Berührungslose Übertrager als Alternative zu synchronen oder Gegendrehfeld-Erregermaschinen

Zusammenfassung

Berührungslose Übertrager bieten das Potenzial, eine drehzahlunabhängige Stromübertragung auf den Läufer einer elektrisch erregten Synchronmaschine zu ermöglichen, ohne die Dynamik bei der Erregung der Hauptmaschine wesentlich zu beeinflussen. Üblicherweise wird der Erregerstrom entweder mit Schleifringen und Bürsten oder bürstenlos mit Erregermaschinen übertragen. Bei Schleifringsystemen handelt es sich um verschleißbehaftete Bauteile mit einer begrenzten Lebensdauer. Erregermaschinen sind elektrische Hilfsmaschinen, die auf dem Läufer eine elektrische Leistung durch die Umwandlung mechanischer in elektrische Leistung bereitstellen. Ein Nachteil von Erregermaschinen ist, dass sie die Dynamik bei der Erregung der Hauptmaschine spürbar verschlechtern.

In diesem Artikel wird ein neuartiges Konzept für einen Übertrager mit Elektroblechkern vorgestellt, dessen Funktionsprinzip auf der Wirkweise eines herkömmlichen Transformators beruht, mit dem Unterschied, dass sich die Sekundär- gegenüber der Primärseite verdrehen lässt. Aufgrund einer prinzipiell unbegrenzten Skalierbarkeit und einer hohen Robustheit durch den Einsatz von Elektroblechen als Kernmaterial ist dieses Konzept auch für den Einsatz in Großmaschinen geeignet. Es wird eine Methodik zur Dimensionierung und analytischen Vorausberechnung vorgestellt, mit der das Übertragungsverhalten und die auftretenden Verluste ermittelt werden können. Ein Vergleich der Berechnungsergebnisse mit Messungen an einem Demonstrator bestätigt die Methodik. Es wird gezeigt, dass ein Übertrager nur etwa ein Viertel des Platzbedarfs einer vergleichbaren Erregermaschine aufweist und dass der Wirkungsgrad des Übertragers 98% erreichen kann. Darüber hinaus hat der Übertrager keinen relevanten Einfluss auf die Anstiegszeit des Erregerstroms.

Abstract

Rotating transformers offer the possibility of a speed-independent power transmission to the rotor of an electrically excited synchronous machine without having a negative impact on the dynamics when exciting the main machine. In order to transmit the field current to the rotor, slip rings or brushless exciter machines are commonly used. Slip rings provide a tribological contact between the static and the rotating part of the electric machine and have a limited lifetime. Brushless exciter machines are electrical auxiliary devices that supply the rotor’s field winding contactlessly by converting mechanical into eletrical power.

This article presents a new concept for a rotating transformer with a core made of laminated steel. Its operating principle is based on the mechanism of a conventional transformer while the secondary site is rotating. Due to its robustness and a basically unlimited scalability, it is capable of being used in large machines such as hydrogenerators or motors with multi-megawatt ratings. Therefore, a method for the dimensioning and the analytical calculation of rotating transformers is presented in order to predict its transmission behavior and the power losses. The calculation method is confirmed by a comparison of the prediction results with measurements. It is shown that a rotating transformer requires only a quarter of the space of a comparable exciter machine and that the efficiency of the rotating transformer can exceed 98%. Furthermore, it has no relevant impact on the rise time of the field current.