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Schutzvorrichtung für elektrische Maschinen bei Windungsschtuss.
Die bisher bekanntgewordenen Vorrichtungen zum Schutz elektrischer Maschinen bei Windungsschluss lösen die Aufgabe dadurch, dass sie die durch den Windungsschluss hervorgerufene Spannungsverlagerung im Ankerkreis ausnutzen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im Falle eines Windungssehlusses in den kurzgeschlossenen Windungen ein Strom fliesst, der eine eigenartige Feldverteilung hervorruft, die in keinem andern Betriebszustand auftritt.
Diese eigenartige Feldverteilung wird erfindungsgemäss dazu ausgenutzt, Spannungen zu erzeugen,
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zum Ansprechen bringen.
Bei Windungssehluss fliesst nämlich in der kurzgeschlossenen Windung einer 2p-poligen Maschine ein Strom :
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Maschine Felder von der Polzahl 21" wobei k eine ganze Zahl bedeutet.
Jede Harmonische des Feldes B lässt sich in zwei gegenläufige Drehfelder von der Form cos (ka + 2#@t) zerlegen. Der Läufer einer Synchronmaschine rotiert mit der Umdrehungszahl # je Sekunde. Es wird in den Polen eine Spannung von der Frequenz
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induziert, wenn @¯p = n gesetzt wird.
Da k jeden beliebigen ganzzahligen Wert annehmen kann, gilt das gleiche auch für eu
Die Komponente bo des Feldes D, die örtlich gleichmässig über den Umfang verteilt ist und nur
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Pole. Es wird demnach durch dieses Feld in den Polen eine Spannung von Netzfrequenz induziert. Da bei allen andern Belastungsfällen, wie aus der Gleichung für B'hervorgeht, eine mit dem Ort unver- änderliche Komponente nicht auftritt, ist das Feld bo und die von ihm hervorgerufene Spannung charakteristisch für den Windungsschluss.
Von den höheren Harmonischen des Feldes B werden im Gegensatz zu unsymmetrischer Last,
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Die in den einzelnen Polen induzierten Spannungen addieren sich geometrisch. Je nach der Schaltung der Pole bzw. der Hilfswieklung werden die in den einzelnen Polen induzierten Oberwellen sich verstärken oder schwächen.
In Fig. 2 sind die Pole einer achtpoligen Maschine aufgezeichnet und darunter die einzelnen Harmonischen des Feldes B. Man sieht die Felder aller ungradzahligen Oberwellen (k = 1. 3. 5....) in beiden Hälften des rmfanges einander entgegengerichtet, die durch sie in der Induktorwieklung hervorgerufenen Spannungen heben sieh daher in beiden rmfangshälften gegenseitig auf. addieren sieh jedoch, wenn die Spannungen der Pole beider Umfangshälften gegeneinander geschaltet werden. In diesem Falle heben sieh die durch die geradzahligen Oberwellen des Feldes (k = 2, 4. 6... ) hervorge- rufenen Spannungen auf. Dies gilt allgemein für Maschinen mit gerader Polpaarzahl.
Bei Maschinen mit ungerader Polpaarzahl ist es umgekehrt. Da die Frequenz der in den Polen
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ungeradzahligen Oberwellen in der Spannung auf.
Als Beispiele für praktisch ausführbare Schutzeinrichtungen seien die folgenden Schaltungen angegeben :
Im Ständer einer 2p-poligen Maschine befindet sich eine Hilfswieklung, die ein oder mehrere Polpaare umfasst. Der mit dieser Wicklung verkettete Fluss wird nur bei Windungsschluss von Null verschieden sein. Ein mit dieser Wicklung in Reihe geschaltetes Relais oder eine sonstige Anzeigevorrichtung wird daher bei Windungssehluss und nur in diesem Falle ansprechen.
Die Verwendung der Induktorwieklung oder einer Hilfswieklung auf dem Induktor ist in zweierlei Weise möglich. Man kann die Anordnung so treffen, dass in dem verwendeten Stromkreis auch bei einphasiger Belastung Spannungen induziert werden. Dann ist es notwendig, auf eine der Frequenzen abzustimmen, die nur im Falle des Windungssehlusses erzeugt werden.
Eine zweite Gruppe von Einrichtungen benutzt die Wicklungen auf dem Rotor, in welchen nur bei Windungssehluss Spannungen erzeugt werden.
Legt man z. B. um die Welle des Generators innerhalb des Lagerschildes eine ruhende oder mit-
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Ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zeigt Fig. 3. Die Induktorwieklung 2V. S' ist in der Mitte bei c angezapft und mit den Primärwicklungen der Transformatoren Tl und T2 verbunden (bei ). deren anderes Ende an die Klemmen der Erregerwicklung a und b gelegt ist. Die Sekundärwicklungen beider Transformatoren sind gegeneinander geschaltet und mit ihnen ist die Spule eines Relais Rod. dgl. in Reihe geschaltet. Um ein Fliessen des Erregergleichstromes Über Tl und T2 zu verhindern oder zu vermindern, kann man zwischen die Transformatoren und die Erregerwicklung die Kondensatoren C'i und C2 bzw. Ohmsche Widerstände einschalten.
Mit Hilfe der Kondensatoren kann zur Erhöhung der Empfindlichkeit auf Resonanz einer bestimmten Harmonischen abgestimmt werden. Auch kann durch Einschalten eines Kondensators C3 (vgl. Fig. 4) in den Sekundärkreis des Transformators dieser Kreis als Resonanzkreis ausgebildet werden.
In der Schaltung der Fig. 5 ist der Transformator direkt durch ein Relais Fi ersetzt, welches zwei Spulen besitzt, die gegeneinander geschaltet sind, so dass also ein Strom, der von a nach b fliesst. keine magnetische Wirkung ausübt.
Um bestimmte Oberwellen zu unterdrücken, wird ein Sperrkreis in bekannter Anordnung in den
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Pole legen. In diesem Falle kann man die Windungszahl und den Wicklungssinn der Hilfswicklungen um die verschiedenen Pole so wählen, dass einzelne Wellen besonders stark hervortreten oder sich aufheben. Auch kann die Wicklung um eine oder mehrere Pole gelegt werden. Beispielsweise sei folgende Schaltung angeführt.
Die Wicklungen um p nebeneinanderliegende Pole einer 2p-poligen Maschine seien alle im gleichen Sinne gewickelt, die Wicklungen um die andern p-Pole im entgegengesetzten Sinn. Alle Windungen besitzen gleiche Windungszahl und sind hintereinander geschaltet. Man kann diese Hilfswieklungen durch eine einzige um p-Pole geschlungene Wicklung ersetzen.
Jede Hilfswicklung um die Pole kann man auch durch Wicklungen ersetzen, die an zwei um die Spulenweite der betreffenden Hilfswicklung entfernten Stellen um die Joche geschlungen werden. Die Wirkungsweisen beider Wicklungsarten verhalten sich etwa wie die Wirkungsweise des Grammeselten Ringankers zu jener des Trommelankers.
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der Welle verbunden werden, oder, um die Gleichspannung gegen die Welle zu isolieren, über einen Kondensator mit der Welle verbunden werden. Von dem Hilfsschleifring bzw. von der Welle wird die Wechselspannung mittels einer Hilfsbürste abgenommen. In Fig. 7 ist dieser Kondensator 04 zwischen den Punkten c und d, im übrigen in der gleichen Schaltung wie in der Fig. 5 angeordnet.
Selbstverständlich kann auch der Kondensator in alle andern angegebenen Schaltungen eingebaut werden.
Werden besondere Hilfswicklungen auf den Polen angebracht, so kann man die Enden dieser Wicklungen mit einer auf der Welle angebrachten konzentrischen Wicklung verbinden, mittels der dann die dem Relais zuzuführende Spannung transformatorisch auf eine feste die Welle umschliessende Wicklung übertragen wird. Mit den Enden dieser Sekundärwicklung ist dann der äussere Relaisstromkreis verbunden.
Bei den meisten Maschinen werden durch geringe Unsymmetrien der Bauart (z. B. Exzentrizität des Polrades) auch bei unbelasteter oder normal belasteter Maschine Weehselspannungen in den Polen induziert, die einen dauernd fliessenden Wechselstrom im äusseren Stromkreis hervorrufen. Durch Einschalten eines Ruhestromrelais kann man diesen Strom dazu benutzen, die Anordnung dauernd zu überwachen.
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Protection device for electrical machines in the event of a winding shock.
The devices that have become known to date for protecting electrical machines in the event of a shorted winding solve the problem by utilizing the voltage shift in the armature circuit caused by the shorted winding.
The invention is based on the knowledge that in the event of a winding fault, a current flows in the short-circuited windings which causes a peculiar field distribution that does not occur in any other operating state.
This peculiar field distribution is used according to the invention to generate voltages,
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to respond.
In the event of a winding short, a current flows in the short-circuited winding of a 2p-pole machine:
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Machine fields with a number of poles of 21 "where k is an integer.
Each harmonic of the field B can be split into two opposing rotating fields of the form cos (ka + 2 # @ t). The rotor of a synchronous machine rotates with the number of revolutions # per second. There will be a voltage of the frequency in the poles
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induced if @ ¯p = n is set.
Since k can take on any integer value, the same applies to eu
The component bo of the field D, which is locally evenly distributed over the circumference and only
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Pole. This field induces a voltage of mains frequency in the poles. Since in all other load cases, as can be seen from the equation for B ', a component that does not change with the location does not occur, the field bo and the voltage it produces are characteristic of the interturn short-circuit.
In contrast to the asymmetrical load, the higher harmonics of field B
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The voltages induced in the individual poles add up geometrically. Depending on the switching of the poles or the auxiliary energy, the harmonics induced in the individual poles will either increase or decrease.
In Fig. 2, the poles of an eight-pole machine are recorded and below the individual harmonics of the field B. You can see the fields of all odd harmonics (k = 1. 3. 5 ....) in both halves of the range opposite to each other The voltages produced in the inductor voltage therefore cancel each other out in both circumferential halves. However, add up when the voltages of the poles of both circumferential halves are switched against each other. In this case, the stresses caused by the even harmonics of the field (k = 2, 4, 6 ...) cancel out. This generally applies to machines with an even number of pole pairs.
The reverse is true for machines with an uneven number of pole pairs. As the frequency of the in the poles
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odd harmonics in the voltage.
The following circuits are given as examples of practical protective devices:
In the stator of a 2p-pole machine there is an auxiliary device that includes one or more pole pairs. The flux linked to this winding will only differ from zero if there is a shorted turn. A relay connected in series with this winding or some other display device will therefore respond in the event of a winding short and only in this case.
There are two ways of using the inductor weight or an auxiliary weight on the inductor. The arrangement can be made so that voltages are induced in the circuit used even with single-phase loads. Then it is necessary to tune to one of the frequencies that are only generated in the case of the winding fault.
A second group of devices uses the windings on the rotor, in which voltages are generated only when the turns are short.
If you put z. B. around the shaft of the generator within the end shield a resting or mit-
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An exemplary embodiment of a circuit is shown in FIG. 3. The inductor voltage 2V. S 'is tapped in the middle at c and connected to the primary windings of the transformers T1 and T2 (at). the other end of which is connected to the terminals of the field winding a and b. The secondary windings of both transformers are connected against each other and with them is the coil of a relay rod. Like. Connected in series. In order to prevent or reduce the flow of the direct excitation current via T1 and T2, the capacitors C'i and C2 or ohmic resistors can be connected between the transformers and the excitation winding.
The capacitors can be used to tune to the resonance of a certain harmonic to increase the sensitivity. By switching on a capacitor C3 (see FIG. 4) in the secondary circuit of the transformer, this circuit can also be configured as a resonance circuit.
In the circuit of FIG. 5, the transformer is replaced directly by a relay Fi, which has two coils that are connected to one another, so that a current flows from a to b. has no magnetic effect.
In order to suppress certain harmonics, a trap circuit in a known arrangement is in the
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Lay poles. In this case, the number of turns and the direction of winding of the auxiliary windings around the various poles can be selected in such a way that individual waves stand out particularly strongly or cancel each other out. The winding can also be placed around one or more poles. For example, the following circuit is given.
The windings around p adjacent poles of a 2p-pole machine are all wound in the same sense, the windings around the other p-poles in the opposite sense. All turns have the same number of turns and are connected in series. You can replace these auxiliary devices with a single winding wound around p-poles.
Each auxiliary winding around the poles can also be replaced by windings that are looped around the yokes at two points that are separated by the coil width of the auxiliary winding concerned. The modes of action of both types of winding are roughly the same as the mode of action of the gram ring armature to that of the drum armature.
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connected to the shaft or, in order to isolate the DC voltage from the shaft, connected to the shaft via a capacitor. The alternating voltage is taken from the auxiliary slip ring or from the shaft by means of an auxiliary brush. In FIG. 7, this capacitor 04 is arranged between points c and d, otherwise in the same circuit as in FIG.
Of course, the capacitor can also be installed in all other specified circuits.
If special auxiliary windings are attached to the poles, the ends of these windings can be connected to a concentric winding mounted on the shaft, by means of which the voltage to be fed to the relay is then transmitted by means of a transformer to a fixed winding surrounding the shaft. The outer relay circuit is then connected to the ends of this secondary winding.
In most machines, slight asymmetries in the design (e.g. eccentricity of the pole wheel) induce alternating voltages in the poles, even when the machine is unloaded or under normal load, and this causes a continuously flowing alternating current in the external circuit. By switching on a closed-circuit relay, this current can be used to continuously monitor the arrangement.
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