DE2142982A1

DE2142982A1 - Anordnung zur schnellentregung von buerstenlosen synchronmaschinen, die ueber umlaufende ungesteuerte gleichrichter erregt werden

Info

Publication number: DE2142982A1
Application number: DE19712142982
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Harz
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1971-08-23
Filing date: 1971-08-23
Publication date: 1973-03-08
Also published as: CH537665A; GB1396579A; DE2142982C3; FR2150322B1; JPS4830009A; JPS5232041B2; FR2150322A1; SE373708B; DE2142982B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT 8520 Erlangen, 23. Aug". 1971 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50

, . „ 2H2982

Unser Zeichen: VPA 71/8385 D/Win

Anordnung zur Schnellentregung von bürstenlosen Synchronmaschinen, die über umlaufende ungesteuerte Gleichrichter erregt werden

In zunehmendem Maß werden Synchronmaschinen, insbesondere Generatoren über umlaufende Gleichrichter bürstenlos erregt. Die Gleichrichter sind dabei an die Läuferwicklung einer Drehstromerregermaschine synchroner oder asynchroner Bauart angeschlossen, deren Ständerwicklung mit Gleichstrom oder Drehstrom mit oder ohne einen lastabhängigen Erregerstromanteil gespeist wird. Auch umlaufende Umspanner sind schon dafür verwendet worden (vergl. ¥.Böning: "Selbsterregte Synchrongeneratoren mit Störgrößenaufschaltung" Siemens-Zeitschrift Nr. 43 (1969), S. 465/472). Man kann mit solchen ungesteuerten, umlaufenden Gleichrichtern das Feld der Synchronmaschine sehr schnell aufbauen, weil die gleichgerichtete Erregerspannung in voller Höhe an der Erregerwicklung (Haupterregerwicklung) auftritt. Bei der Entregung kann man dagegen mit ungesteuerten Gleichrichtern keine negativen Spannungen an die Erregerwicklung anlegen, so daß das Feld nur langsam nach der verhältnismäßig großen Leerlaufzeitkonstanten der Haupterregerwicklung abklingt. Man kann zwar eine schnelle Entregung dadurch erreichen, daß man die umlaufenden Gleichrichter als Thyristoren ausführt, die man für die Entregung in den negativen Spannungsbereich steuert. Doch erfordert dies einen beträchtlichen Aufwand, weil alle Zweige der Gleichrichterbrücke mit Thyristoren bestückt und auch die Steuerimpulse auf den umlaufenden Teil übertragen werden müssen.

Die vorliegende Erfindung zeigt nun, wie man trotz Beibehaltung.des ungesteuerten Erregergleichrichters eine schnelle Entregung erreicht, ohne daß Steuerimpulse auf den umlaufen-

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den Teil übertragen werden müssen. Dazu ist eine Anordnung zur Schnellentregung von bürstenlosen Synchronmaschinen, die über umlaufende ungesteuerte Gleichrichter und die Läuferwicklung einer mit der Synchronmaschine gekuppelten und im Ständer erregten Drehstromerregermaschine synchroner oder asynchroner Bauart erregt werden, gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß mit der Synchronmaschine eine zweite Drehstromerregermaschine von gleicher Bauart wie die erste gekuppelt ist, die als Erregermaschine wirkt und deren mehrphasige Ständerwicklung bei Erregerbetrieb kurzgeschlossen ist, bei Entregerbetrieb dagegen mit Gleichstrom oder Dreh- W strom gespeist wird, während ihre Läuferwicklung einachsig ausgeführt und mit der Erregerwicklung der Synchronmaschine ' in Reihe geschaltet ist, und daß gegenparallel zu ihr eine Diode liegt, die bei Entregung die treibend auf den Erregerstrom der Synchronmaschine wirkende Halbschwingung der in der Läuferwicklung durch die Ständerwicklung erzeugten Wechselspannung kurzschließt, während sich die dem Erregerstrom entgegengerichtete andere Halbschwingung voll auswirkt.

Für eine wirksame Schnellentregung wird also eine zweite, ebenfalls mit der Synchronmaschine gekuppelte Drehstromerregermaschine benötigt, die als Entregermaschine wirkt ^ und außerdem noch eine oder mehrere Dioden, die zudem bei ' Betrieb mit Erregung völlig stromlos sind und nur während des Entregungsbetriebes zeitweise einen, dem abklingenden Haupterregerstrom entsprechenden Strom führen. Diese Wirkung wird dadurch erreicht, daß der Erregerstrom der Hauptmaschine über die Läufererregerwicklung der Erregermaschine geführt wird. Eine Feldbildung durch die Durchflutung dieser Wicklung während des Erregungsbetriebes wird durch Kurzschließen der mehrphasigen Ständerwicklung dieser Maschine verhindert.

Gegenparallel zur Läuferwicklung der Erregermaschine liegt nun eine Diode, so daß der Erregerstrom der Haupterrcgerwicklung über die Läuferwicklung der Erregermaschine fließen

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■ - 3 muß. Eine von der Erregermaschine bei Gleichstromerregung ihrer Ständerwicklung in ihrer Läuferwicklung erzeugte Wechselspannung ist wegen der Gegen-Parallel-Diode nur mit ihrer einen, dem ^aupterregerstrom entgegengerichteten HaIbschwingung wirksam, so daß die Erregermaschine motorisch arbeitet und der Haupterregerwicklung Feldenergie entzieht. Die andere Halbschwingung der Spannung, die die gleiche Richtung aufweist wie der Strom, ist durch die Gegen-Parallel-Diode kurzgeschlossen, so daß sie der Haupterregerwicklung keine Energie von neuem wieder zuführen kann.

Die vom abklingenden Gleichstrom in der Erregerwicklung Üer Entregermaschine, auch während des Entregungsbetriebes ausgeübte Durchflutung, wird von der Ständerwicklung unwirksam gemacht. Da die Klemmen von zwei Phasen dauernd verbunden bleiben, ist im Ständer stets eine kurzgeschlossene Querachse vorhanden, in der sich eine Wechselstrom-Quer-Gegendurchflutung ausbilden kann. Die V/echselstrom-Längs-Gegendurchflutung kann sich der für die Entregung in der Ständerwicklung der Entregermaschine verursachten Gleichstrom-Längsdurchflutung überlagern. Dies ist ohne weiteres möglich, wenn die Gleichstrom-Längsdurchflutung mindestens gleich der Amplitude der Wechselstrom-Längs-Gegendurchflutung ist. Auf diese V/eise stören sich die beiden Gleichstromdurchflutungen im Läufer und im Ständer gegenseitig nicht. Jede der beiden Maschinenteile erzeugt im anderen eine Wechselstroindurchflutung von Umdrehungsfrequenz, die sich der vorhandenen Gleichstromdurchflutung überlagert.

Im folgenden sei die Erfindung noch an Hand der in den Fig. 1 - k dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert..

Fig. 1 zeigt eine Synchronmaschine 1 mit der Drehstromständerwicklung 2 und der Haupterregerwicklung 3 im Läufer. Diese wird von der Drehstromerregermaschine k synchroner Bauart mit der Stand er erregerwicklung 5 und der Drehstroinläuf erwick-

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lung 6 über den umlaufenden ungesteuerten Erregergleichrichter 7 erregt.

Als Entregermaschine 8 dient eine zweite Synchronmaschine mit der einachsigen Läuferwicklung 9 und der Ständerwicklung 10. Diese ist in Stern geschaltet und zwei Klemmen sind dauernd kurzgeschlossen, so daß in den beiden zugehörigen Phasen eine Kurzschlußquerachse vorhanden ist. Die beiden Phasen bilden mit der dritten die Ständerlängsachse, in der bei Entregung eine Gleichstromdurchflutung erzeugt t wird. Gegenparallel zur Läüferwicklung 9 liegt die Diode

Die Ständererregerwicklung 5 der Drehstromerregermaschine wird über den Gleichrichter 12, den Stromwandler 13» die Drosselspule 14 und den Stromwandler 15 mit einem lastabhängigen, eingeprägten Strom gespeist. Durch eine aus zwei Thyristoren bestehende Erregergegenbrücke 16, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt einer Teilbrücke des Gleichrichters 12 verbunden ist,, kann dieser kurzgeschlossen, aber auch jederzeit wieder wirksam gemacht werden. Ebenso kann die Ständerwicklung 10 der Entregermaschine 18 ebenfalls mit einem lastabhängigen, eingeprägten Strom beaufschlagt werden. Die Erstwicklungen der beiden Stromwandler 13 und 18 sind in Reihe geschaltet, so daß nur eine Drosselspule und ein Stromwandler 15 für die Summendurchflutung in beiden Stromwandlern 13 und 18 erforderlich^ sind. Ferner ist noch die aus zwei Thyristoren bestehende Entregergegenbrücke 19 vorhanden, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt einer Teilbrücke des Gleichrichters 17 verbunden ist, wodurch dieser ebenfalls kurzgeschlossen, der Kurzschluß aber jederzeit wieder aufgehoben werden kann.

In der Fig. 1 sind die umlaufenden Teile, die keine leitenden Verbindungen mit den feststehenden Teilen aufweisen, durch das gestrichelte Rechteck 20 eingeschlossen. Es sind dies die Teile 3, 6, 7, 9 und 11.

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Die Anordnung wirkt folgendermaßen:

Für die Auferregung der Synchronmaschine 1 wird die Ständererregerwicklung 5 der Drehstromerregermaschine 4 mit Gleichstrom gespeist. Zu diesem Zweck werden die Thyristoren der Gegenbrücke 16 gesperrt» so daß derGleichrichter 12 die Ständererregerwicklung 5 mit einem lastabhängigen,.eingeprägten Strom speist, der durch Anschnittsteuerung der Gegenbrücke 16 fein geregelt werden kann, indem ein mehr oder weniger großer !Peil des vom Gleichrichter 12 gelieferten Stroms in den durch die Gegenbrücke 16 gebildeten Kurzschluß geleitet wird. Während dieses Erregerbetriebes bleibt der Gleichrichter 17 (Gegenerregung) durch die dauernd gezündete Gegenbrücke 19 kurzgeschlossen. Über 17 und 19 bleibt auch die Ständerlängsachse der Ständerwicklung 10 der Entregermaschine 8 kurzgeschlossen. Für die vom Haupterregerstrom in der Läuferwicklung 9 der Entregermaschine 8 verursache Durchflutung können sich daher in der Ständerwicklung 10 in Längs- und Querachse ungehindert Wechselstrom-Gegendurchflutungen ausbilden, so daß jede unerwünschte Feldbildung in der Entregermaschine 8 bei Erregerbetrieb verhindert ist.

Für die Entregung wird nun die Erregergegenbrücke 16 dauernd gezündet, so daß die Ständererregerwicklung 3 kurzgeschlossen und unwirksam ist. Andererseits wird gleichzeitig die Entregergegenbrücke 19 sofort gesperrt und demit wird die Längsachse der Ständerwicklung 10 mit einem lastabhängigen, eingeprägten Gleichstrom voll beaufschlagt. Das sich in der Entregermaschine 8 ausbildende Gleichfeld hat in der Läuferwicklung 9 eine einphasige Wechselspannung zur Folge _t von der sich aber nur die dem Erregerstrcm der Kaupterregerwicklung 3 sntgegengerichtete Halbschwingung auswirkt und diesen Strom zu verkleinern trachtet, d.h. der Haupterregerwicklung 3 wird Feldenergie entzogen und motorisch auf die Entregermaschine 8 übertragen, die sie mechanisch der Maschitienwelle zuführt. Dabei tritt keine Wärmeentwicklung auf, da keine umlaufenden Widerstände vorhanden sind.

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Nach einer Halbschwingung kehrt die Wechselspannung in. der Läuferwicklung 9 ihr Vorzeichen um und würde nun treibend auf den Haupterregerst Om wirken. Dies wird aber durch die gegenparallelgeschaltjte Diode 11 verhindert, die diese Halbschwingung kurzschließt« Über die Diode 11 kann sich aber nur die der Gleichstromlängsdurchflutung der Ständerwicklung 10 entsprechende Halbschwingung der Läufergegenduichflutung schließen. Denn der Strom der Haupterregerwicklung ist ja dieser zunächst noch eingeprägt und nimmt entsprechend der Höhe der Gegenspannung während der- wirksamen Halb schwingung ab, er kann 'sich daher nicht über die Diode 11 schließen. Da«» gegen kann sich zu der vom abklingenden Gleichstrom der Haupterregerwicklung 3 in der Läuferwicklimg 9 erzeugten Durehflutung. in der Ständerw:Lcklung 10 in "beiden Achsen sine Wechselstrom-Gegendurchflutung ausbilden, wie dies oben schon beschrieben ist, in der Querachse über- die beiden dauernd kurzgeschlossenen Phasen, "in der LängEashse durch Überlagerung der Vechselstrom-Qegen-Längsdurchflutung iibsr die yobi Gleichrichter 17 verursachte Gieichstrom-Laiigsdm^chflutiing, was immer möglich ist, solange diese nicht kleiner als die Amplitude jener ist.

Es kann unter umstanden zweckmäßig ssin_D die Zeitkonstanten der Erregerwicklung ;;? der- Drehstror-ierr-eggrmaselilne 4 und die Ständerv/icklung 10 der Entregeraaacälae 8 durch zusätzliche Widerstände zu verkleinern. ¥erd9ii die Wicklungen 5 bzw. 10 mit Gleichstrom über di© Glei^hriLohter 12 bzw= 17 gespeist, so kann dieser St-rca durcli einen gesteuerten Parallelweg oder durch andere iusätslicne Mittel fein geregelt werden. Insbesondere können dazu die Gegenbrücksn 16 bzw. ausgenutzt werden.

Bei einer Anordnung nach Fig. 1 wird i.r* der Läufervjicklung der Erregermaschine 8 nur eine Halbs«hmnginig der erzeugbaren Einphasen-Wechselspannung ausgenutzt. Man kann die Ausnutzung verbessern, wenn nian_s wie in Fig. 2 dargestellt,

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eine zweite Wicklung 21 vorsieht, die gegen die Läuferwicklung 9 um 90° versetzt und mit ihr in Reihe geschaltet ist. Durch eine gegenparallel geschaltete Diode 22 wird auch hier die Harbschwingung der Spannung kurzgeschlossen, die treibend auf den Strom der Haupterregerwicklung 3 wirken würde.

In Fig. 3 sind die beiden mit den Wicklungen 9 und 21 erhältlichen Spannungszeitflächen und ihre Summe dargestellt, die einem zugehörigen Feldabbau in der Haupterregerwicklung entspricht. Die Spannungszeitflächen sind die gleichen, wie · bei einer gleichgerichteten Einphasenwechselspannung. Demgemäß beträgt der auf eine Periode bezogene Mittelwert ·

^Ub(mit) = ff · ^Ub(max) = ⁰^ · U_b(eff)

U, / \ = Höchstwert und Uv,feff) ⁼ .Effektivwert der Spannung einer der Wicklungen 9 oder 21 in der Anordnung nach Fig.2, für die auch der Beibuchstabeb"gilt.

Aus Fig. 4 sind dagegen die Spannungszeitfläche und der Mittelwert der Spannung U_a(_mi-M ersichtlich, die man mit einer Anordnung nach Fig. 1 (Beibuchstabea) erhält:

^Ua(mit) = rf · ^Ua(max) = °»^{9 U}a(eff)

Um den Aufwand der beiden verschiedenen Ausführungsbeispiele zu vergleichen, muß man berücksichtigen, daß Spulenseitenbreite und Zonenfaktoren in beiden Fällen unterschiedlich sind. Bei der Anordnung nach Fig. Z erstreckt sich eine Spulenseite über eine halbe Polteilung Γρ und der Zonenfaktor beträgt % .~V₅, ^{in der} nach Fig. 1 bedeckt eine Spulenseite ■* . LP> und der Zonenfaktor hat den Wert ^ . -*—. Es

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beträgt demnach das Verhältnis

2 λ' 3 t3 γ—*

^Ua(eff) ₌ 5 " ^tp * ^ · "2~ ₌ y_{i>5 B 1f226} oder

Veff) J-.Tp -I- I²

^Ua(eff) =¹'²²⁶ · ^üb(eff)
Setzt man die Gleichung (3) lh (2) ein, so ergibt sich

Außerdem ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (4):

^üb(mit) - 1.635 . U_a(nlt) (5)

Dies bedeutet, daß man mit der Anordnung nach Fig. 2 mit dem gleichen Modell 63»5 % mehr Entregerspannung erhält als mit

_fc der Anordnung nach Fig. 1. Für das Verhältnis der Leistungen ■ gilt unter Verwendung der Gleichung (3):

^Nb _ ² · ^Ub(eff) · ^Te ₌ ² * ^Ub(eff) ^Na ^Ua(eff) * ^Ze ¹'²²⁶ ' ^Ub(⁽

oder

N_b β 1,635 . N_a (6)

d.h. im Fall a (Fig. 1) müßte die Erregermaschine um 63,5 % größer werden, um die gleiche Leistung zu erzielen, wie im Fall b (Fig. 2).

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Statt der zwei um 90° versetzten Wicklungen könnte man auch mehrere unter einem entsprechenden Winkel in Reihe geschaltete Wicklungen mit je einer Gegenparalleldiode, z.B. drei unter 120°, verwenden.

Sowohl die Erregermaschine 4 als auch die Erregermaschine können mit kleinem Kurzschlußverhältnis ausgeführt werden, weil ja. nur die ihren-Ständerwicklungen zugeführte Gleichstromenergie in ih-ren Läuferwicklungen verstärkt auftreten soll. Der Verstärkungsgrad ist umso größer und die Abmessungen der Maschinen sind umso kleiner, je kleiner die für die Feldbildung in beiden Maschinen benötigte Energie ist. Bei der Erregermaschine 8 kommt hinzu, daß der Kurzschlußstrom über die Dioden 11 und 22 während der betreffenden Halbschwingungen umso kleiner ist, je kleiner das Kurzschlußverhältnis ist. Ferner ist bemerkenswert, daß die von der Erregermaschine 8 in den Läuferkreis eingeführte Gegenspannung nicht nur dem Erregerstrom der ^Haupterregerwicklung 3, sondern auch einer vom abklingenden Feld der Erregermaschine 4 etwa noch in den Läuferkreis gelieferten treibenden Spannungen entgegenwirkt. Ebensqwirkt beim Übergang auf Erregerbetrieb die von der Erregermaschine 4 gelieferte Spannung der vom abklingenden Feld der Erregermaschine 8 etwa noch herrührenden Gegenspannung entgegen, so daß der Feldanstieg in der Haupterregerwicklung 3 dadurch nicht beeinträchtigt wird und zusätzliche Entregungsmaßnahmen im Ständerkreis der beiden Maschinen 4 und 8 nicht unbedingt erforderlich sind.

Es ist auch möglich, die im Ständer befindlichen Erregerwicklungen der Erregermaschine und der Erregermaschine dreiphasig auszuführen und sie mit Drehstrom zu speisen, so daß die Maschinen demnach asynchrone Bauart aufweisen. Ferner können beide Maschinen zu einer sogenannten Doppelfeldmaschine vereinigt werden, wobei die Wicklungen der einen Maschine, z.B. vierpolig und die der anderen Maschine achtpolig ausgeführt werden, so daß sie sich gegenseitig

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nicht beeinflussen. Der gemeinsame magnetische Kreis wird stets nur vom Fluß einer Maschine beansprucht, weil die eine Maschine spannungslos ist, wenn die andere Spannung führt und umgekehrt.

7 Ansprüche
4 Figuren

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Claims

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Pa t ent an sp rü ch e

M.J Anordnung zur Schnellentregung von bürstenlosen Synchronmaschinen, die über umlaufende, ungesteuerte Gleichrichter und die Läuferwicklung einer mit oar Synchronmaschine gekuppelten und im Ständer erregten Drehstromerregermaschine synchroner oder asynchroner Bauart erregt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Synchronmaschine eine zweite Drehstromerregermaschine von gleicher Bauart wie die erste (4) gekuppelt ist, die als Entregermaschine (8) wirkt und deren mehrphasige Ständerwicklung (10) bei Erregerbetrieb kurzgeschlossen ist, bei Entregerbetrieb dagegen mit Gleichstrom oder Drehstrom gespeist wird, während ihre Läuferwicklung (9) einachsig ausgeführt und mit der Erregerwicklung (3) der Synchronmaschine (1) in Reihe geschaltet ist, und daß gegenparallel zu ihr eine-Diode (11) liegt), die bei Entregung die treibend auf den Erregerstrom der Synchronmaschine wirkende Halbschwingung der in der Läuferwicklung (9) durch die Ständerwicklung (10) erzeugten Wechselspannung kurzschließt, während sich die dem Erregerstrom entgegengerichtete andere Halbschwingung voll auswirkt. -

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Wicklungen mit je einer Gegenparalleldiode mit der Läuferwicklung (9) der Entregermaschine (8) in Reihe liegen, deren Wicklungsachsen entsprechend der Zahl der Wicklungen gegen die Achse der ersten Wicklung versetzt sind.

3- Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine um 90° gegen die erste Wicklung versetzte Wicklung (21) vorhanden ist, zu der eine Diode (22) gegenparallel geschaltet ist.

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4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (5,10) im Ständer der beiden Drehstromerregermaschinen (4,8) mit Gleichstrom oder mit Drehstrom gespeist werden.

' 5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei den Erregerwicklungen in bekannter Weise eingeprägte Ströme mit einem lastunabhängigen und einem lastabhängigen Stromanteil zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur eine der beiden Wicklungen (5,10) mit eingeprägtem Strom gespeist wird und beide Wicklungen (5,10) beim Überschalten kurzzeitig in Parallelschaltung an der gleichen, den eingeprägten Strom liefernden Stromquelle liegen.

6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstanten der beiden Wicklungen (5,10) durch zusätzliche Widerstände verkleinert werden.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 4 bis 6 mit Speisung durch Gleichstrom über Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß der den Wicklungen (5,10) zugeführte'Gleichstrom durch zusätzliche Mittel (steuerbarer Parallelweg (16,19) fein geregelt wird.

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