DE1513807C3 - Mehrphasige Hochspannungs-Synchronmaschine - Google Patents

Description

Phase

2pm

ist durch einen echten unkiirz-

baren Bruch — ausdrückbar, dessen Zähler b mindestens 3 beträgt;

c) die Zahl ζ der Ständerzähne (1) ist die der dreifachen Polpaarzahl der Maschine am nächsten liegende durch die Phasenzahl m teilbare Zähnezahl;

d) die Stäbe (15, 16) der Dämpferwicklung des Läufers sind annähernd gleichmäßig über den gesamten Läuferumfang verteilt, ausschließlich als verdrillte Stäbe ausgebildet und gegen die Läufernutenwände isoliert, wobei bei einem Schenkelpolläufer ein Teil der Stäbe in den Pollücken vorgesehen ist.

2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ständernut eine Spulenseite einer Ständerwicklungsspule (2) aufnimmt.

3. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ständernut zwei Spulenseiten benachbarter Ständerwicklungsspulen (2) aufnimmt.

4. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Metallschirme als elektrisch leitende Schirme vorgesehen sind, von denen der äußere (8) zwischen einer äußeren Kunststoffumhüllung (10) und der eigentlichen Isolierung (6) der Ständerwicklungsspule (2) angeordnet und geerdet ist, während der innere Metallschirm (7) zwischen der Isolierung (6) und den Leitern (3) der Ständerwicklungsspule angeordnet und mit diesen verbunden ist (Fig. 3).

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrphasige Hochspannungs-Synchronmaschine.

Es besteht im allgemeinen das Bestreben, die Nennspannung von Synchronmaschinen mit steigender Maschinenleistung anzuheben, so daß sich hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und dynamischem Verhalten vertretbare Maschinenparameter ergeben. Eine beliebige Anhebung der Maschinenspannung läßt sich jedoch nicht ohne weiteres realisieren, da mit steigender Spannung die Wicklungsisolation immer schwieriger wird und wegen ihrer zunehmenden Stärke zu einer groben Nutteilung und damit zu kleinem Wicklungsfaktor sowie zu unbrauchbaren Ständerstreureaktanzen führt.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß elektrische Maschinen, bei denen jede Ständerwicklungsspule einen einzigen Ständerzahn umfaßt, bekannt sind (DT-PS 92 958) und daß es bei Hochspannungswicklungsisolationen üblich ist, zur Vergleichmäßigung der elektrischen Feldstärke in der Isolierung einen äußeren Glimmschutzbelag in Form einer Beschichtung mit einem Material relativ niedrigen Widerstandes vorzusehen, der mit dem umgebenden magnetischen Material in Berührung steht (US-PS 2 427 749).

Wie eingangs erwähnt, wird durch die mit steigender Nennspannung zunehmende Stärke der Wicklungsisolation die Mindestbreite der einzelnen Nut immer größer, so daß nur eine beschränkte Zahl q der Nuten je Pol und Phase vorgesehen werden kann. Bei Anwendung einer Ganzlochwicklung haben dann die Wicklungsfaktoren der Oberwellen bekanntlich beträchtliche Werte, was bei Generatoren im allgemeinen eine schlechte Spannungskurve ergibt. Dieser Nachteil wird gewöhnlich durch Anwendung der bekannten Bruchlochwicklung vermieden, bei der q eine gebrochene Zahl ist. Bei den Bruchlochwicklungen wird der Wicklungsfaktor der Grundwelle nur wenig verringert, während die Wicklungsfaktoren der Oberwellen stärker abnehmen. Die Anwendung derartiger Bruchlochwicklungen ist auch bei Maschinen bekannt, die eine Dämpferwicklung besitzen (OE-PS 130 542).

Dämpferwicklungen von Synchronmaschinen sind in der Regel als Stabwicklungen ausgeführt, deren Dämpferstäbe in die Polschuhe von Schenkelpolläufern eingesetzt sind und durch läuferstirnseitige Dämpferringe miteinander verbunden sind. Es ist aber auch bekannt, Dämpferstäbe sowohl in den Polschuhen als auch in den Pollücken vorzusehen und verdrillt auszubilden (DT-Gbm 1 858 972).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrphasige Hochspannungs-Synchronmaschine zu schaffen, welche die übliche Kombination von Synchronmaschine und Transformator ersetzen kann. Hierbei ist an Nennspannungen gedacht, die bei 35 bis 500 kV und damit weit über der bisher üblichen Größenordnung liegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der im Anspruch 1 aufgeführten, zum Teil bekannten Merkmale gelöst.

Eine derart ausgelegte Hochspannungs-Synchronmaschine besitzt wirtschaftliche und technische Parameter, die sie Generator-Transformator-Blöcken von gleichhoher Ausgangsspannung ebenbürtig oder überlegen macht. Eine Zähnezahl ζ in der Nähe der dreifachen Polpaarzahl der Maschine ergibt weder zu große Amplituden der höheren Harmonischen der Felderregerkurve, was zu erhöhten Verlusten in der Dämpferwicklung führen würde, noch einen zu niedrigen Wicklungsfaktor für die Grundwelle. Der niedrige Wert für die Zahl q der Ständerzähne je Pol und Phase gewährleistet einen hinreichenden Nutenabstand, so daß die erfindungsgemäß vorgesehene Spulenisolation mit mindestens einem elektrisch leitenden Schirm Platz hat. Die Ausführung der Wicklung aus Spulen, die nur einen Ständerzahn umfassen, begünstigt eine zuverlässige Längs- und Querisolation. Optimale Betriebsparameter lassen sich bei annehmbaren Verlusten mit der erfindungsgemäßen Ständerwicklung aber nur dann erzielen,

wenn die Stäbe der Dämpferwicklung annähernd gleichmäßig über den Läuferumfang verteilt, ausschließlich als verdrillte Stäbe ausgebildet und gegen die Läufernutenwände isoliert sind.

Im Hinblick auf definierte Isolationsverhältnisse sowie einfache Herstellbarkeit der Wicklung nimmt jede Ständernut vorteilhaft eine Spulenseite einer Ständerwicklungsspule auf.

Die durch die Ankerrückwirkung begründete Beeinträchtigung des Verlaufs der Generatorspannung wird andererseits dann sehr klein, wenn jede Ständernut zwei Spulenseiten benachbarter Ständerwicklungsspulen aufnimmt, die Ständerwicklung also zweischichtig ausgeführt ist.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Metallschirme als elektrisch leitende Schirme vorgesehen, von denen der äußere zwischen einer äußeren Kunststoffumhüllung und der eigentlichen Isolierung der Ständerwicklungsspule angeordnet und geerdet ist, während der innere Metallschirm zwischen der Isolierung und den Leitern der Ständerwicklungsspule angeordnet und mit diesen verbunden ist. Hierdurch wird ein Höchstmaß an Vergleichmäßigung der elektrischen Feldstärke in der Isolierung erzielt, so daß insbesondere Schutz gegen Spannungswellen mit großen Amplituden atmosphärigen Ursprungs gewährleistet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch den Ständer einer nach der Erfindung ausgebildeten Synchronmaschine, deren Ständerwicklung in zwei Schichten angeordnet ist,

F i g. 2 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Ständer mit einer einschichtigen Ständerwicklung,

F i g. 3 eine Wicklungsspule im Querschnitt, die in eine Nut des Ständers eingelegt ist,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch eine Wicklungsspule des Ständers und

F i g. 5 einen Querschnitt durch die Pole eines Läufers.

Der Ständer, dessen Schnitt in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist, weist Zähne 1 auf. Zur Verkleinerung der Verluste und Herabsetzung des induktiven Streuwiderstandes ist die Zahl ζ der Ständerzähne 1 etwa gleich der dreifachen Polpaarzahl gewählt. Die Wicklung des Ständers besteht aus einer Reihe von Spulen 2 mit mehreren Windungen, von denen jede nur einen Ständerzahn umfaßt. Es werden entweder alle Zähne 1 des Ständerkernes (Fig. 1) oder nur jeder zweite (F i g. 2) mit Wicklungsspulen versehen.

Zur Herstellung einer symmetrischen dreiphasigen Ständerwicklung muß die Zahl der Spulen durch drei teilbar sein.

Um eine sinusförmige EMK zu erhalten, wird die

Zahl q der Ständerzähne je Pol und Phase ( )

^J V 2 pm j

so gewählt, daß sie durch einen echten unkürzbaren Bruch — ausdrückbar ist, dessen Zähler mindestens

3 beträgt. Aus allen ausführbaren Zähnezahlen, die der obenstehenden Bedingung genügen, ist diejenige Zähnezahl zu wählen, die der dreifachen Polpaarzahl der Maschine am nächsten kommt.

Die obenerwähnten Bedingungen für die Wahl der Zahl der Ständerzähne führen insbesondere dann zu sehr günstigen Maschinenparametern, wenn die Pol· paarzahl gleich oder größer als 5 ist.

Beträgt beispielsweise bei einer dreiphasigen Maschine die Polpaarzahl ρ = 16, so sind laut den

obigen Darlegungen nur folgende Ständerzähnezahlen brauchbar: ζ = 42, 45, 51 und 54. Dabei kommen Wicklungen mit einer Spulenanordnung, bei der jeder zweite Ständerzahn von einer Spule umfaßt wird, nur bei geraden Zähnezahlen (z = 42 oder 54) in Betracht, während bei Anordnung der Spulen auf jedem Ständerzahn die ungeraden Zähnezahlen (z = 45 oder 51) vorzuziehen sind, da sie der dreifachen Polpaarzahl am nächsten 3 ρ = 48 liegen. Bei einer Zähnezahl ζ = 42 beträgt beispielsweise

<7 =

2 pm

2-16-3

16

Jede Wicklungsspule 2 des Ständers besteht gemäß der F i g. 3 aus Schichten von Spulenleitern 3, die aus einem isolierten Leiter gewickelt sind. Zwischen den Schichten sind Zwischenräume 4 und Kanäle 5 vorgesehen. Die Zwischenräume 4 sind mit einem festen Isoliermaterial ausgefüllt, während die Kanäle 5 von einer Flüssigkeit mit hohen Isoliereigenschaften durchflossen werden.

Die Spule ist von einer starken Isolierung 6 umgeben.

Um die Feldstärke in der Isolierung 6 herabzusetzen, ist die Spule mit zwei Metallschirmen versehen, von denen der Innenschirm 7 mit den Spulenleitern und der Außenschirm 8 mit Erde elektrisch verbunden sind. Die beiden Schirme werden aus einem Metallband mit Isolationsunterlage oder aus einem Metallpapier hergestellt und auf der ganzen Spulenlänge, einschließlich ihrer Zu- und Ausführungen, derart angeordnet, daß keine kurzgeschlossenen, einen Zahn des Ständers umgebenden Windungen gebildet werden. Zwischen dem Schirm 7 und den Spulenleitern 3 ist noch eine Isolationsschicht 9 angeordnet.

Die isolierte Spule 2 wird zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen und äußere Einflüsse in eine fest verschlossene Kunststoffumhüllung 10 eingekapselt.

Die Isolierflüssigkeit, die die Kanäle 5 und die inneren Räume der Spule ausfüllt und die Isolierung der ganzen Ständerwicklung, und zwar der Wicklungsspulen und der Verbindungen zwischen den Spulen, durchtränkt, dient gleichzeitig als Kühlmittel. Sie nimmt die in den Leitern und im Dielektrikum entwickelte Verlustwärme auf und führt sie ab. Die Spulenanschlüsse 11 (F i g. 4) und die Verbindungen zwischen den Spulen werden in der gleichen Weise isoliert, wie es bei Hochspannungskabeln üblich ist.

Die in den Wicklungsleitern entwickelte Verlustwärme wird bei Innenkühlung unmittelbar durch die Kühlflüssigkeit entzogen. Dabei dringt die Wärme von den Leitern zum Kühlmedium durch die Windungsisolation. Zur Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit sind in der Spule ein Eintrittskanal 12 und ein Austrittskanal 13 vorgesehen. Die Kanäle 12 und 13 verlaufen durch die Isolierung 6 und können mit den Spulenanschlüssen 11 aus einem Stück bestehen.

Die F i g. 4 läßt die Kunststoffumhüllung 10, die Isolierung 6, einen mit Isoliermaterial ausgefüllten Zwischenraum 4 zwischen den Leiterschichten, die Spulenanschlüsse 11, den Eintrittskanal 12 und den Austrittskanal 13 für die Kühlflüssigkeit erkennen.

Die Kühlflüssigkeit wird durch die Ständerwick-

lung mittels einer Pumpe im geschlossenen Kreislauf geführt, zu dem ein außenliegender Kühler gehört.

Die F i g. 5 zeigt die Anordnung der Dämpferwicklung bei einem Schenkelpolläufer. Zur Verbesserung der Dämpfung der asynchronen Harmonischen des Ständerfeldes sind die Dämpferstäbe aus verdrillten Leitern hergestellt und annähernd gleichmäßig über den Läuferumfang verteilt. Sie sind in Läufernuten mit rechteckigem Querschnitt eingelegt und gegen den Läuferkörper isoliert.

Um die Polsteuerung zu vermindern, wird die Höhe der Polschuhzähne 14 durch die Anordnung von Dämpferstäben 15 in den Pollücken äußerst klein gehalten. Die die äußeren Dämpferstäbe 16 der Polschuhe durchfließenden Ströme werden dabei

beträchtlich kleiner. Die Dämpferstäbe 15 werden in den Pollücken durch Kunststoffkeile 17 festgehalten, die von den Polschuhspitzen gegen ein Herausschleudern gesichert werden.

Die Keile 17 nehmen außerdem die Fliehkraft der Erregerwicklung 18 auf und übertragen sie auf die Polschuhspitzen. Kanäle 19 dienen zur Läuferkühlung.

Bei einem Vollpolläufer ist ein Teil der Dämpferstäbe in den gleichen Nuten wie die Erregerwicklungsspulen untergebracht. Die übrigen Dämpferstäbe finden Platz in den Nuten, die sich im Bereich der breiten Läuferzähne befinden.

Alle Stäbe der Dämpferwicklung sind an den Stirnseiten des Läufers mittels kurzschließender Ringe elektrisch miteinander verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Mehrphasige Hochspannungs-Synchronmaschine, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) jede Ständerwicklungsspule (2) umfaßt einen einzigen Ständerzahn und ist zur Vergleichmäßigung der elektrischen Feldstärke in der Isolierung (6) von mindestens einem elektrisch leitenden Schirm (7, 8) umgeben;

b) die Zahl<7 der Ständerzähne (1) je Pol und