202204988 Auslandsfassung 1 Beschreibung Synchronmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Synchronma- schine Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine und ein Verfah- ren zum Betrieb einer Synchronmaschine. Um das Drehmoment während des asynchronen Anlaufs von elektrisch erregten Synchronmaschinen zu erhöhen, wird ein Zusatzwiderstand im Rotorstromkreis der Maschine angeordnet. Dieser entfaltet seine größte Wirkung bzgl. des Drehmoments erst bei relativ großen Drehzahlen, wird aber während des ge- samten Hochlaufs vom Rotorwicklungswechselstrom durchflossen und ist deshalb großer Verlustleistung ausgesetzt. Entspre- chend muss der Widerstand bzgl. seiner thermischen Kapazität dimensioniert werden. Eine derartige Synchronmaschine, welche elektrisch erregt ist, kann auch als fremderregte Synchronma- schine bezeichnet werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Zuschalten des Rotor-Zusatzwiderstands bei einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit asynchronem Anlauf. Eine Synchronmaschine ist z.B. als ein Schenkelpol-Synchron- motor ausgeführt, welcher einen mit massiven Polen insbeson- dere ohne Anlaufkäfig ausgeführten Rotor aufweist, wobei die- sem Rotor eine schleifringlose Erregermaschine aus einem Sta- tor und einem innerhalb des Stators angeordneten Rotor und einer der Rotorwicklung zugeordneten Gleichrichteranordnung aufweist und der Gleichrichteranordnung elektrisch ein Wider- stand, z.B. zur Verringerung eines Pendelmomentes und Erhö- hung des Drehmomentes in der Anlaufphase des Synchronmotors, zugeordnet ist. Bei schleifringlos oder auch "bürstenlos" er- regten Synchronmotoren, deren Rotor ohne Anlaufkäfig ausge- führt ist, ist es für die Phase des asynchronen Anlaufs üb- lich, die Feldwicklung über einen äußeren ohmschen Widerstand von ca. dem 10fachen Feldwiderstand kurzzuschließen. Um auch bei erschwerten Anlaufbedingungen eine sicher arbeitende 202204988 Auslandsfassung 2 bürstenlose Erregung zu verwirklichen, ist es auch möglich, beim Anlaufvorgang den Gleichrichter entweder kurzzuschließen oder vom Feld zu trennen, wobei das Feld auf einen ohmschen Widerstand (Anlaufwiderstand) geschaltet ist. Durch zusätzli- che Maßnahmen kann dieser Widerstand während des synchronen Betriebes abgeschaltet werden. Die elektrisch erregte Synchronmaschine hat einen Rotor mit einer Wicklung. Weist der Rotor einen Anlaufwiderstand auf, ist es vorteilhaft, wenn es gelingt, den Widerstand erst ab Erreichen einer gewissen Drehzahl zuzuschalten, dann besteht hinsichtlich seiner Wirkung kein Nachteil, aber ein Vorteil durch den wesentlich geringeren Verlusteintrag. Damit kann der Widerstand kleiner dimensioniert werden, bzw. mit vorhan- denen Widerständen, bzw. einem vorhandenen Widerstand können schwerere Anläufe durchgeführt werden. Schwer heißt in diesem Zusammenhang insbesondere auch Anläufe mit hohem Trägheits- und Gegenmoment. Der Widerstand kann mit einem oder einer Vielzahl von Widerstandselementen ausgeführt sein. Aus der US 9018888 B2 ist eine Synchronmaschine bekannt, bei welcher der Widerstand direkt gerückt wird. Wenn es keine Möglichkeit der Zuschaltung des Widerstandes gibt, wird der Widerstand während des Anlaufs dauerhaft im Rotorkreis betrieben und erst im synchronisierten Betrieb der Maschine gebrückt. Diese Brückung erfolgt allerdings nur für eine Stromrichtung, da im synchronisierten Betrieb der Ma- schine im Rotor ein Gleichstrom fließt, im Gegensatz zum An- lauf, wo in der Rotorwicklung von der induzierten Spannung ein Wechselstrom getrieben wird. Auch eine Schaltung, die ei- nen dauerhaften Betrieb mit Zusatzwiderstand vorsieht, ist möglich, jedoch nachteilig. Eine Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Synchron- maschine zu gestalten. 202204988 Auslandsfassung 3 Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich nach den Ansprüchen 1 und 5. Weitere beispielhafte Ausgestaltungen ergeben sich nach den davon abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 bzw. 7 bis 8. Eine Synchronmaschine weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor eine Rotorwicklung aufweist, wobei ein erster Leistungshalbleiter zum Kurzschluss der Rotorwicklung vorge- sehen ist, wobei der erste Leistungshalbleiter und die Rotor- wicklung eine erste Masche ausbilden. Eine Masche kann als ein über Zweige geschlossener Umlauf bezeichnet werden. Durch den ersten Leistungshalbleiter kann also die Rotorwicklung kurzgeschlossen werden. Es ergibt sich eine Kurzschlussschal- tung. Der erste Leistungshalbleiter ist ein erster Kurz- schließer über der Rotorwicklung. Die Masche ist insbesondere frei von einem Anlaufwiderstand der Synchronmaschine. Der erste Leistungshalbleiter ist zumindest ein Teil einer Vor- richtung zum Zuschalten bzw. Wegschalten eines Anlaufwider- standes, d.h. eines Rotor-Zusatzwiderstands, bei einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit asynchronem Anlauf. Die Synchronmaschine weist eine Erregermaschine für die Ro- torwicklung auf. In einer Ausgestaltung der Synchronmaschine ist ein zweiter Leistungshalbleiter zum Kurzschluss der Rotorwicklung vorge- sehen, wobei der zweite Leistungshalbleiter parallel zum ers- ten Leistungshalbleiter verschalten ist. So kann in einer weiteren Stromrichtung die Rotorwicklung kurzgeschlossen wer- den. In einer Ausgestaltung der Synchronmaschine sind die Leis- tungshalbleiter zum Kurzschluss der Rotorwicklung für unter- schiedliche Stromrichtungen in der Rotorwicklung vorgesehen. Hierzu ergeben sich insbesondere Maschen für einen Kurz- schlusskreis, welche den Anlaufwiderstand nicht aufweisen, also frei von diesem sind. In einer Ausgestaltung der Synchronmaschine ist zumindest ei- ner der Leistungshalbleiter ansteuerbar. Hierfür ist eine An- 202204988 Auslandsfassung 4 steuerung vorgesehen. Diese Ansteuerung für die Kurzschlie- ßung ermöglicht einen beeinflussbaren Kurzschluss der Rotor- wicklung. In einer Ausgestaltung der Synchronmaschine sind der zumin- dest eine erste Leistungshalbleiter und die Rotorwicklung pa- rallel verschalten, wobei dazu ein Anlaufwiderstand seriell verschalten ist. Es gibt also eine weitere Masche, in welcher insbesondere die antiparallel geschaltenen Leistungshalblei- ter, der erste Leistungshalbleiter antiparallel zum zweiten Leistungshalbleiter, seriell mit dem Widerstand, insbesondere dem Anlaufwiderstand, verschalten sind. In einem Verfahren zum Betrieb einer Synchronmaschine, wobei die zu betreibende Synchronmaschine einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor eine Rotorwicklung aufweist, wird die Rotorwicklung in einem Betriebszustand der Synchron- maschine kurzgeschlossen, wobei zum Kurzschließen ein erster Kurzschließer verwendet wird, wobei der Kurzschließer und die Rotorwicklung eine erste Masche ausbilden. Der erste Kurz- schließer weist insbesondere den ersten Leistungshalbleiter auf. Antiparallel zum ersten Kurzschließer ist insbesondere ein zweiter Kurzschließer geschalten, welcher den zweiten Leistungshalbleiter aufweist. In einer Ausgestaltung des Verfahrens betrifft der Betriebs- zustand einen Hochlauf und/oder Anlauf der Synchronmaschine. Dies kann einen positiven Effekt auf die Momentenbildung ha- ben. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Anlaufwider- stand mit einem dazu parallel verschaltenen zweiten Kurz- schließer seriell zur Parallelschaltung von erstem Kurz- schließer und Rotorwicklung verschalten. Dies ist eine einfa- che und kompakte Möglichkeit das Verhalten der Synchronma- schine zu beeinflussen. 202204988 Auslandsfassung 5 In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Synchronma- schine in einer der beschriebenen Ausgestaltungen verwendet. In einer Ausgestaltung wird für das Verfahren also eine Syn- chronmaschine in einer der beschriebenen Ausgestaltungen ge- mäß eines der beschriebenen Verfahren verwendet. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Synchronma- schine in einer der beschriebenen Ausgestaltungen betrieben. Der Betrieb erfolgt nach einem der beschriebenen Verfahren. Die Merkmale der einzelnen beanspruchten bzw. beschriebenen Gegenstände sind ohne Weiteres miteinander kombinierbar. Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Figuren näher dargestellt und erläutert. Die in den Figuren gezeigten Merkmale können fachmännisch zu neuen Ausführungsformen kom- biniert werden, ohne die Erfindung zu verlassen. Es zeigen FIG 1 eine erste Schaltung für eine Synchronmaschine, FIG 2 eine zweite Schaltung für eine Synchronmaschine, FIG 3 eine dritte Schaltung für eine Synchronmaschine und FIG 4 eine vierte Schaltung für eine Synchronmaschine. Die Darstellung nach Figur 1 zeigt eine erste Schaltung für eine Synchronmaschine 1. Die Synchronmaschine 1 weist einen Stator 3 mit Statorwicklungen 4, 4´, 4´´ einen Rotor mit ei- ner Rotorwicklung 5 und einen Erregerkreis 2 auf. Die Stator- wicklungen 4, 4´, 4´´ sind zum Anschluss an die Phasen U, V und W vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel ist eine Seite der Statorwicklungen 4, 4´, 4´´ mit den Anschlüssen U2, V2 und W2 im Stern verschaltet. Für eine weitere zweite Seite der Statorwicklungen 4, 4´, 4´´ sind die Anschlüsse U1, V1 und W1 dargestellt. Der Erregerkreis weist einen Widerstand 11, ins- besondere einen Anlaufwiderstand, auf. Über eine Ansteuerung A1 10 für die Erregung wird der Erregerkreis betrieben. Die Ansteuerung weist Anschlüsse J1A, J1B, J1C, A4, A5, A7, A8, J62 und J61 auf. Mit dem Anschluss J1A ist eine Messung der Spannung zwischen J1A und J1B möglich. Das Erreichen der über Zenerdioden ein- 202204988 Auslandsfassung 6 gestellten Ansprechspannung bewirkt einen Zündimpuls an den Thyristor T1 über den Anschluss J1B. Mit dem Anschluss J1C ist eine Messung der Spannung zwischen J1A und J1C möglich. Das Erreichen der über Zenerdioden ein- gestellten Ansprechspannung bewirkt einen Zündimpuls an den Thyristor T2 über den Anschluss J1C.Bei etwa 92-98% Drehzahl reicht die induzierte Spannung nicht mehr aus, um die An- sprechspannung zu erreichen. T1 und T2 zünden nicht mehr. Nach Ende des Hochlaufs wird die Erregung F1, F2 eingeschal- tet. Das Erreichen der über Zenerdioden eingestellten An- sprechspannung über den Klemmen A4 und A5 bewirkt einen Zün- dimpuls an die Thyristoren T3.1 und T3.2 über den Anschlüssen J61 und J62. Beim anschließenden synchronen Betrieb der Ma- schine bleiben die Thyristoren T3.1 und T3.2 auf Grund des Stromflusses dauerhaft leitend. Der Anschluss A7 hat die Aufgabe den Kondensator zum Zünden der Thyristoren T3.1 zu laden. Der Anschluss A8 hat die Auf- gabe den Kondensator zum Zünden der Thyristoren T3.2 zu la- den. Der Widerstand RZ 11 kann auch als Zusatzwiderstand bezeich- net werden. Die Rotorwicklung weist für sich selbst auch schon einen Widerstandswert auf. Der im Erregerkreis verwen- dete zusätzliche Widerstand RZ 11 beeinflusst das Verhalten der Synchronmaschine beispielsweise bei deren Anlauf bzw. Hochlauf. Durch die erfindungsgemäße Schaltung kann der Widerstand RZ mit einer kleineren Wärmekapazität designed werden, da er nur einen Teil der sonst in im anfallenden Verluste aufnehmen muss. Der Widerstand RZ kann über die Thyristoren T3.1 und T3.2 kurzgeschlossen werden. Die Thyristoren T3.1 und T3.2 sind beide zum Widerstand RZ 11 parallel verschalten. Der Thyris- tor T3.1 wird über den Anschluss J61 der Ansteuerung A110 angesteuert. Der Thyristor T3.2 wird über den Anschluss J62 der Ansteuerung A110 angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt beispielsweise wenige Sekunden nach erfolgtem asynchronem Hochlauf wie oben beschrieben. Die Thyristoren bleiben an- 202204988 Auslandsfassung 7 schließend durch den durch die Erregung F1 F2 hervorgerufenen Stromfluss leitend. In den Figuren bedeutet HK bei den Thy- ristoren Hilfsklemme. Nach Figur 1 ist ferner eine Diodenbrücke mit den Dioden V1 bis V12 gezeigt. Parallel dazu ist ein erstes RC-Element ge- schalten. Dieses erste RC-Element weist ein Kondensatorele- ment C1 und ein Widerstandselement R1 auf, wobei das Konden- satorelement C1 mit dem Widerstandselement R1 seriell ver- schalten ist. Parallel zum ersten RC-Element ist ein zweites RC-Element ge- schalten. Dieses zweite RC-Element weist ein Kondensatorele- ment C2 und ein Widerstandselement R2 auf, wobei das Konden- satorelement C2 mit dem Widerstandselement R3 seriell ver- schalten ist. Parallel zum ersten und zweiten RC-Element ist ein drittes RC-Element geschalten. Dieses dritte RC-Element weist ein Kondensatorelement C3 und ein Widerstandselement R3 auf, wo- bei das Kondensatorelement C3 mit dem Widerstandselement R3 seriell verschalten ist. Über die RC-Elemente können hochfrequente Spannungsspitzen abgeleitet werden, um so die übrigen Komponenten zu schützen. Parallel zu den RC-Elementen sind zwei in Reihe verschaltene Thyristoren T1 und T2 verschalten. Der Thyristor T1 wird über den Anschluss J1B angesteuert. Der Thyristor T2 wird über den Anschluss J1C angesteuert. Zwischen den Thyristoren T1 und T2 befindet sich ein Abgriff M1, welcher die Funktion hat das Potenzial zwischen T1 und T2 auf ein definiertes Niveau zu heben und so das Schalten beider Thyristoren sicherzustellen. Um das Verhalten der Synchronmaschine zu verbessern kann die Schaltung ergänzt werden. Der prinzipielle Aufbau der Schal- tung im Rotorkreis ist nicht groß zu verändern. Dies hat den Vorteil, dass vorhandene bewährte Komponenten weiterverwendet werden können. Dies ist insbesondere auch dafür wichtig, dass es Maschinen ohne Zusatzwiderstand gibt bzw. Nachbauten die alte Technik verwenden. 202204988 Auslandsfassung 8 Die Darstellung nach Figur 2 zeigt eine Ergänzung zu Figur 1. Es ist eine ergänzte Schaltung zum drehzahlabhängigen Zu- schalten des Zusatzwiderstandes (RZ) 11 mit Thyristoren 6 und 7, welches schaltbare Leistungshalbleiter sind, sowie einer Ansteuerlogik und einem Ansteuerleistungsteil. Das Ansteuer- leistungsteil weist die schaltbaren Leistungshalbleiter auf. Die Ergänzung beruht darauf, dass parallel zur Rotorwicklung 5 ein bidirektionaler Schalter bzw. praktisch zwei anti- parallel geschaltete leistungselektronische unidirektionale Schalter 6 und 7 angeordnet werden. Dies sind also ein erster Leistungshalbleiter 6 und ein zweiter Leistungshalbleiter 7. Zum Schalten dieser Schalter ist eine Ansteuerung 9 vorgese- hen. Die Ansteuerung 9 weist die Ansteuerlogik auf. Die Leis- tungshalbleiter 6 und 7 werden in der Anfangsphase des An- laufs aktiviert. In einer ersten Phase von 0% bis 50-80% der Drehzahl (syn- chronen Drehzahl/Nenndrehzahl (Bemessungsdrehzahl)) erfolgt ein Kurzschluss der Rotorwicklung 5 durch die erfindungsgemä- ße Schaltung, um den Stromfluss und damit Verluste in RZ zu verhindern. Auf die marginale Reduzierung der Pendelmomente durch RZ kann in dieser Phase verzichtet werden. In einer der ersten Phase nachfolgenden zweiten Phase von ca. 50%-80% der Bemessungsdrehzahl bis 95-98% der Bemessungsdreh- zahl, erfolgt eine Verriegelung der Schaltung, um ein erneu- tes Kurzschließen zu verhindern und den weiteren Hochlauf mit Stromfluss über RZ und damit die in dieser Phase signifikan- ten Vorteile, wie z.B. die Reduzierung der Pendelmomente und die Erhöhung des mittleren Moments, zu erreichen. In einer der zweiten Phase nachfolgenden dritten Phase von 95%-98% der Bemessungsdrehzahl (Nenndrehzahl) bis zum Ende des asynchronen Hochlaufs, erfolgt die oben beschriebene Er- regung und damit das Brücken von RZ für den synchronen Be- trieb. In der zeitlichen Abfolge dieser Phasen verlaufen Zeiträume, die den Anlaufwiderstand 11 betreffen. 202204988 Auslandsfassung 9 Im weiteren Beispiel werden insbesondere Thyristoren verwen- det, die nach dem Zünden die Erregerwicklung direkt brücken. Der Wechselstrom in der Erregerwicklung führt dazu, dass die- se nach einer Halbwelle wieder verlöschen. Die antiparallel geschalteten Bauelemente müssen demnach wechselseitig akti- viert werden, um einen Wechselstrom zu führen. Der Einsatz von Thyristoren ist vorteilhaft, da diese aufgrund der Aus- führung als sog. „Presspack” gut mit der Fliehkraftbeanspru- chung im Rotor zurechtkommen. Zum Auslösen des Schalters bzw. zum Zünden der leistungselektronischen Bauelemente ist Hilfsenergie nötig. Diese wird z.B. direkt aus der in der Er- regerwicklung induzierten Spannung gewonnen. Als Thyristoren 6 und 7 können bereits bewährte Typen (T1, T2) aus dem Erre- gerkreis, mit entsprechender Kühlung verwendet werden, da die Überbrückungsthyristoren exakt denselben Strom wie T1 und T2 führen. Die Brückung soll nun nur bis zum Erreichen einer be- stimmten Drehzahl erfolgen. D.h. der oben beschriebene Schaltvorgang muss durch ein zusätzliches Logiksignal gesteu- ert werden, welches das Schalten ab einer definierten Dreh- zahlschwelle unterdrückt. Dieses Signal kann einerseits durch eine externe Quelle (Telemetrie o.ä.) gesteuert werden oder andererseits direkt aus den vorhandenen Spannungen/Strömen auf dem Rotor generiert werden. Dies kann z.B. so erfolgen, dass die Zeitabstände des wechselseitigen Schaltens der Schalter gemessen werden. Da die Drehzahl während des Anlaufs zunimmt, der Schlupf des Rotors entsprechend abnimmt, wird die Frequenz des Umschaltens immer kleiner. Die Zeitabstände nehmen zu. Beispielsweise kann nun ein Timer überwachen, ob eine gewisse Mindestzeitdauer zwischen den Umschaltungen überschritten ist. Ist dies der Fall, dann wird das Schalten unterdrückt. Diese rein frequenzabhängige Variante hat den Vorteil, dass – abgesehen von zulässigen Toleranzen der Netz- frequenz – keine mit Unsicherheit behafteten Berechnungsdaten einfließen. Über Brückenkonfiguration/Jumper o.ä. kann dann z.B. die Zuschaltdrehzahl variiert werden. Durch die Zu- schaltbarkeit kann der Vorteil entstehen, dass der Energieum- satz im Widerstand reduziert wird, ohne die Wirkung bzgl. des Drehmoments spürbar zu beeinträchtigen. Dies zieht nach sich, 202204988 Auslandsfassung 10 dass der Widerstand für eine bestimmte Wirkung kleiner ausge- führt werden kann, da weniger thermische Kapazität vorgehal- ten werden muss. Daraus ergeben sich insbesondere direkte Kostenvorteile, aber auch indirekte Vorteile, wie geringere Masse auf dem Rotor, Vorteile bzgl. der Rotordynamik etc. Der Anlaufwiderstand definiert sich zum einen durch einen ohmschen Widerstandswert und damit verbunden seinen Einfluss auf das Anlaufverhalten, wie die Pendelmomente, das mittlere Moment und die Anlaufzeit. Zum anderen nimmt der Anlaufwider- stand die während des Anlaufs in ihm entstehenden Verluste auf, da diese in der Phase des Anlaufs nur in einem geringen Anteil direkt an die Umgebung abgegeben werden. Durch die Re- duzierung der Einsatzdauer auf Phase 2 kann die Wärmekapazi- tät des Anlaufwiderstands auf etwa 50% der sonst notwendigen Wärmekapazität möglich. Dies bedeutet bei gleichen Materia- lien ca. eine Halbierung der Masse des Anlaufwiderstands. Aufgrund der typischen Anordnung des Widerstandes auf dem Ro- tor bedeutet die Gewichtseinsparung eine signifikante Verbes- serung der Rotordynamik. Ein typischer Anlaufwiderstand wiegt im Bereich von 50kg bis 500kg. Durch die nun mögliche Redu- zierung des Gewichtes kann so eine Einsparung des Gewichtes von 30%-60%, insbesondere 40-50% ermöglicht werden. Die Darstellung nach Figur 3 zeigt einen Stromfluss 8 im Fall aktivierter Thyristoren 6 und 7. Der Pfad des Stromflusses 8 zeigt auch eine Masche 8 an. In der Masche 8 befindet sich einer der Leistungshalbleiter 6 zum Kurzschließen und die Er- regerwicklung 5, welche zu bestimmten Zeiten kurzzuschließen ist. Die Darstellung nach Figur 4 zeigt einen Stromfluss 12 im ^{Fall deaktivierter Thyristoren 6 und 7.}