synchronmaschine angeordnet und bedingen somit eine Verlängerung derselben ; diese ist jedoch unerwünscht. Man ordnet daher zwecks
Verringerung der Baulänge die Erregermaschinen oft nicht auf der Welle direkt an, sondern stellt jene getrennt von der Synchronmaschine auf. In letzterem Falle muss selbstverständlich zusätzlich ein Antriebs- mittel für den Antrieb der Erregermaschinen vorgesehen werden.
Handelt es sich um einen Synchrongenerator mit senkrechter Welle, wie er z. B. als Wasserkraftgenerator angewandt wird, so bereitet gerade hiebei die Anordnung der Erregermaschine auf der Welle besonders grosse Schwierigkeiten. Abgesehen von der axialen Verlängerung muss auch darauf geachtet werden, dass der Kommutator leicht zugänglich ist, um dieses besonders störanfällige Bauelement leicht und schnell warten zu können. Die Erregermaschinen werden deshalb oberhalb des Synchrongenerators angeordnet, wodurch eine axiale Verlängerung seiner Bauhöhe, unter Umständen um mehrere Meter, notwendig wird. Das kann auf die Gebäudekosten grossen Einfluss haben und bei Cavernen-Kraftwerken besonders verteuernd wirken. Ausserdem sind langsam laufende Kommutator-Erregermaschinen relativ teuer und unwirtschaftlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Erregersystem für elektrische Synchronmaschinen vorzusehen, welches gegenüber den bekannten Anordnungen eine wesentlich geringere Wartung benötigt und ausserdem eine Verkürzung der axialen Baulänge gestattet.
Gegenstand der Erfindung ist ein Erregersystem für elektrische Synchronmaschinen, bei welchen als Haupt- und bzw. oder Hilfserregermaschine (n) Wechselstromerzeuger vorgesehen sind, die über ruhende Gleichrichter die Erregerwicklungen der Synchronmaschinen mit Gleichstrom speisen. Erfindungsgemäss sind als Erregermaschinen elektrische Synchronmaschinen mit umlaufenden Wechselpolen vorgesehen, wobei die ungleichnamigen Pole des Polrades keine wesentlich wirksame ferromagnetische Verbindung miteinander haben und so angeordnet sind, dass der Magnetfluss eines feststehenden Elektro- oder Permanentmagneten über einen Luftspalt in gleichnamige Pole übertritt, von diesen über den mit dem Magneten fest verbundenen induzierten Teil (Arbeitswicklung) in die Gegenpole und aus diesen über einen weiteren Luftspalt wieder in den Magneten übertritt.
Vorwiegend besteht das Polrad aus zwei mit Polansätzen versehenen koaxialen ferromagnetischen Mänteln oder Scheiben, wobei die Polansätze unter Einhaltung eines Abstandes ineinander verschachtelt sind und der induzierte Teil den Polansätzen und die Pole des erregenden, mit. dem induzierten Teil fest verbundenen Magnetes den ferromagnetischen Mänteln oder Scheiben, unter Einhaltung eines Luftspaltes, gegenüberstehen.
Speist man aus der induzierten Wicklung einer derartigen Erregermaschine über Gleichrichter, insbesondere Trockengleichrichter, die elektrische Synchronmaschine, dann hat man einen Gleichstrom-
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erzeuger ohne Kommutatoranordnung vor sich. Speist man aus der genannten induzierten Wicklung die eigene Erregerwicklung der Erregermaschine, dann erhält man eine selbsterregte elektrische Maschine, die z. B. als Hilfserregermaschine bei den genannten Synchronmaschinen Verwendung finden kann. Man kann natürlich die Hilfserregermaschine auch durch ein ruhendes Erregergerät bekannter Bauart erregen.
Dabei hat die Hilfserregermaschine den Vorteil gegenüber den bekannten derartigen Maschinen der üblichen Gleichstrombauart, dass ihr Durchmesser gegenüber der Eisenlänge wesentlich kleiner und die Ankerlänge wegen des Fortfalles des Kommutators sehr viel kürzer ist. Da ausserdem die Wellen grösserer Synchronmaschinen nie völlig zentrisch laufen, entweder weil sie sich verziehen oder weil die Lagerspiele naturgemäss absolut grösser sind als bei kleineren Maschinen, werden die Bürsten der Hilfserregermaschine nicht immer satt am rotierenden Kommutator anliegen (tanzen). Hiedurch werden sehr leicht unerwünschte und schädliche Energiependelungen der ganzen Maschinenanlage angeregt.
Maschinen, die gemäss der Erfindung ausgebildet sind, sind im Prinzip in der deutschen Patentschrift Nr. 852263 beschrieben. Die darin dargestellten Anordnungen lassen aber noch nicht erkennen, dass sie auch als Erregermaschinen für grosse und grösste Synchrongeneratoren verwendet werden können. Die nach der Erfindung ausgebildeten Erregermaschinen zeichnen sich nämlich ausserdem durch extrem kurze Bau- längen aus, wobei auch das Joch der Erregermaschinen aus Walzmaterial hergestellt werden kann. Hie- durch ergibt sich ebenfalls eine Verbilligung. Da die nach der Erfindung ausgebildeten Erregermaschinen als wartungsfrei anzusehen sind, können sie, im Gegensatz zu beispielsweise bekannten Gleichstrom-Erregermaschinen, auch an nicht leicht zugänglichen Stellen angeordnet werden.
Hiedurch ergibt sich eine Ersparnis auch hinsichtlich der Gesamtbaulänge des Maschinensatzes.
Da die erfindungsgemäss ausgebildeten Erregermaschinen im allgemeinen mit einer Ringspule ausgerüstet werden können, ist die aufzubringende Erregerleistung relativ kleiner, anderseits der Verstärkungsgrad relativ grösser als bei bekannten Gleichstromerregermaschinen. Das gleiche, was bis jetzt für die Hilfserregermaschinen angegeben wurde, trifft auch für die Haupterregermaschine zu. Darüber hinaus lassen sich beide Maschinen in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung z. B. sehr einfach konzentrisch zueinander anordnen. Ein noch kleinerer Raumbedarf hiefür ist die Folge.
In der brit. Patentschrift Nr. 844. 688 wird wohl etwas ähnliches, nämlich ein Drehfeld-Transformator als Erregermaschine beschrieben, dessen Läufer keine Pole hat, sondern nur zum magnetischen Rückschluss dient. Derartige Transformatoren müssen mit einem sehr kleinen Luftspalt versehen werden. Kleine Luftspalte können aber nur bei relativ kleinen Maschinen verwendet werden, da bei Grossmaschinen die Lagerspiele gross sind und die Wellen nie ganz zentrisch laufen. Ausserdem ist dabei ein PermanentmagnetPolrad notwendig, damit sich die Anordnung selbst erregt.
Bei der nach der Erfindung vorgeschlagenen Erreger-Anordnung ist aber die zusätzliche Verwendung von Permanentmagnet-Werkstoffen unnötig, weil die Pole der Klauenpolmaschine aus Baustahl angefertigt werden können ; ein derartiger Stahl besitzt aber eine genügend grosse Remanenzspannung. Besonders nachteilig bei dem bekannten System nach der genannten britischen Patentschrift ist jedoch die Hilfswicklung im Stator des Generators, wo sie aus Gründen der Betriebssicherheit unerwünscht ist. Bei der Anordnung nach der Erfindung befinden sich die Wicklungen aber auf dem Tragstern, so dass sie nicht im Stator des Hauptgenerators angeordnet werden müssen.
Als weiterer wesentlicher Vorteil sei noch dargestellt, dass eine Klauenpolmaschine, die ja an sich bekannt ist, mit sehr grossem Luftspalt ausgeführt werden kann, so dass sie auch bei grössten Wasserkraftgeneratoren anwendbar ist.
In der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben.
Fig. l und 2 zeigen schematisch die Anordnung der feststehenden Wicklungen und des Polrades einer elektrischen Maschine mit Wechselpolen, wie sie bei dem erfindungsgemässen Erregersystem verwendet wird. Fig. 3 und 4 geben eine andere Ausbildung der Wechselpolmaschine an, Fig. 5 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäss ausgebildeten Erregersystems an einem Wasserkraftgenerator und Fig. 6 eine Doppel-Erregermaschine axial nebeneinander angeordnet, ähnlich wie in Fig. 3, jedoch mit zwei getrennten Statoren.
In Fig. l ist aufgezeigt, wie zwischen den Polen des Erregerteiles 1 das Polrad 2 mit den Wechselpolen 3 um die Achse 4 rotiert. Radial ausserhalb des Polrades 2 ist, ebenfalls feststehend, der induzierte Teil 5 angeordnet und mit den Wicklungen 45 versehen. In der Fig. 2 ist eine Abwicklung des Kranzes des Polrades 2 dargestellt, um die Anordnung der Wechselpole 3 zu veranschaulichen. Diese sind mit den ihnen zugeordneten Mänteln 46 jeweils fest verbunden und werden bei Erregung des Magnetflusses mit wechselnder Polarität magnetisiert.
Der Gang des Magnetflusses sei nun im Zusammenhang mit den Fig. l und 2 erläutert. Der Magnetfluss tritt von dem Erregelteil l über Luftspalte in die Mäntel 46 des Polrades 2 über und von deren Wech-
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selpolen 3 über einen weiteren Luftspalt dann in den induzierten Teil 5. In den Wicklungen 45 wird die Sekundärspannung induziert.
Aus Festigkeitsgründen wird in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung der Zwischenraum 47 - hier mäanderförmig - mit unmagnetischem Material ausgefüllt, wodurch das Polrad 2 zu einem geschlossenen Bauelement verbunden wird. Die in dem Erregerteil induzierte Spannung ist zunächst eine Wechselspannung. Sie muss über Gleichrichter - diese in bekannten Ausführungen - der Erregerwicklung der elektrischen Synchronmaschine zugeführt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erregermaschine wird z. B. dadurch erreicht, dass der Magnetkern 6 (s. Fig. 3 und 4) und die Erregerwicklung 7 kreisringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Drehachse 8 des Läufers 9 stimseitig befestigt sind, wobei gleichnamige Pole 10, 11 des Läufers 9 durch ferromagnetische Ringe 12 miteinander verbunden sind. Der Magnetkern 6 ist dabei zusammen mit dem induzierten Teil 13 im Gehäuse 14 befestigt. In diesem Falle hat der Magnetfluss folgenden Weg : Magnetkern 6, Luftspalt, ferromagnetische Ringe 12, Pole 10 oder 11, weiterer Luftspalt, induzierter Teil 13, Pole 11 oder 10.
Die Fig. 3 und 4 geben dabei als Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung eine Verdoppelung
EMI3.1
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In Fig. 6 ist eine Doppel-Erregermaschine angegeben, wobei die beiden einzelnen Erregermaschinen axial nebeneinander angeordnet sind. Die Erregerspulen 37, 38 befinden sich radial und konzentrisch innerhalb des doppelten Polsystems 39, dieses wieder konzentrisch und radial innerhalb des doppelten induzierten Systems 40, 41. Die Erregerspulen 37, 38 und das induzierte System 40, 41 sind gemeinsam mit der Halterung 42 verbunden und feststehend ausgebildet, wobei diese entsprechend Fig. 5 z. B. den unteren Tragstern des Führungslagers eines senkrecht stehenden Wasserkraftgenerators darstellen kann. Das doppelte Polsystem 39 wieder ist fest mit dem rotierenden Teil 43 verbunden, welches z. B. entsprechend Fig. 5 ein Polrad eines Wasserkraftgenerators sein kann.
Bildet man die Erregermaschinen nicht als Haupt- und Hilfserregermaschinen aus, sondern als eine Doppel-Hilfserregermaschine mit also (s. Fig. 6) zwei Erregerspulen 37, 38, so kann man, in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung, die von deren induzierten Teile 40, 41 ausgehende Leistung über Gleichrichter in die Erregerwicklung einer Haupterregermaschine einspeisen, u. zw. gleich-oder gegensinnig durch an sich bekannte Schalt-und Regelmittel. Man hat damit die Mittel zu einer sehr wirksamen Stoss- oder Gegenerregung mit besonders hohem Verstärkungsgrad zur Verfügung.
Es kann aber auch die Anordnung so getroffen werden, dass Haupt- oder Hilfserregermaschine zwei am Statorumfang verteilte Arbeitswicklungen tragen, jedoch nur mit einer Erregerspule ausgebildet sind. In diesem Falle müssen die von den Arbeitswicklungen der Erregermaschine abgegebenen Leistungen über gleichstromvormagnetisierte Drosselspulen (Transduktoren) in an sich bekannter und daher nicht weiter erläuterter Weise geregelt werden. Dieses Verfahren ist besonders dann mit Vorteil anwendbar, wenn die Erregermaschine eine Mittelfrequenzmaschine ist.
PATENTANSPRÜCHE :
EMI4.1
underregermaschine (n) Wechselstromerzeuger vorgesehen sind, die über ruhende Gleichrichter die Erregerwicklungen der Synchronmaschinen mit Gleichstrom speisen, dadurch gekennzeichnet, dass als Erregermaschinen elektrische Synchronmaschinen mit umlaufenden'Wechselpolen vorgesehen sind, wobei die ungleichnamigen Pole des Polrades keine wesentlich wirksame ferromagnetische Verbindung miteinander haben und so angeordnet sind, dass der Magnetfluss eines feststehenden Elektro- oder Permanentmagneten über einen Luftspalt in gleichnamige Pole übertritt, von diesen über den mit dem Magneten fest verbundenen induzierten Teil (Arbeitswicklung) in die Gegenpole und aus diesen über einen weiteren Luftspalt wieder in den Magneten übertritt.