DE19612741A1 - Dynamomotor mit veränderbarer Drehzahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dynamomotor mit ver­ änderbarer Drehzahl, insbesondere zur Verwendung als ein Motorgenerator in einem elektrischen Leistungssystem. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Dynamo­ motor mit veränderbarer Drehzahl einschließlich eines Stators, der einen ersten Satz von Wicklungen aufweist und eine Anzahl von Polen vorsieht zum Drehen eines Ro­ tors und wobei ferner ein zweiter Satz von Wicklungen vorgesehen ist, der eine Anzahl von Polen vorsieht, und zwar unterschiedlich von der Anzahl der Pole vorgesehen durch den ersten Satz der Wicklungen, um so Radialkräfte zu erzeugen, die auf den Rotor einwirken, um die Steuer­ ung der Radialposition des Rotors zu bewirken, um Schwin­ gungen des Rotors zu unterdrücken und um den Drechaus­ gleich des Rotors einzustellen oder aber um die Radial­ dämpfung des Rotors zu steuern.

Dynamotoren mit veränderbarer Drehzahl oder Geschwindig­ keit bzw. Motorgeneratoren zur Verwendung in elektrischen Leistungssystemen besitzen einen Rotor, der mit einer veränderbaren Drehzahl gedreht werden kann. Der Dynamo­ motor mit variabler Drehzahl wurde bereits eingesetzt und kann die Stabilität eines elektrischen Leistungssystems, in dem er verwendet wird, erhöhen, und zwar durch die Trägheitsenergie des Rotors durch Veränderung der Dreh­ zahl des Rotors. Verschiedene Druckschriften beziehen sich auf einen Dynamomotor mit variabler Drehzahl. Die folgenden seien erwähnt: (1) "395MVA variable-speed system for pumped power generation" von Keÿi Saito, IEEJ (Institute of Electrical Engineers of Japan) Transaction D. Vol. 113 Nr. 2, Seite 267, 1993, und (2) "Variable­ speed pumped generation system" von Shaku Fujimoto, Power electronics Research Society Journal, Vol 16, Seiten 16-26.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt den allgemeinen Aufbau ei­ nes bekannten Dynamomotors mit variabler Drehzahl. Der in Fig. 1 gezeigte Dynamomotor mit variabler Drehzahl be­ sitzt einen Stator 11 und einen Rotor 12, die den glei­ chen Aufbau der Struktur besitzen, wie eine Induktionsma­ schine mit gewickeltem Rotor. Speziell besitzt der Stator 11 Drei-Phasenwicklungen, die mit dem Leistungssysteman­ schlüssen verbunden sind und der Rotor 12 besitzt Drei- Phasenwicklungen oder -windungen, die über Schleifringe mit einem Halbleiterleistungsumwandler 15 verbunden sind. Der Halbleiterleistungsumwandler 15 liefert Ströme mit variabler Frequenz an den Rotor abhängig von der Drehzahl des Rotors 12, der Frequenz der Busanschlüsse des Leistungs­ systems, und so weiter. Der Halbleiterleistungskon­ verter oder -umwandler 15 ist mit den Leistungssysteman­ schlüssen verbunden, um elektrische Energie mit den Leis­ tungssystemanschlüssen auszutauschen.

Die Drehzahl des Dynamotors mit veränderbarer Drehzahl gemäß Fig. 1 ist in einem sehr kleinen Bereich von unge­ fähr 10% variabel. Der Bereich variabler Drehzahl kann nicht leicht erweitert werden, und zwar wegen der be­ grenzten mechanischen Festigkeit des Rotors 12 und auch wegen der mechanischen Resonanz des Rotors 12.

Die mechanische Resonanz des Rotors 12 kann dadurch be­ seitigt werden, daß man den mechanischen Aufbau des Ro­ tors 12 verbessert. Es ist jedoch eine einfache Möglich­ keit, die Dämpfungsfähigkeit und Steifheit des Rotors 12 mit Magnetlagern aktiv zu verändern.

Magnetlager sind im einzelnen in einem Dokument (3) "Magnetic bearing and its related technology I. Controlled magnetic bearing and its applications" be­ schrieben, und zwar von Fumio Matsumura, IEE (Institute of Electrical Engineers of Japan) Transaction D. Vol. 114, Seiten 1200-1207, 1994. Diese Literaturstelle ist als Beispiel genannt.

Wenn Magnetlager in einem Dynamomotor mit variabler Dreh­ zahl eingebaut werden, dann wird die axiale Länge des Ro­ tors vergrößert, was das mechanische System des Dynamomo­ tor mit variabler Drehzahl kompliziert macht und die kri­ tische Drehzahl des Dynamomotors mit veränderbarer Dreh­ zahl absenkt. Durch die Verwendung der Magnetlager wird daher die Steuerbarkeit des Dynamomotors reduziert. Es ist erwünscht, Radialkräfte auf dem Motor zu erzeugen, und zwar ergänzend zu oder aber aktiv, ohne dabei das me­ chanische System zu modifizieren, beispielsweise die Län­ ge des Rotors des Dynamomotors mit veränderbarer Dreh­ zahl.

Fig. 2 zeigt ein Drehmaschinensystem ultrahoher Drehzahl, wobei folgendes vorgesehen ist eine elektromagnetische Drehmaschine mit Wicklungen zur Steuerung der Radialposi­ tion des Rotors. Dieses System wurde von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen. Die elektroma­ gnetische Drehmaschine gemäß Fig. 2 ist in unterschied­ lichen Dokumenten beschrieben, zu denen auch die folgen­ den gehören (4) "Principles of radial force generation of bearingless motors with a cylindrical rotor operating under no loads", von Akira Chiba, Kouichi Ikeda, Fukuzo Nakamura, Tazumi Deido, Tadashi Fukao, und M. Al. Rahman, Electric Society Journal D. Vol. 113, Nr. 4, Seiten 539-547, 1993 und (5) japanische Patentoffenlegungsschrift 2-193547. Wie in Fig. 2 gezeigt, besitzt die elektromagne­ tische Drehmaschine zwei Einheiten 16, die jeweils mit einem Drei-Phaseninverter oder -umrichter 17 verbunden sind, und zwar zur Steuerung der an die Wicklungen ge­ lieferten Ströme zum Steuern der Radialposition der Ro­ toren, und es ist ferner ein Drei-Phaseninverter oder -umrichter 18 vorgesehen, und zwar für die Erzeugung ei­ nes Motordrehmoments. Jede dieser Einheiten 16 besitzt vier Polwicklungen zur Erzeugung eines Motordrehmoments, und zwar Polwicklungen zur Erzeugung von Radialkräften am Rotor. Da jede der Einheiten 16 in der Lage ist, ein Mo­ tordrehmoment und Radialkräfte zu erzeugen, besitzt die elektromagnetische Drehmaschine eine kürzere Welle als die allgemeinen Motoren mit ultrahoher Drehzahl mit Ma­ gnetlagern und die elektromagnetische Drehmaschine kann eine höhere Ausgangsleistung erzeugen, wenn ihre Wellen­ länge die gleiche ist wie die der Motoren zur ultrahohen Drehzahl mit Magnetlagern.

Die durch die Erfinder der vorliegenden Anmeldung vor­ geschlagene elektromagnetische Drehmaschine hat die fol­ genden Merkmale:

• (1) Die elektromagnetische Drehmaschine fordert, wenn sie Drei-Phasenwicklungen besitzt, nur sechs Drahtkabel und zwei Drei-Phaseninverter (Wechselrichter) zur Erzeugung der Radialkräfte längs zweier orthogonaler Achsen und ei­ nes Motordrehmoments.
• (2) Da die Wicklungen zur Erzeugung der Radialkräfte und die Wicklungen zur Erzeugung des Motordrehmoments geson­ dert oder getrennt voneinander sind, kann der Inverter oder Leistungsverstärker für die Steuerung der Radial­ kräfte ein relativ kleines Leistungserfordernis zeigen.
• (3) Da die elektromagnetische Drehmaschine die Vier-Pol­ wicklungen und die Zwei-Polwicklungen verwendet, wenn die Rotoren mittig innerhalb der Statoren positioniert sind, gibt es keine gegenseitige Kopplung und es wird keine in­ duzierte Spannung in den Wicklungen zur Steuerung der Ra­ dialkräfte entwickelt.
• (4) Die elektromagnetische Drehmaschine kann in zahlrei­ chen unterschiedlichen Drehmaschinen mit hoher Ausgangs­ leistung verwendet werden, die eine Sinuswellenverteilung der elektromagnetischen Kräfte und eine Sinuswellenver­ teilung der magnetischen Flüsse annehmen, einschließlich einer Induktionsmaschine, einer Permanent-Magnet-Syn­ chronmaschine, einer Synchronmotors usw.

Fig. 3 zeigt die Prinzipien der Erzeugung von Kräften, die radial auf einen Rotor in einer elektromagnetischen Drehmaschine wirken. Wie in Fig. 3 gezeigt, besitzt ein Stator vier Polwicklungen N₄ zur Erzeugung von Vier-Pol­ magnetflüssen Ψ₄ und zwei Polwindungen oder Wicklungen N₂ zur Erzeugung von zwei Polmagnetflüssen Ψ₂. Die Vier- Polwicklungen N₄ des Stators dienen der Erzeugung eines Motordrehmoments am Rotor. Wenn der Rotor mittig im Sta­ tor positioniert ist, erzeugen die Vier-Polwicklungen N₄ symmetrische Vier-Polmagnetflüsse Ψ₄ wenn ein Strom durch die Vier-Polwicklungen N₄ in einer positiven Rich­ tung fließt.

Wenn ein Zwei-Phasenwechselstrom an die Vier-Polwicklun­ gen N₄ und die Vier-Polwicklungen senkrecht dazu gelie­ fert wird, so wird ein umlaufendes Vier-Polmagnetfeld er­ zeugt. Der Stator kann alternativ Drei-Phasenwicklungen besitzen. Wenn der Rotor eine Wicklung der Käfigbauart besitzt, dann erzeugt er ein Drehmoment infolge des um­ laufenden Magnetfelders wobei die Anordnung als eine üb­ liche Induktionsmaschine der Käfigbauart arbeitet. Wenn der Rotor Vierpolpermanentmagnete besitzt, dann erzeugt er ein Drehmoment infolge des umlaufenden Magnetfeldes, wobei die Anordnung als ein üblicher Permanentmagnetmotor arbeitet.

Die Zwei-Polwicklungen N₂ des Stators dienen zur Erzeu­ gung von radial am Rotor wirkenden Kräften. Wenn ein Strom durch die Zwei-Polwicklungen N₂ in einer positiven Richtung fließt, so erzeugen sie Zwei-Polmagnetflüsse Ψ₂ wie in Fig. 3 gezeigt. Über einen Spalt unterhalb des Ro­ tors gemäß Fig. 3 fließen die Vier-Polmagnetflüsse Ψ₄ und die Zwei-Polmagnetflüsse Ψ₂ in entgegengesetzten Richtungen. Daher ist die Flußdichte relativ hoch am Spalt unterhalb des Rotors. Am Spalt oberhalb des Rotors, wie in Fig. 3 gezeigt, fließen die Vier-Polmagnetflüsse Ψ₄ und die Zwei-Polmagnetflüsse Ψ₂ in der gleichen Rich­ tung. Infolgedessen ist die Flußdichte am Spalt oberhalb des Rotors relativ hoch.

Wenn die Magnetflüsse, wie gezeigt, aus dem Gleichgewicht gebracht werden, so wird der Rotor Radialkräften F ausge­ setzt, die in Fig. 3 direkt nach oben wirken. Die Größe der Radialkräfte F kann durch Steuern der Größe des Stroms eingestellt werden, der durch die Zweipolwicklun­ gen N₂ fließt. Um die Richtungen der Radialkräfte F um­ zukehren, kann die Richtung des durch die Zwei-Polwick­ lungen N₂ fließenden Stroms umgekehrt werden.

Um Radialkräfte horizontal über den Rotor in Fig. 2 zu erzeugen, können die Zwei-Polwicklungen am Stator vor­ gesehen sein, die senkrecht gerichtet sind zu den Zwei- Polwicklungen N₂ und ein Strom, der durch die Zwei-Pol­ wicklungen fließt, kann zu einer größeren Richtung einge­ stellt werden. Durch eine derartige Einstellung der Größe und Richtung der Ströme, die durch diese Zwei-Polwicklun­ gen fließen, ist es möglich, Radialkräfte der erwünschten Größen und Richtungen zu erzeugen.

In Fig. 3 werden die Vier-Polwicklungen N₄ verwendet, um den Rotor zu drehen und die Zwei-Polwicklungen N₂ werden dazu verwendet, um die Radialposition des Rotors zu steu­ ern. Es ist jedoch möglich, die Vier-Polwicklungen N₄ zur Steuerung der Radialposition des Rotors und die Zwei-Pol­ wicklungen N₂ zur Drehung des Motors zu verwenden.

Soweit es den Erfindern bekannt ist, gibt es keinen Be­ richt über ein System zur Anwendung einer solchen elek­ tromagnetischen Drehmaschine auf einen Dynamomotor mit variabler Drehzahl hoher Leistung.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Dyna­ momotor mit veränderbarer Drehzahl vorzusehen, der ver­ schiedene, herkömmliche Probleme nicht aufweist, ein­ schließlich solchen der mechanischen Resonanz und der über einen großen Bereich von Drehzahlen hinweg arbeiten kann.

Erfindungsgemäß ist ein Dynamomotor mit variabler Dreh­ zahl vorgesehen, der folgendes aufweist: einen Rotor, einen Stator mit einem ersten Satz von Wicklungen, die eine Anzahl von Polen vorsehen zum Drehen des Rotors und mit einem zweiten Satz von Wicklungen, die eine Anzahl von Polen unterschiedlich von der Anzahl der Pole, vor­ gesehen durch den ersten Satz von Wicklungen, vorsehen und Steuermittel zum Steuern der Spannungen oder Ströme geliefert an den zweiten Satz von Wicklungen zur Erzeu­ gung von Radialkräften, die auf den Rotor einwirken, um dadurch die Radialposition des Rotors zu steuern, Schwin­ gungen des Rotors zu unterdrücken, das Drehgleichgewicht des Rotors einzustellen und die Radialdämpfung des Rotors zu steuern.

Der erste Satz von Wicklungen kann Zwei-Polwicklungen aufweisen und der zweite Satz von Wicklungen kann Vier- Polwicklungen aufweisen. Alternativ kann der erste Satz von Wicklungen Vier-Polwicklungen umfassen und der zweite Satz von Wicklungen kann Zwei-Polwicklungen umfassen.

Der Dynamomotor mit variabler Drehzahl kann ferner einen Sensor aufweisen zum Detektieren der Radialposition des Rotors, wobei die Steuermittel eine Steuervorrichtung aufweisen ansprechend auf ein Ausgangssignal vom Sensor, um einen Strombefehl zu erzeugen, um Radialkräfte zu er­ zeugen, und ferner sind Mittel vorgesehen, welche auf den Strombefehl ansprechen, und zwar von der Steuervorrich­ tung und zum Liefern von Strömen entsprechend dem Strom­ befehl an den zweiten Satz von Wicklungen.

Alternativ kann der Dynamomotor mit variabler Drehzahl ferner einen Rotorpositionsdetektor aufweisen, um Span­ nungen und Ströme des zweiten Satzes von Wicklungen zu detektieren und um die Radialposition des Rotors aus den detektierten Spannungen und Strömen abzuschätzen, wobei Steuermittel eine Steuervorrichtung aufweisen, die auf ein Ausgangssignal anspricht, und zwar von dem Rotorposi­ tionsdetektor, um einen Strombefehl zu erzeugen zur Er­ zeugung von Radialkräften, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, die auf den Strombefehl ansprechen, und zwar von der Steuervorrichtung um Ströme zu liefern entsprechend dem Strombefehl an den zweiten Satz von Wicklungen.

Der Strombefehl kann durch einen Spannungsbefehl ersetzt werden. In diesem Falle kann der Strombefehl durch die Spannungsversorgung ersetzt werden. Es ist auch möglich, daß Spannung und Strom miteinander mit einer gewissen Be­ ziehung kombiniert werden. Es können variable Impedanz­ schaltungen mit passiven oder aktiven Komponenten mit den Anschlüssen des zweiten Satzes von Wicklungen verbunden werden.

Der erfindungsgemäße Dynamomotor mit variabler Drehzahl macht es nicht erforderlich, daß die Maschine strukturell modifiziert wird, sondern benötigt nur einen zusätzlichen Satz von Wicklungen, die eine unterschiedliche Anzahl von Polen vorsehen, und zwar unterschiedlich gegenüber der Anzahl von Polen vorgesehen für den existierenden Satz von Wicklungen zum Drehen des Rotors, um so auf den Rotor wirkende Radialkräfte zu erzeugen. Die Radialkräfte wer­ den gesteuert, um die Radialposition des Rotors zu steu­ ern, um die Schwingungen des Rotors zu unterdrücken und um das Trägheitsgewicht des Rotors einzustellen, wie auch um die Radialdämpfung des Rotors zu dämpfen. Der Rotor ist frei von Resonanz und es ist gestattet, daß der Dy­ namomotor mit variabler Drehzahl stabil in einem breiten oder weiten Bereich von Drehzahlen arbeitet, und zwar von einer ultrahohen Drehzahl bis zu einer niedrigen Dreh­ zahl, wobei dieser Bereich wesentlich breiter ist als der Drehzahlbereich von konventionellen Dynamomotoren mit variabler Drehzahl.

Da der Rotor des Dynamomotors mit variabler Drehzahl eine Wicklungsstruktur besitzt, die die gleiche ist, wie die einer Wickel-Rotor-Induktionsmaschine, wird irgendein Drehverlust des Dynamomotors mit variabler Drehzahl nicht durch Ströme vergrößert, die durch den zusätzlichen zwei­ ten Satz von Wicklungen fließen. Da ferner die Transfer- oder Übertragungsfunktion bezüglich der Radialkräfte und der durch den zusätzlichen zweiten Satz von Wicklungen fließenden Ströme eine Phasenverzögerung erleiden, wird jedweder Leistungsverlust des Dynamomotors mit variabler Drehzahl vermindert und der Dynamomotor mit veränderbarer Drehzahl zeigt verbesserte Eigenschaften.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht teilweise in Blockdar­ stellung eines konventionellen Dynamomotors mit variabler Drehzahl;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Drehmaschinen­ systems für ultrahohe Drehzahl, wobei eine kon­ ventionelle elektromagnetische Drehmaschine darge­ stellt ist, mit Wicklungen zur Steuerung der Ra­ dialposition der Rotoren;

Fig. 3 ein Diagramm der Prinzipien der Erzeugung von Ra­ dialkräften in einer elektromagnetischen Drehma­ schine;

Fig. 4 eine schematische Ansicht teilweise in Blockform eines Dynamomotors mit variabler Drehzahl zur Ver­ wendung in einem Kraftwerk gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung teilweise in Block­ schaltbildform, und zwar in einer Anordnung, die in der Lage ist , das Gleichgewicht eines Rotors einzustellen;

Fig. 6 eine schematische Ansicht teilweise in Blockdar­ stellung einer Anordnung, die in der Lage ist, den Rotor in Radialrichtung zu dämpfen;

Fig. 7 eine schematische Ansicht teilweise in Blockdar­ stellung einer Anordnung zum Abschätzen der Ra­ dialversetzung oder Radialverschiebung des Rotors;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Induktivität der Wicklungen zur Steuerung der Radialposition eines Stators und des Spalts zwi­ schen dem Stator und dem Rotor;

Fig. 9 eine schematische Darstellung teilweise im Block­ schaltbild eines Dynamotors mit variabler Ge­ schwindigkeit zum Pumpen und zur Verwendung in einem hydroelektrischen Kraftwerk gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 10 eine schematische Ansicht teilweise als Block­ schaltbild eines horizontalen Dynamomotors zur Verwendung in einen Kraftwerk der thermischen nuklearen oder Cogenerationsbauart gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Es seien nunmehr die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Fig. 4 zeigt einen Dynamomotor mit variabler Drehzahl zur Verwendung in einem Kraftwerk gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung. Der Motor weist einen Stator 11 auf mit einem Satz von Hauptwicklungen 13 zur Lieferung von erzeugter elektrischer Energie oder um mit Energie belie­ fert zu werden zur Erregung eines Motors, wobei die Hauptwicklungen 13 mit den Leistungssystemanschlüssen (nicht gezeigt) verbunden sind. Die Hauptwicklungen 13 werden im folgenden als "Generatorwicklungen" bezeichnet. Der Dynamomotor mit variabler Drehzahl weist auch einen Rotor 12 auf, dessen Wicklungen mit einem Halbleiterleis­ tungsumwandler 15a verbunden sind, der mit den Anschlüs­ sen des Leistungssystems verbunden ist.

Der Stator 11 besitzt noch einen weiteren Satz von Steuerwicklungen 20 zur Steuerung der Radialposition des Rotors 12. Die Steuerwicklungen 20 sehen eine Anzahl von Polen vor, und zwar unterschiedlich von der Anzahl der Pole vorgesehen durch die Generatorwicklungen 13. Wenn Ströme an die Steuerwicklungen 20 geliefert werden, so erzeugt der Stator 11 Radialkräfte, die auf den Rotor 12 einwirken, um so die Radialposition des Rotors 12 inner­ halb des Stators 11 zu steuern, die Transferfunktion oder Übertragungsfunktion eines Systems zur Dämpfung des Ro­ tors 12 einzustellen und den Rotor 12 aus einem Ungleich­ gewichtszustand zu korrigieren.

Wenn die Generatorwicklungen 13 vier Pole vorsehen, dann sehen die Steuerwicklungen 20 zwei Pole vor. Wenn umge­ kehrt die Generatorwicklungen 13 zwei Pole vorsehen, dann sehen die Steuerwicklungen 20 vier Pole vor. Die Kombina­ tion der Pole vorgesehen durch die Generatorwicklungen 13 und der Pole, vorgesehen durch die Steuerwicklungen 20 gestattet, daß die Generatorwicklungen 13 elektrische Drei-Phasenwechselstromenergie erzeugen und die Kombina­ tion gestattet ferner, daß der Stator 11 Radialkräfte er­ zeugt, die Magnetlager vorsehen zum Tragen des Rotors 12 außer Kontakt mit dem Stator 11. Die Steuerwicklungen 20 können Drei-Phasenwicklungen oder Zwei-Phasenwicklungen aufweisen oder sein.

Damit der Dynamomotor mit variabler Drehzahl einen großen Bereich von variablen Drehzahlen besitzt, war es bislang die Praxis, den die Dynamomotor mit den Leistungssystem­ anschlüssen über einen Inverter oder Wechselrichter zu verbinden, um die Frequenz der elektrischen Energie ge­ liefert von den Leistungssystemanschlüssen umzuwandeln. Wenn bei dieser konventionellen Anordnung der Dynamomotor mit variabler Drehzahl eine sehr große Nennleistung be­ sitzt, dann muß auch der verwendete Halbleiterleistungs­ umwandler eine sehr große Nennleistung besitzen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind die Generatorwicklungen 13 direkt mit den Leistungssystemanschlüssen ver­ bunden, und zwar nicht durch irgendeinen Halbleiterleis­ tungsumwandler.

Der in Fig. 4 gezeigte Dynamomotor mit variabler Drehzahl besitzt einen weiteren Halbleiterleistungsumwandler 15b zur Lieferung von Strömen an die Steuerwicklungen 20 und eine Steuervorrichtung 21 zur Ausgabe eines Strombefehls zur Steuerung der Ströme geliefert an die Steuerwicklun­ gen 20, und zwar abhängig von der Frequenz der Leistungs­ systemanschlüsse, der Drehzahl des Rotors 12 oder den durch die Wicklungen des Rotors 12 fließenden Strömen.

Die Steuervorrichtung 21 detektiert eine Radialversetzung des Rotors 12 mit einem Radialversetzungssensor und legt einen Strombefehl abhängig von der detektieren Radialver­ setzung an den Halbleiterleistungskonverter 15b an, um Ströme an die Steuerwicklungen 20 zu liefern, und zwar zur Erzeugung von Radialkräften, um den Rotor 12 in einer Radialposition entsprechend dem Strombefehl radial zu versetzen. Auf diese Art und Weise wird die Radialposi­ tion des Rotors 12 gesteuert.

Die Dämpfungsfähigkeit des Rotors 12 kann eingestellt werden, um die mechanische Resonanz desselben zu verhin­ dern, und zwar durch Einstellen der Frequenzeigenschaften der Steuervorrichtungen 21 wie bei konventionellen Magnetlagern.

Wenn nur der Rotor 12 aus einem Nicht-Gleichgewichtszu­ stand korrigiert werden soll, der auftrat bei der Her­ stellung des Rotors 12, so schätzt die Steuervorrichtung 21 die Größe und Richtung des Nicht-Gleichgewichtszu­ stands ab, und zwar aus dem Ausgangssignal des Radialver­ setzungssensors und erzeugt einen Strombefehl, um die Ra­ dialkräfte zu erzeugen, die den Nicht-Gleichgewichtszu­ stand auslöschen und die Steuervorrichtung 21 legt den Strombefehl in einer Eingabevorwärtsteuerkonfiguration an, um periodische Fluktuationen des Rotors 12 zu eli­ minieren, ohne die Dämpfungsfähigkeit des Rotors 12 zu verändern.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, die in der Lage ist, das Gleichgewicht des Rotors 12 einzustellen, und zwar mit einem Störungs(Nicht-Gleichgewichtszustand)-Beobachter 22 zum Abschätzen eines Nicht-Gleichgewichtszustand des Rotors 12. Der Störungsbeobachter 22 analysiert die Versetzung oder Verschiebung des Rotors 12 detektiert durch den Radialversetzungs- oder Verschiebungssensor und Information, die eine Anzeige bildet für eine Winkelfre­ quenz ω des Rotors 12 oder dergleichen und detektiert einen Nicht-Gleichgewichtszustand der Winkelfrequenz ω. Basierend auf dem detektierten Nicht-Gleichgewichtszu­ stand steuert die Steuervorrichtung 21, die durch die Steuerwicklungen 20 fließenden Ströme zur Erzeugung von Radialkräften, um den Nicht-Gleichgewichtszustand des Rotors 12 zu kompensieren. Der Rotor 12 ist nunmehr aus dem Nicht-Gleichgewichtszustand heraus eingestellt und kann sich um seine eigene Achse ohne irgendeine exzentri­ sche Bewegung drehen.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung, die in der Lage ist, den Ro­ tor 12 radial zu dämpfen. Die Steuervorrichtung 21 be­ sitzt einen Sensorverstärker, der ein Radialpositionssig­ nal verstärkt, welches durch den Radialversetzungssensor detektiert wurde und die Steuervorrichtung 21 weist fer­ ner eine Kompensationsschaltung auf, die eine Phasenkom­ pensation am verstärkten Signal vom Sensorverstärker be­ wirkt. Basierend auf dem kompensierten Signal stellt die Steuervorrichtung 21 die an die Steuerwicklung 20 ange­ legten Ströme ein, um Radialkräfte an den Rotor 12 anzu­ legen, um diesen in einer gewünschten Zielposition zu halten.

Die Anordnung gemäß Fig. 6 besitzt eine Steuerschleife, die folgendes aufweist: ein Kerbenfilter 23, eine Ver­ stärkungseinstellvorrichtung 24 und eine Phasenvorschub­ einrichtung 25, wobei Steuerschleife mit der Steuervor­ richtung 21 verbunden ist. Die Steuerschleife ist effek­ tiv zum Dämpfen des Rotors 12 gegenüber dessen Resonanz. Damit der Dynamomotor mit variabler Drehzahl in einem großen Drehzahlbereich arbeitet, ist es wichtig, die Dämpfungssteuerung am Rotor 12 zu bewirken, und zwar we­ gen der Eigenfrequenz des Rotors 12 oder des gesamten me­ chanischen Systems einschließlich des Stators 11 und des Rotors 12.

In der Anordnung gemäß Fig. 6 hat das Kerbenfilter 23 ei­ ne Mittelfrequenz fc, die auf die Eigenfrequenz eines zu dämpfenden Objektes, beispielsweise des Rotors 12, einge­ stellt ist. Der Kerbenfilter 23 zieht eine Signalkompo­ nente der Frequenz fc heraus und die Verstärkungsein­ stellvorrichtung 24 verstärkt die Signalkomponente zur Einstellung ihre Verstärkung. Sodann schiebt die Phasen­ vorschubeinrichtung 25 die Phase der verstärkten Signal­ komponente vor. Die in ihrer Phase vorgeschobene Signalkomponente von der Phasenvorschubvorrichtung 25 wird dem Ausgangssignal von dem Radialversetzungssensor durch die Steuervorrichtung 21 zuaddiert. Bei der Anord­ nung gemäß Fig. 6 hält die Steuervorrichtung 21 den Rotor 12 auf oder in der Zielposition in dem normalen Bereich variabler Geschwindigkeiten des Dynamomotors mit varia­ bler Geschwindigkeit, und die Steuerschleife verbunden mit der Steuervorrichtung 21 ermöglicht es der Steuervor­ richtung 21 Dämpfungskräfte anzulegen zum Dämpfen uner­ wünschter Schwingungen des Rotors 12, wenn dieser mit der Frequenz fc in Resonanz ist.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung, die in der Lage ist, eine Radialversetzung oder Radialverschiebung des Rotors 12 abzuschätzen, und zwar durch Detektieren von Strömen, die durch die Steuerwicklungen 20 fließen. Eine Radialver­ schiebung des Rotors 12, d. h. ein Spalt zwischen dem Sta­ tor 11 und dem Rotor 12 kann dann detektiert werden, wenn eine Induktivitätsänderung des Stators 11 detektiert wird. Speziell ist die Welle des Rotors 12 oder des Um­ fangsteils des Rotors 12 im allgemeinen aus einem Magnet­ material hergestellt. Wenn der Spalt zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 12 sich verändert, so ändert sich auch die Induktivität des Stators 11 von den Steuerwicklungen 20 ausgesehen, wie in Fig. 8 gezeigt. Die gegenseitigen Kopplungen zwischen den Motorwicklungen und den Steuer­ wicklungen sind fast proportional zu den Rotorversetzun­ gen. Wenn die Versetzungen in Radialkoordinaten x und y ausgedrückt werden, so können die gegenseitigen Kopplun­ gen vom Drei-Phasensystem in Zwei-Phasenkoordinaten transformiert werden, und zwar durch eine konventionelle Drei-Phasen- zu Zwei-Phasentransformationsmatrix. Dann können die gegenseitigen Kopplungen ausgedrückt werden durch eine 2-mal-2-Matrix mit linearen Ausdrücken von x und y. Die inverse Matrix kann berechnet werden, um die Versetzungen x und y aus den Induktivitätswerten zu be­ rechnen, bzw. beschleunigt zu berechnen. Die Anordnung gemäß Fig. 7 besitzt einen Spannungs/Stromdetektor 28 zum Detektieren von Spannungen und Strömen der Steuerwicklun­ gen 20 und eine Versetzungsabschätzvorrichtung 29 ist vorgesehen zum Abschätzen einer Radialposition des Rotors 12, basierend auf einem Ausgangssignal vom Span­ nungs/Strom-Detektor 28. Basierend auf der abgeschätzten Radialposition erzeugt die Steuervorrichtung 21 einen Strombefehl zur Erzeugung von Radialkräften am Rotor 12. Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 ist es notwendig, zuvor die Beziehung zwischen dem Spalt zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 12 zu messen, d. h. die Radialversetzung des Rotors 12 und ferner die Induktivität des Stators 11 gesehen von den Steuerwicklungen 20 aus und die Daten re­ präsentativ für die gemessene Beziehung gemessen können in der Versetzungsabstandsvorrichtung 29 gespeichert wer­ den.

Fig. 9 zeigt einen Pumpen-Dynamomotor mit variabler Dreh­ zahl zur Verwendung in einem hydroelektrischen Kraftwerk gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 9 besitzt der Pumpen-Dynamomotor mit veränderba­ rer Drehzahl eine drehbare Welle 35, die ein Laufrad 31 am unteren Teil trägt und ferner einen Rotor 32 am oberen Teil. Wenn der Dynamomotor als Generator arbeitet, so wird das Laufrad 31 durch eine Wasserströmung gedreht, um so den Rotor 32 zu drehen. Wenn der Dynamomotor zum Pum­ pen von Wasser eingesetzt wird, so arbeitet das Laufrad 31 als ein Pumpenlaufrad, um Wasser zu pumpen. Der Rotor 32 besitzt Windungen 14, die über Schleifringe mit einem Halbleiterleistungsumwandler 26 verbunden sind, der an den Anschlüssen des Leistungssystems angeschlossen ist. Der Pumpen-Dynamomotor mit veränderbarer Drehzahl weist auch einen Stator 33 auf mit Zwei-Polhauptwicklungen 13 verbunden mit den Leistungssystemanschlüssen und Vier- Polsteuerwicklungen 20 verbunden mit einer Steuervorrich­ tung 21. Wenn die Hauptwicklungen 13 vier Pole vorsehen, dann sehen die Steuerwicklungen 20 zwei Pole vor.

Wenn der Pumpendynamomotor mit veränderbarer Drehzahl als Motor arbeiten soll, so erzeugt der Halbleiterleistungs­ umwandler 26, der zur Steuerung der Ausgangsleistung und zur Steuerung der Drehzahl des Motors dient, elektrische Energie mit einer gewünschten Spannung und einer gewün­ schten Frequenz und liefert die gewünschte Spannung und den Strom über die Schleifringe an die Wicklungen 14 des Rotors 32 zum Drehen des Rotors 32 mit der gewünschten Drehzahl.

Wenn der Pumpendynamomotor mit variabler Drehzahl als ein Generator arbeitet, so erzeugt der Halbleiterleistungsum­ wandler 26 in ähnlicher Weise elektrische Energie mit ei­ ner gewünschten Spannung und einer gewünschten Frequenz und liefert die gewünschte Spannung und den Strom durch die Schleifringe an die Wicklungen 14 des Rotors 32 zur Erzeugung und Lieferung von elektrischer Energie unter einer gewünschten Spannung und mit einer gewünschten Fre­ quenz an die Leistungssystemanschlüsse unabhängig von der Drehzahl der Welle 35.

Ein unteres Ende der Welle 35 wird durch mechanische Ra­ dial- und Schublager getragen und ein oberes Ende der Welle 35 wird außer Kontakt mit den anderen Komponenten durch ein Radialmagnetlager getragen, und zwar unter Ein­ wirkung von radialen elektromagnetischen Kräften, die zwischen dem Stator 33 und dem Rotor 32 wirken. Die radi­ alelektromagnetischen Kräfte werden durch Ströme erzeugt, die durch die Hauptwicklungen 13 und die Steuerwicklungen 20 fließen, die unterschiedliche Anzahl von Polen vorseh­ en. Das Radialmagnetlager vorgesehen durch die Radialmag­ netkräfte, die so erzeugt werden, führen verschiedene Funktionen aus, wie im vorstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, und zwar unter der Steuerung der Steuervorrichtung 21. Da das obere Ende der Welle 35 außer Kontakt mit den anderen Komponenten durch das Radi­ almagnetlager getragen wird und gesteuert werden kann durch Steuerung der Radialposition, der Dämpfungsfähig­ keit des Gleichgewichts usw., des Rotors 32 kann der eine variable Drehzahl besitzende Dynamomotor stabil als Motor oder Generator arbeiten, und zwar ohne merklichen Verlust über einen weiten Bereich von Drehzahlen hinweg.

Fig. 10 zeigt einen horizontalen Dynamomotor zur Verwen­ dung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einem Kraftwerk der thermischen, nuklearen oder Cogenerations­ bauart. Wie in Fig. 10 gezeigt, besitzt der Pumpendynamo­ motor mit variabler Geschwindigkeit oder Drehzahl eine drehbare Welle 41, die eine Turbine 46 an ihrer Mitte trägt und ferner einen Rotor 47 angebracht am linken Ende der Welle 41 und getragen durch ein Magnetlager vorgese­ hen durch einen Stator 40 angeordnet um den Rotor 47 her­ um. Die Welle 41 besitzt ein rechtes Ende, welches durch ein Magnetlager oder ein mechanisches Lager getragen sein kann.

Der Stator 40 besitzt Hauptwicklungen 13 zur Lieferung von erzeugter elektrischer Energie oder zur Aufnahme von elektrischer Energie zur Erregung eines Motors, wobei die Hauptwicklungen 13 mit den Leistungssystemanschlüssen verbunden sind. Der Rotor 47 besitzt Wicklungen 14, die durch Schleifringe mit einem Halbleiterleistungsumwandler 26 verbunden sind, der mit den Leistungssystemanschlüssen in Verbindung steht.

Der Stator 11 besitzt auch Steuerwicklungen 20 zur Steu­ erung der Radialposition des Rotors 47 unter der Steuer­ ung einer Steuervorrichtung 21. Die Steuerwicklungen 20 sehen eine Anzahl von Polen vor und zwar unterschiedlich von der Anzahl der Pole vorgesehen durch die Hauptwick­ lungen 13. Wenn die Hauptwicklungen 13 vier Pole vorseh­ en, so sehen die Steuerwicklungen 20 zwei Pole vor. Wenn umgekehrt die Hauptwicklungen 13 zwei Pole vorsehen, dann sehen die Steuerwicklungen 20 vier Pole vor.

Wenn Ströme von der Steuervorrichtung 21 an die Steuer­ wicklungen 20 geliefert werden, so erzeugen sie Radial­ kräfte, die auf den Rotor 47 in der gleichen Weise ein­ wirken, wie bei den zuvor erwähnten Ausführungsbeispielen beschrieben, und zwar zur Steuerung der Radialposition des Rotors 47 und zur Einstellung der Transferfunktion eines Systems zur Dämpfung des Rotors 47 und zur Korrek­ tur des Rotors 47 aus einem Nicht-Gleichgewichtszustand.

Die Steuervorrichtung 21 detektiert eine Radialversetzung des Rotors 47 mit einem Radialversetzungssensor und legt einen Strombefehl an, um Ströme an die Steuerwicklungen 20 zu liefern zum Zwecke der Erzeugung von Radialkräften zum Zwecke der Radialversetzung des Rotors 47 in eine Ra­ dialposition entsprechend dem Strombefehl. Auf diese Wei­ se wird der Rotor 47 durch das Magnetlager hinsichtlich seiner Radialposition gesteuert und auch hinsichtlich seiner Drehausgleichseinstellung und Radialdämpfung.

Wenn der in Fig. 10 gezeigte Dynamomotor mit variabler Drehzahl als ein Generator arbeitet, dann dreht die Tur­ bine 46 die Welle 41 mit hoher Drehzahl und der Halblei­ terleistungsumwandler 26 wandelt die elektrische Energie von den Leistungssystemanschlüssen in elektrische Ener­ gie, und zwar mit einer geeigneten Spannung und Frequenz und liefert umgewandelte elektrische Leistung über die Schleifringe an die Wicklungen 14 des Rotors 47. Wenn der Rotor 47 derart erregt ist, erzeugt er elektrische Ener­ gie an den Hauptwicklungen 13 des Stators 40 mit einer Frequenz synchron mit den Leistungssystemanschlüssen und die erzeugte elektrische Energie wird an die Leistungs­ systemanschlüsse geliefert. Wenn der Dynamomotor mit variabler Drehzahl als ein Generator arbeitet, kann er elektrische Energie mit einer gewünschten Spannung und einer gewünschten Frequenz über einem großen Bereich von Drehzahlen hinweg liefern. Da der Rotor 47 durch das Mag­ netlager getragen ist, kann der den Dynamomotor mit variabler Drehzahl stabil arbeiten und irgendein be­ trächtlicher Verlust über einen weiten Bereich von Dreh­ zahlen mit auftritt.

Der Dynamomotor mit variabler Drehzahl gemäß Fig. 10 kann auch als ein Motor arbeiten.

Abwandlungen der Erfindung liegen im Rahmen des fachmän­ nischen Handels.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Einen Dynamomotor mit variabler Drehzahl, der einen Sta­ tor aufweist, mit einem ersten Satz von Wicklungen, die eine Anzahl von Polen zum Drehen eines Rotors vorsehen und mit einem zweiten Satz von Wicklungen, die eine An­ zahl von Polen unterschiedlich von der Anzahl der Pole vorgesehen für den ersten Satz von Wicklungen aufweisen. Spannungen oder Ströme liefern an den zweiten Satz von Wicklungen werden gesteuert, um Radialkräfte zu erzeugen, die auf den Rotor einwirken, um dadurch die Radialposi­ tion des Rotors zu steuern, Schwingungen des Rotors zu unterdrücken, das Drehgleichgewicht des Rotors einzustel­ len und die Radialdämpfung des Rotors zu steuern.

Claims (5)

1. Ein Dynamomotor mit veränderbarer Drehzahl, wobei folgendes vorgesehen ist:
ein Rotor;
ein Stator, der einen ersten Satz von Wicklungen mit einer Anzahl von Polen vorsieht zur Drehung des Ro­ tors mit einem zweiten Satz von Wicklungen, der eine Anzahl von Polen vorsieht unterschiedlich von der Anzahl von Polen vorgesehen für den ersten Satz von Wicklungen; und
Steuermittel zum Steuern der Spannungen oder Ströme geliefert an den zweiten Satz von Wicklungen zur Er­ zeugung von Radialkräften einwirkend auf den Rotor, um dadurch die Radialposition des Rotors zu steuern, Schwingungen oder Vibrationen des Rotors zu unter­ drücken, das Drehgleichgewicht des Rotors einzustel­ len und die Radialdämpfung des Rotors zu steuern.

2. Dynamomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz von Wicklungen zwei Polwicklungen aufweist und daß der zweite Satz von Wicklungen vier Polwicklungen aufweist.

3. Dynamomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz von Wicklungen vier Polwicklungen aufweist und daß der zweite Satz von Wicklungen zwei Polwicklungen aufweist.

4. Dynamomotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei folgendes vorge­ sehen ist:
ein Sensor zum Detektieren der Radialposition des Rotors;
wobei die Steuermittel eine Steuervorrichtung auf­ weisen ansprechend auf ein Ausgangssignal vom Sensor zur Erzeugung eines Strombefehls zur Erzeugung der Radialkräfte; und
Mittel ansprechend auf den Strombefehl von der Steu­ ervorrichtung zur Lieferung von Strömen entsprechend dem Strombefehl an den zweiten Satz von Wicklungen.

5. Dynamomotor nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist:
ein Rotorpositionsdetektor zum Detektieren von Span­ nungen und Strömen des zweiten Satzes von Wicklungen und zum Abschätzen der Radialposition des Rotors aus den detektierten Spannungen und Strömen;
wobei die Steuermittel eine Steuervorrichtung auf­ weisen, und zwar ansprechend auf ein Ausgangssignal von dem Rotorpositionsdetektor zur Erzeugung eines Strombefehls zur Erzeugung der Radialkräfte; und
Mittel ansprechend auf den Strombefehl von der Steu­ ervorrichtung zur Lieferung von Strömen entsprechend dem Strombefehl an den zweiten Satz von Wicklungen.