DE2834378B1

DE2834378B1 - Synchronous machine for converter operation

Info

Publication number: DE2834378B1
Application number: DE19782834378
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl-Ing Dr Te Auinger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1978-08-04
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE2834378C2; JPS5523795A

Description

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß hierdurch die effektive Windungszahl des Längskreises w t- sin os (mit æ als Wicklungsfaktor) weniger stark verringert wird als der proportional mit dem Winkel os abnehmende ohmsche Widerstand Rs Um eine gleiche Längsdurchflutung zu erreichen, muß der Erregerstrom le reziprok zur verringerten Windungszahl gemäß erhöht werden, jedoch ergibtsich insgesamt bei den praktisch in Frage kommenden Winkeln oc zwischen 60° und 90" eine herabgesetzte Erregerleistung Weitere Einzelheiten der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.The invention is based on the knowledge that this reduces the effective number of turns of the longitudinal circle w t-sin os (with æ as the winding factor) less than the ohmic resistance Rs, which decreases proportionally with the angle os Excitation current le reciprocal to the reduced number of turns according to are increased, but overall at the practically relevant angles oc between 60 ° and 90 "there is a reduced excitation power Further details of the invention are the subject of subclaims.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Querfelddämfperanordnung nach dem Hauptpatent, F i g. 2a und b und F i g. 3 verschiedene Varianten der Erfindung in vereinfachter Darstellung unter Fortlassung des gleichmäßig genuteten Induktors, F i g. 4 ein Diagramm der Verhältniswerte vom Erregerstrom le und 1e2, Erregerleistung Pe Erregerspannung Uh Längsfeldinduktivität Ld, Erregerwiderstand Rd, Leerlaufzeitkonstante Tdo sowie den Verlauf der Durchflutungskurven bei ungesehnten Spulen in Abhängigkeit vom Winkel os, F i g. 5 bis 7 Durchflutungspläne für einen Induktor mit 18 Nuten pro Polpaar mit 8/9-, 7/9- und 6/9-gesehenten Zweischichtwicklungen für jeweils verschiedene Winkel 0: =900,800,700 und 60°. Some embodiments of the invention are based on the drawing explained in more detail below. It shows F i g. 1 a transverse field damper arrangement according to the main patent, F i g. 2a and b and F i g. 3 different variants of the invention in a simplified representation omitting the evenly grooved inductor, F i g. 4 shows a diagram of the ratio values of the excitation current le and 1e2, excitation power Pe excitation voltage Uh series field inductance Ld, excitation resistance Rd, idle time constant Tdo as well as the course of the flow rate curves with unstrung coils as a function from the angle os, F i g. 5 to 7 flow plans for an inductor with 18 slots per pole pair with 8/9, 7/9 and 6/9 double-layer windings for each different angles 0: = 900,800,700 and 60 °.

Die vier in F i g. 1 schematisch dargestellten Wicklungszweige A', B'und A", B"der Erregerwicklung sind in Brücke geschaltet, wobei durch einen symmetrisch zu den in der Längsachse d gegenüberliegenden Speisepunkten E 1 und E2 für den Erregerstromkreis angeordneten diagonalen Ausgleichsleiter 10 ein in Richtung der Querachse q kurzgeschlossener Dämpferkreis gebildet ist. Die zwischen den Speisepunkten E 1 und E2 und den in der Querachse q liegenden Anschlußpunkten P1, P2 des Ausgleichsleiters 10 erstreckten Wicklungszweige A' B' und A , B" der Erregerwicklung bilden gleichwertige symmetrische Brückenzweige, die sich jeweils über einen Winkelbereich von 90° erstrecken. The four in Fig. 1 schematically illustrated winding branches A ', B 'and A ", B" of the excitation winding are connected in a bridge, with one being symmetrical to the feed points E 1 and E2 opposite in the longitudinal axis d for the excitation circuit arranged diagonal compensating conductor 10 a short-circuited in the direction of the transverse axis q Damper circuit is formed. The between the feed points E 1 and E2 and the in the transverse axis q lying connection points P1, P2 of the compensating conductor 10 extended Winding branches A 'B' and A, B "of the excitation winding form equivalent symmetrical ones Bridge branches that each extend over an angular range of 90 °.

Wenn der gleichmäßig genutete Induktor eine aus Spulen bzw. Spulengruppen mit gleicher bzw. gleicher mittlerer Schrittweite gebildete Erregerwicklung trägt, dann bilden die jeweils im Bereich eines Polpaares gleichmäßig am Umfang verteilten Spulen bei Hintereinanderschaltung nach Art einer in sich geschlossenen Schleifenwicklung hinsichtlich ihrer Phasenlage ein reguläres Polygon. Da sich die Phasenlage der Spulen von Nut zu Nut stetig ändert, wird dieses Polygon umso kreisähnlicher, je höher die Nutenzahl je Pol ist Die beiderseits der Speisepunkte El, E2 benachbarten Spulen liegen dabei nahezu in Richtung der Querachse q, so daß ihr Anteil für die Längsdurchflutung relativ klein ist und sie im wesentlichen nur die Erregerkupferverluste des Induktors erhöhen. If the evenly grooved inductor is one of coils or groups of coils carries excitation winding formed with the same or the same mean step size, then each form in the area of a pole pair evenly distributed around the circumference Coils connected in series in the manner of a self-contained loop winding a regular polygon with regard to its phase position. Since the phase position of the Coils continuously changes from slot to slot, the more this polygon becomes more circular, the more The number of slots per pole is higher than those adjacent on both sides of the feed points El, E2 Coils are almost in the direction of the transverse axis q, so that their share for the The longitudinal flow is relatively small and they essentially only reduce the excitation copper losses of the inductor.

Nach Fig.2 läßt sich dieser Nachteil sehr einfach dadurch vermeiden, daß die der Längsachse d benachbarten Wicklungszweige A'1, B"1 1 und B' 1, A"1 an den Kurzschlußpunkten K 1, K 2 (F i g. 2a) bzw. According to Figure 2, this disadvantage can be avoided very easily by that the winding branches A'1, B "1 1 and B '1, A" 1 adjacent to the longitudinal axis d the short-circuit points K 1, K 2 (Fig. 2a) or

K'1, K'2 (F i g. 2b) unmittelbar kurzgeschlossen und nur zur Querfelddämfpung benutzt werden. Zur Erregung des Längsfeldes werden dann nur noch die restlichen Wicklungszweige A'2, B'2 und A"2, B"2 herangezogen, die sich jeweils beiderseits der Querachse q in einem Winkelbereich 0: erstrecken. Die Wicklungszweige A'2, B'2 und A"2-B"2 können mit den Wicklungszweigen A't, B"1 (und B'l, A"1) entweder gemäß F i g. 2a galvanisch verbunden und ihre gemeinsamen Kurzschlußpunkte K t, K2, K' 1, K'2 mit den Speisepunkten El (E2) durch einen Kurzschlußleiter verbunden sein, oder es können gemäß F i g. 2b die Wicklungsteile B'1, A"l (und A'2, B"1) von den übrigen Wicklungsteilen galvanisch getrennt durch einen gesonderten Leiter kurzgeschlossen und die Enden der übrigen Wicklungsteile an den Endpunkten E'2, E"2 mit dem jeweiligen Speisepunkt E2 (El) verbunden sein. Entsprechend wie beim Längskreis kann man auch für den Querfelddämpferkreis vorteilhafterweise nur einen Teil der Erregerwicklung ausnutzen, indem nach F i g. 3 in Richtung der Querachse q zwei parallel verlaufende sehnenförmige Ausgleichsleiter 10', 10" vorgesehen sind.K'1, K'2 (Fig. 2b) directly short-circuited and only for cross-field damping to be used. Then only the remaining ones are used to excite the longitudinal field Winding branches A'2, B'2 and A "2, B" 2 are used, each on both sides the transverse axis q in an angular range 0: extend. The winding branches A'2, B'2 and A "2-B" 2 can with the winding branches A't, B "1 (and B'l, A" 1) either according to F i g. 2a galvanically connected and their common short-circuit points K t, K2, K ' 1, K'2 be connected to the feed points El (E2) by a short-circuit conductor, or according to FIG. 2b the winding parts B'1, A "1 (and A'2, B" 1) of the the remaining winding parts are galvanically separated and short-circuited by a separate conductor and the Ends of the remaining winding parts at the end points E'2, E "2 with the respective Feed point E2 (El) must be connected. As with the longitudinal circle, you can also for the cross-field damper circuit advantageously only part of the field winding take advantage of the fact that according to FIG. 3 in the direction of the transverse axis q two parallel tendon-shaped compensating conductors 10 ', 10 "are provided.

Wenn deren Anschlußpunkte P'1, P'2 und P"1, P"2 derart gewählt werden, daß der Winkel os gleich dem Winkel os' zwischen der Längsachse dund einem jeweils benachbarten Anschlußpunkt, z. B. P'1, ist, dann sind für den Längs- und Querkreis jeweils gleichviele Wicklungszweige der Erregerwicklung wirksam und die Reaktanzen und Zeitkonstanten für beide Achsrichtungen dund qjeweils identisch. If their connection points P'1, P'2 and P "1, P" 2 are selected in such a way, that the angle os equal to the angle os' between the longitudinal axis d and one in each case adjacent connection point, e.g. B. P'1, then are for the longitudinal and transverse circle the same number of branches of the excitation winding and the reactances are effective and time constants for both axis directions d and q are identical in each case.

Der Erfindung liegt die in F i g. 4 angedeutete Erkenntnis zugrunde, daß sich, ausgehend von α=90° (bei dem alle Wicklungszweige stromführend sind), bei Verringerung der im Längskreis wirksamen Spulenzahl, dh. Verkleinerung des Winkels os zwischen der Querachse q und den Speisepunkten E auf kleiner 90° eine gemäß w sin 0: verringerte effektive Windungszahl ergibt, so daß zur Erzielung der gleichen Erregerdurchflutung der erforderliche Erregerstrom 1 Ie~sin α erhöht werden muß. Der ohmsche Widerstand Rd ist jedoch im wesentlich stärkeren Maß linear mit o; verringert, wodurch auch für die Erregerspannung Ue = le Rd sin und für die Erregerleistung Pe = ie Rd N Rd eine Verringerung erreicht wird. The invention resides in FIG. 4 is based on the indicated knowledge, that, starting from α = 90 ° (in which all winding branches are live), when reducing the effective number of coils in the longitudinal circle, ie. Reduction of the angle os between the transverse axis q and the feed points E to less than 90 ° a according to w sin 0: reduced effective number of turns results, so that to achieve the same Excitation flow the required excitation current 1 Ie ~ sin α can be increased got to. The ohmic resistance Rd is, however, to a much greater extent linear with O; reduced, whereby also for the excitation voltage Ue = le Rd sin and for the excitation power Pe = ie Rd N Rd a reduction is achieved.

Ausgehend von dem Fall, daß alle Wicklungszweige vom Erregerstrom durchflossen werden, d. h. oc=90° beträgt, nimmt die Erregerleistung Pe zuerst mit Verringerung der Spulenzahl, d. h. mit Verkleinerung von α stetig ab und erreicht bei einem Winkel αx=1 tang αx=1,1655 rad=66,78° 2 den kleinsten Wert Pemin=0,879 Pe(Pebeia=90°). Starting from the case that all winding branches from the excitation current flowed through, d. H. oc = 90 °, the excitation power Pe takes with it first Reducing the number of coils, d. H. steadily decreases and reaches with reduction of α at an angle αx = 1 tang αx = 1.1655 rad = 66.78 ° 2 the smallest value Pemin = 0.879 Pe (Pebeia = 90 °).

Bei weiterer Verringerung von ex unter acX nimmt die erforderliche Erregerleistung Pe wieder zu. Da für die Erwärmung der Erregerwicklung nicht allein die Gesamtverluste, sondern auch die spezifischen Verluste in jedem stromführenden Wicklungszweig maßgebend sind, die mit dem Quadrat des Erregerstromes, also mit sin2a ansteigen, ist es vorteilhaft, statt des Minimums Pemin bei ax einen etwas höheren Wert der Erregerleistung anzustreben, wozu der optimale Winkel 0:opt> 0:X zwischen 75° und 80° gewählt wird. Auf diese Weise kann mit nur geringfügiger Erhöhung des Erregerstromes Je um etwa 2,4% die Erregerleistung Pe um rund 10% gegenüber dem Wert bei α=90° herabgesetzt werden.If ex under acX is further reduced, the required Excitation power Pe increases again. As not only for the heating of the excitation winding the total losses, but also the specific losses in each current-carrying one The decisive winding branch is those with the square of the excitation current, i.e. with sin2a increase, it is advantageous to use something instead of the minimum Pemin at ax To aim for a higher value of the excitation power, including the optimal angle 0: opt> 0: X is selected between 75 ° and 80 °. This way you can with only minor Increase in the excitation current by around 2.4% each, compared to the excitation power Pe by around 10% the value at α = 90 ° can be reduced.

Außerdem ist in F i g. 4 der Verlauf der Längsfeld-Induktivität Ld der Erregerwicklung proportional sin2ow sowie die Leerlaufzeitkonstante der Erregerwicklung dargestellt, die sich reziprok mit der Erregerleistung Pe ändert. Im unteren Teil der F i g. 4 sind für ungesehnte Spulen (Durchmesserspulen) die verbesserten Felderregerkurven F i g. 4b, c, d bei Werten für 0: = 800, 70°, 60° gegenüber der Felderregerkurve F i g. 4a bei α=90° dargestellt. Die Felderregerkurven F i g. 4b bis d erhalten von der ungünstigen Dreieckform der Felderregerkurve 4a bei α=90° ausgehend eine trapezförmige Gestalt Die mit abnehmendem Winkeln immer stärker abgekappte Dreieckspitze (F i g. 4b bis d) entspricht unmittelbar den kurzgeschlossenen Wicklungszweigen beiderseits der Speisepunkte El und E2, die keinen Beitrag zur Hauptfelderregung in Richtung der Längsachse dleisten.In addition, in FIG. 4 the course of the series field inductance Ld of the field winding proportional to sin2ow and the idle time constant of the field winding shown, which changes reciprocally with the excitation power Pe. In the lower part of FIG. 4 are the improved field exciter curves F i g for unstrung coils (diameter coils). 4b, c, d for values for 0: = 800, 70 °, 60 ° compared to the field exciter curve F i g. 4a shown at α = 90 °. The field exciter curves F i g. 4b to d receive a trapezoidal shape starting from the unfavorable triangular shape of the field exciter curve 4a at α = 90 ° The triangular tip, which is increasingly cut off with decreasing angles (Fig. 4b to d), corresponds directly to the short-circuited winding branches on both sides of the feed points El and E2, which make no contribution to the main field excitation in the direction of the longitudinal axis.

Die im oberen Teil der F i g. 4 gezeigten grundsätzlichen Kurvenverläufe gelten unabhängig davon, ob die Wicklungszweige als Spulen mit Durchmesserschritt oder beliebig gesehnte Spulen ausgeführt sind. Durch Sehnung der Spulen kann auch bei ex=90° eine »Abkappung« der Felderregerkurven gemäß F i g. 4b bis d erreicht werden, wobei die Sehnung mit den Zahlenangaben für die Amplituden der Felderregerkurven (z. B. 2/3, 7/9, 8/9) identisch ist. Wie man aus den Durchflutungsbildern in F i g. 5a, 6a und 7a für eine Zweischichtwicklung mit neun Nuten je Pol erkennt, ist diese Methode jedoch unwirtschaftlich, da die Feldabflachung nämlich durch in Ober- und Unterschicht bifilar durchflutete Nuten bewirkt wird. The in the upper part of FIG. 4 basic curves shown apply regardless of whether the winding branches are coils with a diameter increment or any stringed coils are designed. By stretching the coils can also at ex = 90 ° a "cut-off" of the field exciter curves according to FIG. 4b to d reached where the chord with the numerical information for the amplitudes of the field exciter curves (e.g. 2/3, 7/9, 8/9) is identical. As can be seen from the flooding images in F i G. 5a, 6a and 7a for a two-layer winding with nine slots per pole recognizes is however, this method is uneconomical, as the field flattening is caused by and underlayer bifilar flooded grooves is effected.

Es ist daher wesentlich günstiger, die betreffenden Spulenseiten entsprechend den Schaltungen nach F i g. 2 und 3 von vornherein stromlos zu lassen. It is therefore much cheaper to use the relevant coil sides corresponding to the circuits according to FIG. 2 and 3 to be de-energized from the outset.

In den Fig.5, 6, 7b bis d sind jeweils noch die Durchflutungspläne für eine derartige Schaltung mit 0: = 800, 70° und 60° dargestellt, wobei die stromlosen Spulenseiten durch O angedeutet sind. Es ist ersichtlich, daß sich bei 0ç< W gOo, mit der Sehnung aus Spulenweite W und Polteilung v, bifilar durchflutete Nuten vermeiden lassen. Durch Sehnung und verkleinerte Winkel os, d. h. durch Kurzschließen von Wicklungszweigen, lassen sich besonders gute Felderreger-Kurvenformen und eine optimale Verringerung der Kupferverluste erzielen. In FIGS. 5, 6, 7b to d, the flow plans are still in each case for such a circuit with 0: = 800, 70 ° and 60 °, the currentless Coil sides are indicated by O. It can be seen that with 0ç <W gOo, with the string consisting of coil width W and pole pitch v, slots with bifilar flow let avoid. By tendon and reduced angles os, i. H. by short-circuiting of winding branches, particularly good field exciter curve shapes and a achieve optimal reduction in copper losses.

Die in den F i g. 2a, b und 3 dargestellten Schaltungsanordnungen zeigen nur prinzipielle Ausführungen für zweipolige Induktoren. Bei höherpoligen (2p-poligen) Induktoren sind die dargestellten Wicklungsanordnungen daher pfach vorhanden und können in bekannter Weise in Richtung der Längsachse wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet sein. The in the F i g. 2a, b and 3 shown circuit arrangements show only basic designs for two-pole inductors. With higher pole (2p-pole) inductors are the winding arrangements shown p-fold present and can optionally be parallel in a known manner in the direction of the longitudinal axis or be connected in series.

Bei Stabwicklungen kann der Wicklungszug auch von Pol zu Pol fortschreitend nach Art einer in sich geschlossenen Wellenwicklung verlegt sein. Die Prinzipschaltbilder Fig.2a, b und 3 gelten dann für die gesamte Erregerwicklung. In the case of bar windings, the winding tension can also progress from pole to pole be laid in the manner of a self-contained wave winding. The principle circuit diagrams 2a, b and 3 then apply to the entire field winding.

Als weitere Variante können auch nach Art von Gleichstrom-Ankerwicklungen mehrgängige schleifen-oder wellenförmig verlegte Wicklungsanordnungen vorgesehen sein, die eine größere Zahl paralleler Wicklungszweige ermöglichen. As a further variant, it is also possible to use direct current armature windings multiple loop or wave-shaped laid winding arrangements are provided which allow a larger number of parallel winding branches.

Claims

Claims: 1. Synchronous machine for converter operation with an inductor evenly fully wound with an excitation winding, in which a Transverse field damper arrangement is arranged, the transient time constant of which corresponds to the transient Time constant adapted to the field-generating field winding in the direction of the longitudinal axis is, which in turn is divided into winding branches interconnected to form a bridge is, in the bridge diagonal is a mirror-inverted to the longitudinal axis lying first Connection points of connected compensating conductor one in the direction of the transverse axis forms a short-circuited damper circuit, according to Patent P 24 33 618, characterized in that that in a first angular range (- 2 a) transversely and symmetrically to the longitudinal axis (d) lying first winding branches (A'1, B "1 and B'1, A" 1) are immediately short-circuited are that in a subsequent and symmetrical to the transverse axis (q) lying second angular range (20 :) arranged, the transverse axis (q) crossing second winding branches (A'2, B'2 and A "2, B" 2) with their ends above those lying on the longitudinal axis (d) Feed points (El, E2) are connected to the excitation current source and that the one Compensating conductor (10) to the first connection points (P 1, P2) or several compensating conductors (10 ', 10 ") to other connection points that are mirror images of the longitudinal axis (d) (P'1, P'2, P "1, P" 2) are connected.

2. Synchronous machine according to claim 1, characterized in that four connection points mirror-inverted to the longitudinal axis (d) and transverse axis (q) (P '1, P'2, P "1, P" 2) connected by two compensating conductors (10', 10 ") without crossing are (Fig. 3).

3. Synchronous machine according to claim 2, characterized in that the connection points (P '1, P'2; P "1, P" 2) in such a position relative to the feed points (El, E2) and the ends of the short-circuited winding branches (A'1, B "1, B'2, A" 2) are arranged that the reactances and time constants for the longitudinal and the transverse axis (d, q) are identical (Fig. 3).

4. Synchronous machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the short-circuited winding branches (A'1, B "1; B'1, A" 1) from the remaining winding branches are galvanically separated (Fig. 2b).

5. Synchronous machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the excitation winding is a two-layer winding formed from longed coils is.

6. Synchronous machine according to claim 5, characterized in that the coil tension where W is the coil width, x is the pole pitch and 0: the area of extent of the winding branches carrying the excitation current.

7. Synchronous machine with p) 2 pole pairs according to one of claims 1 to 6, characterized in that pfach same winding arrangements with regard to the excitation current supply connected in parallel or in series in the direction of the longitudinal axis (d) are.

8. Synchronous machine according to one of claims 1 to 3 with a bar winding as an excitation winding, characterized in that the bars progressing from pole to pole are laid in the manner of a self-contained wave winding in the inductor.

9. Synchronous machine according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the excitation winding is like a multi-thread, loop or wave-like is laid in the winding housed in the inductor.

The invention relates to a synchronous machine for converter operation according to the preamble of claim 1.

Such a synchronous machine is covered by the associated main patent 2433618 known.

The main patent is one of the possible cross-field damper arrangements the excitation winding distributed in the evenly arranged slots of the inductor used itself, with the winding branches located in the area of a pole pair according to FIG. 8a, 9b are connected to a bridge and by a diagonal compensating conductor a short-circuited in the direction of the transverse axis damper circuit is formed, whereby adapted transient time constants Td and Tq result in the longitudinal and transverse directions. When the evenly grooved inductor is completely wrapped, the areas in the area of each pole pair lying in series with respect to winding branches their phase position a regular polygon, which increases with the number of grooves each pole closer and closer to a circle. Those lying on the imaginary longitudinal axis Feed points for the excitation circuit on both sides of adjacent winding branches of the excitation winding have only a relatively small amount in the structure of the longitudinal flow Part because they act almost in the direction of the transverse axis and therefore essentially cause only pathogen copper losses.

The invention is based on the problem of the exciter copper losses and also to influence the longitudinal field flow-through curves favorably.

The solution to the task at hand succeeds with the features the characteristic of claim 1.

Accordingly, only those in the area are used to excite the longitudinal field the angle os on both sides of the transverse axis lying winding branches are used and the remaining branches of the winding are immediately short-circuited on both sides of the longitudinal axis and only used for cross-field damping.