DE2220918A1 - Innere erregung fuer eine dynamoelektrische maschine - Google Patents

Description

Innere Erregung für eine dynamoelektrische Maschine

Die Erfindung betrifft allgemein statische Erregersysteme für große durch Gas oder Flüssigkeit gekühlte dynamoelektrische
Maschinen und insbesondere selbsterregte dynamoelektrische Maschinen unter Verwendung von Erregertransformatoren zur Schaffung einer Compound-Erregerleistungsquelle für die Feldwicklungen.

Erregersysteme für sehr große dynamoelektrische Maschinen, wie beispielsweise Turbinen-Generatoren, sind bezüglich ihrer Kompliziertheit und ihrer Leistung gewachsen einhergehend mit dem Ansteigen der Leistung der Generatoren selbst. Frühere Erregersysteme enthielten rotierende Leistungsquellen, wie beispiels-

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weise einen getrennten Gleichstromgenerator, der von der Turbinen-Generatorwelle angetrieben wurde und über Schleifringe und Bürsten die Felderregung an die Drehfeldwicklung lieferte. Eine weitere Anordnung, bei der die Erregerleistungsquelle rotiert, verwendet einen Wechselspannungserreger, welcher durch den Turbinen-Generator angetrieben wird, wobei noch eine Gleichrichtung und Steuerung der Erregerspannung in externen stationären Gleichrichtersätzen erfolgt.

Das System mit rotierendem Gleichrichter stellt eine weitere Variation dar, bei der Komponenten der Erregerquelle rotieren. Dort wird ein Wechselspannungserreger von dem Turbinen-Generator angetrieben und liefert über Gleichrichter, welche von der rotierenden Welle getragen werden, Strom an die Feldwicklungen.

Eine sehr breite getrennte Kategorie von Erregersystemen, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist das "statische" System, bei dem die Erregerleistungsquelle, die Gleichrichter und die Komponenten des Spannungsreglers nicht rotierend sind. Es sind statische Erregerleistungsquellen vorgescliagen worden, welche die Felderregung einem Generator dadurch zuführen, daß sie die Erregerleistung den Statorausgangssammelleitungen mittels eines äußeren "Erregertransformators" entnehmen, wobei "Potential"- und "Strom"-Wicklungen mit den Generatorleitungen gekoppelt sind. Obwohl solche Systeme, die manchmal durch eine Gleichstrom-"Sättigungs"-Steuerwicklung auf dem Erregertransformator gesteuert werden, eine ausgezeichnete selbstregelnde Leistungsquelle ergeben, besitzen diese Systeme eine Neigung, groß und kostspielig zu sein, sie komplizieren die Anordnung der Kraftanlage, sie erfordern getrennte Kühlsysteme und erfordern unerwünschte Verbindungen in oder zwischen den isolierten Phasensammelleitungen zwischen dem Generator und dem Hauptleistungstransformator.

In einem statischen System kann eine sehr schnell ansprechende und in weitestem Maße selbstregelnde Erregerwirkung erreicht werden durch eine "Compound"-Anordnunr* der Erregerwicklungen, so daß die Erregerspannung sowohl auf den ausgangsseiti?ren Ver-

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braucherstrom des Generators als auch auf die Hauptgeneratorklemmenspannung anspricht. Die letztere ihrerseits wird erhalten aus dem vom Rotor erzeugten synchronen Fluß (dieser ist abhängig von dem Feldstrom des Rotors), vermindert um den vektoriell subtrahierten Wert für den Abfall durch die Streureaktanz des Stators (welche von dem Statorstrom abhängt). Innerhalb der Begrenzungen, welche gegeben sind durch die Compound-Leistung für eine Klemmenspannung und einen Klemmenstrom, die dünn einen festen Verlustwinkel voneinander getrennt sind, ist es möglich, statische Erregersysteme aufzubauen, welche in gewissen Bereichen des Verlustfaktors oder Verlustwinkels ein Verhalten zeigen, das unterhalb der Compound-Werte, bei diesen Werten oder über diesen'Werten liegt. Typisch für solche statische Compound-Erregersysteme sind die Systeme gemäß US-Patent 2 208 416 und 2 454 582. Es ist für solche statischen Systeme charakteristisch, daß die Linearität in der selbstregelnden Wirkung sich nur über einen begrenzten Bereich der Betriebswerte der Klemmenspannung, des Klemmenstroms und des Verlustwinkels erstreckt. Daher versucht der Konstrukteur Compound-Verhältnisse zu erreichen, welche einen Kompromiß der Anforderungen bezüglich der Erregung in dem gesamten Betriebsbereich darstellten mit einem Mindestmaß an Gesamtreglerleistung.

Es wurden bisher die verschiedensten Vorschläge gemacht,um statische Leistungsquellen für die Erregerleistung im Innern der dynamoelektrischen Maschine vorzusehen, wie beispielsweise Hilfswicklungen in dem Endwindungsbereich (Französisches Patent 1 050 847) oder Hilfswindungen in den Hauptwicklungsnuten (US-Patent 3 132 296). Eine Erregerleistungsquelle mit Compound-Verhalten mittels innerer Wicklungen, die auf den Feldfluß und den Streufluß der Hauptwicklungen ansprechen, wird beschrieben im US-Patent 3 479 543. Es wurden auch Vorschläge gemacht zur Anzapfung der Hauptwicklungen einer dynamoelektrischen Maschine, beispielsweise im US-Patent 3 035 222, um eine Loistungsquelle für äußere Gleichrichtung zu erhalten. Eine solche Anordnung ist nur geeignet für relativ kleine Wechselstrommaschinen.

Es wäre erwünscht, ein Erreg<?rsystem mit einer Compoundierung mit

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hoher Ansprechgeschwindigkeit, einfacher Steuerung zu haben, das über einem weiten Bereich so eingestellt werden kann, daß es entweder selbstregelnd ist oder eine erzwungene Erregung liefert, welche den momentanen Erfordernissen des Systems angepaßt ist, unter Verwendung imerer Wicklungen, und welches geeignet ist, in einer einfachen, kompakten und zuverlässigen Weise mit modernen gas- oder flüssigkeitsgekühlten Generatoren integriert zu werden.

Im US-Patent 2 83) 716 wird angedeutet, daß eine weitere Flexibilität der Konstruktion dadurch erhalten werden kann, daß ein Hilfstransformator zur Einstellung der lastabhängigen Komponente des Erregerstroms bezüglich seiner Phase und seiner Amplitude verwendet wird. Dies erfordert jedoch eine Vielzahl von Abgriffen auf dem Erregertransformator und erfordert weiterhin einen zusätzlichen Hilfstransformator.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein inneres Erregersystem zu schaffen, in dem die Phasenbeziehung zwischen der auf den Strom ansprechenden Komponente und der auf die Spannung ansprechenden Komponente in leichter Weise auswählbar ist.

Ein weiteres Ziel besteht darin, eine interne in breitem Maße einstellbare statische Compound-Erregerleistungsquelle zu schaffen, welche eine Phaseneinstellung der in den inneren Wicklungen erzeugten Spannung gemäß dem von der Rotorfeldwicklung erzeugten synchronen Fluß gestattet.

Ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Durchführung der Erfindung und weiterer Aufgaben und Vorteile ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. ¹ zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung pines Turbinen-Generators mit einer neuen Form des statischen Erregersystems und einem integrierten inneren neutralen und Erregertransformator, der durch das Kühlsystem der dßynamoelektrlschen Maschine gekühlt ist.

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Fig. 2 ist eine Teilansicht, teilweise im Schnitt, des oberen Endes einer dynamoelektrischen Maschine und veranschaulicht die räumliche Anordnung der Bauteile.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Statornut längs der Linie III-III der Figur 2.

Fig. 4 ist eine vereinfachte schemati sehe Abbildung ähnlich der Figur 1 und zeigt eine abgewandelte Form gemäß der Erfindung mit einer außen angeschlossenen Neutralkomponente.

Fig. 5 ist eine vereinfachte schematische Abbildung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bezüglich der Einrichtung zur Steuerung des internen Erregertransformators.

Fig. 6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform, bei der ein äußerer aber benachbarter Erregertransformator das Kühlsystem der dynamoelektrischen Maschine ausnutzt.

Die Figuren 7a bis 7c geben Vektordiagramme für den Generator, und zwar ohne Last, mit nacheilendem Verlustwinkel und mit voreilendem Verlustwinkel.

Kurz gesagt wird die.Erfindung dadurch ausgeführt, daß ein innerer Erregertransformator vorgesehen wird. Der Transformator besitzt mindestens zwei Primärwicklungen, von denen eine durch eine zusätzliche "Potential"-Wicklung versorgt wird, welche in Nuten ei»- gefügt ist, die so ausgewählt sind, daß eine im wesentlichen spannungsabhängige Komponente in einer ausgewählten Phasenbeziehung zu einer stromabhängigen Komponente geliefert wird, welche der anderen Primärwicklung zugeführt ist. Diese letztere Wicklung besteht aus den inneren Leitungen der in Sternschaltung verbundenen Hauptwicklung der dynamoelektrischen Maschine. Die sekundäre oder ausgangsseitige Wicklung des Erregertransformators versorgt einen konventionellen Gleichrichter zur Lieferung der Felderregerleistung über konventionelle Schleifringf».

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Fig. 1 der Abbildung zeigt eine dynamoelektrische Maschine, beispielsweise einen großen Turbinen-Generator in schematischer Darstellung mit einem Stator 1 und einem Rotor 2 für den Betrieb innerhalb eines abgeschlossenen Gehäuses 3. Ein Kühlsystem für die dynamoelektrische Maschine ist symbolisch dargestellt durch die Kühlschlangen 4 und den Zirkulationslüfter 5 im Innern des Gehäuses 3, welche mit einem äußeren System 6 zur Ableitung der Wärme außerhalb des Gehäuses verbunden sind. Dieses symbolisch dargestellte Kühlsystem kann eine große Vielzahl von an sich dem Fachmann bekannten Formen für große dynamoelektrische Maschinen annehmen, beispielsweise die Einzelkühlung oder die Kühlung in Kombination mit einem Gas, beispielsweise Wasserstoff, das von Lüftern auf dem Rotor zirkuliert wird, oder die Kühlung mit Flüssigkeiten, beispielsweise Öl oder Wasser, die durch Pumpen über Leitungen zwischen den elektrischen Wicklungen oder durch Kanäle in den Wicklungen selbst zirkuliert werden. Beispiele für solche Systeme sind enthalten in dem US-Patent 2 695 368.

Auf dem Rotor 2 ist eine Feldwicklung 7 angeordnet,die über eine Anordnung 8 von Schleifring und Bürste aus einem Gleichrichtersatz 9 in Dreiphasen-Brückenschaltung versorgt wird. Die Steuerung der Gleichrichterspannung wird gewährleistet mit Hilfe von gesteuerten Siliziumgleichrichtern 10, die im Nebenschluß über eine Seite des Ausgangs der Gleichrichterbrücke geschaltet sind. Der Gleichrichtersatz 9 und die Einrichtung zu seiner Steuerung, beispielhaft dargestellt durch die gesteuerten Siliziumgleichrichter 10, ist typisch für konventionelle oder bekannte Erregersteuerschaltungen. Eine für die Erregersteuerung geeignete Anzahl solcher Anordnungen werden beispielsweise im US-Patent 3 369 171 vorgeschlagen.

In den Nuten des Stators des Generators ist in konventioneller Weise eine Generatorhauptwicklung 11 angeordnet, die drei Phasenwicklungen 11a, 11b und lic umfaßt. Jeder Phasensatz, beispielsweise der Satz 11a, kann in Wirklichkeit parallel geschaltete Wicklungen umfassen. Er ist jedoch der Einfachheit halber als einzelne Wicklung mit einer Anschlußleitung 12 und einer neutralen oder Masseleitung 13 dargestellt.

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Eine konventionelle Anordnung zum Anschluß der Hauptwicklung ti des Generators würde darin bestehen, die Phasenleitung 12 und die neutralen oder Masseleitungen 13 aus" dem Gehäuse durch Buchsen herauszuführen, die Masseleitungen 13 miteinander zur Bildung einer äußeren Masseverbindung zu verbinden und diese Verbindung über einen Erdtransformator hoher Impedanz und mit geeignetem Schutzrelais zu erden. In der vorliegenden bevorzugten Anordnung werden jedoch nur die Phasenleitungen 12 aus dem Generatorgehäuse 3 über Buchsen 14 herausgeführt. Die Masseleitungen 13 andererseits stellen hier primäre Wicklungen mit einer einzigen Windung für einen inneren Erregertransformator dar, der schematisch durch die gestrichelte Umrahmung 15 dargestellt ist. Obwohl die Masseleitungen zur Bildung einer Primärwicklung mit einer Windung lediglich einmal durch einen laminierten Kern hindurchgehen, ist die Primärwindung in Fig. 1 symbolisch durch Spulen 16 dargestellt, welche Primärwindungen andeuten. Nach dem Durchgang durch den Kern des inneren Erregertransformators 15 werden die Masseleitungen 13 an einem gemeinsamen Masseverbindungspunkt 17 miteinander verbunden, der im Inneren des Generatorgehäuses 3 angeordnet und galvanisch über eine Buchse 17 a verbunden ist mit einer außerhalb angebrachten Einrichtung 17b für die Erdung und den Relaisschutz mit konventioneller Bauweise. Ebenfalls beeinflußt durch die Masseleitungen 13 sind die getrennten Stromtransformatoren 18, die für Zwecke der Überwachung, des Schutzes und der Instrumentenanzeige vorgesehen sind und keine Beziehung zur vorliegenden Erfindung besitzen.

Der innere Erregertransformator 15 besitzt eine zweite Primärwicklung 19, die von einer zusätzlichen Leistungsquelle auswählbarer Phase versorgt wird. In der Figur 1. und aus den Figuren 4, 5 und 6 nimmt diese die Form einer zusätzlichen Mehrphasenwicklung 20 in der Statorbohrung an und besitzt vorzugsweise die Form einer flüssigkeitsgekühlten Wicklung, die zusammen mit der Hauptwicklung in den Nuten des Stators der dynamoelektrischen Maschine angebracht ist und für jede Phase nur eine halbe Windung besitzt. Jeder Phasenleiter, beispielsweise der Leiter 20a der Zusatzwicklung, wird in die richtige Nut eingesetzt, um die erwünschte

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Phasenbeziehung bezüglich beispielsweise einer Phasenwicklung 11a der Hauptwicklung zu erhalten. Diese Phasenbeziehung wird bestimmt durch diejenige Nut, in welche die Phasenwicklung 20a eingesetzt wird (vgl. Fig. 3, Bezugsziffer 40). Das Ausgangssignal von jeder der Phasen der zusätzlichen Wicklung, beispielsweise der Phase 20a, wird über eine entsprechende Wicklung der Erreger-Primärwicklung 19, beispielsweise die Wicklung 19a, und einen in Reihe geschalteten Reaktor 21a einem inneren geerdeten Masseanschluß 22 zugeführt.

Die beiden Primärwicklungen 19a und 16a sind so in einem gemeinsamen Kern in dem Erregertransformator 15 angeordnet, daß sie eine Spannung in einer entsprechenden Phasenwicklung 23a einer Sekundärwicklung 23 mit Dreiecksschaltung erzeugen. Die Ausgangsleitungen von der Sekundärwicklung 23 verlassen das Generatorgehäuse über die Buchsen 24 und sind als Dreiphaseneingang mit dem Gleichrichtersatz 9 verbunden.

Fig. 2 der Abbildungen zeigt eine tatsächliche Anordnung von Bauteilen in einem großen Generator unter Verwendung der gleichen Bezugsziffern für die Darstellung identischer Teile. Ein Schnitt der oberen Hälfte eines Endes einer dynamoelektrischen Maschine zeigt, daß das gasdichte Gehäuse 3 einen Statorkern 1 in Lamellenbauweise besitzt mit am Umfang angeordneten Nuten zur Aufnahme der Hauptwicklungen H. Ein Teil des Rotors 2 ist dargestellt und trägt ein Lüfterelement 2a, welches einen Teil des Wasserstoffgaskühlsystems bildet und zur Zirkulation des Gases für den Stator 1 und den Rotor 2 durch die verschiedenen Kanäle dient, wobei das Gas dann durch geeignete Wärmeaustauscher 25 wfeder gekühlt wird, welche im Innern des Gehäuses angeordnet sind.

Die Hauptwicklung 11 wird auch im Innern gekühlt durch ein Flüssigkeitskühlsystem, wie es mit weiteren Einzelheiten in dem vorgenannten US-Patent 2 695 368 beschrieben ist. Dieses liefert eine Flüssigkeit, beispielsweise entionisiertes Wasser, von inneren Kopfstücken 26 durch isolierte Schläuche 27 zu flüssigkeitsgekühlten Stangenenden 28 (bar terminations) und von dort durch die hohlen Windungen zur Kühlung und Zirkulation am anderen Endp

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des Generators. Die nicht gezeigten Phasenleitungen von der Wicklung 11 werden aus dem unteren Teil des Generators über Hochspannungsbuchsen herausgeführt.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Masseleitungen 13 in den oberen Teil des Generators hinein fortgesetzt. Das Gehäuse 3 wird durch eine Kuppel 3a vergrößert, welche durch geeignete Leitungen 29 zur Kühlung durch Gas eingerichtet ist, das über den Wärmeaustauscher 25 und dann durch die Kuppel 3a zur Kühlung der Bauteile in der Kuppel geführt wird. Die Bauteile schließen ein den inneren Erregertransformator 15, die Reaktoren 21 mit Masseverbindungspunkt 22 und die Masseverbindung 17 der Hauptwicklung, welche mit Hilfe von Buchsen 17a durch das Gehäuse geführt ist zur äußeren Befestigung an einer konventionellen Einrichtung 17b zur Erdung und zum Relaisschutz.

Der Erregertransformator 15 enthält 3 Kerne in Lamellenbauweise für die 3 Phasen, wie beispielsweise den Kern 30. Diese sind in einer gestaffelten Anordnung längs der Oberseite der dynamoelektrischen Maschine im Innern der Kuppel 3a angeordnet. Jeder der Kerne 30 ist so angeordnet, daß er einen Verbindungsweg für den Fluß zwischen einem Paar primärer Wicklungen und einer Sekundärwicklung ergibt, beispielsweise zwischen den Wicklungen 16a und 19a, und der Sekundärwicklung 23a. Die Primärwicklung 16a umfaßt eine Primärwicklung aus einer" einzigen Windung. Diese wird durch einen L-förmigen Hohlleiter 31 gebildet, dessen vertikaler Schenkel durch den Transformatorkern 30 geht. Das obere Ende des Hohlleiters 31 ist mit der Masseverbindung 17 verbunden. Zusammen mit zwei anderen ähnlichen Leitern für die anderen beiden Phasen wird er in einem Bügel 32 gehalten nach dem Durchgang durch den Stromüberwachungstransformator 18.

Das untere Ende des Hohlleiters 31 ist elektrisch mit einem der neutralen Enden der Phasenwicklungen mit Hilfe einer flexiblen elektrischen Verbindung 33 verbunden. Eine hohle isolierende Hülse 34 steht in Strömungsmittelverbindung mit dem Versorgungsrohr 35 für kaltes Gas und auch mit dem Innern des Leiters 31, und liefert

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wie durch die Pfeile gezeigt, einen Strom von Kühlgas von dem Wärmeaustauscher 25 durch den Leiter 31 zu einer Auslaßöffnung 36 am Massepunkt. Kühlkanäle 30a sind zwischen den Paketen von Eisenblech in den Transformatorkernen 30 angebracht und in ähnlicher Weise durch Prallbleche (nicht gezeigt) zur Strömungsmittelverbindung mit der Versorgungsleitung 35 für kaltes Gas verbunden. Daher werden sowohl die Außenbereiche der in der Kuppel 3a angeordneten Kerne und Wicklungen als auch der Innenteil der neutralen Leitung als Primärwicklung und die Kerne der Erregertransformatoren durch das Kühlgas des Generators gekühlt.

Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt, ist die Leistungsquelle mit auswählbarer Phase für die andere Primärwicklung 19 des inneren Erregertransformators eine Zusatzwicklung, die zusammen mit der Hauptwicklung in den Nuten der dynamoelektrischen Maschine angeordnet ist. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Nut der dynamoelektrischen Maschine. Die Nuten enthalten isolierte Armaturstäbe 36, die durch schwalbenschwanzartige isolierte Keilteile 37 an ihrem Platz gehalten werden. An drei in gleichem Abstand um die Bohrung des Armaturkernes angebrachten Plätzen trägt ein besonders aasgestalteter Keilteil 38 ein isoliertes Leiterteil 40, das aus hohlen Kanälen und festen Drähten zusammengesetzt ist, sich über die Länge des Generatorkernes erstreckt und zu einer Verbindung mit dem synchronen Feldfluß des Rotors eingerichtet ist. Der Leiter 40 bildet dadurch eine Phasenwicklung mit einer halben Windung entsprechender Phasenwicklung 20a der Fig. 1.

Die drei Leiter 40 sind mit einer geeigneten neutralen Verbindung an einem Ende des Stators des Generators miteinander verbunden. An dem anderen Ende jedoch werden sie aus der Nut herausgeführt und in einer isolierenden Hülse gehalten gemäß der Bezugsziffer 41 der Fig. 2 zur Verbindung mit der Primärwicklung IDa. Das andere Ende der Primärwicklung 19a wird über einen isolierten Hohlleiter 42 zur Reaktorwicklung 21a und von dort über einen ähnlichen Hohlleiter 43 zur neutralen oder Masseverbindung 22 geführt. Die Masseverbindung 22 besitzt die Form eines hohlen

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Flüssigkeitskopfteiles (header), der durch ein Schlauchteil 44 mit einem flüssigen Versorgungskopfteil 45 für kalte Flüssigkeit ähnlich dem Kopfteil 26 verbunden ist.

In der oben beschriebenen Weise wird daher eine Reihenschaltung erreicht von einer Phasenwicklung 20a (welche im Oberteil einer Statornut angebracht ist) durch die Erregerprimärwicklung 19a und die Reaktorwicklung 21a zur neutralen Verbindung 22. Dabei ist eine ähnliche Anordnung für alle drei Phasen vorgesehen. Ebenso beinhaltet die Einrichtung zur Flüssigkeitskühlung der obigen Anordnung die Schlauchverbindung 44 mit den in Reihe verbundenen Wicklungen 21*»19a, 20a , welche in Strömungsmittelverbindung miteinander stehen.

Die offenbarte elektrische Schaltung soll nunmehr vom Standpunkt der Arbeitsweise betrachtet werden. Die Primärwicklung 16 des inneren Erregertransformators spricht dabei auf den Strom an, der durch die Masseleitungen 13 zu und von der inneren Masseverbindung 17 fließt. Daher stellt die Primärwicklung 16 den Stromtransformator (auch CT genannt) der konventionelleren statischen Erregersysteme dar.

Die zusätzliche Wicklung 20 spricht an auf den synchronen Fluß oder den Fluß im Luftspalt, der durch die rotierende Feldwicklung 7 erzeugt wird, und versorgt die andere Primärwicklung 19 des inneren Erregertransformators. Da der synchrone Fluß des Rotors eine "virtuelle" Spannung in der Hauptstatorwicklung erzeugt, welche gleich der Klemmenspannung des Generators ist, wenn kein Statorverbraucherstrom fließt, und bei Fließen eines Statorstromes sich von der Generatorklemmenspannung um den Spannungsabfall an der Streureaktanz des Stators unterscheidet, ist die Primärwicklung 19 gleichsam analog der Wicklung des Potentialtransformators (auch PT genannt) von vorbekannten statischen Erregersystemen. Die Amplitude ist ,jedoch hier proportional der virtuellen Spannung des Generators (denFluß im Luftspalt) anstatt der Klemmenspannung des Generators (virtuelle Spannung vermindert um den Spannungsabfall an der Streureaktanz). Dies ergibt die erwünschte Eigenschaft einer Amplitude der Spannung der Zusatz-

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wicklung, die größer ist als die Klemmenspannung im Falle eines nacheilenden Verlustwinkels und kleiner ist als die Klemmenspannung im Falle eines voreilenden Verlustwinkels.

Ein weiterer wichtiger Unterschied bei diesem System besteht darin, daß die Phasenverschiebung dieser Erregerwicklung bezüglich der Hauptwicklung frei gewählt werden kann, um die optimalen Compoundierungsverhältnisse zwischen den Primärwicklungen für Strom und Potential auf dem Erregertransformator zu erhalten. Da die zusätzliche Wicklung 20 in irgendeinen erwünschten Satz von Statornuten eingesdzt werden kann, kann dies auf einfache Weise durch Auswahl des richtigen Satzes von Nuten geschehen. Die zusätzliche Wicklung ergibt daher einen weiteren Grad der Flexibilität, welcher bei vorbekannten statischen Erregersystemen nicht erreicht wurde.

Der Zweck der Reaktoren besteht darin, die Arbeitsweise des Systene über einen äußerst breiten Bereich von Klemmenbedingungen des Generators sowohl für den stationären Zustand als auch für vorübergehende Zustände zu stabilisieren.

Die Primärwicklungen 16 und 19 schaffen zusammen eine Flußverbindung oder Verknüpfung mit den Sekundärwicklungen 23, welche den Gleichrichtersatz versorgen. Daher wird den Schleifringen 8 des Rotors ein gleichgerichteter Feldgleichstrom zugeführt, der nach dem an sich bekannten Compound-Effekt jetzt sowohl auf den Generatorstrom als auch das Generatorpotential anspricht und so ausgelegt werden kann, daß er eine momentane Erregerzwangswirkung und eine stationäre selbstregelnde Wirkung erzeugt, welche die Ansprechzeit des Generators auf ein Mindestmaß bringt und die Steueranforderungen vermindert.

Vom Standpunkt der physischen Anordnung ist der Erregertransformator 15 mit den Wicklungen 16, 19, 23 räumlich kleiner als vorbekannte Erregertransformatoren, da er durch die Kühlsysteme des Generators wirksam gekühlt wird, und zwar in der vorliegenden Aueführungsform sowohl durch die Gaskühlung als auch durch die

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Flüssigkeitskühlung. Da er in seinen Abmessungen viel kleiner ist als konventionelle äußere Erregertransformatoren wird es überhaupt erst praktisch möglich, den Erregertransformator im Innern anzuordnen und dadurch wird es praktisch, das Generatorkühlsystem zu verwenden und es in die Struktur der inneren Masseleitung des Generators zu integrieren. Ein solcher synergistischer Effekt wird erreicht durch Anordnung des inneren Erregertransformators im Inneren oder in nächster Nachbarschaft des Generatorgehäuses zur Ausnutzung des Kühlsystems des Generators.

Durch Verbindung der neutralen Enden der Phasen im Inneren anstatt ihrer Herausführung durch neutrale Buchsen wird eine sehr kompakte und bequeme Anordnung erhalten. Die Anbringung der neutralen Verbindungen oder Masseverbindungen oben auf dem Generator bei gleichzeitiger Herausführung der Leitungsenden der Phasen am unteren Teil macht es räumlich gesehen sehr einfach, die Masseleitungen oder neutralen Leitungen durch die Kerne des inneren Erregertransformators hindurchzuführen, so daß sie Primärwicklungen mit einer Windung ergeben. Gleichzeitig ergibt dieses ein Maximum an Zugänglichkeit für die Installation oder die Wartung der Erregertransformatoren (durch einfaches entfernen der Kuppel 3a) und es schafft freien Raum am Boden des Generators, so daß die isolierten Phasensammelleiter-Verbindungen in der leichtesten möglichen Weise gemacht werden können. Durch Anordnung der Einrichtung 17b zur Transformatorerdung und zum Relaisschutz für den Generator außerhalb des Generators, jedoch in unmittelbarer Nachbarschaft zum Massepunkt, wird ein Maximum an Zugänglichkeit, Schutz und bequemer Handhabung dieser letzteren Elemente erzielt.

Die dielektrischen Anforderungen und die dielektrische Beanspruchung dieser statischen Erregeranordnung sind auf ein Mindestmaß gebracht, da der Erregertransformator das neutrale Ende der Generatorphasenwicklungen koppelt und nicht die Phasenenden der einzelnen Phasen und da die Potentialwicklung elektrisch von Hauptwicklungen isoliert ist.

Die Figuren 4 bis 7 zeigen verschiedene abgewandelte Formen der

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Erfindung. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine interne Masseverbindung verwendet, zeigt die Figur 4 eine Anordnung, bei der die Masseverbindung 50 außerhalb des Generatorgtfhäuses gemacht wird, nachdem die neutralen Leitungen 13 über Buchsen 51 nach ihrer Durchführung durch den Erregertransformator 15 herausgebracht werden. Bei dieser Anordnung werden die Stromüberwachungstransforraatoren 18 ebenfalls bequemerweise außerhalb des Gehäuses angeordnet, um für die Wartung zugänglich zu sein.

In Fig. 5 ist ein geringfügig verschiedenes Steuersystem für den internen Erregertransformator verwendet. Die gesteuerten Siliziumgleichrichter 10 der Figur 1 werden weggelassen und an ihrer Stelle wird eine zusätzliche Steuerwicklung 52 dem Kern des internen Erregertransformators zugefügt. Ein konventioneller Spannungsregler 53 liefert eine geregelte Gleichspannung, welche der Steuerwicklung 52 zugeführt wird. Die Wicklung 52 ist bezüglich der anderen Wicklungen so angeordnet, daß sie eine Sättigung der Kerne des internen Erregertransformators ermöglicht und dadurch die Steuerung der Ausgangsleistung von der Sekundärwicklung 23 zu einem Gleichrichtersatz 9a mit Diodenbrücke und drei Phasen.

Die Arbeitsweise dieser vorstehend beschriebenen abgewandelten Form der Erfindung in Figur 5 ist .ähnlich der Arbeitsweise eines konventionellen Strom-Potentialtransformators mit Sättigung (auch SCPT genannt) mit dem wichtigen Unterschied, daß sie flexibler ist bezüglich der Wahl der PhasenVersetzung der zusätzlichen Wicklung in den Nuten und auch infolge der Konstruktion und der geringeren Abmessungen des internen Erregertransformators eine höhere Ansprechgeschwindigkeit und ein besseres Ansprechen besitzt.

Fig, 6 zeigt eine andere Abwandlung der Erfindung mit einer geringfügig verschiedenen physischen Anordnung des Generators. Das Generatorgehäuse 3 ist dadurch abgewandelt, daß der Erregertransformator 15 und die Reaktoren 21 in einem verschlossenen Gehäuse 55 eingeschlossen sind, das vom Generatorgehäuse 3 getrennt, aber räumlich eng benachbart ist. Die Kühlung des Gehäuses 55 wird er-

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reicht mit Hilfe des Generatorkühlsystems über Verbindungsleitungen, die symbolisch bei 56 angedeutet sind, und durch eine Anordnung 57 zur Zirkulation. Die Massepunktverbindung 50 wird außerhalb des Generatorgehäuses vorgenommen, wie zuvor im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Fig. 4 beschrieben.

Die Bedeutung der Anordnung eines getrennten Gehäuses, das jedoch nahe genug benachbart ist, um das Kühlsystem der dynamoelektrischen Maschine auszunutzen, kann verstanden werden anhand einer Betrachtung der räumlichen Anordnung gemäß Fig. 2. Dort würde die zusätzliche Kuppel 3a durch ein getrenntes Gehäuse ersetzt, welches jedoch in etwa der gleichen Lage oben auf dem Generator angeordnet sein kann. Daher wäre dann die Konstruktion des Generators nicht mehr so sehr abhängig von der Konstruktion des inneren Erregertransformators und anderer Komponenten mit Ausnahme der zwischengeschalteten Kühlkanäle. In ähnlicher Weise kann das Gehäuse 55 unmittelbar unterhalb der dynamoelektrischen Maschine aber eng benachbart zu derselben angeordnet werden.

Die Figuren 7a, 7b und 7c zeigen Vektordiagramme für den Generator unter Leerlaufbedingungen bzw. bei nacheilendem Verlustwinkel und voreilendem Verlustwinkel. Dabei ist die Spannung V_t die äußere Spannung zwischen Masse und Phase und L ist der Phasenstrom unter Last. In Fig. 7a fließt kein Verbraucherstrom oder Laststrom. In Fig. 7b eilt der Laststrom I_T der Klemmenspannung V. um den Ver-

ο lustwinkel Q^ nach, in diesem Beispiel um etwa 30 . In der Fig.7c eilt der Laststrom I_T der Klemmenspannung V. um einen Verlustwin-

kel θρ von beispielsweise etwa 15 vor.

Voreilend bezüglich des Phasenstroms I_ um etwa 90° in beiden Fi-

Lt

guren 7b und 7c ist ein Spannungsabfall X_T . · I_T infolge der

LiA Li

Streureaktanz der Armatur. Wenn dieser Spannungsabfall vektoriell der Klemmenspannung V. zugeführt wird, ergibt sich der Spannungsvektor e_v. Die Spannung e wird manchmal "virtuelle Spannung" genannt und ist die Spannung, die in der Armaturwicklung unter Belastung durch den synchronen Fluß im Luftspalt erzeugt wird. Da die zusätzliche Wicklung in eine Nut eingeführt wird, ist ihre

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Amplitude proportional der virtuellen Spannung.

Ein weiterer Spannungsabfall X._D · I. ist verursacht durch die Gegenspannung der Armaturwicklung und ergibt bei Vektoraddition zu der Spännung e die Spannung e., welche bei Vernachlässigung der Sättigung proportional ist derjenigen Erregerspannung, die bei dem Laststrom I_T dem Feld zur Erzeugung der Klemmenspannung V. zugeführt werden muß. Die konventionellen Erregersysteme mit 'Compound-Betrieb versuchen, eine Erregerquelle mit auf Spannung und Strom ansprechenden Bauteilen zu erhalten, um ein Vektordreieck zu erzeugen, ähnlich dem von den Vektoren V. und e. begrenzten Dreieck.

Das vorliegende System unterscheidet sich darin, daß die Spannung der zusätzlichen Wicklung in ihrer Amplitude proportional der virtuellen Spannung e ist und daher zu einem Grade durch den Strom beeinflußt wird, welcher auf den Spannungsabfall Xta'It zurückzuführen ist. Ebenso gestattet die Auswahl der Nut oder der Nuten, in welche die zusätzliche Wicklung eingesetzt wird, eine Verschiebung der Phase der in der zusätzlichen Wicklung erzeugten Spannung gegenüber der virtuellen EUpannung. Diese Phasenverschiebung bleibt konstant bezüglich der virtuellen Spannung unter allen Belastungsbedingungen unabhängig davon, ob ein voreilender oder nacheilender Verlustwinkel vorliegt.

Fig. 7a zeigt, daß durch Einsetzen der Zusatzwicklung in Nuten auf der einen oder anderen Seite der Mittellinie der Hauptarmaturwicklung, bezogen auf den unbelasteten Zustand, die in der zusätzlichen Wicklung erzeugte Spannung e in der Phase um den Winkel A oder B zu beiden Seiten des Vektors e für die virtuelle

Spannung (welcher koinzident ist mit der Klemmenspannung) versetzt sein wird.

Es sei angenommen, daß der Winkel A gewählt wird und der Generator jetzt unter Belastung gemäß Fig. 7b betrieben wird. Dip Spannung e der Zusatzwicklung bleibt in dem gleichen Phasenverschiebungswinkel A bezüglich der virtuellen Spannung e . In gleiche!· Weise

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wird gemäß Fig. 7c die Spannung e in der Phase um den gleichen Winkel verschoben bezüglich eines kleineren Wertes von e . In allen Fällen ist selbstverständlich die Amplitude von e proportional e .

Die Betrachtung der Vektordiagramme zeigt zuerst, daß eine Zusatzwicklung ohne Phasenversetzung eine Spannungskomponente mit relativ größerer Amplitude bei nacheilendem Verlustwinkel und eine relativ kleinere Spannungskomponente bei voreilendem Verlustwinkel erzeugen wird als konventionelle Compound-Systeme, deren Spannungskomponenten von der Klemmenspannung V₊. erzeugt werden. Zweitens kann durch Einführung einer Phasenverschiebung, beispielsweise der Verschiebung A, die Kurve der Erregung in Abhängigkeit vom Verlustwinkel für einen bestimmten Generator so zugeschnitten werden, daß man einen erwünschten Sicherheitsabstand zwischen der erforderlichen Erregerspannung und der tatsächlich verfügbaren Erregerspannung über den gesamten Bereich der möglichen Verlustwinkel erhält. Daher ist durch die richtige Wahl der Nuten, in welche die Zusatzwicklung eingesetzt werden, ein optimales Compound-Verhalten erreichbar, so daß die Zusatzwicklung zu einer Leistungsquelle mit wählbarer Phase für die Primärwicklung 19 des internen Erregertransformators wird.

Die vorstehend offenbarten Anordnungen besitzen zunächst die Vorteile aller statischen Erregersysteme insofern, daß die normale rotierende Ausrüstung eines getrennten Erregers beseitigt wird und das Ende des Generators mit Ausnahme der Schleifringe frei ist. Durch die interne Anordnung der Erregertransformatoren wird beträchtliche Grundrißfläche eingespart und getrennte Fundamente werden beseitigt. Ein Maximum an Freiheit für die isolierte Phasensammelleitung des Generators wird dadurch erhalten, daß die Masseleitung und die Erregerausrüstung für den Generator oben auf dem Generator angeordnet wird. Dies gewährleistet ein Maximum an Zugänglichkeit und gestattet eine Verstärkung des Statorrahmens an seinen Endabschnitten. Es wird ein gutes Ansprechen der Erregung erzielt infolge der innewohnenden selbstregulierenden Wirkung und der laminaren Magnetstrukturen mit geringer Zeitkonstante für die

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internen Erregertransformatoren. Über einen äusserst weiten Bereich von Betriebsverhältnissen des Generators kann eineloptimale Kombination der Erregerzwangswirkung während vorübergehender Vorgänge im System und eine selbstregelnde Wirkung während stationärer Zustände erreicht werden mit einem Minimum an Steuerleistung wegen der grösseren Flexibilität, die bei der Auswahl der Compound-Beziehungen bei diesem System verfügbar ist. Die Anordnung des Erregertransformators im Inneren des Generatorgehäuses und die Verwendung der Masseleitungen der Hauptwicklungen vermeidet die Notwendigkeit zu einer Unterbrechung der isolierten Phasensammelleitung an dem auf hoher Spannung liegenden Ende der Hauptwicklungen. Die Verwendung der Generatorkühlmittel vermindert in starkem Masse die Abmessungen des Erregertransformators im Gegensatz zu konventionellen äusseren Transformatoren und dies begünstigt seinerseits die Einfügung des Transformators im Innern des Generatorgehäuses. Es wurde daher vorstehend ein in starkem Masse verbessertes statisches Erregersystem für grosse dynamoelektrische Maschinen mit Innenkühlung offenbart. -Der Fachmann wird die verschiedensten Möglichkeiten zu einer Abwandlung der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen im Rahmen der allgemeinen Lehre der Erfindung erkennen. Beispielsweise können die Masseverbindungen in einem vergrösserten Anschluekasten unterhalb des Generators benachbart zu den Hochspannungsbuchsen angebracht werden.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   f1.^Dynamoelektrische Maschine mit einer Drehfeldwicklung, einem elektromagnetischen Statorkern und einem Mehrphasensatz von Hauptarmaturwicklungen, wobei jede Hauptwicklung eine interne Phasenleitung und eine interne neutrale Leitung besitzt, gekennzeichnet durch einen internen Erregertransformator (15) mit einem Kern (30), mindestens zwei Primärwicklungen (16,19) und einer Sekundärwicklung (23), wobei eine der Primärwicklungen aus ausgewählten internen Leitungen von der Hauptwicklung der dynamoelektrischen Maschine besteht und eine zusätzliche Mehrphasenwicklung (40), die im wesentlichen ansprechend ist auf den von der Drehfeldwicklung (7) der dynamoelektrischen Maschine gelieferten synchronen Fluß, wobei die zusätzliche Wicklung mit der anderen Primärwicklung (19) des Erregertransformators (15) verbunden ist.
2. 2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Sekundärwicklung des Erregertransformators eine Gleichrichtereinrichtung (9) verbunden ist und über Ausgangsleitungen zur Zuführung von Erregerleistung zu der Drehfeldwicklung (7) verbunden ist.
3. 3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wicklung (40) in ausgewählten Nuten des Statorkerns zur Erzeugung einer Spannung in der zusätzlichen Wicklung angeordnet ist, welche im wesentlichen in Phase mit der von dem synchronen Fluß erzeugten virtuellen Spannung ist.

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4. 4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wicklung (40) in ausgewählten Nuten des Statorkerns zu einer Phasenverschiebung der in der zusätzlichen Wicklung erzeugten Spannung mit einer Voreilung gemäß einem ausgewählten Phasenwinkel gegenüber der von dem synchronen Fluß erzeugten virtuellen Spannung angeordnet ist.
5. 5. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusatz^ liehe Wicklung in ausgewählten Nuten des Statorkerns angeordnet ist zu einer Phasenverschiebung mit Nacheilung um einen ausgewählten Phasenwinkel gegenüber der von dem synchronen Fluß erzeugten virtuellen Spannung.
6. 6. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Reaktorwicklung in Reihenschaltung mit jeder Phasenwicklung der zusätzlichen Wicklung und der entsprechend verbundenen Phasenwicklung der Erregerprimärwicklung aufweist.
7. 7. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Steuerwicklung (52) für den Erregertransformator (15) vorgesehen ist, mit der eine geregelte Gleichspannungsquelle (53) verbunden ist, wobei die Steuerwicklung zur S^ättigung des Erregertransformators durch die Spannungsquelle eingerichtet ist und zur Steuerung der Ausgangsgröße von der Sekundärwicklung (23).

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