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Entregungseinrichtung für Synchronmaschinen
Bei der Entregung von Synchronmaschinen aus einem belasteten Zustand ist zu beachten, dass die Statorwicklung, die Polradwicklung und die Dämpfungswicklung magnetisch miteinander verkettet sind.
Der Einfluss der Magnetisierung der Eisenteile durch Wirbelströme kann durch eine weitere gedachte Wicklung berücksichtigt werden. Im wesentlichen beeinflussen die Dämpfungswicklung und die Eisenteile den Abbau des Induktorfeldes in der Weise, dass sie einen unzulässig verzögerten Abbau des Induktorfledes bewirken. Gefordert wird von einer Schnellentregung ein rasches Verschwinden des magnetischen Flusses, der den Stator der elektrischen Maschine durchsetzt, damit die Klemmenspannung bzw. die Kurzschlussentregung der Ständerstrom rasch Null wird.
Um den Feldabbau des Induktors in möglichst kurzer Zeit zu erreichen wäre es naheliegend, den Stromkreis des Polradkreises zu unterbrechen. Da die Induktivität des Induktors den im Schaltzeitpunkt fliessenden Strom aufrecht zu erhalten versucht, würde an den Klemmen des Induktors eine unzulässig hohe Spannung auftreten.
Für Synchronmaschinen, die ihre Erregung aus einer rotierenden Erregermaschine beziehen, ist die sogenannte Schwingungsentregung bekannt. Bei dieser Entregung wird zum Zwecke der Entregung in den Läuferkreis ein ohmscher Widerstand, der sogenannte Schwingungswiderstand, eingeschaltet. Durch das Einschalten des Widerstandes müsste der Polradstrom sofort reduziert werden. Dies ist jedoch nicht der Fall, sondern der Abbau des Polradstromes geschieht infolge der Induktivität der Polradwicklung nur allmählich, Es entsteht jedoch sofort nach Einschalten des Schwingungswiderstandes in der Läuferwicklung eine Selbstinduktionsspannung, die gleich dem Produkt aus Polradstrom und Schwingungswiderstand abzüglich der Ankerspannung der Erregermaschine ist.
Gleichzeitig mit dem Einschalten des Schwingungswiderstandes wird die Feldwicklung der Erregermaschine über einen Vorwiderstand, den sogenannten Nebenschlussersatzwiderstand, derart an die Polradwicklung angeschlossen, dass durch die an den Polradklemmen anstehende Spannung das Feld der Erregermaschine und damit die Erregermaschine selbst umgepolt wird. Ausserdem wird die Erregerwicklung der Erregermaschine von ihrer normalen Anspeisequelle abgetrennt.
Bei Auftreten der Gegenspannung der Erregermaschine kehrt sich der Induktorstrom um, der hierauf das Feld der Erregermaschine umpolt. Jetzt wechselt die Polarität der Erregermaschine neuerlich, damit kehrt sich der Polradstrom um usw. Bei dieser Schwingungsentregung mit gegebenenfalls mehrfach wechselnder Polarität der Erregermaschine erfolgt lediglich eine Schalthandlung zu Beginn der Entregung während des Entregungsvorganges wird weder der Schwingungswiderstand abgeschaltet noch sonst eine Schaltungsänderung vorgenommen.
Zur Erklärung dieses Ausgleichsvorganges, der in Form einer stark gedämpften Schwingung abklingt, kann die selbsterregte Gleichstrommaschine durch einen Kondensator mit Parallelwiderstand ersetzt werden der Ersatzkondensator und die Polradinduktivität bilden einen Schwingkreis, in dem der angeschaltete Schwingungswiderstand als Dämpfungsglied dient. Für den optimalen Verlauf der gedämpften Schwingung ist der Schwingungswiderstand derart dimensioniert, dass die Frequenz der Schwingung möglichst gross ist, damit die Spannung des Induktors bald verschwindet, und dass ausserdem eine starke Däm-
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pfung der Schwingung vorliegt. Die Frequenz und Dämpfung dieser Schwingung sind Funktionen des Schwingungswiderstandes.
Die grösste Frequenz und damit die kürzeste Entregungszeit ergibt sich, wenn die Erregermaschine möglichst lange aux-viner möglichst hohen negativen Ankerspannung gehalten werden kann. Die Spannung der Erregermaschine Um kann wie folgt bestimmt werden :
Um = f (Jm). wobei Jm der Erregerstrom der Erregermaschine ist. Man muss daher trachten, dass Jm möglichst grosse negative Werte annimmt und diese möglichst lange hält. Im Feldkreis der Erregermaschine gilt
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wobei UL die Spannung am Induktor, Rm der Feldwiderstand der Erregermaschine und RE der Nebenschlussersatzwiderstand bedeutet.
Ausserdem gilt für die Spannung UL am Induktor der Synchronmaschine der Zusammenhang
UL = Um-JL. RS. wobei JL der Polradstrom und RS der Schwingungswiderstand ist. Damit der Erregerstrom Jm einen grossen negativen Wert erreicht, ist eine grosse negative Induktorspannung UL erforderlich. Solange der Polradstrom JL positiv ist, ist die Induktorspannung UL umso stärker negativ, je grösser der Schwingungswiderstand RS ist. Nimmt jedoch der Polradstrom JL im Zuge der Entregung negative Werte an, so wird durch den grossen Schwingungswiderstand RS die negative Induktorspannung UL stark geschwächt, dadurch die negative Spannung der Erregermaschine verringert und die Entregungszeit vergrössert.
Es ist eine Einrichtung zur Schwingungsentregung für Synchronmaschinen (vgl. die deutsche Patentschrift Nr. 976267) bekannt, bei der mindestens in einem der Widerstandsstromkreise kontaktlose Mittel in Form eines Gleichrichters vorgesehen sind, der in einem der Widerstandsstromkreise parallel zu einem von mehreren in Reihe geschalteten bzw. in Reihe zu einem von mehreren parallel geschalteten Widerständen angeordnet ist. Hiebei ist die Durchlassrichtung des Gleichrichters derart festgelegt, dass sich bei Entregungsbeginn vor der Umkehr des Polradstromes ein kleiner wirksamer Schwingungswiderstand einstellt ; in dieser Phase der Entregung ist die Grösse des Verhältnisses von Schwingungs-zu Nebenschlussersatzwider- stand klein.
Nach der Umkehrung des Polradstromes, also nach seinem ersten Nulldurchgang befindet sich der Gleichrichter im gesperrten Zustand und es stellt sich ein grösserer wirksamer Schwingungswiderstand ein als jener Wert des Schwingungswiderstandes, der bei Beginn der Entregung wirksam ist. Es er- folgt ein Abklingen des Induktorfeldes der Synchronmaschine in Abhängigkeit von dem wirksamen Schwingungswiderstand und von dem Erregerstrom der Erregermaschine. Bei der bekannten Einrichtung ist für eine kurze Entregungsdauer der Synchronmaschine nach der Richtungsumkehr des Polradstromes ein möglichst grosser Schwingungswiderstand erforderlich ; doch dieser kann wegen der hochohmigen Feldwicklung der Erregermaschine nur im begrenzten Masse vergrössert werden.
Daher ist die bekannte Einrichtung zur schnellen Entregung bei dem Auftreten einer Schadensstelle in einer Synchronmaschine nicht anwendbar ; in solchen Betriebsfällen ist eine besonders schnelle Entregung erforderlich, um eine Vergrösserung des Schadens der Synchronmaschine zu vermeiden.
Ferner ist eine Einrichtung zur Schwingungsentregung von elektrischen Maschinen (vgl. die Schweizer Patentschrift Nr. 314464) bekannt, bei der das Einschalten des Schwingungswiderstandes in den Polradstromkreis und das Einschalten des Ersatzwiderstandes in den Erregerstromkreis der Erregermaschine selbsttätig durch Schaltmittel erfolgt, die in gleichzeitiger Auslöseabhängigkeit von zwei elektrischen Grössen stehen, von denen mindestens eine an den Elementen des Polradstromkreises entnommen ist. Hiebei ist die gleichzeitige Auslöseabhängigkeit durch die Differenzwirkung zweier Spannungen gegeben, von denen die eine der Polradspannung und die andere dem Polradstrom proportional ist. Bei der bekannten Einrichtung wird während des Entregungsvorganges ein selbsttätiges Umschalten der Erregerwicklung der Erregermaschine vorgenommen.
Als selbsttätiges Umschaltmittel ist parallel zu dem Schwingungswiderstand ein Relais vorgesehen, das durch ein vorgeschaltetes Ventil richtungsempfindlich gemacht ist. Bei dem Ansprechen des Relais wird einerseits ein Widerstand parallel zum Schwingungswiderstand gelegt und anderseits wird die Erregerwicklung der Erregermaschine über einen geschlossenen Kontakt eines weiteren Re-
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lais, das in Abhängigkeit von der Differenz zweier Spannungen arbeitet, unmittelbar an den Anker der
Erregermaschine geschaltet. Nach Umkehr der Stromrichtung im Polradstromkreis wird in Abhängigkeit von dem Ansprechen des Relais, dessen Spulenwicklung in Serie mit dem Gleichrichter an dem Schwingungswiderstand liegt, eine verstärke Gegenspannung erzeugt, mit der die Remanenz des Polrades der
Synchronmaschine beseitigt wird.
Weiters ist eine Schaltungsanordnung zur Verminderung der Zeitkonstante einer Erregerwicklung einer
Verstärkermaschine (vgl. die franz. Patentschrift Nr. 1. 311. 979) bekannt, die als Generator in einem
Leonard-Umformer angeordnet ist. Bei der Verstärkermaschine sind die Erregerwicklung und der Anker in
Serie geschaltet und diese Serienschaltung ist über einander entgegengeschaltete steuerbare Ventile an eine Wechselstromquelle angeschlossen ; ausserdem ist die genannte Serienschaltung mit einem Kondensa- tor überbrückt. In Abhängigkeit von einem Synchron-Detektor werden die Ventile über eine Steuerein- richtung in Durchlassrichtung gebracht, so dass über die verstellbare Erregung der Verstärkermaschine die
Drehzahl des Umformermotors geregelt wird.
Hiebei dient der Kondensator zur Aufrechterhaltung des
Erregerstromes während der Sperrzeit der Ventile. In der Sperrperiode der Ventile ist die Zeitkonstante des Stromkreises, der aus der Erregerwicklung und der Ankerwicklung der Verstärkermaschine sowie dem Kondensator gebildet ist, wesentlich kleiner als die Zeitkonstante desjenigen Stromkreises, in dem die
Verstärkermaschine über die Ventile von einem Wechselstromnetz gespeist wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entregungseinrichtung für Synchronmaschinen mit einer den Induktor speisenden Erregermaschine zu schaffen, mit der eine kürzere Entregungszeit als mit den bekannten Einrichtungen erreicht wird.
Synchronmaschinen stellen kostenspielige Einrichtungen dar. Bei Störungen, speziell bei Auftreten einer Schadensstelle in einer Synchronmaschine, muss eine besonders schnelle Entregung durchgeführt werden, um eine Vergrösserung der Beschädigung der Synchronmaschine zu vermeiden.
Gegenstand der Erfindung ist eine Entregungseinrichtung für Synchronmaschinen mit einer den Induktor speisenden Erregermaschine, deren Feldwicklung betriebsmässig an die Erregermaschine selbst oder eine andere Gleichspannungsquelle, z. B. Hilfserregermaschine, angeschlossen, ist, mit einem der Erregermaschine vorschaltbaren Widerstand (Schwingungswiderstand), durch dessen Einschaltung im Induktor eine Selbstinduktionsspannung auftritt, die bei Entregungsbeginn über einen Vorwiderstand (Nebenschluss-Ersatzwiderstand) einen Strom gegensinnig zu dem im Normalbetrieb fliessenden durch die Feldwicklung der Erregermaschine treibt.
Zur Lösung der erwähnten Aufgabe ist die Entregungseinrichtung gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Teil des Schwingungswiderstandes ein Gleichrichter oder ein steuerbares Ventil parallelgeschaltet ist, dessen Durchlassrichtung der Richtung des im Normalbetrieb fliessenden Polradstromes entgegengesetzt ist.
Die erfindungsgemässe Entregungseinrichtung ist vor allem vorteilhaft bei Synchronmaschinen mit Haupt- und Hilfserregermaschinen anwendbar, bei welchen die Spannung der Feldwicklung der Haupterregermaschine wesentlich höher als deren Ankerspannung ist.
Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Schwingungswiderstand aus zwei in Serie geschalteten Widerständen bestehen, von welchen einem eine als Gleichrichter dienende Halbleiterdiode parallelgeschaltet ist. Der dem Gleichrichter parallelgeschaltete Widerstand kann zur Verbesserung der Entregung auch ein spannungsabhängiger Widerstand sein.
Gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal kann man als steuerbares Ventil, das die Umsteuerung des wirksamen Schwingungswiderstandes vornimmt, einen steuerbaren Mehrschichthalbleiter (Thyristor) vorsehen, der mindestens zwei Grenzschichten und eine Steuerelektrode aufweist. Zur Veränderung des Schwingungswiderstandes wird der Mehrschichthalbleiter durch eine Steuereinrichtung erst bei Auftreten eines einstellbaren negativen Induktorstromes oder gegebenenfalls bereits bei einem einstellbaren Restanteil des abklingenden positiven Induktorstromes in den stromdurchlässigen Zustand gebracht. Es besteht auch die Möglichkeit, für die Umsteuerung des Schwingungswiderstandes eine Kombination aus einem steuerbaren Ventil und einem Gleichrichter vorzusehen, wobei die Durchlassrichtung des steuerbaren Ventiles nach eingeleiteter Durchsteuerung mit der des Gleichrichters übereinstimmt.
Bei mehrmaligem Richtungswechsel des Stromes im Induktor erfolgt entsprechend ein Übergang des steuerbaren Ventiles in den Sperrzustand ; hiebei vermeidet der dem Ventil vorgeschaltete Gleichrichter ein Auftreten von Rückströmen mit hohen Sperrspannungsspitzen, die sonst das steuerbare Ventil gefährden würden.
Entsprechend der Erfindung überbrückt ein Gleichrichter einen Teil oder den gesamten ohmschen Schwingungswiderstand, dessen Wert daher von der Stromrichtung des Induktorstromes abhängig ist. Bei positiven Induktorströmen (als solche sind hier jene bezeichnet, deren Richtung jener bei Normalbetrieb
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der Synchronmaschine entspricht), ist der Schwingungswiderstand mit seinem vollen Nennwert wirksam.
Zur schnellen Entregung ist es vorteilhaft, den Schwingungswiderstand der Synchronmaschine so gross zu bemessen, dass bei Beginn der Entregung ein rasches Umpolen der Erregermaschine und ein schnelles Abklingen des Induktorflusses erfolgt, dagegen im weiteren Verlauf der Entregung wird der wirksame Wert des Schwingungswiderstandes mittels eines oder gegebenenfalls mehrerer in Durchlassrichtung beauf- schlager Gleichrichter verkleinert. Da bei negativem Polradstrom der Spannungsabfall am Schwingungwiderstand den negativen Feldstrom der Erregermaschine schwächt, ergibt hier durch eine Verringerung des Wertes des Schwingungswiderstandes bei negativem Polradstrom eine kürzere Entregungszeit.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass jeder Teil des Schwingungswiderstandes, der bei negativen Induktorströmen mittels eines in Durchlassrichtung betriebenen Gleichrichters kurzgeschlossen wird, als spannungsabhängiger Widerstand ausgeführt wird. Durch die Verwendung eines spannungsabhängigen Widerstandes lässt sich auch bei kleinen positiven Induktorströmennoch eine grosse Selbstinduktions- spannung erzielen und dadurch ein rascheres Umpolen der Erregermaschine erreichen.
An Hand der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und weitere Einzelheiten derselben in folgenden erläutert : Der Induktor 1 einer zur entregenden Synchronmaschine 2 ist mit einer Erregermaschine 3 verbunden.
Bei Normalbetrieb der Synchronmaschine 2 ist die Feldwicklung 4 der Erregermaschine 3 über die beiden Kontakte a, beines Selbstschalters 5 und einen Spannungsregler 6 an eine nicht näher dargestellte Gleichspannungsquelle 7 angeschlossen. Der geschlossene Kontakt c des Selbstschalters 5 überbrückt die zur schnellen Entregung der Synchronmaschine 2 dienende Widerstandsund Gleichrichteranordnung 8, die in Serie mit dem Anker der Erregermaschine 3 geschaltet ist.
Diese Entregungseinrichtung 8 besteht aus zwei in Serie geschalteten ohmschen Teilwiderständen 9, 10 und einem Gleichrichter 11, insbesondere einer Halbleiterdiode, die zu dem Teilwiderstand 10 parallelgeschaltet ist. Hiebei stimmt die Durchlassrichtung der Halbleiterdiode 11 mit der negativen Induktorstromrichtung überein.
Ein Entregungsschutz 12, dessen Magnetspule d zur Entregung der Synchronmaschine 2 an Spannung gelegt wird, besitzt zwei Kontakte e, f, die die Feldwicklung 4 der Erregermaschine 3 in Serie mit einem Nebenschluss-Ersatzwiderstand 13 an den Induktor 1 der Synchronmaschine 2 schalten, und einen weiteren Kontakt g, der den Selbstschalter 5 zum Abfallen bringt. Die beiden Kontakte a, b des Selbstschalters 5 trennen die Feldwicklung 4 der Erregermaschine 3 von der Gleichspannungsquelle 7 ab ; der dritte Kontakt c des Selbstschalters 5 schaltet die Entregungseinrichtung 8 in den Ankerstrom der Erregermaschine 3 und leitet den Entregungsvorgang der Synchronmaschine ein.
Zum Zwecke der Entregung wird die Entregungseinrichtung in den Ankerstromkreis der Erregermaschine geschaltet und die Feldwicklung der Erregermaschine über den Nebenschluss-Ersatzwiderstand an den Induktor der Synchronmaschine gelegt. Durch das Einschalten des Schwingwiderstandes 8 entsteht in der Induktorwicklung 1 eine Selbstinduktionsspannung, die im Feldkreis der Erregermaschine einen negativen Strom hervorruft und die Erregermaschine umpolt.
Die Halbleiterdiode 11 wird in Sperrichtung betrieben und es sind in dieser Phase des Ausgleichsvorganges beide Teilwiderstände 9 und 10 der Entregungseinrichtung 8 wirksam. Bei positivem Induktorstrom stellt sich daher zufolge der beiden in Serie geschalteten Teilwiderständen 9, 10 eine rasche Umpolung der Erregermaschine 3 ein. Nach der Umpolung der Erregermaschine 3 und Abklingen der Selbstinduktionsspannung in der Induktorwicklung 1 fliesst ein entgegengesetzt gerichteter Induktorstrom, dessen Richtung mit der Durchlassrichtung der Halbleiterdiode 11 übereinstimmt.
Mit dem Wechsel der Stromrichtung im Induktor 1 wechselt auch die Stromrichtung in der Widerstands- und Gleichrichteranordnung 8 ; damit würde zur Bildung des negativen Feldstromes in der Erregermaschine 3 erforderliche negative Läuferspannung infolge des Spannungsabfalles an den beiden Teilwiderständen 9, 10 reduziert werden. Durch den Gleichrichter 11 wird jedoch nur der Teilwiderstand 9 des Schwingungswiderstandes wirksam, so dass die negative Läuferspannung und damit der negative Feldstrom der Erregermaschine 3 nur wenig verringert werden. Es wird dadurch das Induktorfeld rascher auf Null gebracht, wobei auch die Remanenz vernichtet wird.
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