<Desc/Clms Page number 1>
Anordnung zur Auferregung von erregermaschinenlosen, geregelten oder kompoundierten Synchron-Generatoren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur optimalen Leistungsübertragung zwischen Phasen- und Erregerwicklung eines Synchron-Generators zur sicheren Auferregung von erregermaschinenlosen, ge- regelten oder kompoundierten Synchron-Generatoren, bei denen der Erregerstrom aus der Phasenwicklung des Generators bezogen und über eine Gleichrichter enthaltende Kompoundierungs- oder Regeleinrichtung der Erregerwicklung des Generators zugeführt wird.
Zur Auferregung von erregermaschinenlosen, geregelten oder kompoundierten Synchron-Generatoren muss deren Remanenzspannung herangezogen werden, wenn man auf das mit einem nicht unerheblichen, unwirtschaftlichen Mehraufwand verbundene Verfahren durch eine Hilfsstromquelle verzichtet. Bei den erregermaschinenlosen, kompoundierten Generatoren treibt die Remanenzspannung über Drosseln, einen Kompoundierungs-Transformator und Gleichrichter den Erregerstrom durch die Erregerwicklung des Generators.
Es ist bekannt, dass die Reaktanzen der Drosseln und Stromwandler, der Widerstand zwischen Schleifringen und Bürsten des Generators sowie in besonderem Masse der bei kleinen Spannungen grosse Widerstand der Gleichrichter eine Behinderung der Selbsterregung bewirken, die deshalb gewöhnlich bei wenig über der Remanenzspannung liegenden Spannungswerten steckenbleibt.
Bei erregermaschinenlosen, geregelten Generatoren mit oder ohne Grundkompoundierung ist die Auferregung ebenso problematisch. So beginnt beispielsweise bei transduktorgeregelten Generatoren ein wirksamer Erregerstrom erst dann zu fliessen, wenn die Remanenzspannung des Generators wesentlich grösser ist als die Summe von Schwellspannung der Gleichrichter und der verbleibenden Restsperrspannung des Transduktors. Diese Bedingungen sind in den seltensten Fällen erfüllt. Ähnlich ungünstige Verhältnisse jiegen bei Generatoren vor, deren Erregerstrom durch steuerbare Gleichrichter geregelt wird.
Es sind Anordnungen zur Erzielung einer mehr oder minder grossen Gewährleistung der sicheren Auferregung bekannt, die an die jeweilige ruhende Erregereinrichtung angepasst sind und durchwegs entweder einen unwirtschaftlich grossen zusätzlichen Aufwand erfordern oder aber die Betriebssicherheit des Generators unter Umständen gefährden können. So werden nach einem bekannten Verfahren zur sicheren Auferregung von kompoundierten Generatoren die Generatorenphasen hinter der Primärwicklung der vom Belastungsstrom durchflossenen Stromwandler kurzgeschlossen, so dass der Kurzschlussstrom den die lastabhängige Erregerkomponente liefernden Stromwandler durchfliesst und auf deren Sekundärseite eine ausreichende Spannung für die Selbsterregung erzeugt.
Nach einem weiteren bekannten Vorschlag wird zu Beginn der Erregung der Luftspalt der Drosseln, die den Selbsterregervorgang einleiten, selbsttätig grossgehalten und so die Reaktanz der Drosseln herabgesetzt, damit die Remanenzspannung einen grossen Strom durch die Drosseln zu treiben vermag. Bei ausreichender Generatorspannung wird der für den Betriebswert der Drosseln notwendige Luftspalt selbsttätig wieder hergestellt. Zu diesem Zweck wird ein Drosselschenkel im unerregten Zustand des Generators von einer Feder oder durch ein Gewicht vom Magnetgestell abgedrückt und nachher durch die magnetische
<Desc/Clms Page number 2>
Wirkung des sich mit der Auferregung einstellenden magnetischen Flusses der Drosseln wieder an das Ma- gnetgestell angezogen.
Es ist auch bekannt, bei kompoundierten Synchron-Generatoren mit galvanischer Kopplung von last- abhängigerErregungskomponente und Drossel-Grunderregung über Stromwandler auf die Wechselstromsei- te des Gleichrichters die Sekundärseite der Stromwandler zu öffnen, um den von den Drosseln gelieferten
Strom der Erregerwicklung ohne Verluste zuzuführen. Die Anwendung dieser Auferregungsmassnahme ist aber auf die galvanische Kopplung von Drossel-Grunderregung und lastabhängiger Erregungskomponente beschränkt.
Ferner ist auch bekannt, dass bei geregelten Generatoren mit steuerbaren Silizium-Gleichrichtern diese für die Dauer der Auferregung kurzgeschlossen werden, so dass ein kleiner Strom zu fliessen vermag, der dann die Selbsterregung einleitet.
Es ist seit langem bekannt, bei Auferregungs-bzw. Kompoundierungs-Schaltungen für Synchron-
Generatoren zwischen die Generatorklemmen und den Erregergleichrichter einen Anpassungstransformator zu schalten. Damit wird eine Erhöhung der Anfangserregerspannung erzielt ; bei den bisher bekanntgewor- denen Ausführungen dieses Vorschlages wurden an die Auslegung des Anpassungstransformators keinerlei
Forderungen gestellt mit Ausnahme derjenigen, dass einfach eine gewisse Erhöhung der Anfangserreger- spannung durch diese zusätzliche Massnahme sichergestellt ist.
Alle bekannten Einrichtungen und Massnahmen zur Erzielung einer sicheren Auferregung von Genera- toren haben gemeinsam, dass während der Auferregung die Widerstände der Erregungseinrichtung auf einen der jeweiligen Anordnung entsprechenden kleinstmöglichen Wert herabgesetzt werden. Die jeweilige grösstmögliche Herabsetzung des Widerstandes der Erregereinrichtung ist also von deren Art und der damit meist zwangsläufig verbundenen elektrischen Auslegung abhängig. Darüber hinaus wird die Nenn-Erreger- spannung von neuzeitlichen Generatoren im Hinblick auf einen wirtschaftlichen Einsatz der modernen Si- lizium-Gleichrichter so hoch liegen, dass bereits der Wert des Widerstandes der Erregerwicklung des Pol- rades infolge der hohen Windungszahl so gross ist, dass eine Ausnutzung der vom Generator lieferbaren op- timalen Selbsterregerleistung nicht mehr möglich ist.
In diesen Fällen sind die vorhin beschriebenen be- kannten Massnahmen zur Gewährleistung einer sicheren Auferregung meist erfolglos.
Bei allen vorbeschriebenen und den darüber hinaus noch bekannten Verfahren zur Verbesserung der
Auferregung werden durch zusätzliche Massnahmen an der Kompoundierung oder Regel-Einrichtung die zwischen Phasen- und Erregerwicklung liegenden Reaktanzen willkürlich auf ein von der jeweiligen Er- regeranordnung abhängiges Minimum reduziert. Die Notwendigkeit dieser Massnahmen wird im Schrifttum fast ausschliesslich nur durch die Schwellspannung der bei den Erreger-Einrichtungen verwendeten
Gleichrichter begründet. Selbst Veröffentlichungen, die auch den Einfluss der übrigen Reaktanzen auf die Auferregung berücksichtigen, gehen quantitativen Betrachtungen aus dem Wege.
Alle bekannten Verfahren zur Verbesserung der Auferregung von Synchron-Generatoren tragen also nicht den energetischen Verhältnissen des im Zustand der Auferregung befindlichen Generators Rechnung ; dies ist wohl der Grund dafür, dass alle bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Verbesserung der Auferregung keine optimale Lösung dieses Problems darstellen.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile der bekannten Anordnungen die angestrebte Auferregung mit grosser Sicherheit zu gewährleisten und in möglichst kurzer Zeit abzuschliessen. Die Lösung der gestellten Aufgabe durch die Erfindung besteht bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art darin, dass der Anpassungstransformator nur für die Auferregung bemessen und für optimale Leistungsübertragung ausgelegt ist und nach Erreichen einer gewissen Anfangsklemmenspannung abgeschaltet wird und dass parallel zu dem Gleichrichter des Anpassungstransformators der Ausgang einer Regel- oder Kompoundierungs-Einrichtung liegt, welche die Erregerwicklung speist.
In einer vorteilhaften, erfinderischen Ausgestaltung der Anordnung erhält der Transformator auf der Primär- oder auf der Sekundärseite eine oder mehrere Wicklungsanzapfungen. Diese Wicklungsanzapfungen machen eine weitere Verbesserung der Anpassung, u. zw. auch noch nachträglich, möglich.
Die Erfindung ist ferner gekennzeichnet durch eine ununterbrochene Verbindungsleitung zwischen der Sekundärwicklung des Transformators 4 mit dem nachgeschalteten Gleichrichter 5 und der Erregerwicklung 2. Bei einer einphasig gespeisten Erreger-Einrichtung eines kompoundierten oder geregelten Generators lehrt die Erfindung, die Primärwicklung des Transformators und die Regel- bzw. Erreger-Einrichtung je von einer andern Phase zu speisen. Hiedurch werden Einbrüche in der Generatorspannung vermieden, welche die Zeit für die Auferregung nur unnötig vergrössern würden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind in der Verbindungsleitung zwischen der Phasenwicklung des Generators und des Transformators weitere getrennte oder mit den den Verbindungskreis nach Abschluss
<Desc/Clms Page number 3>
der Auferregung unterbrechenden Schaltmitteln kombinierte Schaltmittel eingebaut.
Diese ermöglichen es entweder von Hand oder selbsttätig, dass bei der Inbetriebnahme der Verbin- dungskreis zwischen Generator 1 und Transformator 4 zur Einleitung der Erregung geschlossen wird, ohne dass die Abschaltung nach Beendigung der Auferregung ausser Funktion gesetzt wird.
Der Erfindung liegen die nachstehenden Untersuchungen über die bei der Auferregung im Generator und an dem angeschlossenen Belastungskreis vorliegenden energetischen Verhältnisse zugrunde : Die Pha- senwicklung des Generators und dessen nachgeschaltete Erreger-Einrichtung einschliesslich der Erreger- wicklung stellen einen abgeschlossenen Stromkreis dar, in dem die vom Generator erzeugte, sogenannte
Auferregungsleistung ausgetauscht wird, die eine Folge des durch die Remanenzspannung der Erregerwick- lung über die Erreger-Einrichtung aufgedrückten Selbst-Erregerstromes ist.
Dieser auch die Phasenwicklung durchfliessende Selbst-Erregerstrom bewirkt einerseits im Generator ein Gegenfeld, welches das Rema- nenzfeld schwächt, während der auch durch die Erregerwicklung getriebene Selbst-Erregerstrom anderseits bestrebt ist, dieses Remanenzfeld zu verstärken. Bis zu einem bestimmten Wert des Selbst-Erregerstromes wird die Wirkung der Entmagnetisierung überwiegen und damit praktisch keine Vergrösserung des magne- tischen Feldes sowie der Remanenz- bzw. Generatorenspannung hervorgerufen.
Gelingt es, durch irgendeine Massnahme bereits zu Beginn der Auferregung diesen Wert zu überschrei- ten, so ruft jede noch so geringfügige Erhöhung des Erregerstromes eine Vergrösserung der Generatorspan- nung hervor, die wieder den Erregerstrom erhöht usw.. bis die Auferregung abgeschlossen ist. Die Zeit für die Dauer der Auferregung ist demnach also von dem Anfangswert des von der Remanenzspannung in der
Erregerwicklung hervorgerufenen Erregerstromes abhängig. Die Auferregung wird also bis auf gewisse Ein- schränkungen um so schneller abgeschlossen sein, mit je grösserem Anfangswert die Selbst-Erregung einsetzt.
Diese notwendige Bedingung zum sicheren Einsetzen und raschem Abschluss der Auferregung ist prak- tisch bei allen Synchron-Generatoren nicht erfüllt, weil-abgesehen von dem die Remanenzspannung verringernden Schwellwert der Gleichrichter - der Widerstand der Regel-oder Kompoundierungs-Einrichtung und insbesondere der Erregerwicklung im Vergleich zum Widerstand der die Remanenzspannung erzeugenden Phasenwicklung des Generators zu hoch ist.
Die Ursache für das zum Teil nicht oder nur zögernde Zustandekommen der Auferregung liegt also nicht nur in der Schwellspannung der Gleichrichter, sondern in nicht minderem Masse in der mangelnden Anpassung des Widerstandes der übrigen Erreger-Einrichtung auf den der Phasenwicklung begründet. Untersucht man nun die energetischen Verhältnisse des nicht erregten Generators, so ergibt sich, dass infolge der beschriebenen mangelnden Anpassung die dabei vom Generator auf die Erregerwicklung übertragene Leistung nur einen geringen Teil dessen darstellt, was bei optimaler Anpassung übertragen werden könnte.
. Zur besseren Veranschaulichung dieser energetischen Remanenzverhältnisse sind in Fig. 1 die durch die Remanenz zustandekommende Auferregungs-Leistung und der Erregerstrom in Abhängigkeit vom äusseren Belastungswiderstand Rg eines geregelten Synchron-Generators dargestellt, bei dem die Gleich- richtung durch Silizium-Gleichrichter erfolgt. Dazu sei darauf hingewiesen, dass im Belastungswiderstand RB die nichtlinearen Widerstände der Gleichrichter nicht mitenthalten sind.
Das Diagramm der Fig. 1 zeigt nun sehr anschaulich, dass die Auferregungs-Leistung infolge des mit abnehmende) : ! Belastungsstrom bzw. in diesem Falle des Erregerstromes progressiv zunehmenden inneren Widerstandes des der Phasenwicklung nachgeschalteten Gleichrichters ein extrem ausgeprägtes Maximum
EMI3.1
trachteten Synchron-Maschine liegt.
Die insbesondere bei geregelten Generatoren der Generatorphase nachgeschalteten Widerstände der Erreger-Anordnung einschliesslich des Widerstandes der Erregerwicklung liegen nun praktisch immer weit über jenem Wert, dem die optimale Auferregungs-Leistung bzw. der damit verbundene ausreichend grosse Selbst-Erregerstrom zugeordnet ist.
Der Fig. 1 sind beispielsweise die durch Messungen an einem Synchron-Generator mit einer Leistung von 125 kVA gewonnenen Werte zugrundegelegt, um die tatsächlichen Verhältnisse besser aufzuzeigen.
EMI3.2
leistung von nur 0, 72 W zugeordnet sind. Bei optimaler Anpassung dürfte der Belastungswiderstand RB nur 0,14 Ohm (Punkt A) betragen. Dabei ergibt sich eine Steigerung des Selbst-Erregerstromes auf 7, 3 A und der Selbst-Erregerleistung auf 7, 45 W : die betrachteten Werte können also durch optimale Anpassung auf das 18- bzw. 10fache gegenüber dem nicht angepassten Zustand gesteigert werden.
<Desc/Clms Page number 4>
Zum besseren Vergleich sei noch angegeben, dass die Auferregung dieses Generators bei einem Erregerstrom von etwa 0, 8 A (Punkt B der Fig. l) mit einem Belastungswiderstand R, von 2 Ohm mit Sicherheit noch einsetzt. Durch die optimale Anpassung können also eine rund 10 fache Sicherheit für die Auferregung erzielt werden, eine Sicherheit, die sogar für Generatoren von Notstrom-Aggregaten ausreicht, deren Remanenzspannung infolge extrem langer Betriebspausen stark abfallen kann.
Bei den bisher bekannten Verfahren wird der Betrieb der Auferregung von Punkt C in Fig. l auf den Punkt B oder nurgeringfügigdarüberhinausverschoben. Fernerhat derBetrieb beiAuferregung indem durch Anpassung erzwungenen Punkt A der Fig. l den grossen Vorteil, dass die Dauer der Auferregung sehr kurz und damit der Generator relativ rasch betriebsbereit ist. Messungen an diesem Generator haben gezeigt, dass die Auferregung bei optimaler Anpassung bereits in etwa 2 sec abgeschlossen ist.
Die Erfindung, die sich aus den vorstehend beschriebenen physikalischen Erkenntnissen über die energetischen Verhältnisse bei der Auferregung von Synchron-Generatoren erklärt, soll im nachstehenden an Hand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispieles für einen geregelten Synchron-Generator des näheren erläutert werden.
In Fig. 2 ist mit 1 die Ständerwicklung des Drehstrom-Generators bezeichnet, dessen Erregerwicklung bzw. Induktor 2 über die Regel-Einrichtung 3 den Erregerstrom erhält. Die Auferregungs-Anordnung, bestehend aus einem Anpassungs-Transformator 4, einem Brücken-Gleichrichter 5, einem Schalter 6 und einer Sicherung 7, drückt der Erregerwicklung des Polrades im Auferregungszustand parallel zum Ausgang der Regeleinrichtung den für die Auferregung notwendigen verstärkten Selbst-Erregerstrom auf.
Bei Inbetriebnahme des Generators wird der Schalter 6 entweder von Hand oder automatisch durch ein von der Selbst-Erregerspannung oder von einer andern Spannungsquelle betätigtes Relais geschlossen ; damit wird die Primärseite des Anpassungs-Transformators 4 von der Remanenzspannung einer Phasenwicklung des Generators 1 gespeist und die auf die Sekundärseite dieses Transformators 4 übertragene Sekundärspannung drückt über den Brücken-Gleichrichter 5 der Erregerwicklung 2 des Polrades einen Erregerstrom auf, der nun die Auferregung einleitet. Da der Anpassungs-Transformator 4 für die relativ geringe Remanenzspannung auszulegen ist und dieser deshalb bei voller Generatorspannung in kurzer Zeit zerstört würde, muss nach dem Abschluss der Auferregung der Schalter 6 wieder geöffnet werden.
Dies geschieht beispielsweise in einfacher Weise selbsttätig durch die Verwendung eines druckknopfbetätigten Bimetallrelais für den Schalter 6.
Nachdem nun in der Phasenwicklung des Generators 1 infolge der Auferregung bereits in kurzer Zeit Spannungen induziert werden, die wesentlich grösser sind als die Selbst-Erregerspannung, so fliesst als Folge davon in der Primärwicklung des Transformators 4 ein hoher Strom, der das Bimetallrelais bzw. den Schalter 6 zum Ansprechen bringt und damit die Primärwicklung des Transformators 4 von der Phasenwicklung des Generators 1 abschaltet.
Da nach Abschaltung des Anpassungs-Transformators 4 die Regel-Einrichtung sofort die Aufrechterhaltung des Erregerstromes übernehmen muss, ist es bei Generatoren mit einphasig gespeister ErregerAnordnung unerlässlich, dass der Anpassungs-Transformator 4 und die Erreger-Einrichtung 5 nicht von ein und derselben Generatorphase gespeist werden, da. der Regler infolge der niederohmigen Impedanz der Primärwicklung des Anpassungs-Transformators für die Dauer der Auferregung kurzgeschlossen wäre, so
EMI4.1
ten Schalters 6 eine Zerstörung des Anpassungs-Transformators 4 zu verhindern, ist für den Primärkreis dieses Transformators noch zusätzlich eine Schmelzsicherung für eine Nenn-Stromstärke von etwa 40 bis 60 A je nach der Leistungsgrösse des Generators vorzusehen.
Nachdem der Brückengleichrichter 5 mit der vorgeschalteten Sekundenwicklung des Transformators 4 während des ganzen Betriebes mit seinem Gleichstromausgang an der von der Regel-Einrichtung 3 gespeisten Erregerwicklung 2 des Polrades liegt, muss dieser Brücken-Gleichrichter 5 für eine Sperrspannung bemessen werden, die mit Sicherheit über der im ungünstigsten Falle auftretenden höchsten Erregerspannung liegt.
Bezüglich der Auslegung des Anpassungs-Transformators 4 genügt es, diesen je nach Leistungsgrö- sse des Generators für 10 - 20 VA zu bemessen. Die optimale Anpassung bzw. das optimale Übersetzungsverhältnis des Transformators 4 ist von den Widerständen der Generatorphase und der nachgeschalteten Erregungs-Einrichtung abhängig und liegt je nach Leistungsgrösse und Spannung des Generators in einem Bereich von 1 : 4 bis 1 : 10.