DE2631469C2

DE2631469C2 - Rotierende Erregeranordnung für eine Synchronmaschine

Info

Publication number: DE2631469C2
Application number: DE2631469A
Authority: DE
Inventors: Timothy F. Rockford Ill. Glennon; David J. Hucker; Norbert L. Prof. Dr. Middleton Wis. Schmitz
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1975-08-22
Filing date: 1976-07-13
Publication date: 1986-03-06
Also published as: FR2321796B1; IL50169A0; JPS6030200B2; DE2631469A1; IL50169A; FR2321796A1; CA1073049A; US4156172A; GB1560413A; JPS5226411A

Description

Die Erfindung betrifft eine rotierende Erregeranordnung für eine Synchronmaschine gemäß den Oberbe

griffen der Ansprüche 1 oder 2.

Eine rotierende Erregeranordnung für eine Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-Z »Siemens-Zeitschrift« 42 s (1968), Heft 11, S. 930-939 bekannt Sie enthält auch bereits einen Erregergleichrichter, der einen ersten und einen zweiten Pol aufweist und eine Erregerspannung erzeugt, eine Hauptfeldwicklung, einen Lastwiderstand, eine Parallelschaltung aus der Hauptfeldwicklung und

ίο dem Lastwiderstand und eine zwischen dem Erregergleichrichter und der Parallelschaltung angeordnete Schalteinheit, die auf die Erregerspannung anspricht und bei nicht vorhandener Erregerspannung einen induzierten Hauptfeldstrom durch den Lastwiderstand leitet

Eine rotierende Erregeranordnung für eine Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 ist aus der DE-OS 16 13 506 bekannt. Sie enthält auch bereits einen Erregergleichrichter, der einen ersten und einen zweiten Pol aufweist und eine Erregerspannung erzeugt, eine Hauptfeldwicklung mit einem Lastwiderstand, wobei der erste Pol mit einem Anschluß der Hauptfeldwicklung und der zweite Pol über den Lastwiderstand mit dem anderen Anschluß der Hauptfeldwicklung verbunden sind,

eine erste S^halteinheit, die aus einem ersten Halbleiter mit Steiieranschluß und einem Steuerwiderstand besteht, wobei der erste Halbleiter parallel zum Widerstand liegt und der Steuerwiderstand zwischen Steueranschluß und dem ersten Pol angeordnet ist, so daß der erste Halbleiter durch die Erregerspannung steuerbar ist, um einen Hauptfeldstrom bei Vorhandensein einer vorbestimmten Erregerspannung an dem Lastwiderstand vorbeizuleiten,

eine zweite Schalteinheit, die einen antiparallcl zur Polarität des Erregergleichrichters geschalteten zweiten steuerbaren Halbleiter aufweist, der vom gesperrten in den leitenden Zustand umschaltet, wenn eine in der Hauptfeldwicklung induzierte Spannung bewirkt, daß der Hauptfeldstrom in Sperrichtung des Erregergleichrichters fließt.

Ein besonderes Problem bei Synchronmaschinen, auf deren Läufer sich die Hauptfeldwicklung, die Ankererregerwicklungen und der zur Speisung der Hauptfeldwicklung mit einem Gleichstrom dienende Gleichrichter befinden, stellt die verhältnismäßig lange transientc Erholzeit bzw. Einschwingzeit des Hauptfeldstroms dar, wenn die Ankerhauptwicklung plötzlich entlastet wird. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Gleichrjchter und zugehörige Motorbauteile gegen die verhältnismäßig hohen Spannungen geschützt werden müssen, die in der Hauptfeldwicklung erzeugt werden, wenn die als Motor betriebene Synchronmaschine angelassen wird. Wenn die Maschine im Generatorbetrieb arbeitet, stellt ein Spannungsregler den Strom der Erregerfeldwicklung normalerweise derart ein, daß die gewünschte Ausgangsspannung erzeugt wird. Der Erregerfeldstrom erzeugt in den Ankererregerwicklungen einen Strom, der im Gleichrichter gleichgerichtet und in die Hauptfeldwicklung derart eingespeist wird, daß die gewünschte Generatorausgangsspannung erzeugt wird. Wenn jedoch die Generatorlast von den Ankerhauptwicklungen abgeschaltet wird, fließt ein Teil des Hauptfeldstroms wegen der hohen Induktivität der Hauptfeldspule und wegen des niedrigen Widerstandes der Gleichrichlerdioden eine beträchtliche Zeitdauer weiter. Somit weist die bei Entlastung erzeugte transiente Generatorausgangsspannang eine verhältnismäßig große Amplitude

und Dauer auf.

Ein ähnliches Problem ergibt sich, wenn die Synchronmaschine als Asynchronmotor verwendet wird, wobei die Dämpferwicklung als Kurzschluß- bzw. Käfigwicklung dient Wenn die Ankerhauptwicklungen mit einem Mehrphasen-Wechselstrom erregt werden, entsieht ein Drehmagnetfeld, das periodisch an der Einphasen-Hauptfeldwicklung vorbeiläuft Dieser an dem ruhenden oder sich langsam bewegenden Läufer vorbei

laufende Magnetfluß erzeugt in der Hauptfeldwicklung 10 lungs-Regelanordnung;

auf die Erregerspannung und die in der Hauptfeldwicklung induzierte Spannung anspricht, steuerbar ist

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

l· i g. 1 das Schaltbild einer Synchronmaschine, auf deren Läufer die Ankererregerwicklungen, der Gleichrichter und die Hauptfeldwicklung angeordnet sind;

F i g. 2 das Schaltbild einer Hauptfeldwicklungs- und Gleichrichterschaltung mit einer ersten Hauptfeldwick-

eine hohe Spannung, die unter Umständen eine Zerstörung bewirken kann. Da die induzierte Spannung im Gleichrichter einweggleichgerichtet wird, erhöht der in der Haupifeldwicklung resultierende induzierte Strom

Fig.3 das Schaltbild der Hauptfeldwicklungs- und Gleichrichterschaltung mit einer zweiten Hauptfeldwicklungs-Regelanordnung.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer typischen Synchron-

die Verluste und erzeugt Drehmomentspitzen im Dreh- 15 maschine. In dieser speziellen bürstenlosen Synchron-

momentenverlauf des Asynchronmotors. Zur Lösung des asynchronen Anlaufs bei Schwerlast oder Vollast wird in der genannten Siemens-Zeitschrift ein der Hauptfcldwicklung parallelgeschalteter Anlaufwider-

schaltet und nach Erreichen des Synchronismus abgeschaltet wird.

Bei der genannten Siemens-Zeitschrift wird außerdem die Hauptfeldwicklung durch einen Reihenthyristor eingeschaltet, der wie die parallel zur Hauptfeldwicklung liegende Thyristorschaltanordnung jedoch separat gezündet wird. Eine nicht näher beschriebene Parallelsteuereinrichtung und Reihensteuereinrichtung be-

maschine befindet sich eine Erregerfeldwicklung 10 auf dem Ständer der elektrischen Maschine. Ankererregerwicklungen 12 sind auf dem Läufer aufgebracht und drehen sich im Magnetfeld, das durch die Erregerfeldstand vorgeschlagen, der während des asynchronen An- 20 wicklung 10 erzeugt wird. Ein in den Ankererregerwicklaufs mittels einer Thyristorschalteinrichtung einge- lungen 12 erzeugter Wechselstrom wird durch einen

Brückengleichrichter gleichgerichtet, der Halbleiterdioden 14 aufweist. Der durch //dargestellte gleichgerichtete Strom fließt durch eine Hauptfeldwicklung 16 und wird als Hauptfeldstrom bezeichnet. Das durch die Hauptfeldwicklung 16 erzeugte Drehfeld induziert in Ankerhauptwicklungen 18, die auf dem Ständer angeordnet sind, Wechselspannungen. Das Ausgangssignal der Ankerhauptwicklungen ist normalerweise eine

treibt jeweils die Parallel-Thyristorschaltanordnungund 30 Drehstromspannung bzw. Dreiphasenspannung. Es ist den Reihen-Thyristor, so daß während des Anlaufs die bereits eine Schaltungsanordnung entwickelt worden, Parallel-Thyristoren gezündet werden und der Reihen- mit der die Ausgangsspannung des Synchrongenerators Thyristor gesperrt bleibt. durch einen Spannungsregler 20 geregelt werden kann,

Die DK-OS 16 13 506 dagegen zielt auf die Begren- der die Ausgangsspannungen aller Phasen der Ankerzung der während des Anlaufens an der Hauptfeldwick- 35 hauptwicklungen 18 mißt und den in die Erregerfeldlung induzierten Spannung. Ein Überbrückungs-Thyri- wicklung 10 eingespeisten Strom derart einstellt, daß stör hat die Aufgabe, den Begrenzungswiderstand wäh- sich die gewünschte Generatorausgangsspannung errcnd des Synchronismus zu überbrücken. Dazu schlägt gibt.

die DE-OS 16 13 506 vor,die Steuerelektrode des Über- Fig. 2 stellt die Schaltung einer ersten Hauptfeld-

brückungsthyristors an einen oder mehrere Kipp- 40 wicklungs-Regelanordnung dar. Zusätzlich zu den Schwingkreise anzuschließen, indem ein Unijunction- Gleichrichter-Halbleiterdioden 14 und zur Hauptfeld-Transistor mit der Erregergleichspannung beaufschlagt wicklung 16 der bereits entwickelten Schaltung nach wird und eine den Überbrückungs-Thyristor zündende Fig. 1 weist die Regelanordnung nach Fig. 2 Wider-Impulsfolge liefert, stände 22 und 24 sowie einen NPN-Transistor 26 auf. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße 45 Wenn im normalen Generatorbetrieb ein Erregerstrom rotierende Erregeranordnung für eine Synchronmaschi- an die Erregerfeldwicklung angelegt wird, legen die nc dahingehend zu verbessern, daß mittels einer einfa- Gleichrichterdioden eine positive Spannung Vi an Leichen Transistor-Widerstandsschaltung die Generator- tungen 28 und 30 an. Dadurch fließt der Feldstrom // ausgangsspannungs-Transiente gedämpft, der Haupt- durch die Hauptfeldwicklung 16 und eine Diode 32, ferl'eldstrom bei einer Entlastung im Generatorbetrieb und 50 ner wird die positive Spannung Vi über den Widerstand beim Anlassen im Asynchronbetrieb durch einen Last- 22 an die Basis-Emitter-Diode des Transistors 26 derart widerstand geleitet und eine Einweggleich.-ichtung des angelegt, daß der Transistor 26 leitend wird. Da sich der induzierten Hauptfeldwicklungsstroms verhindert wer- Transistor 26 zu diesem Zeitpunkt im leitenden Zustand den können. befindet, wobei der Innenwiderstand verhältnismäßig Diese Aufgabe wird bei einer rotierenden Erregeran- 55 niedrig ist, fließt der Hauptteil des Feldstroms Ir überordnung für eine Synchronmaschine gemäß dem Ober- wiegend durch die Hauptfeldwicklung 16, während ein begriff des Anspruchs 1 durch die in seinem kennzeich- sehr kleiner Strom durch den Lastwiderstand 24 fließt, ncndcn Teil angeführten Merkmale gelöst. Wenn jedoch die Last von den Ankerhauptwicklungen Die obige Aufgabe wird bei einer rotierenden Er- 18 nach Fig. 1 abgeschaltet wird, bewirkt die erhöhte regelanordnung für eine Synchronmaschine gemäß 60 Ausgangsspannung der Ankerhauptwicklungen 18, daß

dem Oberbegriff des Anspruchs 2 durch die in dessen Kennzeichen angeführten Merkmale gelöst.

Der Einfluß transienter Ströme bzw. Übergangsströme in der Hauptfeldwicklung, die bei Entlastung im Ge-

der Spannungsregler den Strom durch die Erregerfeldwicklung 10 verringert oder sogar vollständig unterbricht. Dadurch verschwindet auch die positive Spannung Vi, und wegen der Entladung der Hauptfeldwick-

neratorbctrieb entstehen, sowie die beim Motor-Anlas- 65 lung wird durch eine Spannung Vj an der Hauptfeld-

sen induzierten Spannungen werden durch eine Wider- wicklung abgebaut, so daß der Transistor 26 gesperrt

Standsschaltung wesentlich verringert, wobei diese Wi- wird. Der resultierende Hauptfeldstrom //, der wegen

derstandsschaltung durch einen Transistorschalter, der der Induktivität der Hauptfeldwicklung 16 weiterhin in

dieser Wicklung fließt, muß jetzt durch den Lastwiderstand 24 fließen, wo er sehr schnell gedämpft wird. Indem also ein geeigneter Widerstandswert des Lastwiderstandes 24 gewählt wird, können der transiente Strom und die transiente Spannung, die wegen des induktiven Verhaltens der Hauptfeldwicklung 16 erzeugt werden, stark verringert werden. Selbstverständlich kann der Widerstand 24 durch andere spannungserzeugende oder stromdämpfende Schaltungen, z. B. durch Gasentladungsröhren oder Z-Dioden ersetzt werden.

Wenn die in F i g. 2 dargestellte elektrische Maschine als Motor betrieben wird, stellt der Widerstand 24 einen Lastwiderstand für den in der Hauptfeldwicklung 16 durch den in die Ankerhauptwicklungen 18 eingespeisten Mehrphasen-Wechselstrom induzierten Strom dar. Wenn sich der Motor in der Anlaßphase befindet, wird normalerweise kein Strom in die Erregerfeldwicklung 10 eingespeist, so daß auch keine positive Spannung Vi entsteht und der Transistor 26 gesperrt ist. Dadurch wird der gesamte induzierte Strom durch den Widerstand 24 geleitet. Die zwischen der Hauptfeldwicklung 16 und der Basis des Transistors 26 eingefügte Diode 32 verhindert außerdem, daß die in die Hauptfeldwicklung 16 eingespeiste positive Spannung den Transistor 26 in den leitenden Zustand schalten kann.

F i g. 3 zeigt eine zweite Hauptfeldwicklungs-Regelanordnung. In dieser Schaltung ist ein Widerstand 34 an die Basis eines NPN-Transistors 36 angeschlossen; er bringt den Transistor 36 in den leitenden Zustand, wenn die Spannung Vi positiv ist. Im normalen Generatorbetrieb bewirkt diese positive Spannung Vi, daß der Transistor 36 leitet und der Hauptfeldstrom Ir über eine Diode 38 und den Transistor 36 fließt, wobei ein Lastwiderstand 40 überbrückt wird. Wenn die Last wie im vorgenannten Fall von den Ankerhauptwicklungen 18 abgeschaltet wird, verschwindet die positive Spannung Vi und V₂ kehrt die Polarität um, so daß der Transistor 36 gesperrt wird und der induzierte Feldstrom h durch den Lastwiderstand 40 und die Gleichrichterdioden 14 fließt Da nun erzwungen wird, daß der Hauptfeldstrom If durch den Lastwiderstand 40 fließt, wird der Strom abhängig vom Widerstandswert des Widerstands schnell gedämpft

Während des Anlaßvorgangs im Motorbetrieb wird durch Anlegen einer Mehrphasen-Wechselspannung an die Ankerhauptwicklungen 18 in der Hauptfeldwicklung 16 eine Wechselspannung induziert. In dieser Zeit können die Gleichrichterdioden 14 keine positive Spannung Vi erzeugen. Wenn eine positive Spannung V₂ in der Hauptfeldwicklung 16 erzeugt wird, fließt ein Strom durch den Widerstand 34 und die Basis-Emitter-Diode des Transistors 36. Ein Teil des Stroms fließt außerdem durch einen Widerstand 46 in die Basis eines NPN-Transistors 48 derart, daß der Transistor 48 in den leitenden Zustand geschaltet wird. Eine Diode 49 schützt die Basis-Emitter-Diode des Transistors 48 bei Entlastung des Generators. Da der Transistor 48 zu diesem Zeitpunkt leitet bewirkt die positive Spannung am Anschluß 42 zusammen mit dem Leitzustand des Transistors 48, daß ein PNP-Transistor 50 über einen Strom durch einen Widerstand 52 eingeschaltet wird. Der durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 50 und einen Widerstand 54 fließende Strom schaltet auch einen NPN-Transistor 56 ein. Die am Anschluß 42 der Hauptfeldwicklung induzierte positive Spannung bewirkt insgesamt, daß der induzierte Hauptfeldstrom h über den Transistor 56 und den Lastwiderstand 40 fließt, so daß an die Hauptfeldwicklung einerseits ein Lastwiderstand angeschlossen wird und andererseits der durch die Dioden 14 dargestellte Gleichrichter überbrückt wird. Im Motorbetrieb wird die Hauptfeldwicklung zur Quelle und eine induzierte positive Spannung am Anschluß 42 hat zur Folge, daß der Hauptfeldstrom Ir umgekehrt /ur normalen Stromflußrichtung fließt und damit auch entgegengesetzt zur Durchlaßrichtung des Gleichrichters 14, so daß die Betätigung der den Transistor 56 aufweisenden Nebenschlußschaltung die Einweg-Glcichrichtung des während des Motor-Anlassens induzierten Wechselstroms Ir verhindert. Wenn die in der Haupifeldwicklung 16 induzierte Spannung ihre Polarität umkehrt, so daß an einem Anschluß 44 eine positive Spannung entsteht, fließt der induzierte Feldstrom durch den

Lastwiderstand 40 und die Gleichrichterdioden 14. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das negative Potential am Anschluß 42 den Transistor 36 gesperrt bzw. nichileitend hält, so daß ein einziger Stromweg durch den Widerstand 40 und die Gleichrichterdioden 14 resultiert.

Zusammengefaßt gilt also für den Motorbetrieb der Regelanordnung nach Fig. 3, daß der induzierte Hauptfeldstrom // bei Induktion einer positiven Spannung am Anschluß 42 der Hauptfeldwicklung 16 die Gleichrichterdioden 14 überbrückt und durch den Transistor 56 sowie den Lastwiderstand 14 fließt. Wenn andererseits am Anschluß 44 eine positive Spannung induziert wird, fließt der Strom hdurch den Lastwiderstand 40 und die Gleichrichterdioden 14. Dadurch wird die Hauptfeldwicklung während des Motor-Anlassens

durch einen Lastwiderstand belastet und außerdem die ungünstige Einweg-Gleichrichtung des Hauptfeldstroms vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rotierende Erregeranordnung für eine Synchronmaschine mit einem einen ersten und einen zweiten Pol aufweisenden und eine Erregerspannung erzeugenden Erregergleichrichter, mit einer Hauptfeldwicklung, mit einem Lastwiderstand, mit einer Parallelschaltung aus der Hauptfeldwicklung und dem Lastwiderstand und mit einer zwischen dem Erregergleichrichter und der Parallelschaltung angeordneten Schalteinheit, die auf die Erregerspannung anspricht und die bei nicht vorhandener Erregerspannung einen induzierten Hauptfeldstrom durch den Lastwiderstand leitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Sch?lteinheit aus einem Transistor (26), einem Steuerwiderstand (22) und einer Diode (32) besteht, wobei der erste Pol (28) über die Diode mit einem Anschluß der Parallelschaltung (16, 24), der andere Anschluß der Parallelschaltung über den Transistor (26) mit dem zweiten Pol (30) und der Steueranschluß des Transistors (26) über den Steuerwiderstand mit dem positiven Pol verbunden sind.

2. Rotierende Erregeranordnung für eine Synchronmaschine mit einem einen ersten und einen zweiten Pol aufweisenden und eine Erregerspannung erzeugenden Erregergleichrichter, mit einer Hauptfeldwicklung mit einem Lastwiderstand, wobei der erste Pol mit einem Anschluß der Hauptfeldwicklung und der zweite Pol über den Lastwiderstand mit dem anderen Anschluß der Hauptfeldwicklung verbunden sind, mit einer ersten Schalteinheit, die aus einem ersten Halbleiter mit Steueranschluß und einem Steuerwiderstand besteht, wobei der erste Halbleiter parallel zum Widerstand liegt und der Steuerwiderstand zwischen Steueranschluß und dem ersten Pol angeordnet ist, so daß der erste Halbleiter durch die Erregerspannung steuerbar ist, um einen Hauptfeldstrom bei Vorhandensein einer vorbestimmten Erregerspannung an d«:m Lastwiderstand vorbeizuleiten, mit einer zweiten Schalteinheit, die einen antiparallel zur Polarität des Erregergleichrichters geschalteten zweiten steuerbaren Halbleiter aufweist, der vom gesperrten in den leitenden Zustand umschaltet, wenn eine in der Hauptfeldwicklung induzierte Spannung bewirkt, daß der Hauptfeldstrom in Sperrichtung des Erregergleichrichters fließt, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Schalteinheit (34, 36, 38) der erste Halbleiter als ein erster Transistor (36) ausgebildet ist, der in* Reihe mit einer Diode (38) parallel zum Lastwiderstand geschaltet ist und daß in der zweiten Schalteinheit der zweite Halbleiter als zweiter Transistor (56) ausgebildet ist und ein dritter (50) und ein vierter (48) Transistor vorgesehen sind, wobei der Steueranschluß des zweiten Transistors (56) über den dritten Transistor (50) mit dem ersten Pol, der Steueranschluß des dritten Transistors (50) über den vierten Transistor (48) mit dem anderen Anschluß der Hauptfeldwicklung und der Steueranschluß des vierten Transistors (48) an den zweiten Pol angeschlossen sind.