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Anordnung zur Überwachung der Erregerwieklungserwärmung von Synchronmaschinen
Bei Synchronmaschinen ist bekanntlich die Wärmebeanspruchung des Polrades weit höher
als diejenige der Statorwicklung. Die daraus entspringenden Schwierigkeiten bezüglich
eines wirksamen Überlastungsschutzes werden noch größer, wenn die Felderregung zeitweise
über den Nennbetrag erhöht wird, wie das bei Phasenschiebem in der Regel der Fall
ist. Für den Betrieb von Synchronmaschinen als Phasenschieber ist charakteristisch,
daß eine Regelvorrichtung die Felderregung dem mehr oder weniger großen Blindleistungsbedarf
anpaßt. Bei sehr hohem Blindleistungsbedarf wird die Erregung weit über den Nennbetrag
erhöht, was im allgemeinen zulässig ist, da die Blindleistungsspitzen meist nur
von kurzer Dauer sind.
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Jedoch besteht hierbei die Gefahr, daß die thermische Belastung des
Polrades Werte erreicht, die zu einer Gefährdung der Erregerwicklung führen. Es
müssen deshalb Überwachungsvorrichtungen vorgesehen werden, welche die Wicklungstemperatur
messen und temperaturvermindernd in die Regelung eingreifen.
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Es sind Überwachungseinrichtungen bekannt, bei denen die Erwärmung
des Polrades durch die Widerstandsbestimmung der Erregerwicklung ermittelt wird.
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Um die äußeren Einflüsse auszuschalten, ist es hier erforderlich,
den Betrieb der Synchronmaschinen während der Messung zu unterbrechen. In einer
anderen bekannten Anordnung werden zur Bestimmung der Wicklungstemperatur Widerstandsdrähte
auf das Polrad aufgebracht, deren Widerstand über getrennte Schleifringe und Bürsten
gemessen wird. An Stelle von Widerstandsdrähten sind auch Widerstandsclemente vorgeschlagen
worden, deren Einbau einfacher ist und die nur an einigen Stellen der Wicklung eingebaut
werden müssen. Eine weitere Möglichkeit, die Wicklungstemperatur einer Maschine
während des Betriebes zu messen, bietet das Thermoelement. Die geringen Thermospannungen
werden jedoch durch die schwer faßbaren tlbergangswiderstände an den Schleifringen
und Bürsten trotz ausgesuchtem Kontaktmaterial in unkontrollierbarer Weise beeinflußt.
Die Meßgenauigkeit wird durch solche Einflüsse erheblich beeinträchtigt. Schließlich
ist ein Temperaturmeßgerät bekannt, bei dem außerhalb des Polrades ein Thermorelais
durch eine Wärmequelle erhitzt wird, deren Heizstrom über einen Stromwandler von
dem Erregerkreis abgezweigt wird. Das Thermorelais ist so ausgebildet, daß der Verlauf
des Erwärmungsvorganges demjenigen der Erregerwicklung entspricht. Die bekannten
tZberwachungsanordnungen haben die Nachteile, entweder nicht während des Betriebes
eingesetzt werden zu können oder zu aufwendig oder zu ungenau zu sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturüberwachungseinrichtung
so zu gestalten, daß ohne zusätzlichen Aufwand am Polrad der Meßvorgang während
des Betriebes durchgeführt werden kann. Hierbei sind insbesondere die Schwierigkeiten
zu überwinden, die mit den laufenden Erregerstromänderungen infolge der ständig
wirksamen Blindleistungsregelung und den dadurch erzeugten hohen induktiven Wicklungsspannungen
verbunden sind. Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Überwachung der
Erregerwicklungserwärmung von Synehronmaschinen, deren Felderregung durch Blindleistungsregler
einer laufenden Änderung unterworfen ist, mit einer Einrichtung zur Quotientenbildung
der Wicklungsspannung und des Erregerstromes und besteht darin, daß zwecks Bildung
des Mittelwertes der laufenden Erregungsänderungen ein Verzögerungsglied vorgesehen
ist, dessen Zeitkonstante größer als die mittlere Periodendauer der laufenden Erregungsänderungen,
aber kleiner als die Erwärmungszeitkonstante der Erregerwicklung ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
f Überwachungsanordnung dargestellt. Dem Erfindungsgedanken liegt die Tatsache zugrunde,
daß die von der Blindleistungsregelung herrührenden Erregerstromänderungen im Mittel
eine höhere Frequenz aufweisen als die wesentlich langsameren Erwärmungsschwankungen
der Erregerwicklung. Gemäß der Erfindung ist der Meßeinrichtung ein Mittelwertbildner
für die Wicklungsspannung und den Erregerstrom vorgeschaltet, die bei geeignet bemessener
Zeitkonstante imstande ist, die fortlaufenden
störenden Änderungen
der Meßgrößen in der Meßeinrichtung zu unterdrücken. Das Verhältnis aus den verbleibenden
Mittelwerten der Wicklungsspannung und des Erregerstromes unterliegt nur noch dem
Einfluß der Wicklungstemperatur. Die so gewonnenen Mittelwerte von Strom und Spannung
können im Quotientenbildner unmittelbar zur Bestimmung des Wicklungswiderstandes
und damit zur Wicklungstemperatur herangezogen werden. Man kann die erfindungsgemäße
Temperaturmeßeinrichtung als ein Filter auffassen, das die an sich unregelmäßigen
und relativ kurzperiodischen Erregungsschwankungen nach Art eines Tiefpaßfilters
unterdrückt, während die langperiodischen Änderungen der Wicklungserwärmung ungehindert
durchgelassen werden. Der Frequenzgang eines derartigen Filters, der im vorliegenden
Fall zweckmäßiger durch die Größe der Zeitkonstante gekennzeichnet wird, ist im
Hinblick auf die Erwärmungszeitkonstante und auf die mittlere Periodendauer der
Erregerschwankungen so gewählt, daß der verbleibende Meßfehler infolge der nicht
völlig unterdrückten geringen Restschwankungen ein Minimum wird.
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Zur Durchführung des Erfindungsgedankens würde es an sich genügen,
die Strom- und Spannungsmessung unter Verwendung eines einfachen RC-Gliedes vorzunehmen.
Im Hinblick auf die günstigeren Bemessungs-und Belastungsbedingungen ist es jedoch
zweckmäßig, als Verzögerungsglied eine beschaltete Verstärkerstufe, vorzugsweise
eine Transistorstufe, zu verwenden, deren Zeitkonstante durch eine mit RC-Gliedern
bestückte Rückführung festgelegt ist. In der Anordnung gemäß der Zeichnung wird
die Erregungswicklung 2 der Synchronmaschine 1 über einen nicht dargestellten Blindleistungsregler
von einer Stromquelle 3 gespeist. Die an den Schleifringen abgenommene Wicklungsspannung
wird einem Spannungsteiler 4, 5 zugeführt. Der Abgriff des Spannungsteilers ist
über den Widerstand 6 mit dem Steuerkreis der Verstärkerstufe 7 verbunden. Die Verstärkerstufe
enthält einen Rückführkreis, der im wesentlichen aus einem Kondensator 8 und einem
Parallelwiderstand 9 besteht.
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Infolge dieses Rückführkreises wird eine am Verstärkereingang auftretende
Spannungsänderung erst nach Ablauf einer bestimmten Zeit an die Ausgangsklemme 10
weitergeleitet. Diese Verzögerungszeit ist ausschließlich durch die Zeitkonstante
des RC-Gliedes 8, 9 festgelegt. Belastungsänderungen an der Klemme 10 haben auf
Grund der verwendeten Verstärkerstufe keinen Einfluß auf diese Verzögerungszeit.
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Der Übergangswiderstand an den Polradschleifringen ist bekanntlich
keine konstante Größe, sondern ändert sich gemäß einer Potenzfunktion mit dem darüberfließenden
Strom. Die Widerstandsfunktion kann in erster Näherung durch die Reihenschaltung
einer konstanten Gegenspannung mit einem Festwiderstand dargestellt werden und muß
bei der Messung des Wicklungswiderstandes berücksichtigt werden. Dies geschieht
gemäß der Erfindung dadurch, daß in den Sekundärkreis eines Stromwandlers 11 ein
Funktionsgenerator 12 eingeschaltet wird, der die vorerwähnte Widerstands abhängigkeit
nachbildet. Die am Ausgang des Funktionsgenerators 12 verfügbare Größe wird von
der am Spannungsteiler abgegriffenen Größe durch Bildung einer Stromdifferenz abgezogen.
Die am Verstärkereingang anstehende Steuerspannung entspricht somit ausschließlich
der reinen Wicklungsspannung.
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In der Zeichnung ist von der erfindungsgemäßen Anordnung lediglich
der Spannungspfad dargestellt.
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Der für die Messung des Erregerstromes notwendige Pfad entspricht
demjenigen der Spannung vollständig mit der Ausnahme, daß der Korrektionskreis mit
dem Funktionsgenerator für die Nachbildung des Schleifringwiderstandes entfällt.
Die an der Klemme 10 des Spannungspfades bzw. der entsprechenden Klemme des Strompfades
verfügbaren Spannungen bzw. Ströme werden einem an sich bekannten Quotientenbildner
zugeführt, dessen Ausgangsgröße unmittelbar als Maß für die Wicklungstemperatur
verwendet werden kann.
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Bei der technischen Ausführung der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung
ist die Berücksichtigung möglicher Erdschlüsse in der Erregerwicklung von Bedeutung.
Zu diesem Zweck ist in der Anordnung gemäß der Zeichnung der eine Pol des Spannungsteilers
4, 5 über eine Sicherung 14 geerdet. Die Sicherung kann in bekannter Weise einen
Schalter zur Abschaltung entweder der Synchronmaschine oder nur der Meßanordnung
dienen. An Stelle dieser Sicherung können auch andere an sich bekannte Schaltungsmaßnahmen
zur Überwachung von Erdschlüssen angewendet werden, bei denen eine Abschaltung nicht
erfolgt.
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Um die Meßanordnung insbesondere aber den Transistorverstärker gegen
plötzliche hohe Spannungsstöße zu schützen, kann eine Spannungsbegrenzungseinrichtung
vorgesehen werden, die im Ausführungsbeispiel aus dem Widerstand 6 und einer Zehnerdiode
15 besteht. Auch hier sind andere an sich bekannte Spannungsbegrenzungseinrichtungen
anwendbar.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, die laufenden
Änderungen der Polraderwärmung ohne Unterbrechung des Betriebes und bei fortwährendem
Reglereingriff zu messen und zu überwachen.
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Der Überwachungsvorgang wird auch beim Eintritt eventueller Erdschlüsse
nicht behindert, was die Wirksamkeit der Überwachung erheblich steigert. Der von
den Regleränderungen herrührende Meßfehler kann allein durch die Bemessung der Zeitkonstante
des Verzögerungsgliedes auf ein Minimum herabgesetzt werden. Er liegt im allgemeinen
unter 1 0/o des Meßwertes.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Meßprinzips ist nicht auf die
Überwachung der Polraderwärmung von Synchronmaschinen beschränkt, sondern kann überall
dort mit Vorteil eingesetzt werden, wo unter ähnlich gelagerten Schwierigkeiten
eine laufende Überwachung von Anlageteilen vorzunehmen ist.