DE1638584C - Polumschaltbare elektrische Synchronmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung helrifl'l eine polumsehallhure elektrische Synchronmaschine, die hei zwei verschiedenen Frequenzen mit gleicher Leistung und gleicher Drehzahl betrieben werden kann.

Eine derartige Umschaltung wird /.. B. erforderlich, wenn die Frequenz einer bestehenden Netzanlage umgestellt werden soll, z. B. von 60 auf 50 Hz. Hs ist üblich, die Umstellung von einer höheren auf eine niedrigere Frequenz durch Verringerung der Drehzahl der Antriebsmaschine des Synchrongenerators im Frequenzverhältnis vorzunehmen. Dabei geht jedoch die Leistung der Synchronmaschine und der Antriebsmaschine im gleichen Verhältnis zurück. Es ist aber gerade erwünscht, daß bei einer derartiger. Frequenzumstellung kein Leistungsveriust der vorhandenen Synchronmaschinen zur Versorgung des Netzes auftritt. Außerdem soll eine derartige Frequenzumschaltung leicht durchzuführen sein und ohne großen Abwand am Aufstellungsort der Maschine vorgenommen werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer polumschaltbaren elektrischen Synchronmaschine mit einem Läufer mit ausgeprägten Erregerpolen und einer an den Klemmen umschaltbaren Ständerwicklung mit je drei Spulengruppen von 60° el über eine Polteilung ζ r Anpassung an zwei unterschiedliche Netzfrequenzen, insbesondere für 50 und 60 Hz, die so ausgebildet ist, daß der Umfang des Läufers Platz für die der größeren Umschaltpolzahl entsprechenden trregerpolc besitzt, deren Abmessungen nach dem notwendiger Erregerstrom und dem magnetischen Fluß für die kleinere Umschaltpolzahl festgelegt sind, und daß d·? Läuferkörper die jeweils für die Lage der Erregerpole bei den beiden Umschaltpolzahlen erforderlichen, in axialer Riehtung nebeneinander angeordneten Befestigungslöcher aufweist. Gemäß der Erfindung ist bei einer derartigen Synchronmaschine die Ständerwicklung für eine Ersatzpolzahl ausgelegt, die auch ungeradzahlig sein kann und für beide Urnschal»polzahlen die Bedingung erfüllt, daß der Zähler A des teilerfremden Bruches

A B

45

durch 3 teilbar ist, wobei P die Ersatzpolzahl und 2 ρ die jeweilige Umschalipolzahl ist. Eine derartig aufgebaute Synchronmaschine hat den Vorteil, daß sie bei jeder Umschaltpolzahl mit fast der gleichen Drehzahl betrieben wird und auch angenähert die gleiche Leistung abgibt, da sowohl der Läufer als auch die Ständerwicklung auf einfache Weise der jeweiligen Umschaltpolzahl angepaßt werden. Dadurch kann die Antriebsmaschine bei beiden Frequenzen des Netzes in ihrem wirtschaftlichsten Bereich betrieben werden.

Die Anpassung der Ständerwicklung geschieht fo durch eine einfache Änderung der Schaltung an den Klemmen der Spulengruppen, die für beide Umschaltpolzahlen unverändert bleiben. Die Auslegung über eine Ersatzpolzahl, die möglichst in der Mitte zwischen den beiden Umschaltpolzahlen liegen soll, f>5 ermöglicht eine normale Wicklung, deren Nutenzahl und Schrittweite für beide Poizahlen geeignet ist; durch die Umschaltung der Aufeinanderfolge von WickluniiSteilen wird lediglich eine Änderung des Wicklungsfaktors hervorgerufen, die jedoch keine große Änderung in der Leistungsabgabe zur Folge hat. Die Umstellung des Läufers erfolgt durch ein Hinzufügen oder ein Entfernen von Erregerpolen. wobei die jeweils erforderlichen Befestigungslocher schon am Läuferkörper angeordnet sind. Die gemäß der Erfindung ausgebildete Synchronmaschine wird also mit einer der höheren Umsehalrpolzahl entsprechenden Anzahl von Erregerpolen geliefert, so daß die Ausrüstung des Läufers mit der gewünschten Anzahl an Erregerpolen jeweils am Aufstellungsort in einfachster Weise, ohne daß dazu besondere Spezialisten notwendig sind, vorgenommen werden i*ann.

Die Verwendung der gleichen Erregerpole für beide Umschahpolzahlen hedingt zwar eine entsprechende Uherdimensionierung bei der höheren Umschalipolzahl, jedoch fällt dieser Nachteil gegenüber dem Vorteil, daß die Maschine bei beiden Frequenzen die gleiche Leistung abgeben kann, nicht ins Gewicht. Außerdem ergibt die in axialer Richtung nebeneinanderliegende Anordnung der für die unterschiedlichen Umschaltpolzahlen jeweils erforderlichen Befestigungslöcher der Erregerpole am Läuferkörper den ^vorteil, daß -cwei Befestigungslöcher niemals so eng zusammenliegen können, daß sie ein Langloch bilden, was eine besondere Ausrichtung der Läuferkörper erforderlich machen würde.

Handelt es sich bei den ausgeprägten Erregerpolen der gemäß der Erfindung ausgebildeten Synchronmaschine um Rundpole, die mit einer in der Mitte liegenden Polschraube am Läuferkörper befestigt werden, so wird bei der Umschaltung infolge der in axialer Richtung nebeneinanderliegenden Befestigungslöcher die magnetische Mitte des Läufers verschoben. In diesem Fall empfiehlt es sich, daß der Ständer gegenüber dem Läuft in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet ist. Durch die entsprechende axiale Verschiebung des Ständers erreicht man wieder eine nbereinstimmung der magnetischen Mitte von Ständer und Läufer. Das Ständergehäuse und die Ständerfüße sind konstruktiv so auszubilden, daß die axiale Verschiebung einfach durchzuführen ist.

Weist die Maschine dagegen Langpole als ausgeprägte Erregerpole auf. so ist es vorteilhaft, daß die Polkörper unsymmetrisch zur Polmitte liegenden Gewindelöcher für die Polschrauben aufweisen. Liegen die Befestigungslöcher für die beiden Umschaltp'.)!- zahlen um einen der Unsymmetrie entsprechenden Betrag axial nebeneinander, so kann man in einfacher Weise bei der Umschaltung von einer Umschaltpolzahl auf die andere jeweils die Langpole um ISO drehen, so daß die magnetische Mitte nicht durch die Umschaltung verändert wird. Eine Ständerverschiebung erübrigt sich dann.

Im folgenden sei die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Ein durch einen Dieselmotor angetriebener Syn chrongenerator soll von 60 auf 50 Hz Frequenz um stellbar sein und die Umschaltpolzahlen 2 p, = 3'. und Zp₂ — -18 aufweisen. Die Ständerwicklung wire gemäß der Erfindung so ausgelegt, daß die Nenn spannung nach der Frequenzumstellung erhaltei bleibt, wobei die Drehzahl etwa gleich is («1 = 187,5 U/min; ;i₂ = 189.5 U/min).

Zur Auslegung der Ständerwicklung wird zunächs die Ersatzpolzahl P genau in der Mitte zwischen de

I 638

Ihnschiiltpolzahlen gewählt, da P = 35 die Bedingung, daß der Zähler des teilerfremden Bruches

A 6 P ß " 2p

für beide Umschalipolzuhlcn durch 3 teilbar sein muH, erfüllt. Für /^J = 35 ergibt sich

.-I 6x35
H ⁼ 32

6x35 105

16

^bZW

105
19

Da die StänderwickJung über einer Ersatzpolteilung (elektr. 180") drei Spulengruppen von je M) el aufweisen soll, ergibt sich die Anzahl der Spulengruppen zu 3P= 105. 1st der Zähler A ein Vielfaches von 3 P, so kann man eine entsprechende Anzahl von Parallelschaltungen oder eine Bruchlochwicklung wählen. Im vorliegenden Fall ist A = 3 P, to daß eine Ganzlochwicklung gewählt werden muß. Die Anzahl der Spulen pro Spulengruppe wird nach den üblichen Gesichtspunkten für die Dimensionierung gewählt.

Die Spannungen der 105 Spulengruppen werden bei beiden Umschaltpolzahlen irr. Vektordiagramm dargestellt (s. F i g. 1 für die Umschaltpolzahl 2 p₂ = 38 und F i g. 2 für die Umschaltpolzahl 2 ρ, = 32). Die Richtung der Spulengruppenspannungen •wird bei gleicher Schaltung aller Spulengruppen --- Eingang/Ausgang — angegeben. Zwei im Ständer der Maschine räumlich aufeinanderfolgende Spulengruppen schließen den Winkel β ein, der als Zonenbreite bezeichnet wird.

Ii = 60 · ²^ .

Dies gibt für beide Umschaltpolzahlen

/<, = 54"/₇ el; th = 65'A° el.

aufgebaut Es bilden sich 18 Spulengruppenketten, darunter drei anormale, die verschiedenen Phasen angehören. Jede Phase wird aus sechs Spulengruppenketten gebildet. Davon lassen sich jeweils drei Spulengruppenketten so zusammenfassen, daß sie auch nach der Umschaltung erhalten bleiben. Die Zusammenfassungen bestehen jeweils aus 17 bzw. 18 Spulengruppen. Ihre Ausgänge werden über Klemmen herausgeführt, so daß die Umschaltung ohne

ίο Eingriff in die Wicklung über 12 Klemmen erfolgen kann. Die zusammengefaßten Spulengruppenketten sind in F i g. 5 dargestellt und die Schaltung der mittleren Klemmen für die eine Polzahl punktiert und für die andere ausgezogen gezeichnet.

Die Erregerpole 1 der Maschine sind als Langpole ausgebildet. Sie werden jeweils über zwei Befestigungslöcher 2, 3 am Läuferkörper 4 mit Hilfe von Polschrauben angebracht. F i g. 6 zeigt im Schema eine Abwicklang des Läuferkörpers 4 mit den in axialer Richtung nebeneinanderliegend. n Befestigungslöchem 2, 3 bzw. 2', 3' für die jeweilige Umschaltpolzahl. Im Erregerpol sind die Befestigungslöcher dem Abstand zwischen beiden Reihen entsprechend unsymmetrisch zur Polmitte angeordnet. Wird nun der Langpol bei der Umschaltung von der einen Befestigungslöcherreihe auf die andere gesetzt, so wird er um 18ö° gedreht, und die Polmitte behält ihre ursprüngliche Lage.

Da der Polzwickel bei jeder Umschaltpolzahl der Synchronmaschine unterschiedliche Größe hat, sind die Verbindungen der Erregerwicklung von Pol zu Pol, die Verbindungen der Dämpferringsegmente sowie die Ausleitungen der Anschlußpole zweckentsprechend auszuführen.

35

Claims (4)

Patentansprüche: 40 Die Numerierung der Spulengruppen erfolgt in der Reihenfolge ihrer räumlichen Lage. Die Ordnungszahl erhält ein negatives Vorzeichen, wenn Eingang und Ausgang der Spulengruppe vertauscht werden und sich ihre Spannung damit um 180° dreht. Der Winkel zwischen zwei im Vektordiagramm aufeinanderfolgenden Gruppen beträgt 360 3 , a = -T =3/7 el. Die im Vektordiagramm dargestellten 105 Spannungspfeile werden nun auf die drei Phasen symmetrisch verteilt. Ausgangspunkt für diese Aufteilung ist, daß die Spulengruppe 1 der Phase U, die gegen die Spulengruppe 1 um 120° el verschobene Spulengruppe der Phase V, die gegen die Spulengruppe 1 um 240° el verschobene Spulengruppe der Phase W zugeordnet wird. Dies ergibt als Anfangsspulen der einzelnen Phase für

1. ΙΌ1 umschaltbare elektrische Synchronmaschine mit einem Läufer mit ausgeprägten Erregerpolen und einer an den Klemmen umschaltbaren Ständerwicklung mit je drei Spulengruppen von 60 el über eine Polteilung zur Anpassung an zwei unterschiedliche Netzfrequenzen, insbesondere für 50 und 60 Hz, bei welcher der Umfang des Läufers Platz für die der größeren Umschaltpolzahl entsprechenden Erregerpole besitzt, deren Abmessungen nach dem notwendigen Erregerstrom und dem magnetischen Fluß für die kleinere Umschaltpoizahl festgelegt sind, und der Läuferkörper, die jeweils für die Lage der Errogerpole bei den beiden Umschaltpolzahlen erforderlichen, in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Befestigungslöcher aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung für eine Ersatzpolzahl ausgelegt ist, die auch ungeradz-.hlig sein kann und für beide Umschaltpo'/ahlen die Bedingung erfüllt, daß der Zähler A des teilerfremden Bruches

CP

2p

H7+71

2 p, = 32 t// + i F/+36
2fc=*38l//+l K/ + 36

Auf ihnen werden die Phasen, wie aus F i g. 3 für 2 p, = 38 und Fi g. 4 für 2 p, = 32 erkennbar, durch 3 teilbar ist, wobei P die Ersatzpolzahl und 2 ρ die jeweilige Umschaltpolzahl ist.

2. Polumschaltbar elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer gegenüber dem Läufer in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet ist.

3. Polumschaltbare elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die als Langpole ausgebildeten Eirregerpole(l) unsymmetrisch zur Polmitte liegende Gewindelöcher für die Polschrauben aufweisen.

4. Polumschaltbare elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die r.rregerpole (1) bei der Umschaltung von einer Umschaltpolzahl auf die andere jeweils um 180 gedreht sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen