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Einrichtung zur Unterdrückung oberharmonischer Spannungen an synchronen
Wechselstromgeneratoren. Um die Entstehung von oberharmonischen Spannungen in synchronen
Wechselstromgeneratoren zu vermeiden, war man bisher hestrebt, die Kurvenform des
gleichstromerregten Hauptfeldes möglichst sinoidial zu gestalten. Diese Ausbildung
des Erregerfeldes ist aber für den angestrebten Zweck nicht ausreichend., abgesehen
davon, daß die Erzeugung einer genauen sinoidalen Kraftlinienverteilung auch bei
leer laufenden Maschinen außerordentlich schwierig ist. Bei der Belastung aber wirken
die Ankeramperewindungen an der Erzeugung des Feldes mit, und da eine genau sinoidale
Verteilung der Ankerleiter aller Phasen praktisch schon wegen der endlichen Nutenzahl
nicht möglich ist, so wird das resultierende Feld des Generators bei Belastung auch
in diesem Falle von Oberharmonischen nicht frei sein. Die sinoidale Verteilung der
Ankerleiter würde aber auch eine Überlagerung der Phasen in den gleichen Nuten bedingen,
was besonders bei Generatoren für hohe Spannungen eine schwer herzustellende teure
Isolation der Ankerleiter gegeneinander erfordert.
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Es ist nun Gegenstand der Erfindung eine Einrichtung an synchronen
Wechselstromgeneratoren zur Unterdrückung von oberharmonischen Spannungen vermittels
Kurzschlußwicklungen für die Pole des entsprechenden Oberfeldes. Solche Kurzschlußwicklungen
hat man bereits bei Kollektormaschinen angewendet, um die Stromwendung zu verbessern
und. die Streuung zu verkleinern. Während aber dort die Kurzschlußwicklung lediglich
dazu diente, diejenigen Störungen zu beseitigen, welche den Gang der Kollektormaschine
selbst sehr ungünstig beeinflußten, ist die Wirkung der Oberfelder in Synchrongeneratoren
eine durchaus andere, und die Verwendung von Kurzschlußwicklungen ist dabei weniger
für die Maschine selbst von wesentlicher Bedeutung als für den Betrieb der von den
Generatoren gespeisten Hochspannungsnetze, in denen die durch die Oberfelder induzierten
oberharmonischen Ströme und Spannungen Resonanzerscheinungen, Kurzschlösse, Pendelungen
u. dgl. hervorrufen. Am meisten machen sich Störungen durch das Oberfeld für die
fünfte Feldharmonische der Maschinen geltend, während das für die dritte und siebente
Feldharmonische weniger bedeutungsvoll ist. In einem Wechselstromgenerator sind
fünfte Oberfelder sowohl in dem durch Gleichstrom erregten Feld als auch in dem
durch die Ankerwicklung erzeugten Gegenfeld vorhanden. Man übersieht die Verhältnisse
in sehr klarer Weise, wenn man den betrachteten Wechselstromgenerator sich aus der
räumlichen Superposition zweier mechanisch gekuppelter, hintereinandergeschalteter
Generatoren I und 1I entstanden denkt, von denen der eine reine Sinusfelder der
Grundpolzahl, der andere reine Sinusfelder der fünffachen Polzahl erzeugt. Die Erregerwicklungen
der beiden in Reihe geschalteten Generatoren seien ebenfalls in Reihe geschaltet
und durch Gleichstrom erregt. An den Enden der M icklungsreihe jeder Phase wird
dann eine Spannung gemessen, welche sich aus zwei Spannungen zusammensetzt, nämlich
aus der Spannung der Maschine I von der Grundperiodenzahl und aus der Spannung der
'Maschine II von der fünffachen Periodenzahl. Dementsprechend wird sich auch der
Belastungstrom aus einer Stromkomponente von der Grundperiodenzahl und einer Stromkomponente
der fünffachen Periodenzahl zusammensetzen. Lm nun die durch die Ankerwicklung erzeugten
FeM er zu ermitteln, betrachten wir zuerst die `i hkung der Stromkomponente der
Grundfrequenz und dann die `W irkung der Stromkomponente der fünffachen Frequenz
in den Maschinen I und 1I. Die Stromkomponente der Grundfrequenz erzeugt in der
Maschine I ein Feld A von der Grundpolzahl, welches sich mit der Tourenzahl ia gegen
den Anker dreht, also gegenüber dem erzeugenden Gleichstromfeld in Ruhe ist, in
der Maschine II dagegen ein Feld B von der fünffachen Polzahl, welches gegen den
Anker eine Rotation mit 1/5 n vollführt. Dieses Oberfeld B rotiert also gegen die
Gleichstromfelder beider Maschinen. Die Stromkomponente der fünffachen Frequenz
erzeugt in der Maschine I ein Feld C von der Grundpolzahl, welches sich mit der
fünffachen Tourenzahl gegen den Anker dreht und demnach ebenfalls gegenüter den
gleichstromerzeugten Feldern beider Maschinen rotiert, in der Maschine II dagegen
ein Feld D der fünffachen Polzahl, welches sich mit der einfachen Tourenzahl gegen
den Anker dreht, demnach gegenüber den gleichstromerregten Feldern in Ruhe ist.
Mährend also Grundfeld A
und Oberfeld D relativ zu den Gleichstromfeldern
der beiden Maschinen in Ruhe sind, rotieren das Grundfeld C und das Oberfeld B mit
verschiedener Geschwindigkeit gegenüber diesen Feldern. Das Oberfeld B, welches
gegenüber dem gleichstromerregten Feld rotiert, kann durch eine mehrphasige Kurzschlußwicklung
für die fünfte Feldharmonische unterdrückt werden, welche auf den Feldpolen des
Generators II, und zwar in der Nähe des Ankers, aufgebracht ist; das OberfeldD dagegen,
welches gegenüber den Magnetpolen des Generators in Ruhe ist, wird zweckmäßigerweise
durch eine in die Ankernuten verlegte mehrphasige Kurzschlußwicklung für die fünfte
Feldharmonische unterdrückt. Auch diese Wicklung ist möglichst in der Nähe des Luftspaltes
der Maschine anzuordnen, damit der Eintritt der Oberfelder in den Anker gehindert
wird. Unter Umständen können die Nutenkeile aus leitendem Material hergestellt und
zu einer in sich kurzgeschlossenen Mehrphasenwicklung der fünffachen Polzahl verbunden
werden. Sehr wichtig ist aber auch die Unterdrückung des mit fünffacher Tourenzahl
gegenüber dem Anker umlaufenden Feldes C der Grundpolzahl, was in einfacher, an
sich bekannter Weise durch eine Käfigwicklung (Dämpferwicklung) auf den gleichstromerregten
Polen der Maschine I erreicht wird.
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Die hintereinandergeschalteten Maschinen I und II sind aber nur das
Ersatzbild des mit Oberfeldern versehenen Wechselstromgenerators, und bei ihrer
Superposition ergibt sich insofern eine Vereinfachung, als die Käfigwicklung auf
den Magnetpolen nicht nur zur Unterdrückung des Feldes C, sondern auch des Oberfeldes
B geeignet ist, so daß auf den Magneten die mehrphasige Kurzschlußwicklung der fünffachen
Polzahl gespart werden kann.
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Die Erfindung sei an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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In Abb. = ist die Dreiphasenwicklung eines Generatorankers dargestellt,
welcher 6o Nuten besitzt. In diesen Nuten liegt zunächst eine vierpolige Wicklung
Z" für die Grundperiodenzahl, bei welcher demnach die Nutenzahl pro Pol und Phase
gleich 5 ist. Es ist aber der Übersichtlichkeit halber nur die Wicklung einer Phase
über den Polteilungen P1, P2, P3, P4
gezeichnet. Außer dieser Wicklung ist
noch eine Kurzschlußwicklung ZK für die fünffache Polzahl, also für 2o Pole (P;,
P@ ... ), vorhanden, welche ebenfalls dreiphasig ausgeführt ist, so daß sie also
pro Pol und Phase eine Nut besitzt. Jede der drei Phasenwicklungen vonZK stellt
eine in sich kurzgeschlossene Einphasenwicklung dar, welche vom Feld der Grundperiodenzahl
nicht induziert wird, die aber in Kombination mit den beiden anderen einphasigen
Kurzschlußwicklungen jedes Feld der fünffachen Polzahl unterdrückt. Es ist zweckmäßig,
die Wicklung ZKan die äußere Peripherie des Ankers zu legen, damit das oberharmonische
Feld gar nicht in den Anker eintreten kann.
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In Abb. 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele für die Anordnung der Wicklung
ZK in den Nuten angegeben. N bedeutet die Nut, Z" die Ankerwicklung für die Grundperiodenzahl,
ZK die Kurzschlußwicklung für die- oberharmonischen Ströme, Ii den Nutenkeil. Die
Wicklung Z" liegt am Nutengrund, ZK dagegen im oberen Teil der Nut, und zwar in
Abb. 2 als eingelegte Stabwicklung, während in Abb. 3 die Nutenkeile von leitendem
Material durchsetzt sind und selbst den Leiter für die Kurzschlußwicklung ZK darstellen.
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Der Wechselstromgenerator gemäß der Erfindung besitzt also außer der
Dämpferwicklung auf den Magneten eine mehrphasige Kurzschlußwicklung der fünffachen
Polzahl auf dem Anker, deren Phasenzahl zweckmäßig gleich der Phasenzahl des Generators
gewählt wird.
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Werden die Mehrphasengeneratoren derart ausgerüstet, dann treten die
gefährlichen Störungen in dem vom Generator gespeisten Hochspannungsnetz nicht mehr
auf, da die Ursache der Resonanzerscheinungen, die Oberwellenspannung, beseitigt
ist.