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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch erregte Synchronmaschine, mit einem Stator und einem Rotor, der mit einer Rotorwicklung versehen ist, und mit einem Erregerkreis zum Anlegen von einer Betriebsspannung an die Rotorwicklung, wobei an den Erregerkreis eine Eingangsspannung von einer Primärspannungsquelle angelegt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist eine derartige elektrisch erregte Synchronmaschine mit einem Stator und einem Rotor, der mit einer Rotorwicklung versehen ist, bekannt. Diese elektrisch erregte Synchronmaschine weist einen Erregerkreis auf, der zum Anlegen von einer Betriebsspannung an die Rotorwicklung vorgesehen ist. An den Erregerkreis wird eine Eingangsspannung von einer Primärspannungsquelle angelegt.
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Eine derartige elektrisch erregte Synchronmaschine wird in der Regel in Teillast oder im Generatorbetrieb betrieben und nur in wenigen Ausnahmefällen in Volllast. In Volllast kann jedoch ein vergleichsweise hoher Eingangsstrom von der Primärspannungsquelle benötigt werden, wodurch die Spannung der Primärspannungsquelle einbrechen kann, sodass dem Erregerkreis nicht mehr die maximale Eingangsspannung zur Verfügung steht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch erregte Synchronmaschine mit einem Stator und einem Rotor, der mit einer Rotorwicklung versehen ist, und mit einem Erregerkreis zum Anlegen von einer Betriebsspannung an die Rotorwicklung, wobei an den Erregerkreis eine Eingangsspannung von einer Primärspannungsquelle angelegt wird. Der Erregerkreis weist eine Sekundärspannungsquelle auf und ist dazu ausgebildet, zumindest bei einer Überlastung der Primärspannungsquelle eine von der Sekundärspannungsquelle bereitgestellte Überbrückungsspannung an die Rotorwicklung anzulegen, wobei die Überbrückungsspannung zumindest im Wesentlichen der Betriebsspannung entspricht.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung einer elektrisch erregten Synchronmaschine, bei der auch im Betrieb in Volllast und einem hierdurch möglicherweise auftretenden Einbrechen der Primärspannungsquelle eine zum Betrieb erforderliche Durchflutung der Rotorwicklung mittels der Sekundärspannungsquelle gewährleistet werden kann. Somit steht der Rotorwicklung vorteilhafterweise auch dann die zum Betrieb erforderliche Betriebsspannung zur Verfügung, wenn die Spannung der Primärspannungsquelle einbricht.
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Bevorzugt ist die Sekundärspannungsquelle dazu ausgebildet, die Überbrückungsspannung zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum bereitzustellen.
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Somit kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass die erforderliche Durchflutung der Rotorwicklung auch bei einem zeitweisen Einbrechen der Spannung der Primärspannungsquelle, zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum, aufrechterhalten werden kann.
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Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Zeitraum mindestens 1s bis 20s.
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Üblicherweise treten Volllastsituationen nur vergleichsweise selten auf, und auch deren Zeitdauer ist in der Regel begrenzt, so dass der vorgegebene Zeitraum von mindestens 1s bis 20s gebräuchlicherweise zur Abdeckung der meistauftretenden Volllastsituationen ausreichend ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Sekundärspannungsquelle ein Elektrolytkondensator.
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Somit kann eine einfache und kostengünstige Sekundärspannungsquelle bereitgestellt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Sekundärspannungsquelle ein Akkumulator. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch ein anderer geeigneter aufladbarer Energiespeicher Anwendung finden kann.
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Somit kann eine robuste und zuverlässige Sekundärspannungsquelle bereitgestellt werden.
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Bevorzugt ist die Sekundärspannungsquelle im Normalbetrieb der elektrisch erregten Synchronmaschine über die Primärspannungsquelle aufladbar.
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Somit kann sicher und zuverlässig gewährleistet werden, dass die Sekundärspannungsquelle immer aufgeladen und somit verfügbar ist, wenn eine Bereitstellung der Überbrückungsspannung durch die Sekundärspannungsquelle erforderlich ist.
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Vorzugsweise weist der Erregerkreis mindestens eine Schalteinheit auf, die dazu ausgebildet ist, bei einer Überlastung der Primärspannungsquelle die Primärspannungsquelle elektrisch von der Rotorwicklung zu trennen.
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Somit kann auf einfache Art und Weise eine Beschädigung oder Zerstörung der Primärspannungsquelle bei deren Überlastung vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Erregerkreis mindestens eine Schalteinheit auf, die dazu ausgebildet ist, bei einer Überlastung der Primärspannungsquelle die Sekundärspannungsquelle elektrisch mit der Rotorwicklung zu verbinden.
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Somit kann sichergestellt werden, dass die Sekundärspannungsquelle bei einer Überlastung der Primärspannungsquelle mit der Rotorwicklung verbunden wird, um somit deren Durchflutung aufrechtzuerhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Primärspannungsquelle eine zur elektrisch erregten Synchronmaschine externe Spannungsquelle.
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Somit kann die elektrisch erregte Synchronmaschine auf einfache Art und Weise mit einer geeigneten Primärspannungsquelle verbunden werden, wobei diese vorteilhafterweise austauschbar ist.
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Bevorzugt ist der Erregerkreis mit einem Zwischenkreis verbunden, der zumindest dazu ausgebildet ist, einen Anschluss der elektrisch erregten Synchronmaschine an die externe Spannungsquelle zu ermöglichen.
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Somit kann eine Austauschbarkeit der die Primärspannungsquelle ausbildenden externen Spannungsquelle auf einfache Art und Weise ermöglicht werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer beispielhaften elektrisch erregten Synchronmaschine mit einem Erregerkreis, und
- 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild des Erregerkreises von 1 mit einer Rotorumpolschaltung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den Figuren werden Elemente mit gleicher oder vergleichbarer Funktion mit identischen Bezugszeichen versehen und nur einmal genauer beschrieben.
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1 zeigt eine beispielhafte elektrisch erregte Synchronmaschine 100, die bevorzugt sowohl als Motor, als auch als Generator betrieben werden kann. Die elektrisch erregte Synchronmaschine 100 hat illustrativ einen Stator 110 und einen Rotor 120. Der Stator 110 ist beispielhaft mit einer Statorwicklung 115 versehen, und der Rotor 120 weist beispielhaft eine Rotorwicklung 125 auf.
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Dem Erregerkreis 130 ist beispielhaft eine Leistungsendstufe 139 zugeordnet. Die Leistungsendstufe 139 ist illustrativ nach Art einer sogenannten B6-Brücke ausgeführt und dient zur Bestromung der Statorwicklung 115. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Leistungsendstufe 139 als solches nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist und deshalb zwecks Einfachheit und Knappheit der Beschreibung hier nicht im Detail beschrieben wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrisch erregte Synchronmaschine 100 mit einem Erregerkreis 130 zum Anlegen von einer Betriebsspannung UB an die Rotorwicklung 125 versehen. Um die Bereitstellung der Betriebsspannung UB durch den Erregerkreis 130 zu ermöglichen, wird an diesen bevorzugt eine Eingangsspannung U1 von einer Primärspannungsquelle 140 angelegt. Illustrativ wird die Eingangsspannung U1 von der Primärspannungsquelle 140 an zwei Eingänge 131, 133 des Erregerkreises 130 angelegt.
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Die Primärspannungsquelle 140 ist bevorzugt eine zur elektrisch erregten Synchronmaschine 100 externe Spannungsquelle. Um einen Anschluss der elektrisch erregten Synchronmaschine 100 an diese externe Spannungsquelle, die vorzugsweise die Primärspannungsquelle 140 realisiert, zu ermöglichen, ist bevorzugt der Erregerkreis 130 mit einem Zwischenkreis 150 verbunden.
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Der Zwischenkreis 150 dient bevorzugt zumindest dazu, den Anschluss der elektrisch erregten Synchronmaschine 100 an die externe Spannungsquelle bzw. die Primärspannungsquelle 140 zu ermöglichen, so dass die externe Spannungsquelle vorzugsweise austauschbar ist. Darüber hinaus ist der Zwischenkreis 150 bevorzugt derart ausgestaltet, dass er ein Anlegen der von der externen Spannungsquelle bzw. der Primärspannungsquelle 140 bereitgestellten Eingangsspannung U1 an den Erregerkreis 130 ermöglicht, so dass im Betrieb an dem Erregerkreis 130 die Eingangsspannung U1 von der Primärspannungsquelle 140 angelegt ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auf eine genauere Erläuterung des Zwischenkreises 150 als solches, bzw. eines geeigneten Aufbaus sowie der Funktionalität des Zwischenkreises 150, zwecks Einfachheit und Knappheit der Beschreibung verzichtet wird, da eine entsprechende Ausgestaltung des Zwischenkreises 150 dem Fachmann hinreichend bekannt ist und als solches nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Erregerkreis 130 eine Sekundärspannungsquelle 135 auf. Hierbei ist der Erregerkreis 130 vorzugsweise dazu ausgebildet, zumindest bei einer Überlastung der Primärspannungsquelle 140 eine von der Sekundärspannungsquelle 135 bereitgestellte Überbrückungsspannung U2 an die Rotorwicklung 125 anzulegen.
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Bevorzugt entspricht die Überbrückungsspannung U2 zumindest im Wesentlichen der Betriebsspannung UB. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Überbrückungsspannung U2 auch innerhalb vorgegebener Grenzen von der Betriebsspannung UB abweichen kann, da die an der Rotorwicklung 125 anliegende Betriebsspannung UB z.B. aufgrund einer zugeordneten Taktung im Vergleich zur Primärspannung U1 reduziert sein kann.
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Bevorzugt ist die Sekundärspannungsquelle 135 dazu ausgebildet, die Überbrückungsspannung U2 zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum bereitzustellen. Dieser vorgegebene Zeitraum kann beispielsweise mindestens 1s bis 20s betragen.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der vorgegebene Zeitraum anwendungsspezifisch variieren und dementsprechend auch andere obere und untere Grenzen aufweisen kann. Deshalb sind die angegebenen Zahlenwerte für den vorgegebenen Zeitraum lediglich beispielhaft und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Sekundärspannungsquelle 135 ein Elektrolytkondensator. Alternativ hierzu kann die Sekundärspannungsquelle 135 ein Akkumulator sein.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch ein beliebiger anderer aufladbarer Speicher als Sekundärspannungsquelle Anwendung finden kann. Darüber hinaus können auch Kombinationen geeigneter aufladbarer Speicher Anwendung finden. Beispielsweise können sowohl ein Elektrolytkondensator, als auch ein Akkumulator Anwendung finden, die z.B. beide parallel zur Rotorwicklung 125 geschaltet werden können, usw.
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Bevorzugt ist die Sekundärspannungsquelle 135 im Normalbetrieb der elektrisch erregten Synchronmaschine 100 über die Primärspannungsquelle 140 aufladbar. Hierbei ist die Sekundärspannungsquelle 135 relativ zur Primärspannungsquelle 140 vorzugsweise derart verschaltet, dass bei einer Inbetriebnahme der elektrisch erregten Synchronmaschine 100 sowohl eine Bestromung der Rotorwicklung 125 durch den Erregerkreis 130 erfolgt, als auch ein Aufladen der Sekundärspannungsquelle 135 durch die Primärspannungsquelle 140.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Erregerkreis 130 darüber hinaus mindestens eine Schalteinheit auf, die dazu ausgebildet ist, zumindest bei einer Überlastung der Primärspannungsquelle 140 die Primärspannungsquelle 140 elektrisch von der Rotorwicklung 125 zu trennen. Illustrativ umfasst diese Schalteinheit zwei elektrische Schalter 132, 134, die einerseits die Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung der Eingänge 131, 133 mit der Rotorwicklung 125 ermöglichen, und andererseits ein Auftrennen dieser elektrisch leitenden Verbindung für den Fall, dass eine Überlastung der Primärspannungsquelle 140 vorliegt.
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Darüber hinaus weist der Erregerkreis 130 bevorzugt mindestens eine weitere Schalteinheit auf, die dazu ausgebildet ist, zumindest bei einer Überlastung der Primärspannungsquelle 140 die Sekundärspannungsquelle 135 elektrisch leitend mit der Rotorwicklung 125 zu verbinden. Diese mindestens eine weitere Schalteinheit wird illustrativ durch einen elektrischen Schalter 138 gebildet.
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Des Weiteren weist der Erregerkreis 130 beispielhaft eine zusätzliche Schalteinheit auf, mit der sowohl die Primärspannungsquelle 140, als auch die Sekundärspannungsquelle 135 elektrisch von der Rotorwicklung 125 getrennt werden können. Diese zusätzliche Schalteinheit wird illustrativ von einem weiteren elektrischen Schalter 136 gebildet.
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Die Schalteinheiten bzw. elektrischen Schalter 132, 134, 136, 138 ermöglichen bevorzugt unterschiedliche Anwendungs- bzw. Schaltszenarien, wie nachfolgend beispielhaft beschrieben. In einem ersten Anwendungsszenario können beispielsweise nur die elektrischen Schalter 132, 134, 138 in „Ein“-Stellung sein, während der elektrische Schalter 136 in „Aus“-Stellung ist. Hierdurch wird ein Aufladen der Sekundärspannungsquelle 135 durch die Primärspannungsquelle 140 ermöglicht, ohne dass die elektrisch erregte Synchronmaschine 100 in Betrieb genommen, bzw. die Rotorwicklung 125 bestromt wird. Wird nun der elektrische Schalter 136 in einem zweiten Anwendungsszenario ebenfalls in die „Ein“-Stellung verbracht, wird zeitgleich die Sekundärspannungsquelle 135 durch die Primärspannungsquelle 140 aufgeladen und die Rotorwicklung 125 wird bestromt. Wird nun in einem dritten Anwendungsszenario der elektrische Schalter 138 in die „Aus“-Stellung verbracht, so wird lediglich die Rotorwicklung 125 von der Primärspannungsquelle 140 bestromt. Werden nun in einem vierten Anwendungsszenario die elektrischen Schalter 136, 138 in die „Ein“-Stellung verbracht, während die elektrischen Schalter 132, 134 in die „Aus“-Stellung verbracht werden, so wird die Rotorwicklung 125 lediglich von der Sekundärspannungsquelle 135 bestromt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen, vier beispielhaften Anwendungs- bzw. Schaltszenarien sich lediglich auf einen Motorbetrieb der elektrisch erregten Synchronmaschine beziehen. Geeignete Anwendungs- bzw. Schaltszenarien für den Generatorbetrieb ergeben sich dem Fachmann darüber hinaus unmittelbar aus seinem Fachwissen, so dass hier zwecks Knappheit und Einfachheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung derartiger Anwendungs- und Schaltszenarien im Generatorbetrieb verzichtet werden kann.
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2 zeigt den Erregerkreis 130 der elektrisch erregten Synchronmaschine 100 von 1 gemäß einer exemplarischen Ausführungsvariante. Der Erregerkreis 130 weist gemäß dieser exemplarischen Ausführungsvariante im Gegensatz zur Ausgestaltung von 1 lediglich den elektrischen Schalter 132 zum Zu- oder Abschalten der Primärspannungsquelle 140 von 1, sowie den elektrischen Schalter 138 zum Zu- oder Abschalten der Sekundärspannungsquelle 135 auf.
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Im Gegensatz zu 1 ist der Erregerkreis 130 in der in 2 dargestellten Variante mit einer Rotorumpolschaltung 210 versehen. Diese weist beispielhaft vier elektrische Schalter 202, 204, 206, 208 auf.
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Mit dieser Rotorumpolschaltung 210 kann die Polung der Rotorwicklung 125 nach Bedarf eingestellt werden, wobei z.B. ein Verbringen der elektrischen Schalter 202, 208 in die „Ein“-, sowie der elektrischen Schalter 204, 206 in die „Aus“-Stellung eine erste Rotorpolung festlegen und ein Verbringen der elektrischen Schalter 202, 208 in die „Aus“-, sowie ein Verbringen der elektrischen Schalter 204, 206 in die „Ein“-Stellung eine umgekehrte Rotorpolung bewirken, d.h. die Rotorpole des Rotors 120 von 1 werden vertauscht.