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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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Arrangement for the excitation of exciter machine-less, regulated or compounded synchronous generators
The invention relates to an arrangement for optimal power transmission between the phase and excitation windings of a synchronous generator for the safe excitation of exciter-less, regulated or compounded synchronous generators, in which the excitation current is drawn from the phase winding of the generator and compounded via a rectifier - Or control device is fed to the excitation winding of the generator.
In order to excite regulated or compounded synchronous generators without exciter machines, their remanence voltage must be used, if one dispenses with an auxiliary power source, which involves a not inconsiderable, uneconomical additional effort. In compounded generators without excitation machines, the remanent voltage drives the excitation current through the excitation winding of the generator via chokes, a compounding transformer and rectifier.
It is known that the reactances of the chokes and current transformers, the resistance between slip rings and brushes of the generator and, in particular, the high resistance of the rectifier at low voltages, impede self-excitation, which therefore usually gets stuck at voltage values slightly above the remanent voltage.
In the case of controlled generators without exciter machines, with or without basic compounding, excitation is just as problematic. In transducer-controlled generators, for example, an effective excitation current only begins to flow when the remanence voltage of the generator is significantly greater than the sum of the threshold voltage of the rectifier and the remaining reverse voltage of the transducer. These conditions are only met in the rarest of cases. Similar unfavorable conditions exist with generators, the excitation current of which is regulated by controllable rectifiers.
There are known arrangements for achieving a more or less large guarantee of safe excitation, which are adapted to the respective stationary excitation device and consistently either require an uneconomically large additional effort or may endanger the operational reliability of the generator. Thus, according to a known method for the safe excitation of compounded generators, the generator phases behind the primary winding of the current transformer through which the load current flows are short-circuited, so that the short-circuit current flows through the current transformer supplying the load-dependent excitation component and generates sufficient voltage on its secondary side for self-excitation.
According to a further known proposal, at the beginning of the excitation the air gap of the chokes which initiate the self-excitation process is automatically kept large and thus the reactance of the chokes is reduced so that the remanent voltage can drive a large current through the chokes. If the generator voltage is sufficient, the air gap required for the operating value of the chokes is automatically restored. For this purpose, a throttle leg is pushed off the magnet frame by a spring or a weight when the generator is not excited, and then by the magnetic one
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Effect of the magnetic flux of the throttles that sets in with the excitement is again attracted to the magnetic frame.
It is also known, in the case of compounded synchronous generators with galvanic coupling of load-dependent excitation components and basic throttle excitation via current transformers on the AC side of the rectifier, to open the secondary side of the current transformers in order to open the secondary side of the current transformers supplied by the chokes
Supply current to the field winding without losses. The application of this excitation measure is limited to the galvanic coupling of basic throttle excitation and load-dependent excitation components.
It is also known that, in the case of regulated generators with controllable silicon rectifiers, these are short-circuited for the duration of the excitation, so that a small current can flow, which then initiates self-excitation.
It has long been known in excitement or. Compounding circuits for synchronous
To connect generators between the generator terminals and the field rectifier, a matching transformer. This increases the initial excitation voltage; In the previously known versions of this proposal, no changes were made to the design of the matching transformer
Demands are made, with the exception of those that simply a certain increase in the initial excitation voltage is ensured by this additional measure.
All known devices and measures for achieving reliable excitation of generators have in common that during the excitation the resistances of the excitation device are reduced to a lowest possible value corresponding to the respective arrangement. The respective greatest possible reduction in the resistance of the excitation device is therefore dependent on its type and the electrical design that is usually inevitably associated with it. In addition, the nominal excitation voltage of modern generators will be so high with regard to the economical use of modern silicon rectifiers that the value of the resistance of the excitation winding of the pole wheel is so large due to the high number of turns that it is no longer possible to utilize the optimum self-excitation power available from the generator.
In these cases, the well-known measures described above to ensure safe excitement are mostly unsuccessful.
In all of the methods described above and those still known to improve the
Excitation, the reactances between phase and excitation winding are arbitrarily reduced to a minimum depending on the particular excitation arrangement by additional measures on the compounding or control device. The necessity of these measures is shown in the literature almost exclusively by the threshold voltage used in the excitation devices
Rectifier justified. Even publications that also take into account the influence of the other reactances on the excitation avoid quantitative considerations.
All known methods for improving the excitation of synchronous generators therefore do not take into account the energetic conditions of the generator in the state of excitation; This is probably the reason why none of the methods known so far to improve the excitement do not represent an optimal solution to this problem.
The invention has set itself the task of ensuring the desired excitement with great certainty, while avoiding the described disadvantages of the known arrangements, and to conclude it in the shortest possible time. The solution to the problem posed by the invention consists in an arrangement of the type described above that the matching transformer is only dimensioned for excitation and designed for optimal power transmission and is switched off after a certain initial terminal voltage has been reached and that the output is parallel to the rectifier of the matching transformer a control or compounding device which feeds the field winding.
In an advantageous, inventive embodiment of the arrangement, the transformer has one or more winding taps on the primary or on the secondary side. These winding taps make a further improvement in the adaptation, u. betw. also subsequently, possible.
The invention is further characterized by an uninterrupted connection line between the secondary winding of the transformer 4 with the downstream rectifier 5 and the excitation winding 2. In a single-phase excitation device of a compounded or regulated generator, the invention teaches the primary winding of the transformer and the control or To feed the exciter device from a different phase. This avoids drops in the generator voltage, which would only unnecessarily increase the time for excitement.
In a further embodiment of the invention, there are further separate circuits in the connection line between the phase winding of the generator and the transformer or with the connection circuit after completion
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The excitation-interrupting switching means built-in combined switching means.
These make it possible, either manually or automatically, for the connection circuit between generator 1 and transformer 4 to be closed to initiate the excitation during commissioning, without the shutdown being disabled after the excitation has ended.
The invention is based on the following investigations into the energetic conditions present during excitation in the generator and on the connected load circuit: The phase winding of the generator and its downstream excitation device including the excitation winding represent a closed circuit in which the from Generator generated, so-called
Excitation power is exchanged, which is a consequence of the self-excitation current imposed by the remanence voltage of the excitation winding via the excitation device.
This self-excitation current, which also flows through the phase winding, produces an opposing field in the generator, which weakens the remanence field, while the self-excitation current, which is also driven by the excitation winding, tries to strengthen this remanence field. Up to a certain value of the self-excitation current, the effect of the demagnetization will predominate and thus practically no increase in the magnetic field or the remanence or generator voltage will be caused.
If any measure succeeds in exceeding this value at the beginning of the excitation, every slight increase in the excitation current causes an increase in the generator voltage, which again increases the excitation current, etc. until the excitation is complete. The time for the duration of the excitement is therefore from the initial value of the remanent voltage in the
Excitation winding caused excitation current dependent. The excitement will therefore be completed the faster, with certain restrictions, the greater the initial value the self-excitement sets in.
This necessary condition for the reliable onset and rapid termination of the excitation is practically not met with all synchronous generators because - apart from the threshold value of the rectifier reducing the remanence voltage - the resistance of the control or compounding device and in particular the excitation winding in comparison to the resistance of the phase winding of the generator generating the remanent voltage is too high.
The cause of the sometimes not or only hesitant occurrence of the excitation is not only due to the threshold voltage of the rectifier, but to a no less extent the inadequate adjustment of the resistance of the remaining excitation device to that of the phase winding. If one examines the energetic conditions of the non-excited generator, it emerges that, due to the lack of adaptation described, the power transferred from the generator to the excitation winding represents only a small part of what could be transferred with optimal adaptation.
. To better illustrate these energetic remanence relationships, FIG. 1 shows the excitation power resulting from the remanence and the excitation current as a function of the external load resistance Rg of a regulated synchronous generator in which the rectification is carried out by a silicon rectifier. It should be pointed out that the load resistor RB does not include the non-linear resistances of the rectifiers.
The diagram in FIG. 1 shows very clearly that the excitation power as a result of the decreasing):! Load current, or in this case the excitation current, progressively increasing internal resistance of the rectifier connected downstream of the phase winding, an extremely pronounced maximum
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sought synchronous machine lies.
The resistances of the exciter arrangement, including the resistance of the exciter winding, which are connected downstream of the generator phase, especially in the case of regulated generators, are now practically always well above the value to which the optimal excitation power or the associated sufficiently large self-excitation current is assigned.
For example, FIG. 1 is based on the values obtained by measurements on a synchronous generator with a power of 125 kVA in order to better show the actual conditions.
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power of only 0.72 W. With optimal adaptation, the load resistance RB should only be 0.14 Ohm (point A). This results in an increase in the self-excitation current to 7.3 A and the self-excitation power to 7.45 W: the observed values can therefore be increased to 18 or 10 times compared to the unadjusted state through optimal adaptation.
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For a better comparison, it should also be stated that the excitation of this generator will definitely start at an excitation current of approximately 0.8 A (point B in FIG. 1) with a load resistance R 1 of 2 ohms. Through the optimal adaptation, around 10 times the security for the excitement can be achieved, a security that is sufficient even for generators of emergency power units, whose remanence voltage can drop sharply due to extremely long operating pauses.
In the previously known methods, the operation of the excitation is shifted from point C in Fig. 1 to point B or only slightly beyond it. Furthermore, the operation with excitation in the forced adaptation point A of Fig. 1 has the great advantage that the duration of the excitation is very short and thus the generator is ready for operation relatively quickly. Measurements on this generator have shown that the excitation is completed in about 2 seconds with optimal adaptation.
The invention, which is explained by the above-described physical knowledge about the energetic conditions when exciting synchronous generators, will be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment shown in FIG. 2 for a regulated synchronous generator.
In FIG. 2, 1 denotes the stator winding of the three-phase generator, the field winding or inductor 2 of which receives the field current via the control device 3. The excitation arrangement, consisting of a matching transformer 4, a bridge rectifier 5, a switch 6 and a fuse 7, pushes the excitation winding of the pole wheel in the excitation state parallel to the output of the control device the increased self-excitation current necessary for the excitation.
When the generator is put into operation, the switch 6 is closed either manually or automatically by a relay operated by the self-excitation voltage or by another voltage source; Thus the primary side of the matching transformer 4 is fed by the remanence voltage of a phase winding of the generator 1 and the secondary voltage transmitted to the secondary side of this transformer 4 presses an excitation current through the bridge rectifier 5 of the excitation winding 2 of the pole wheel, which now initiates the excitation. Since the matching transformer 4 is to be designed for the relatively low remanence voltage and this would therefore be destroyed in a short time at full generator voltage, the switch 6 must be opened again after the excitation has ended.
This is done automatically in a simple manner, for example, by using a push-button-operated bimetal relay for switch 6.
Now that the excitation induces voltages in the phase winding of the generator 1 that are considerably greater than the self-excitation voltage, a high current flows in the primary winding of the transformer 4 as a result, which the bimetal relay or the Brings switch 6 to respond and thus disconnects the primary winding of transformer 4 from the phase winding of generator 1.
Since the control device must immediately take over the maintenance of the excitation current after the adaptation transformer 4 has been switched off, it is essential for generators with a single-phase exciter arrangement that the adaptation transformer 4 and the excitation device 5 are not fed by one and the same generator phase , there. the controller would be short-circuited for the duration of the excitement due to the low-resistance impedance of the primary winding of the matching transformer, so
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th switch 6 to prevent destruction of the matching transformer 4, a fuse for a rated current of about 40 to 60 A must also be provided for the primary circuit of this transformer, depending on the capacity of the generator.
After the bridge rectifier 5 with the upstream second winding of the transformer 4 is connected to the exciter winding 2 of the pole wheel fed by the control device 3 during the entire operation with its direct current output, this bridge rectifier 5 must be dimensioned for a reverse voltage that is definitely above the in the worst case occurring highest excitation voltage is.
With regard to the design of the matching transformer 4, it is sufficient to dimension it for 10-20 VA, depending on the output of the generator. The optimal adaptation or the optimal transformation ratio of the transformer 4 is dependent on the resistances of the generator phase and the downstream excitation device and is in a range of 1: 4 to 1:10 depending on the power level and voltage of the generator.