-
Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine als Generator und ein Betriebsverfahren für diese, wobei die Synchronmaschine einen veränderbaren Leistungsfaktor hat.
-
In der Regel werden Synchronmaschinen als Motor, wie zum Beispiel in Automobilen, oder als Generator wie in Wasser- oder Windkraftwerken verwendet. Ein Großteil der Produktion elektrischer Energie erfolgt mit Synchrongeneratoren.
-
Synchronmaschinen bestehen aus einem Rotor und einem Stator, wobei eines der Bauteile ein statisches Magnetfeld erzeugt, beispielsweise durch Gleichstromspulen oder durch Permanentmagnete, während das andere Bauteil im Betriebszustand einen Drehstrom aufweist, der ein magnetisches Drehfeld induziert. Wird das konstante Magnetfeld im innenliegenden Rotor erzeugt, spricht man von einer Innenpolmaschine. Bei einer Außenpolmaschine weist der innenliegende Rotor eine mit Drehstrom beaufschlagte Drehfeldwicklung auf und der aussenliegende Stator ein statisches Magnetfeld. Bezeichnend für eine Synchronmaschine ist, dass das Magnetfeld des Rotors so an das Magnetfeld des Stators gekoppelt ist, dass der Rotor synchron mit dem Drehfeld läuft. Wird die Synchronmaschine als Generator verwendet, muss sie mit dem zu versorgenden Netz synchronisiert werden. Das statische Magnetfeld, welches diese Kopplung erlaubt, wird beim Synchrongenerator auch als Erregerfeld bezeichnet und in der Regel durch einen Erregerstrom erzeugt, welcher immer ein Gleichstrom ist.
-
Befindet sich die Erregerwicklung im Rotor, werden üblicherweise Schleifringe und Kohlebürsten verwendet, um die Erregerwicklung des Rotors mit Erregerstrom von außerhalb des Rotors zu versorgen.
-
Nachteilig an dieser Erregereinrichtung ist, dass die Bürsten aufgrund von Abnutzung regelmäßig ausgetauscht werden müssen, dass es zu Bürstenfeuer kommen kann und dass, besonders bei der Erregung von Großgeneratoren, sehr breite Schleifringe und eine Vielzahl parallel geschalteter Bürsten benötigt werden, um den Generator mit dem benötigten Erregerstrom versorgen zu können. Eine bürstenlose Erregereinrichtung verzichtet auf Bürsten und Schleifringe und umfasst eine Erregermaschine und in der Regel auch eine Hilfserregermaschine, die sich auf mitrotierenden Teilen der Synchronmaschine befinden und somit eine einfache Versorgung der Erregerwicklung auf dem Rotor ermöglichen. Dabei wird die Drehfeldwicklung der Erregermaschine durch die Hilfserregermaschine mit Strom versorgt. Im Rotor der Erregermaschine wird ein Erregerstrom induziert, welcher in die Erregerwicklung der Hauptmaschine gespeist wird.
-
Alternativ zur geschilderten rein elektrischen Erregung können Permanentmagnete eingesetzt werden, was insbesondere bei Synchronmotoren für kleine bis mittlere Leistungen wie in Windkraftanlagen der Fall ist. Ein großer Vorteil einer solchen Permanentmagneterregung ist die Möglichkeit, auf eine Erregermaschine zur Erzeugung des Erregerstroms verzichten zu können.
-
Neben der Erregung durch einen Erregerstrom und der Erregung durch Permanentmagnete ist auch eine Hybriderregung bekannt, die sowohl Permanentmagnete als auch Erregerwicklungen verwendet. Die Erregerwicklungen, bei Hybriderregung oft als Zusatzwicklungen bezeichnet, werden wie bei der elektrischen Erregung mit einem Gleichstrom-Erregerstrom gespeist, wobei das durch die Zusatzwicklungen erzeugte Magnetfeld das Magnetfeld der Permanentmagnete überlagert und entsprechend verstärkt. Nachteilig ist hier, dass das statische Magnetfeld einer permanentmagneterregten Synchronmaschine nicht angepasst werden kann, ohne den Magnetkreis zu verändern, wie zum Beispiel durch das Austauschen der Permanentmagnete gegen stärkere oder schwächere Permanentmagnete. Vorteilhaft gegenüber der rein elektrischen Erregung ist der geringere Erregerstrom, so dass die Erregung der Synchronmaschine sparsamer ist und ein Erregerstrom nur erforderlich wird, wenn sich der Betriebspunkt entscheidend ändert, oder beispielsweise bei Generatoren eine unterschiedliche Höhe der generatorischen Spannung erreicht werden soll.
-
Um Übertragungsverluste zu vermeiden, ist ein möglichst hoher Leistungsfaktor cos φ nötig. Idealerweise ist der Leistungsfaktor cos φ = 1, erreicht werden für gewöhnlich jedoch Werte zwischen 0,9 und 0,95 induktiv bis kapazitiv. Eine Leistungsfaktorregelung eines fremderregten Generators erfolgt in der Regel über eine Veränderung des Betriebspunktes der Erregermaschine, während der Leistungsfaktor eines permanentmagneterregten Generators im Netzbetrieb bei gegebener Last nur durch den Austausch von Bauteilen und nicht während des Betriebs verändert werden kann.
-
Aus der
US 5 397 975 A sind Hybriderregungen bekannt, deren Zusatzwicklungen der Permanentmagnete über Schleifringe und Bürsten mit Gleichstrom versorgt werden.
-
Eine Versorgung der Erregerwicklung der Hauptmaschine einer Synchronmaschine durch eine fest mit dem Rotor der Hauptmaschine gekoppelte Erregermaschine ist ebenfalls aus der
US 4 015 789 A bekannt, die jedoch eine elektrisch erregte Synchronmaschine ist.
-
Die
US 8 148 866 B2 offenbart eine Synchronmaschine aufweisend eine Hauptmaschine mit einem hybriderregten Rotor und einem Stator mit einer Ankerwicklung, weiter aufweisend einen Erreger mit einem Stator mit einer Wicklung und einem Rotor mit einer Drehwicklung, wobei der Erregerstrom aus der Drehwicklung durch den Gleichrichter als Gleichstrom in die Zusatzwicklung des Rotors der Hauptmaschine gespeist wird.
-
Die
DE 34 24 402 C1 offenbart einen Synchronmotor aufweisend eine Hauptmaschine und eine Erregermaschine, wobei die Hauptmaschine einen Stator mit einer dreiphasigen Wicklung und einen auf einer Welle befindlichen Rotor mit Permanentmagneten und einer Erregerwicklung aufweist und die Erregermaschine einen Rotor mit einer Wicklung und eine Erregerwicklung auf dem Stator aufweist. Die Rotoren sind dabei über die Welle miteinander gekoppelt.
-
Die US 2016 / 0 294 238 A1 offenbart einen Generator, aufweisend eine Hauptmaschine und einen Erreger, wobei die Hauptmaschine Hauptwicklungen und Hilfswicklungen auf dem Stator und Wicklungen auf dem Rotor aufweist und der Erreger Permanentmagnete mit Zusatzwicklungen auf dem Rotor und Wicklungen auf dem Stator aufweist. Der Strom der Ankerwicklung des Erregers wird dabei über Gleichrichter in die Wicklungen gespeist.
-
Die
DE 10 2011 055 137 A1 offenbart einen Synchronmotor zur Anwendung in Fahrzeugen, aufweisend eine Hauptmaschine als Außenpolmaschine, eine Erregermaschine bestehend aus zwei Übertragungselementen und eine Welle, wobei der Rotor der Hauptmaschine und das erste Übertragungselement auf der Welle angeordnet sind. Das zweite Übertragungselement, welches axial zum ersten Übertragungselement angeordnet ist, ist mit einem Wechselrichter verbunden, durch den die Felderregerwicklung positiv oder negativ bestrombar ist. Weiter weist der Synchronmotor eine drahtlose Schnittstelle an einem Steuermodul auf, über das drahtlos Steuerbefehle übertragbar sind.
-
Die
DE 44 27 323 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einer hybriderregten Erregereinheit im Allgemeinen.
-
Die
DE 708 038 A offenbart eine hybriderregte Synchronmaschine, wobei zur Erzielung einer Leerlaufspannung eine gewisse Gegenerregung notwendig ist und daher der Erregerstrom in umgekehrter Richtung durch die Erregerwicklung schickbar ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorteile einer bürstenlosen Erregereinrichtung mit den Vorteilen einer Hybriderregung zu verbinden und zu optimieren, eine Möglichkeit des dynamischen Anpassens des Leistungsfaktors zu bieten und ein entsprechendes Betriebsverfahren anzubieten.
-
Die Vorrichtungsaufgabe wird dadurch gelöst, dass die Erfindung eine Synchronmaschine verwendbar als Generator für kleine und mittlere Leistungen typischerweise bis 500kW vorsieht, aufweisend eine Hauptmaschine, eine Zusatzerregermaschine, einen Gleichrichter und eine Welle, wobei die Hauptmaschine als Innenpolmaschine ausgebildet ist, deren außenliegender Stator eine Drehfeldwicklung und deren innenliegender Rotor Permanentmagnete mit Zusatzwicklungen aufweist, wobei die Zusatzerregermaschine als eine Art Außenpolmaschine ausgebildet ist, deren außenliegender Stator Permanentmagnete und deren innenliegender Rotor eine Drehfeldwicklung aufweist, wobei die Rotoren von Hauptmaschine und Zusatzerregermaschine über die von externen Kräften bewegbar ausgebildete Welle miteinander gekoppelt sind, wobei der Gleichrichter zwischen den Rotoren positioniert ist, wobei die Zusatzerregermaschine im Betriebsfall Energie durch den Gleichrichter auf die Zusatzwicklung der Permanentmagnete der Hauptmaschine schleifringlos übertragend ist, wobei die Synchronmaschine dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zusatzwicklungen je nach Stromrichtung, Stromstärke und Polarität des Stroms das Magnetfeld der Permanentmagnete sowohl verstärkend als auch schwächend sind, um so dynamischen Einfluß auf den Leistungsfaktor zu nehmen, und dass der Gleichrichter und/oder der Gleichstromsteller über einen Transceiver von außerhalb der Synchronmaschine ansteuerbar ist, wobei ein Sensor physikalische Größen des Drehstroms erfasst und an den Transceiver leitend ist, wobei der Transceiver die gemessenen physikalischen Größen an den Gleichrichter und/oder an den Gleichstromsteller sendend ist. Insbesondere vorteilhaft ist diese Erfindung, wenn die Rotoren der Zusatzerregermaschine und der Hauptmaschine über die Welle so miteinander gekoppelt sind, dass sie mit einer gleichen Winkelgeschwindigkeit drehend ausgebildet sind. Die von externen Kräften bewegbar ausgebildete Welle ist beispielsweise von Wind, Meeresströmungen, einer Turbine oder einem anderen Antrieb bewegbar ausgebildet. Die Zusatzwicklungen an den Permanentmagneten der Hauptmaschine sind idealerweise so ausgebildet, dass sie bei Bestromung das Magnetfeld der Permanentmagnete überlagern und je nach Stromrichtung verstärkend oder abschwächend wirken können Besonders vorteilhaft ist, wenn die Zusatzwicklungen so ausgebildet sind, dass sie mit Kleinspannungen von bis zu 120 V DC betrieben werden können, wobei die Höhe der Spannung nicht von der Rotorwicklung der Zusatzerregermaschine oder der Netzspannung abhängig ist, da so Schutzmaßnahmen und teure Hochvoltbauteile entfallen. Die Zusatzerregermaschine ist vorteilhaft so ausgebildet, dass die Permanentmagnete im Stator der Zusatzerregermaschine im Betriebszustand mit der Rotation des Rotors eine Spannung in der Drehfeldwicklung der Zusatzerregermaschine induzieren. Weiter ist vorgesehen, dass der Gleichrichter entweder auf der Welle oder in einem der Rotoren, beziehungsweise kurz vor den Zusatzwicklungen der Hauptmaschine oder kurz nach der Drehfeldwicklung der Zusatzerregermaschine positioniert ist, sodass die übertragene Energie von der Zusatzerregermaschine zu den Zusatzwicklungen im Rotor der Hauptmaschine durch den Gleichrichter verlaufend ist, sodass der Gleichrichter den im Rotor der Zusatzerregermaschine erzeugten Drehstrom in einen Gleichstrom umwandelnd ist und der Gleichstrom in den Zusatzwicklungen der Hauptmaschine ein statisches Magnetfeld erzeugend ist, welches mit dem der Permanentmagneten überlagernd ist. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, ein zusätzliches Magnetfeld zu erzeugen, um mit diesem je nach Stromrichtung und Stromstärke das Magnetfeld der Permanentmagnete zu verstärken oder zu schwächen, um so sowohl Fertigungstoleranzen auszugleichen als auch Einfluß auf den Leistungsfaktor zu nehmen, ohne die Permanentmagnete im Rotor der Hauptmaschine austauschen, oder die Hauptmaschine konstruktiv verändern zu müssen. Ebenfalls ist es idealerweise vorgesehen, dass in der Drehfeldwicklung der Zusatzerregermaschine ein sechsphasiger Drehstrom generierbar ist. Dies ist von Vorteil, da ein sechsphasiger Drehstrom einfacher gleichrichtbar ist als ein Drehstrom mit weniger Phasen. Ist die Zusatzerregermaschine als eine BLDC-Maschine (Bürstenlose Gleichstrommaschine) mit rechtförmigen Spannungen ausgebildet, so hat sie den besonderen Vorteil, dass die Gleichrichtung einer Rechteckspannung deutlich einfacher und mit geringerem Aufwand zu bewerkstelligen ist, als bei einer gewöhnlichen Wechselspannung. Durch das Ansteuern des Gleichrichters und/oder des Gleichstromstellers über einen Transceiver von außerhalb der Synchronmaschine kann ein Benutzer, insbesondere der Netzbetreiber drahtlos über kurze Distanzen, beispielsweise über Bluetooth, alternativ zum Regler oder den Regler unterstützend auf den Gleichrichter zugreifen und manuell ansteuern, wenn eine Anpassung der ausgegebenen Leistung vorgesehen ist.
-
Weiterhin ist es vorgesehen, dass auch die Permanentmagnete im Stator der Zusatzerregermaschine mit Zusatzwicklungen versehen sind. Dadurch ist gewährleistet, dass durch eine Änderung des statischen Magnetfeldes der Zusatzerregermaschine die Stärke des Erregerstroms und somit der Leistungsfaktor der Hauptmaschine beeinflussbar sind. Die Bestromung der Zusatzwicklungen im Stator der Zusatzerregermaschine kann dabei durch konventionelle Methoden erfolgen.
-
Besonders vorteilhaft ist eine Synchronmaschine, wenn der Gleichrichter so ausgestaltet ist, dass er zusätzlich die Fähigkeit zur Umkehrung der Stromrichtung aufweist, also insbesondere als Vierquadrantensteller, Inverswandler, Aufwärtswandler oder Abwärtswandler ausgebildet ist, sodass nicht nur der Drehstrom der Zusatzerregermaschine in einen als Erregerstrom verwendbaren Gleichstrom umwandelbar ist, sondern auch eine Ausrichtung des Stroms beeinflussbar ist. Dadurch ist das Magnetfeld der Permanentmagnete im Rotor der Hauptmaschine sowohl verstärkbar als auch schwächbar. Besonders vorteilhaft ist in dieser Ausführungsform der Synchronmaschine, dass die Stromstärke und damit die Stärke des zusätzlichen Magnetfeldes über Pulsweitenmodulation eines Vierquadrantenstellers oder eines Inverswandlers, Aufwärtswandlers oder Abwärtswandlers exakt regelbar ist.
-
Um den Leistungsfaktor durch eine Überlagerung des Magnetfeldes der Permanentmagnete exakt regeln zu können, muss der Strom durch die Zusatzwicklung sowohl in seiner Stärke, als auch in seiner Richtung oder Polarität exakt geregelt werden. Hierfür ist vorteilhaft vorgesehen, dass ein Gleichstromsteller zwischen den Gleichrichter und den Zusatzwicklungen der Hauptmaschine geschaltet ist. Dieser kann beispielsweise über die Möglichkeit verfügen, die Stromstärke mittels Pulsweitenmodulation stufenlos einzustellen. Eine Änderung der Stromrichtung kann über einen Vierquadrantensteller oder alternative Gleichstromsteller-Topologien, wie zum Beispiel Aufwärts-, Abwärts- oder Inverswandler, erfolgen.
-
Für eine präzisere Anpassung des Leistungsfaktors der Synchronmaschine wird vorteilhaft vorgeschlagen, dass am Stator der Hauptmaschine Sensoren für die Messung verschiedener physikalischer Größen angebracht sind, insbesondere Sensoren zur Messung des Leistungsfaktors oder von Stromstärke, Spannung und Leistung, wobei gegebenenfalls eine Recheneinheit oder eine Auswerteinheit die Messwerte in den aktuellen Leistungsfaktor umrechnend ist.
-
Wahlweise können auch am Gleichrichter und/oder am Gleichstromsteller Sensoren vorgesehen sein, was den großen Vorteil hat, dass auch physikalische Größen bezüglich des Erregerstroms messbar sind, gegebenenfalls mit den Messwerten des Ausgangsdrehstroms abgleichbar sind und der Erregerstrom entsprechend anpassbar ist.
-
Es ist weiter vorgesehen, dass ein Regler den Gleichrichter und/oder den Gleichstromsteller steuernd ist. Der Regler ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass durch ihn der Zeitrahmen festlegbar ist, in dem der Gleichrichter isoliert oder elektrisch leitend ist. Dadurch ist über die Steuerung des Gleichrichters und/oder des Gleichstromstellers eine Steuerung des Leistungsfaktors der Synchronmaschine möglich. Insbesondere bei den Ausführungsformen, bei denen entweder der Gleichrichter ein Vierquadrantensteller ist, oder zusätzlich zum Gleichrichter der Gleichstromsteller verwendet wird, ist ein Regler von großem Vorteil, da durch den Regler auch die Ausrichtung des Stroms anpassbar ist. Da die Höhe der elektromotorischen Kraft durch viele geometrische Toleranzen und Toleranzen in den magnetischen Eigenschaften beeinflusst wird und somit eine produktionsbedingte Abweichung des Leistungsfaktors vom idealen Wert cos φ = 1 vorhanden ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Regler autark die Bestromung der Zusatzwicklungen der Hauptmaschine anpassend ausgebildet ist, sodass der gewünschte Leistungsfaktor erreicht werden kann. Ein autark arbeitender Regler könnte weiterhin dynamische Einflüsse wie zum Beispiel die Vergrößerung des Spulenwiderstandes durch Erwärmung oder minimale Schwankungen der Netzversorgungspannung oder Last ausgleichend ausgebildet sein.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Zusatzerregermaschine im Verhältnis zur den Permanentmagneten der Hauptmaschine so ausgebildet ist, dass die Zusatzwicklung die Stärke des Magnetfeldes der Permanentmagnete um bis zu 20% verstärkend oder abschwächend ist. Insbesondere beim Verwenden der Synchronmaschine als Generator für kleine und mittlere Leistungen sind keine stärkeren Erregerströme notwendig, um den gewünschten Leistungsfaktor erreichen und insbesondere beibehalten zu können.
-
Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung ein Betriebsverfahren der Synchronmaschine vor, welches die folgenden Schritte aufweist: Das in Bewegung Setzen der Welle durch externe Kräfte; Die Erzeugung eines Drehstroms in der Drehfeldwicklung des Rotors durch das Magnetfeld der Permanentmagnete im Stator der Zusatzerregermaschine; Die Umwandlung des Drehstroms in Gleichstrom durch einen Gleichrichter; Das Speisen der Zusatzwicklungen der Hauptmaschine mit Gleichstrom; Das wahlweise Verstärken oder Abschwächen des Magnetfeldes der Permanentmagnete im Rotor der Hauptmaschine durch das durch den Gleichstrom erzeugte Magnetfeld der Zusatzwicklungen; Die Erzeugung eines Drehstroms in der Drehfeldwicklung des Stators der Hauptmaschine durch das rotierende Magnetfeld des Rotors, wobei ein Sensor physikalische Größen des erzeugten Drehstroms erfasst und an einen Transceiver leitet, der die gemessenen physikalischen Größen an den Gleichrichter und/oder an den Gleichstromsteller sendet; Das Weiterleiten des Drehstroms in den Netzbetrieb. Bei Bedarf kann das Speisen der Zusatzwicklungen der Hauptmaschine mit Gleichstrom und das daraus resultierende Verstärken oder Abschwächen des Magnetfeldes der Permanentmagnete der Hauptmaschine übersprungen werden. Der Sensor ist zwischen Hauptmaschine und Netz so geschaltet, dass der Sensor die Leistung des im Stator der Hauptmaschine erzeugten Drehstroms, den Leistungsfaktor, oder wahlweise andere physikalische Größen erfasst und an einen Transceiver leitet, an dem die Leistung, der Leistungsfaktor und/oder andere physikalische Größen ausgelesen oder weitergeleitet werden kann. Der Transceiver sendet die gemessene Leistung, den gemessenen Leistungsfaktor, oder andere gemessene physikalische Größen an den Gleichrichter und/oder den Gleichstromsteller. Wahlweise ist es von Vorteil, wenn der Transceiver die Auswertung der gemessenen Größen in Form eines Befehls an den Gleichrichter sendet.
-
Weiter ist vorteilhaft eine Weiterführung des obigen Betriebsverfahrens vorgesehen, bei der das Betriebsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gleichrichter und/oder ein zwischen den Gleichrichter und den Zusatzwicklungen der Hauptmaschine geschalteter Gleichstromsteller die Stromstärke und Stromrichtung zwischen den Verfahrensschritten der Umwandlung des Drehstroms in Gleichstrom durch einen Gleichrichter und des Speisens der Zusatzwicklungen der Hauptmaschine mit Gleichstrom moduliert. Dadurch ist eine gezielte Einstellung des Leistungsfaktors der Synchronmaschine möglich.
-
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Gleichrichter und/oder der Gleichstromsteller durch den zugesandten Befehl oder den zugesandten Messwerten den Leistungsfaktor autark an einen gewünschten Wert anpasst, sodass ein Eingreifen durch den Benutzer oder wahlweise den Netzbetreiber nur bei Wartungsarbeiten zwingend notwendig ist.
-
Alternativ wird vorteilhaft vorgeschlagen, dass der Gleichrichter und/oder der Gleichstromsteller über Transceiver durch einen Benutzer, in der Regel durch den Netzbetreiber, idealerweise in Echtzeit angesteuert werden kann. Durch das Steuern des Leistungsfaktors durch Menschen können Softwareoder Maschinenfehler vermieden werden.
-
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren beispielhaft beschrieben, wobei weitere Einzelheiten den Figuren zu entnehmen sind.
-
Funktionsmäßig gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1: Skizzenhafte schematische Ansicht der Synchronmaschine.
- 2: Ablaufdiagramm des Arbeitszyklus der Zusatzerregermaschine.
- 3: Luftspaltflussdichte aufgetragen gegen den Drehwinkel des Rotors.
-
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Synchronmaschine 1. Die hier aufgeführte Synchronmaschine ist als Radialflussmaschine ausgebildet. Erfindungsgemäß kann die Synchronmaschine auch als Axialflussmaschine ausgebildet sein. Links der Synchronmaschine 1 in 1 befindet sich der Antrieb der Welle 6, hier als Turbine oder einen sonstigen Antrieb dargestellt, welche sich je nach Bauart weiter über die Synchronmaschine 1 hinaus erstrecken kann. Der Antrieb der Welle 6 kann alternativ durch Wind- oder Meeresströmungen erfolgen, wie es bei einem Einsatz der Synchronmaschine 1 als Synchrongenerator in Wind- oder Wasserkraftwerken der Fall ist. Die Welle 6 verläuft im drehenden Teil der Synchronmaschine 1 durch die beiden Rotoren 8, 8', welche fest mit der Welle 6 verbunden sind und entsprechend mit der Welle 6 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit rotieren. Die Zusatzerregermaschine 3, welche Permanentmagnete 10' im Stator 7' und eine Drehfeldwicklung 9' im Rotor 8' aufweist, ist direkt an den Gleichrichter 4 und/oder den Gleichstromsteller 5, hier zusammengefasst als mitrotierende Box, gekoppelt, wobei die Box ebenfalls Transceiver 14, Sensoren 12 und/oder Regler 13 umfassen kann. Idealerweise ist der Gleichrichter 4 als Vierquadrantensteller ausgebildet. Wichtig ist hierbei, dass der Gleichrichter 4, oder speziell der Vierquadrantensteller, und der Gleichstromsteller 5 so mit der Welle 6 verbunden sind, dass sie ebenfalls mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit mit der Welle 6 mitrotieren. Dabei sind Gleichrichter 4 und Gleichstromsteller 5 so mit dem Rotor 8' der Zusatzerregermaschine 3 verbunden, dass die Drehfeldwicklung 9' der Zusatzerregermaschine 3 Strom in den Gleichrichter 4 speist. Hier ist keine komplizierte Verbindung über Schleifringe oder ähnlichem nötig, da Rotor 8' der Zusatzerregermaschine 3, Gleichrichter 4 und Gleichstromsteller 5 synchron miteinander rotieren. Weiterhin über die Welle 6 gekoppelt ist der Rotor 8 der Hauptmaschine 2, welcher Permanentmagnete 10 und zusätzliche Spulenwicklungen 11 aufweist, die mit Gleichrichter 4 beziehungsweise Gleichstromsteller 5 verbunden sind und das Magnetfeld der Permanentmagnete 10 beeinflussen. So kann die Drehfeldwicklung 9' der Zusatzerregermaschine 3 über den Gleichrichter 4 oder den Gleichstromsteller 5 mit den Zusatzwicklungen 11 der Hauptmaschine 2 über einfache Mittel verbunden werden, da alle genannten Teile mit der Welle 6 gekoppelt sind und synchron rotieren. Der Stator 7 der Hauptmaschine 2 weist entsprechend eine Drehfeldwicklung 9 auf, von der hier ein Dreiphasenstrom entnommen wird. Zwischen Stator 7 und Netz ist ein weiterer Sensor 12 geschaltet, welcher physikalische Größen wie den Leistungsfaktor messen kann und an einen Transceiver 14 angeschlossen ist, welcher die Messwerte wahlweise an einen Benutzer oder Betreiber weitergeben kann, oder die Messwerte an einen Transceiver 14 in der Box des Gleichrichters 4 senden kann, wo die Messwerte verarbeitet werden können und der Gleichrichter 4 und/oder der Gleichstromsteller 5 entsprechend durch einen Regler 13 gesteuert werden können, die wahlweise autark arbeiten können, oder durch einen Benutzer oder Betreiber manuell betrieben werden können.
-
2 zeigt einen Arbeitszyklus der Zusatzerregermaschine 2, die hier schematisch in Stator 7' links und Rotor 8' rechts aufgeteilt ist. Der Stator 7' weist Permanentmagnete 10' auf, die in der rotorseitigen Drehfeldwicklung 9' der Zusatzerregermaschine 3 über die Wirkleitung 17 drahtlos einen Drehstrom induziert. Auf der Seite des Stators 7' befinden sich in diesem Beispiel zusätzlich zu den Permanentmagneten 10' der Sensor 12, der physikalische Größen wie den Leistungsfaktor misst, eine graphische Benutzeroberfläche 15, die durch einen Benutzer am Stator 7' der Zusatzerregermaschine 3 bedient werden kann und ein Transceiver 14, der das Signal, das der Benutzer über die graphische Benutzeroberfläche 15 vorgibt, an einen rotorseitigen Transceiver 14 übermittelt. Der Sensor 12 gibt dabei dem Benutzer die Möglichkeit, über die mit dem Sensor 12 verbundene graphische Benutzeroberfläche 15 den Status der Zusatzerregermaschine 3 und des produzierten Erregerstroms zu urteilen und entsprechende Anpassungen vorzunehmen. Die Übermittlung des Signals erfolgt vorteilhaft drahtlos über die Signalleitung 16 zwischen den Transmittern 14. Das Signal gibt dem auf dem Rotor 8' der Zusatzerregermaschine 3 befindlichen Regler 13 vor, inwiefern der Erregerstrom angepasst werden muss, um die gewünschte Netzspannung und den gewünschten Leistungsfaktor der Hauptmaschine 2 zu erreichen. Alternativ kann der Regler 13 auch auf der Statorseite 7 der Hauptmaschine 2 angebracht sein. Der Regler 13 nimmt entsprechende Änderungen an dem Gleichstromsteller 5, hier gezeigt als Vierquadrantensteller, vor. So wird der Erregerstrom, der in Form eines Drehstroms in der Drehfeldwicklung 9' durch einen hinter die Drehfeldwicklung geschalteten Gleichrichter 4 in Gleichstrom umgewandelt wurde und als solcher in den Gleichstromsteller 5 gespeist wurde, entsprechend der über die graphische Benutzeroberfläche 15 eingegebenen Weisung durch den Regler 13 in Zusammenwirken mit dem Gleichstromsteller 5 angepasst und anschließend an die Zusatzwicklungen 11 der Hauptmaschine 2 geleitet, hier angedeutet durch einen weiteren Pfeil auf die rechte Bildhälfte weisend.
-
3 zeigt die Luftspaltflussdichte im Verhältnis zum Drehwinkel des Rotors 8. Dabei repräsentiert der Graph mit der durchgezogenen Linie die Luftspaltflussdichte einer permanentmagneterregten Synchronmaschine 1, also einer Synchronmaschine 1 ohne Zusatzwicklungen 11. Die Graphen mit der gestrichelten und der gepunkteten Linie zeigen die Luftspaltflussdichten einer hybriderregten Synchronmaschine, also einer solchen, die mit Zusatzwicklungen 11 um die Permanentmagnete 10 ausgestattet ist. Dabei repräsentiert die gestrichelte Linie die Luftspaltflussdichte bei einer feldabschwächenden Bestromung der Zusatzwicklungen 11 und die gepunktete Linie die Luftspaltflussdichte bei einer feldverstärkenden Bestromung der Zusatzwicklungen 11. Feldverstärkende oder feldabschwächende Bestromung bedeutet, dass die Zusatzwicklungen 11 so angesteuert werden, dass das durch den Stromfluss erzeugte Magnetfeld in Richtung beziehungsweise entgegen der Richtung des durch die Permanentmagnete 10 wirkende Magnetfeld wirkt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Synchronmaschine
- 2
- Hauptmaschine
- 3
- Zusatzerregermaschine
- 4
- Gleichrichter
- 5
- Gleichstromsteller
- 6
- Welle
- 7
- Stator der Hauptmaschine
- 7'
- Stator der Zusatzerregermaschine
- 8
- Rotor der Hauptmaschine
- 8'
- Rotor der Zusatzerregermaschine
- 9
- Drehfeldwicklung der Hauptmaschine
- 9'
- Drehfeldwicklung der Zusatzerregermaschine
- 10
- Permanentmagnet der Hauptmaschine
- 10'
- Permanentmagnet der Zusatzerregermaschine
- 11
- Zusatzwicklung der Hauptmaschine
- 11'
- Zusatzwicklung der Zusatzerregermaschine
- 12
- Sensor
- 13
- Regler
- 14
- Transceiver
- 15
- GUI (graphical user interface)
- 16
- Signalleitung
- 17
- Wirkleitung
