DE570735C

DE570735C - Protection device for electrical machines in the event of a shorted turn in the armature winding

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Publication number: DE570735C
Application number: DEA56982D
Authority: DE
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1929-03-02
Filing date: 1929-03-02
Publication date: 1933-02-20

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AM 20. FEBRUAR 1933 ISSUED FEBRUARY 20, 1933

REICHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

M 570 KLASSE 21 d² GRUPPE M 570 CLASS 21 d ² GROUP

Patentiert im Deutschen Reiche vom 2. März 1929 abPatented in the German Empire on March 2, 1929

Bei den bisher bekanntgewordenen Vorrichtungen zum Schütze elektrischer Maschinen bei Windungsschluß werden die durch den Windungsschluß hervorgerufenen Streufelder im Ankerkreis ausgenutzt, oder es werden die Teilspannungen einzelner Wicklungselemente der Hochspannungswicklung miteinander verglichen. Beim Auftreten einer Differenz wird eine Anzeigevorrichtung betätigt. Alle diese Einrichtungen erfordern zusätzliche Anordnungen im Hochspannungsteil der Maschine, was im allgemeinen eine umständliche und schwierige Konstruktion bedeutet. Außerdem ist die Ansprechgenauigkeit und Selektivität dieser Einrichtungen gering.In the previously known devices for protecting electrical machines in the case of a shorted turn, the stray fields caused by the shorted turn become in the armature circuit, or the partial voltages of individual winding elements are used the high-voltage winding compared with each other. When a difference occurs, a display device is actuated. All these Facilities require additional arrangements in the high-voltage part of the machine, which generally means a cumbersome and difficult construction. aside from that the response accuracy and selectivity of these devices is low.

Die Erfindung sucht nun diese Nachteile dadurch zu vermeiden, daß sie nicht die Verhältnisse im Ankerteil, sondern im Induktorteil der Gleich- oder Wechselstrommaschine zur Betätigung einer W^rindungsschlußvorrichtung heranzieht. Sie geht dabei von der Erkenntnis aus, daß bei Windungsschluß in der Ankerwicklung, in der Polwicklung oder in einer im Induktorteil der Maschine angebrachten Hilfswicklung Spannungen einer Frequenz erzeugt werden, die in keinem anderen Fehlerfalle auftreten.The invention now seeks to avoid these disadvantages the fact that it attracts not the conditions in the anchor member, but in the inductor part of the direct or alternating current motor for actuating a W ^r indungsschlußvorrichtung. It is based on the knowledge that in the event of a shorted turn in the armature winding, in the pole winding or in an auxiliary winding installed in the inductor part of the machine, voltages of a frequency are generated that do not occur in any other fault case.

Bei Windungsschluß fließt nämlich in der kurzgeschlossenen Ankerwindung einer 2 p-poligen Maschine ein Strom:In the event of an interturn short circuit, a current flows in the short-circuited armature winding of a 2 p-pole machine:

J_kz=I_kü cos (2π/) t, J _k z = I _kü cos (2π /) t,

wobei / die Grundfrequenz ist, der ein Feldwhere / is the fundamental frequency of a field

B = B₀COS (2nf)tB = B ₀ COS (2nf) t

nach Abb. 1 hervorruft. Das Feld läßt sich in der Formaccording to Fig. 1. The field can be in the form

wobei j nur die Werte annehmen kann:where j can only take the values:

J = i» 3, 5 ...·J = i »3, 5 ... ·

Das Feld der kurzgeschlossenen Ankerwindungen erzeugt also unabhängig von der Polzahl der betreffenden Maschine Felder von der Polzahl 2 k, wobei k eine ganze Zahl bedeutet. The field of the short-circuited armature windings thus generates fields with a number of poles of 2 k, regardless of the number of poles of the machine in question, where k is an integer.

B = (b₀ -J- b_t cos α + b« cos 2 a + ... + b_k cos ka) cos (znf) t B = (b ₀ -J- b _t cos α + b « cos 2 a + ... + b _k cos ka) cos (znf) t

darstellen, wobei k die Werte 1, 2, 3 ... annehmen kann und α den räumlichen Winkel bedeutet. 55 In allen anderen Betriebsfällen ergibt sich dagegen eine Feldverteilung.·represent, where k can take the values 1, 2, 3 ... and α means the spatial angle. 55 In all other operating cases, however, there is a field distribution.

B' = (b_t cos p a + &3C0S 3/>α+ . · · + b j cos j p a) cos (2nf)t, Jede Harmonische des Feldes B läßt sich nun in zwei gegenläufige Drehfelder von der Form B '= (b _t cos pa + & 3C0S 3 /> α +. · · + Bj cos jpa) cos (2nf) t, Each harmonic of the field B can now be divided into two opposing rotating fields of the form

cos (ka + 2nft) cos (ka + 2nft)

zerlegen. Der Läufer einer Synchronmaschine rotiert mit der Umdrehungszahl -- je Sekunde.disassemble. The rotor of a synchronous machine rotates with the number of revolutions - per second.

Dadurch wird in den Polen eine Spannung induziert von der FrequenzThis induces a voltage in the poles due to the frequency

wenn k + p = η gesetzt wird.if k + p = η is set.

Da k jeden beliebigen ganzzahligen Wert annehmen kann, gilt das gleiche auch für Ferner schließen sich die Linien des FeI-des b₀ über die Welle, über das Lagerschild und über die Pole, wodurch eine Spannung der Netzfrequenz, herrührend von Feld O₀, in den Polen erzeugt wird.Since k can take on any integer value, the same also applies to. Furthermore, the lines of FeI-des b ₀ close over the shaft, over the end shield and over the poles, creating a voltage of the mains frequency, originating from field O ₀ , in the poles is produced.

Im Gegensatz zu unsymmetrischer Last, t5 bei welcher bekanntlich die in den Polen induzierte Spannung die Frequenz nzf besitzt, treten bei Windungsschluß die Oberwellen von der Frequenz — f auf.In contrast to an asymmetrical load, t5 in which the voltage induced in the poles is known to have the frequency nzf , the harmonics of the frequency - f occur when the windings are shorted.

Die in den einzelnen Polen induzierten Spannungen addieren sich geometrisch. Je nach der Schaltung der Pole bzw. der Hilfswicklung werden die in den einzelnen Polen induzierten Oberwellen sich verstärken oder schwächen.The voltages induced in the individual poles add up geometrically. Ever after switching the poles or the auxiliary winding, those in the individual poles induced harmonics amplify or weaken.

In Abb. 2 sind die Pole einer achtpoligen Maschine aufgezeichnet und darunter die einzelnen Harmonischen des Feldes B. Man sieht die Felder aller ungradzahligen Oberwellen (k = i, 3, 5 ...) in beiden Hälften des Umfanges einander entgegengerichtet, die durch sie in der Induktorwicklung hervorgerufenen Spannungen heben sich daher in beiden Umfangshälften gegenseitig auf, addieren sich jedoch, wenn die Spannungen der Pole beider Umfangshälften gegeneinandergeschaltet werden. In diesem Falle heben sich die durch die geradzahligen Oberwellen des Feldes (k =2,4,6 ...) hervorgerufenen Spannungen auf. Dies gilt allgemein für Maschinen mit gerader Polpaarzahl.In Fig. 2 the poles of an eight-pole machine are plotted and underneath the individual harmonics of field B. You can see the fields of all odd harmonics (k = i, 3, 5 ...) in both halves of the circumference directed opposite each other, which are caused by them The voltages produced in the inductor winding cancel each other out in both halves of the circumference, but add up when the voltages of the poles of both halves of the circumference are switched against one another. In this case the tensions caused by the even harmonics of the field (k = 2,4,6 ...) cancel each other out. This generally applies to machines with an even number of pole pairs.

Bei Maschinen mit ungerader Polpaarzahl ist es umgekehrt. Da die Frequenz der in den Polen erzeugten Spannung gleichThe reverse is true for machines with an odd number of pole pairs. Since the frequency of the Poles generated voltage equal

ist, treten in dieser Schaltung bei allen Maschinen nur die ungeradzahligen Oberwellen in der Spannung auf.is, only the odd harmonics occur in this circuit in all machines in tension.

Bei allen Maschinen wird man daher eineWith all machines you become one

selektive Arbeitsweise der Schutzvorrichtung dann erreichen, wenn man nach der Erfindungselective operation of the protection device then achieve when one according to the invention

■ das Ansprechorgan an die Polwicklung oder eine im Induktorteil der Maschine angebrachte Hilfswicklung so anschließt, daß es nur von einer Spannung beeinflußt wird, die von denjenigen Oberwellen des Luftspaltfeldes herrührt, deren Frequenz — beträgt, wobei k jede ganze Zahl 1, 2, 3 ... usw. bedeuten kann, aber durch die Polpaarzahl ρ nicht teilbar sein darf.■ connects the response element to the pole winding or an auxiliary winding installed in the inductor part of the machine in such a way that it is only influenced by a voltage that originates from those harmonics of the air gap field whose frequency is -, where k is any integer 1, 2, 3. .. etc. can mean, but must not be divisible by the number of pole pairs ρ.

Die Verwendung der Induktorwicklung oder einer Hilfswicklung auf dem Induktor ist in zweierlei Weise möglich. Man kann entweder die Anordnung so treffen, daß die Anzeigevorrichtung nur spannungsabhängig ist und dann so geschaltet wird, daß sie nur beim Auftreten der für den Windungsschlußfall charakteristischen Spannungswellen durch deren besondere Phasenlage beeinflußt wird, oder man kann auch die Anzeigevorrichtung frequenzabhängig machen, dann wird der Anschluß an die auf den Polen angeordneten Wicklungsteile einfacher.The use of the inductor winding or an auxiliary winding on the inductor is possible in two ways. You can either make the arrangement so that the Display device is only voltage-dependent and is then switched so that it only when the voltage waves characteristic of the winding fault occur whose particular phase position is influenced, or you can also use the display device Make it frequency-dependent, then the connection is made to those arranged on the poles Winding parts easier.

Ein Beispiel der ersten Ausführungsart ist in Abb. 3 dargestellt. Die Induktorwicklung NSNS ist in der Mitte bei c angezapft und an die Verbindungsleitung· d der Transformatoren T₁ und T₂ angeschlossen, deren andere Enden an die Klemmen α und b der Erregerwicklung gelegt sind. Die Sekundärwicklungen beider Transformatoren sind gegeneinandergeschaltet und mit ihnen ist die Spule eines Relais R in Reihe gelegt. L^m einen Übergang des Erregergleichstromes auf die Transformatoren zu verhindern, sind in deren Verbindungsleitungen mit der Erregerwicklung Kondensatoren C₁ und C₂ geschaltet. Im normalen Betrieb fließt durch das Relais R kein Strom. Wenn dagegen ein Windungsschluß auftritt, dann rufen die in den Erregerwicklungsteilen induzierten Spannungen Ströme hervor, welche eine derartige gegenseitige Lage besitzen, daß ein Stromfluß in dem Relais R zustande kommt. Um aber die Empfindlichkeit der Anordnung zu erhöhen, können die Kondensatoren C₁ und C₂ so bemessen werden, daß bei einer bestimmten Harmonischen Resonanz eintritt. Diese Wirkung kann auch durch einen zusätzlichen Kondensator C₃ (Abb. 4), der mit dem Sekundärkreis des Transformators abgestimmt wird, erzielt werden.An example of the first embodiment is shown in fig. The inductor winding NSNS is tapped in the middle at c and connected to the connecting line · d of the transformers T ₁ and T ₂ , the other ends of which are connected to the terminals α and b of the excitation winding. The secondary windings of both transformers are connected against each other and with them the coil of a relay R is placed in series. L ^ m to prevent a transfer of the excitation direct current to the transformers, capacitors C ₁ and C _{2 are} connected in their connecting lines with the excitation winding. In normal operation, no current flows through the relay R. If, on the other hand, an interturn fault occurs, then the voltages induced in the field winding parts produce currents which have such a mutual position that a current flow in the relay R comes about. However, in order to increase the sensitivity of the arrangement, the capacitors C ₁ and C _{2 can} be dimensioned so that resonance occurs at a certain harmonic. This effect can also be achieved with an additional capacitor C ₃ (Fig. 4), which is matched to the secondary circuit of the transformer.

Um die Transformatoren T₁ und T₂ zu vermeiden, kann man auch ein Relais R₁, wie in Abb. 5 gezeigt, mit zwei Spulen ausrüsten, deren Flüsse einander entgegenwirken. Die einzelnen Wicklungen werden in derselben Weise angeschlossen wie die Primärwicklungen der Transformatoren T₁ und T₂ in den Abb. 3 und 4.In order to avoid the transformers T ₁ and T ₂ , a relay R ₁ , as shown in Fig. 5, can be equipped with two coils whose fluxes counteract each other. The individual windings are connected in the same way as the primary windings of transformers T ₁ and T ₂ in Figures 3 and 4.

Um bestimmte Oberwellen zu unterdrücken, ist es zweckmäßig, einen Sperrkreis bekannter Anordnung in den äußeren Stromkreis zu schalten. Dieser ist beispielsweise in Abb. 6 zwischen den Punkten c und d angeordnet. Selbstverständlich kann er auch in· jede andere der Verbindungsleitungen des Relais mit der Induktorwicklung eingebaut werden. In order to suppress certain harmonics, it is expedient to switch a blocking circuit of a known arrangement into the external circuit. This is arranged, for example, in Fig. 6 between points c and d . Of course, it can also be installed in any other of the connecting lines between the relay and the inductor winding.

Anstatt die Induktorwicklung anzuzapfen, kann man auch besondere Hilfswicklungen um die Pole legen. In diesem Falle wird man die Windungszahl und den Wicklungssinn der Hilfswicklungen um die verschiedenen Pole so wählen, daß einzelne Wellen besonders stark hervortreten, andere wieder sich aufheben.Instead of tapping into the inductor winding, you can also use special auxiliary windings put around the pole. In this case you will get the number of turns and the direction of the winding of the auxiliary windings around the different poles so that individual waves are particularly stand out strongly, others cancel themselves out again.

Zu diesem Zwecke kann man WicklungenFor this purpose one can use windings

ίο um p nebeneinanderliegende Pole einer 2 ppoligen Maschine in der Weise legen, daß bei der einen Hälfte der nebeneinanderliegenden Pole der eine Wicklungssinn, bei der anderen Hälfte der andere Wicklungssinn vorherrscht.ίο place around p adjacent poles of a 2 p- pole machine in such a way that one direction of the winding prevails in one half of the adjacent poles and the other in the other half.

Alle Wicklungen besitzen gleiche Windungszahlen und sind hintereinandergeschaltet. Statt dessen kann man auch eine Wicklung anordnen, welche um je ^-PoIe geschlungen ist und bei welcher bei der einen Maschinenhälfte ein anderer Wicklungssinn vorherrscht als bei der anderen.All windings have the same number of turns and are connected in series. Instead, you can also arrange a winding, which is wrapped around each ^ -PoIe and in which one half of the machine has a different winding direction than the other.

Beim Verwenden einer einzigen Hilfswicklung, deren Spulen ein oder mehrere Polpaare umfaßt, muß man das Ansprechorgan so ausbilden, daß es nur auf die für den Windungsschlußfall charakteristischen Frequenzen anspricht, wenn bei einphasigem Kurzschluß eine Betätigung nicht erfolgen soll. Dazu kann man die schon bei den übrigen Einrichtungen erwähnten Sperr- und Resonanzkreise verwenden.When using a single auxiliary winding, its coils have one or more pole pairs includes, you have to train the response member so that it is only on the case of the shorted turn characteristic frequencies responds when actuation should not take place in the event of a single-phase short circuit. In addition one can use the blocking and resonance circuits already mentioned for the other devices use.

Statt die Hilfswicklungen um die Pole zu legen, ist es zuweilen vorteilhaft, eine um die Joche gelegte Hilfswicklung anzuordnen, deren Wicklungsteile um eine oder mehrere Polpaarteilungen voneinander entfernt sind. Die Wirkungsweise beider Wicklungsarten verhält sich etwa wie die Wirkungsweise des Grammeschen Ringankers zu jener des Trommelankers. Instead of putting the auxiliary windings around the poles, it is sometimes advantageous to put one around the pole to arrange the yokes laid auxiliary winding, the winding parts of one or more Pole pair pitches are spaced apart. How both types of winding work behaves roughly like the mode of action of the Gramme ring anchor to that of the drum anchor.

Sehr einfach lassen sich die Hilfswicklungen bei Maschinen mit ruhendem Polrad anordnen und mit der Schutzeinrichtung verbinden. Bei umlaufendem Polrad gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Anzapfung der Feldwicklungen und der Hilfswicklungen nach außen zu führen. Der Anzapfpunkt kann entweder zu einem Hilfsschleifring geführt oder unmittelbar mit der Welle verbunden werden. Um die Gleichspannung gegen die Welle zu isolieren, ist es dabei zweckmäßig, in die Verbindungsleitung mit der Welle einen Kondensator einzubauen. In Abb. 7 ist dieser Kondensator C₄ zwischen den Punkten c und d, im übrigen in der gleichen Schaltung wie in Abb. 5 angeordnet. Von dem Hilfsschleifring oder von der Welle wird dann die Wechselspannung mittels einer Hilfsbürste abgenommen. The auxiliary windings on machines with a stationary pole wheel can be arranged very easily and connected to the protective device. With a rotating pole wheel, there are various options for tapping the field windings and the auxiliary windings to the outside. The tapping point can either be led to an auxiliary slip ring or connected directly to the shaft. In order to isolate the DC voltage from the shaft, it is advisable to install a capacitor in the connection line with the shaft. In Fig. 7 this capacitor C _{4 is arranged} between points c and d, otherwise in the same circuit as in Fig. 5. The alternating voltage is then taken from the auxiliary slip ring or from the shaft by means of an auxiliary brush.

Werden besondere Hilfswicklungen auf den. umlaufenden Polen angebracht, so kann man, um Schleifringe zu vermeiden, die Enden dieser Wicklungen mit einer auf der Welle angebrachten konzentrischen Wicklung verbinden, mittels der dann die dem Relais zuzuführende Spannung transformatorisch auf eine feststehende, die Welle umschließende Wicklung übertragen wird. Mit den Enden dieser Sekundärwicklung ist dann der äußere Relaisstromkreis verbunden.Are special auxiliary windings on the. circumferential poles attached, so you can to avoid slip rings, the ends connect these windings to a concentric winding on the shaft, by means of which the voltage to be fed to the relay is then transformed into a stationary one that surrounds the shaft Winding is transferred. With the ends of this secondary winding is then the outer one Relay circuit connected.

Bei den meisten Maschinen werden durch geringe Unsymmetrien im Aufbau, z. B. Exzentrizität des Polrades, auch bei unbelasteter oder normal belasteter Maschine Wechselspannungen in den Polen induziert, die einen dauernd fließenden Wechselstrom im äußeren Stromkreis hervorrufen. Durch Einbau eines Ruhestromrelais kann man diesen Strom dazu benutzen, die Arbeitsbereitschaft der Schutzeinrichtung dauernd zu überwachen.With most machines, small asymmetries in the structure, e.g. B. Eccentricity of the pole wheel, even with an unloaded or normally loaded machine AC voltages induced in the poles, which cause a continuously flowing alternating current in the external circuit. By installing a Quiescent current relay one can use this current to the readiness for work of the The protective device must be monitored continuously.

In Abb. 8 sind beispielsweise zwei Ruhestromrelais R_a und R_b hinter die Kondensatoren C₁ und C₂, die in der Verbindungsleitung des Relais R₁ mit der Erregerwicklung der Maschine liegen, eingeschaltet.In Fig. 8, for example, two closed-circuit relays R _a and R _{b are switched on} behind the capacitors C ₁ and C ₂ , which are in the connection line of the relay R ₁ with the excitation winding of the machine.

Es ist bereits erwähnt, daß die beschriebenen Vorrichtungen gleichermaßen für Synchron- und Gleichstrommaschinen zu verwenden sind.It has already been mentioned that the devices described are equally suitable for synchronous and DC machines are to be used.

Claims

Patent claims:

1. Protection device - for electrical machines at which voltages are effective which occur in the case of a short-circuit in the armature winding in windings outside the armature winding, characterized in that that the response element to the pole winding or an auxiliary winding mounted in the inductor part of the machine is connected in such a way that it is only affected by a voltage that is determined by those Harmonics of the air gap field

the frequency of which is -,

where k can mean any whole number (1, 2, 3 ...), with the exception of the numbers that can be divided by the number of pole pairs p.

2. Protection device according to claim 1, characterized in that the to-speaking element is placed on an auxiliary winding, the coil width of which comprises one or more pairs of poles.

3. Protection device according to claim 1, characterized in that the to-speaking element is connected so that it is influenced by the difference in the alternating voltages induced in two winding parts in such a way that it does not respond during normal operation.

4. Protection device according to claim 3, characterized in that the

speaking organ of the difference in two Excitation winding parts induced alternating currents is influenced.

S. Protection device according to claim 4, characterized in that in the monitoring circuit Capacitors are switched on, which avoid a transfer of direct current to the response element.

6. Protection device according to claim 3, characterized in that the response member is connected to an auxiliary winding, one half of which is adjacent to one another, from a coil comprised poles in one sense, the other half wound in the other sense.

7. Protection device according to claim 3, characterized in that the response member is connected to an auxiliary winding placed around the yokes, the winding parts of which by one or more pole pair pitches are distant from each other.

8. Protection device according to claim 3 to 5, characterized in that the Response device to the opposing windings of two transformers is placed, of which each primary winding is connected to a part of a winding arranged on the poles is.

9. Protection device according to claim 8, characterized in that the secondary side the transformers is formed by additional capacitors to form a resonant circuit.

10. Protection device according to claim 3 to 5, characterized in that the The response element itself is equipped with two windings, the flows of which counteract each other and each of which starts part of an auxiliary winding arranged on the poles is connected.

11. Protection device according to claim 1 to 10, characterized in that blocking circuits in the monitoring circuit are built in to protect against certain frequencies.

12. Protection device according to claim 1 to 11 for machines with rotating Pole wheel, characterized in that the auxiliary windings are also attached to the shaft Windings are connected, of which the voltage to be supplied to the display device is at rest, the Shaft enclosing winding is transmitted by means of a transformer.

13. Protection device according to claim 1 to 11 for machines with rotating Pole wheel, characterized in that the tap of the inductor winding is conductively connected to the shaft of which the voltage is removed via an auxiliary brush.

14. Protection device according to claim 13, characterized in that a capacitor is connected in the connection line between the tap and the shaft.

15. Protection device according to claim 1 to 14, characterized in that another in the monitoring circuit the operational readiness of the device monitoring relay is installed, which is excited by a current, the deviations caused by asymmetries in the machine is caused in the uniform field distribution.

1 sheet of drawings