NO142328B - Tverrfeltdemperanordning i synkronmaskin for stroemretterdrift - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en børsteløs synkronmaskin son i induktoren har en tverrfeltdemperanordning til å undertrykke pendlings-eller svingningsfenomener.

Ved en synkronmaskin som har demperbur dimensjonert på

vanlig måte og er kjent fra GB-PS 1 060 812,og likeledes ved en synkronmaskin som er kjent fra CH-PS 402156 og har tre-faset magnetiseringsvikling som er anordnet jevnt fordelt, ogrhvbr to faseledere tjener til magnetisering og én faseleder til dempning, kan maskinens tverrfelt ved belastningsendringer forandre seg meget raskere enn maskinens langsfelt, som reagerer relativt tregt svarende til magnetiseringsviklings-tidskonstanten, noe som er anskueliggjort skjematisk på fig. 1 for tilfellet av et skipsnett. Ved slike anlegg foreligger der ved generatorisk arbeidende synkronmaskiner for strømretterdrift en tendens til pendlings- eller svingningsfenomener, hvis der i likestrømkretsen på grunn av

*- motoriske forbrukere og/eller batterier kommer til virkning motspenninger. For å undertrykke slike uheldige fenomener kan man i trefasekretsen skyte inn en tilstrekkelig stor seriedrossel som ekstra koblingselement. Denne har imidlertid en negativ.inn-flytelse på synkronmaskinens effektfaktor (redusert generator-effekt) og fører til en ugunstig økning av kommuteringsreaktansen.

I anordningen på fig. 1 driver en drivmaskin 1 (turbin, dieselmotor)med variabelt omdreiningstall en synkrongenerator 2 som via en trefaset likeretter-bro 3 mater parallellkoblede likestrøm-motorer 4 (f.eks. fartøysdrivmotorer) og et skipsnettbatteri 5. Slike børsteløse synkrongeneratorer med etterkoblede likerettere

er i praksis tilsynsfrie og kan drives med vesentlig høyere omdreiningstall enn likestrøm-kommutatorgeneratorer og derfor ut-nyttes vesentlig bedre enn disse, så de også kan få en lettere og

mindre dimensjonering enn konvensjonelle likestrømgeneratorer med kommutator.

Slike godt utnyttede synkrongeneratorer har relativt stort strømbelegg og derfor høyere verdier for synkronreaktansene X, og X

Cx CJ

i langs- og tverretning. Da synkrongeneratoren under de nevnte drifts-forhold for en stor del arbeider langt under sin nominelle spenning,

og da også den magnetiske krets på grunn av variasjonen i driv-

maskinens omdreiningstall er umettet innen et utstrakt driftsområde,

er synkronreaktansene X^ og X^, referert til den til enhver tid fore-liggende generatorspenning, øket betraktelig i forhold til synkronreaktansene av de med nominell spenning arbeidende mettede synkrongeneratorer.

Fig. 2 viser det stasjonære spenningsdiagram for en synkron-

maskin uten utpregede poler for tilfellet av belastning. Synkronreaktansene X, — X w 5 p.U. er bestemt ved den polhjulvinkel som fremkommer ved stasjonær belastning, samt magnetiseringsbehovet. Ved den på fig. 1 antatte likeretterbelastning ligger laststrømmen J bare lite etter klemmespenningen U i fase. Den magnetisering av synkrongeneratoren som tilsvarer dette belastningstilfelle ved laststrøm J,

blir karakterisert ved polhjulspenningen E^.

Ved lastendringer kommer de transiente synkronreaktanser X'^,

X'^ for langs- og tverrfeltet til virkning. Til de med magnetiseringsviklingen i lengdeakse (d-akse) og tverrakse (q-akse) sammenkjedede magnetiske flukser svarer direkte de "transiente spenninger" E' og E'^, som geometrisk addert gir E'. I det stasjonære belastningstil-

felle på fig. 2 vil der ifølge E'p/U ved belastning behøves en ca. 5,5 ganger så stor magnetiseringsstrøm som i tomløp. I tomløp er J =0ogU=E*=E,=E. Ved belastning går den med magnetiserings-Vi tr viklingen sammenkjedede fluks i polhjulets lengdeakse tilsvarende E'g/U tilbake til omtrent halvparten av denne tomløpsverdi. Den med

hensyn til størrelse dominerende fluks som tilsvarer den transiente spenning E'^, forløper på tvers av polhjulaksen.

Ved raske belastningsendringer motvirker magnetiseringsvik-

lingen til å begynne med en endring av den dermed sammenkjedede fluks. Fluksen i polhjulaksen forandrer seg da bare relativt langsomt, tilsvarende magnetiseringsviklingens virksomme langsfelt-tidskonstant.

Alt etter belastning ligger tidene mellom tomløpstidskonstanten'

T'^o (noen tiendels sekunder) og kortslutningstidskonstanten T'd

(noen sekunder ved maskiner av midlere størrelse).

Tverrfeltet kan derimot ved full-lamellert rotor uten dempe-vikling bygge seg opp praktisk talt uten forsinkelse, og ved til-stedeværelse av et vanlig dimensjonert demperbur bygge seg opp svarende til den subtransiente tidskonstant, som bare utgjør ca.

1/10 av den virksomme langsfelt-tidskonstant.

Således beholder E' ved påkobling av en last til å begynne med en størrelse tilsvarende tomløpsspenningen U og svinner bare langsomt til den stasjonære verdi E' qsom er inntegnet på fig. 2. Derimot kan E^ bygge seg opp meget raskt, så det er forståelig at synkrongeneratoren ved påkobling av last, til tross for den betrakte-lige effektavgivelse som straks inntrer, til å begynne med ved sine klemmer får en spenningsstigning som først svinner under det videre transiente tidsområde. Den stasjonære belastningstilstand som slutte-lig innstiller seg, og høyden av klemmespenningen U avhenger av etterføringen av generatorens magnetisering. Således behøves der til å holde spenningen U konstant i belastet tilstand en magnetiserings-strøm som er øket med faktoren Ep/U, mens spenningen ved uforandret magnetiseringsstrøm i tilfellet av belastning minker med omtrent den samme faktor. Påvirkning av magnetiseringen har bare ubetydelig inn-flytelse på forekomsten av en transient spenningsstigning. For å fore-bygge denne spenningsstigning måtte magnetiseringen ved hjelp av en motmagnetisering i første øyeblikk minskes betraktelig og deretter forsterkes i samsvar med forholdet Ep/U. En spenningsregulering av generatoren kan innen rammen av den forhåndenværende prestasjonsevne hos magnetiseringskretsen bare mildne denne transiente spennings-stignings-effekt/ men ikke rydde den av veien. Ved en kompoundert generator opptrer den transiente spenningshøyning i til °9 me^ i enda høyere grad, da den forsterkede magnetisering inntrer straks med laststrømstøtet.

Som følge av den transiente spenningsstigning inntrer der i tilfellet av virksomme motspenninger i likestrømkretsen i henhold til fig. 1 svingningsfenomener. For så lenge generatorspenningen er lavere enn likespenningen, arbeider synkrongeneratoren 2 i tomløp. Ved høyere generatorspenning blir likeretterbroen 3 ledende, så like-strømkretsen trekker watteffekt fra synkrongeneratoren 2. Synkrongeneratoren reagerer på den inntredende virkning av belastningen med en transient spenningsstigning som driver en støtformig strøm hvis størrelse bestemmes av den til enhver tid virksomme differanse-spenning. Derpå svinner generatorspenningen gradvis igjen. Så snart den kommer under motspenningens verdi, blir likeretterbroen 3 sperrende påny, så strømføringen opphører og synkrongeneratoren arbeider i tomløp, hvorunder generatorspenningen avtar sprangvis som følge av den vedvarende svakere fluks i lengdeaksen (tilsvarer

E'g). Deretter skjer der på grunn av den virksomme magnetisering en fornyet spenningsstigning til motspenningens verdi, så den beskrevne prosess gjentar seg.

Ved synkrongeneratorer uten demperbur kan tverrfeltet, som nevnt ovenfor, bygge seg opp praktisk talt uten forsinkelse, noe som fører til særlig brå strømstøt. Ved synkronmaskiner med vanlig demperbur blir dannelsen av tverrfeltet og dermed forekomsten av en spenningsstigning på maskinklemmene bare forhindret i det første, altså i det subtransiente tidsområde, mens der i det påfølgende .transiente tidsområde fås en lignende spenningsstigning som ved en udempet synkronmaskin, så den brå start av strømstøtene bare kan mildnes.

Grunnen til at synkrongeneratorer for likeretterdrift ofte ut-føres uten dempning, er at den dermed forbundne økning av den subtransiente reaktans fører til at de maksimale støtkortslutnings-strømmer som opptrer ved kortslutning på likestrømsiden, blir holdt nede, så likeretterne ikke blir truet selv i tilfellet av kortslutning.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å skaffe en synkronmaskin som er særlig egnet for strømretterdrift/ og som ved -transiente prosesser ikke utvikler sjenerende overspenninger, så man unngår strømstøt som virker ansporende på svignings- og pendlings-fenomener.

Løsningen av oppgaven beror på erkjennelsen av at det ved vanlige synkronmaskiner i individuell drift er et sterkt forskjellig kronologisk forløp for langs- og tverrkretsene som er ansvarlig for svingningene» og at det derfor lar seg gjøre å eliminere disse ved en egnet avpasning av transiente tidskonstanter. Nærmere bestemt gir oppfinnelsen anvisning på ved en børsteløs synkronmaskin av den innledningsvis angitte art å benytte en tverrfeltdemperanordning med en transient tidskonstant av samme størrelsesorden som den transiente tidskonstant for den i lengderetning felt-induser-ende magnetiseringsvikling.

Oppfinnelsen kan realiseres ved en dimensjonering av demper-anordnihger som forøvrig er tidligere kjent, eller også i mer spe-sielle utformninger som er angitt i underkravene. Dette vil bli nærmere belyst i det følgende ved utførelseseksempler på oppfinnelsen under henvisning til tegningen. Fig. 3 viser en induktor med separat magnetiseringsvikling og tverrfelt-demperanordning. Fig. 4a, 5a og 6a er enderiss av konstruktive utførelser i samsvar med fig. 3, Fig. 4b, 5b, 6b viser lengdesnitt tilsvarende fig. henholdsvis 4a, 5a og 6a. Fig. 7a og 7b viser trefaset fulltbeviklede induktorer med deler av magnetiseringsviklingen som tverrfelt-demperanordning. Fig. 8a og 8b viser tofaset fulltbeviklede induktorer med magnetiseringsviklingsdeler som tverrfelt-demperanordning. Fig. 9a viser viklingsplanen for en induktor med intermitterende plaserte spor (uten utpregede rotorpoler) og tofaset magnetiseringsvikling.

Fig. 9b viser prinsippkoblingsskjemaet til fig. 9a.

Fig. 10 viser en åksløyfeforbindelse for demperstavene med øket spredningsreaktans. Fig. Ila og 11b viser i henholdsvis frontriss og lengdesnitt en tverrfelt-dempersløyfe-anordning med omslyngede blikkringer. Fig. 12, 13 og 14 viser forskjellige utførelsesvarianter av dempeirstavforbindelser med omslyngede blikkringer, og Fig. 15-17 viser forskjellige utformninger av åksløyfe-forbindelser hvor induktorens åktverrsnitt virker som magnetiseringskjerne.

I induktoren, slik den er vist i den skjematiske skisse på fig. 3, er der i lengdeaksen d anordnet en magnetiseringsvikling 6 og i tverraksen q, som står loddrett på lengdeaksen, anordnet en særskilt kortsluttet dempervikling 7 for tverrdempningen.

På fig. 4a og 4b er anordningen av magnetiseringsviklingen 6 og av demperviklingen, som dannes av relativt tykke staver, vist for en firepolet fullt-lamellert induktor. Demperstavene 7 er anbragt i to og to ved siden av hinannen liggende spor i rotoren og har et tverrsnitt som utgjør 30-50% av kobbertverrsnittet av magnetiseringsviklingen 6. De danner sammen med segmentformede eller påloddede rammelignende forbindelsesdeler 7a (fig. 5a, 5b) sluttede tverrfelt-dempersløyfer. Istedenfor å være anbragt i halvveis lukkede spor som vist på fig. 4a, kan demperstavene 7 også være anbragt i lukkede spor som vist på fig. 6a og 6b. Her er der på hver pol bare anordnet en

demperstav 7 plasert på midten, og innsidene av alle demperstavene 7 er ved hjelp av forbindelsesringer 7b ved endene forenet til et

demperbur. Men det er også mulig å bruke samme former for spor til demperstavene som til magnetiseringsviklingen 6. Ved lukkede spor i henhold til fig. 6 vil stegene 8 over sporene raskt bli mettet av tverrfeltet, så de blir uvirksomme i magnetisk henseende.

Istedenfor en seksjonsvis bevikling av induktoren med magnetiseringsvikling og mellomliggende særskilte demperstaver som vist på fig. 4-6, er det også mulig som vist på fig. 7a og 7b, å anvende en i og for seg kjent stjerne- eller trekantkoblet, trefaset magnetiseringsvikling som er jevnt fordelt i spor på omkretsen av induktoren. Den ønskede tverrfelt-dempningseffekt oppnås ved at man i tilfellet av stjernepunktkoblingen på fig. 7a kobler to faseviklinger 9 parallelt, og i tilfellet av trekantkoblingen på fig. 7b kortslutter en fasevikling 9.

Tilsvarende gjelder for den tofasede magnetiseringsvikling på fig. 8a og 8b. På fig. 8a er hver av de to faseviklinger delt i to delviklinger henholdsvis A', A" og B', B", og disse fire delviklinger er anordnet i en brokobling med en utjevningsleder 10 som danner en kortsluttet tverrkrets. På fig. 8b er de to delviklinger A og B som er forskjøvet 9 0° elektrisk i forhold til hverandre, elektrisk parallellkoblet. Ved flerfasede magnetiseringsviklinger med tverrfelt-dempningséffekt står i lengdeaksen d og i tverraksen q det respektive fulle kobbertverrsnitt til rådighet, så samme tidskonstant kommer til virkning i begge tilfeller. - I utførelsen på fig. 9a og 9b er en tofaset, firepolet magnetiseringsvikling med tverrfelt-dempning anordnet i en rotor uten. utpregede poler og med intermitterende plaserte spor med en deling av N<1> = 60 spor. To tredjedeler av poldelingen har spor, det vil altså si at der ialt bare finnes N = 40 spor med vikling. Delstrengene A', B', A", B" inneslutter en vinkel på 60 elektriske grader, og de effektive viklingsfaktorer i lengdeaksen d og i tverraksen q er således forskjellige i forholdet 75": 1. Jo smalere de sporløse soner er tilmålt, jo mer nærmer forholdet seg til verdien 1, dvs. jo mindre blir forskjellen i viklingsfaktor resp. i de tidskonstanter som virker i lengde- og tverrakse.

Ved de utførelseseksempler på oppfinnelsen som er beskrevet i det foregående, blir tverrfelt-dempnings-tidskonstanten holdt passende stor ved at den i tverrfeltkretsen virksomme motstand er valgt tilsvarende liten. Til dette formål er der enten (fig. 4-6) valgt tilstrekkelig store virksomme tverrsnitt for demperstavene 7 og tverr-forbindelsene 7a og 7b eller (ved utførelseseksemplene på fig. 7, 8 og 9) valgt tilsvarende store viklingstverrsnitt av magnetiseringsviklingen for de to akser.

En prinsipielt forskjellig mulighet for å oppnå en øket tidskonstant består i å øke tverrkretsinduktiviteten kunstig. Ved ut-førelseseksempelet på fig. 8a og 9 er det f.eks. mulig ved å føye inn tilleggsdrosler, antydet stiplet ved 11 på fig. 8a, på utjevningslederen 10 å øke tverrkretsinduktiviteten og derved å øke den tilsvarende tidskonstant ytterligere.

En utformning for økning av tverrkretsinduktiviteten er antydet på fig. 10, hvor der benyttes relativt tynne dempertverrsnitt.

Induktoren er forsynt med intermitterende plaserte spor og beviklet avsnittsvis med magnetiseringsviklingen 6 og er anbragt på en stegaksel 12. Mellom de avsnitt som er forsynt med spor for magneti seringsviklingen 6, er der i området for hver pol (i midten av polen) anordnet to tverrdempende ringsløyfer 13 som forløper frem gjennom stegakselen og tilbake i spor på omkretsen av induktoren og omslynger åket. Spredningsreaktansene av disse ringsløyfer'er flere ganger så store som ved vanlige demperbur. Ringsløyfenes åkmagnetisering virker i skiftende retning.

På fi<q>. Ila og 11b er dempersløyfer 14 forlagt fra pol til pol, og ved endene av induktoren slynget rundt en og en felles blikkring 15 som er utformet som ringbåndkjerne og ligger radialt innenfor vikl* hodene hos magnetiseringsviklingen 6. Omslyngningen av blikkringen ] 5 med de enkelte dempersløyfer 14 er valgt slik at der for alle ring-avsnitt fås en magnetisering i samme retning langs omkretsen. På denne måte er det takket være den økede spredningsinduktivitet mulig selv ved en relativt kobberfattig tverrfelt-demperanordning å få en vesentlig øket og fullt tilstrekkelig tverrkrets-tidskonstant.

På fig. 12-14 er der vist en- resp. tosidig plaserte blikkringer 15 med dempersløyfe 14. De stiplede forbindelser 16 på fig. 12 kan enten bortfalle (jfr. fig. 13 for nedre induktorende) eller være ført forbi blikkringene eller også viklet rundt blikkringene 15 i retning motsatt dempersløyfene 14. I det siste cilfelle fås en ut-førelsesform som vist utfoldet på fig. 14 for den ene ende av induktoren og i oppriss på fig. Ila.

Ifølge en videre utformning av oppfinnelsesgjenstanden er det gunstig å utnytte det forhåndenværende åktverrsnitt av den lamellerte og med spor forsynte induktor som magnetiseringskjerne for tverrfeltsløyfene.

På fig. 15a og 15b er deler som er utført som ringsløyfer 18, i motsetning til fig. 10 bare anordnet over annenhver pol <q>g ført som dobbeltsløyfe over åket. Forbindelsene fra pol til pol dannes av broer eller segmenter 17 ved endene så der fås en ringmagneti-sering for induktoråket.

Ved utførelsen på fig. 16 er tilbakele<gg>ingene hos ring-sløyfene 19 ført gjennom særskilte uttagninger 20 i induktoråket,

adskilt fra akselen ved innenforliggende magnetbroer 21. Disse magnetbroer 21 gir den stiplet inntegnede tverrfluks en mulighet for å vike ut. Magnetbroene 21 er dimensjonert slik at de virker som magnetiske innsnevringer (metning) ved dynamiske utjevningsprosesser hvor det dannede tverrfelt blir fortrengt i retning av magnetbroene.

På fig. 17 er der antydet en utførelse med lignende virkning, hvor to V-formig forlagte, sluttede ringsløyfer 22, 23 pr. pol rager inn i de respektive tilstøtende polområder og skaffer en labyrint-formig forlengelse av utvikningsveier 24 (antydet stiplet bare for en pol) for tverrfeltet.

Claims (10)

1. Børsteløs synkronmaskin som i induktoren har en tverrfelt-demperanordning til å undertrykke pendlings- eller svingningsfenomener, karakterisert ved en tverrfeltdemperanordning med en transient tidskonstant av samme størrelsesorden som den transiente tidskonstant for den i lengderetning feltindu-serende magnetiseringsvikling.

2. Synkronmaskin som angitt i krav 1, med en induktor som er jevnt beviklet med magnetiseringsviklingen, karakterisert ved at magnetiseringsviklingen er utført flerfaset og oppdelt i ledere som er plasért i vinkel til hverandre, og i tillegg tjener som tverrdempningsanordning.

3. Synkronmaskin som angitt i krav 2, med trefaset magnetiseringsvikling, karakterisert ved at to av de stjernekoblede delviklinger (fig. 7a) er koblet parallelt, eller en av de trekantkoblede delviklinger (fig. 7b) er kortsluttet.

4. Synkronmaskin som angitt i krav 1, med tofaset magnetiseringsvikling anordnet i spor som er fordelt ujevnt eller intermitterende langs omkretsen, karakterisert ved at de to faseviklinger (A, B) er parallellkoblet, eller de to faseviklinger er oppdelt i to delviklinger (A', A", B', B") hver og sammenkoblet til en bro hvis diagonale utjevningsleder (10) i tverraksens (7) retning danner en kortsluttet demperkrets.

5. Synkronmaskin som angitt i krav 4, karakterisert ved at der j. utjevningslederen er innskutt en tilleggsdrossel (11).

6. Synkronmaskin som angitt i krav 1, med en induktor som er beviklet avsnittsvis med magnetiseringsvikling, karakterisert ved at tverrfelt-demperanordningen i området for hver pol er utformet mellom magnetiseringsviklingsavsnittene (6) og induktoren og i form av minst én ringsløyfe (13) som omslynger åket og har relativt stor spredningsreaktans og skiftende magnetiseringsretning (fig. 10, 16).

7. Synkronmaskin som angitt i krav 6, karakterisert v e d 'at der pr. pol "finnes to V-formig anordede åkformige ring-sløyfer (22, 23),.som når, inn i de respektive nabopoler (fig. 17).

8. Synkronmaskin som angitt i krav 6 eller 7, karakterisert ved at ringsløyfenes tilbakeledninger på åksiden er ført gjennom særskilte uttagninger (20) i induktoråket, adskilt fra akselen ved innenforliggende magnetbroer (21) som virker som magnetiske strupningssteder (fig. 16, 17).

Synkronmaskin som angitt i krav 1, med en induktor som er beviklet avsnittsvis med magnetiseringsvikling, karakterisert ved at der ved minst én ende av induktoren er anordnet en blikkring (15) omslynget av dempersløyf er (14) (fig. 11-14).

10. Synkronmaskin som angitt i krav 1, med en induktor som er beviklet avsnittsvis med magnetiseringsvikling, karakterisert ved at der i området for annenhver pol er anordnet ring-sløyfer (18) som mellom avsnittene av magnetiseringsviklingen (6) og induktoren er ført omkring åket, og at de i samme retning magnetiser-ende ringsløyfer er forbundet ved broer eller segmenter (17) som er anbragt ved endene av induktoren og forlagt gjennom de mellomliggende poler som er uten ringvikling.