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Double Speed Synchronous Machine

IP.com Disclosure Number: IPCOM000028928D
Publication Date: 2004-Jun-08
Document File: 28 page(s) / 2M

Publishing Venue

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Abstract

The speed of synchronous generators are linked directly to the frequency of the grid (50 Hz or 60 Hz). A higher speed is not feasible without any electronic application but would be useful. Often, a gear is used in order to operate the turbine with favourably higher speed. This paper shows a generator, which can operate at double synchronous speed without the use of electronic frequency converter. The generator is driven like a double feed asynchronous machine. Two different operation modes are discussed: Driving the rotor with double speed in or against the rotating field. In the first case the rotor frequency is equal to the grid, in the second case the rotor frequency is triple. In order to transfer the electrical power to the rotor windings with the right frequency, six different 'exciter' principles are discussed. It is shown that the operation mode and the exciter principle must fit to each other. Unfavourable combinations lead to static instability. The favourite of all exciter principles is implemented within the laminated core of the generator. The stator has different tooth lengths. This stator reluctance modulates the rotating field and enables a field component with the double pair of poles and 150 Hz. With that, inductive coupling to a second winding system of the rotor is performed. An additional stator winding located in the slots of the longer teeth enables the control of rotor current. The control principle of this generator is similar to that of synchronous generators. The operating torque is performed by a rotation of rotor current versus stator current. Reactive power is possible with higher rotor currents. The static stability is proven. Due to the fact, that the rotor frequency is triple the grid frequency, the rotor has to be build up with laminated iron. The run up and the synchronisation of the generator are discussed in principle. Design aspects are not discussed.

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Inhalt

1. Einleitung  3

2. Grundlegendes zur Doppeltsynchronmaschine  3

3. Varianten der Rotorspeisung

               3.1 Drehzahl- und Drehwinkel-unabhängige Leistungsübertragung  6
                              3.1.1    Übertragung mittels Schleifringapparat  6
                              3.1.2    Induktive Übertragung  7

               3.2 Drehzahl- und Drehwinkel-abhängige Leistungsübertragung

                      3.2.1            Rotorspeisung über Erregermaschine  7
                      3.2.2    Rotorspeisung über ein zweites Wicklungssystem

                                                  in Stator und Rotor  12
                      3.2.3    Rotorspeisung durch Statorreluktanz

                                                  und zweitem Wicklungssystem im Rotor  13
                              3.2.4    Rotorspeisung durch Statorreluktanz und Steuerwicklung  17

4. Betriebsverhalten

               4.1  Stromortskurve der Hauptmaschine  19
               4.2          Statische Stabilität 21

Anhang             A1: Stationäres Verhalten der Hauptmaschine  22
                         A2: Herleitung möglicher Statorreluktanzen  25
                         A3: Patentschriften mit ähnlichen Themen  29

1. Einleitung

Synchronmaschinen sind mit ihrer Drehzahl an die Netzfrequenz gebunden. Mit der Polpaarzahl  ist die Drehzahl im 50 Hz-Netz 3000 U/min, im 60 Hz-Netz 3600 U/min. Kleinere Drehzahlen sind mit höheren Polpaarzahlen zu gewährleisten,
höhere Drehzahlen sind nur mit entsprechender Leistungselektronik möglich
(Frequenzadaption Maschine-Netz).

Generatoren werden oft über ein Getriebe an die Turbine angekoppelt; die Turbine lässt sich so mit einer für den Betrieb günstigeren höheren Drehzahl betreiben. Hier wird alternativ dazu vorgeschlagen, den Generator als doppelt gespeiste Asynchronmaschine bei doppelter synchroner Drehzahl (d.h. bei 6000 bzw. 7200 U/min) zu betreiben. Die Übertragung der Rotorleistung kann mittles Reluktanz-Oberfelder geschehen und wird durch eine zusätzliche Stator-Steuerwicklung steuerbar bezüglich der Blindleistungsabgabe (bzw. -aufnahme).

Um die Funktionsweise der Maschine verständlich zu machen, wird der Leser durch verschiedene Varianten der Rotorspeisung auf den Doppeltsynchrongenerator hingeführt. Das prinzipielle Betriebsverhalten und die Frage der statischen Stabilität werden ebenfalls erläutert. Auf die Konstruktion einer solchen Maschine wird nicht eingegangen.

2. Grundlegendes zur Doppeltsynchronmaschine

Der Stotor und dessen Wicklungssystem ist wie bei üblichen Synchron-Generatoren ausgeführt. Der Rotor trägt anstatt einer Gleichstrom-Erregerwicklung eine mehrphasige Drehstromwicklung und ist geblecht. Beide Wicklungssysteme haben idealer Weise die Polpaarzahl p=1 und können im Prinzip beide wie übliche Generator-Statorwicklungen ausgeführt sein.

Um einen stationären Leistungsumsatz zu ermöglichen, muss das Stator- und Rotordrehstromsystem synchron miteinan...