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Einrichtung zur Erfassung des Polradwinkels einer Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung des Polradwinkels einer Synchronmaschine unter
Verwendung von Strom- und Spannungswandlern, Widerständen und Gleichrichterbrücken.
Generatoren, die Hochspannungsnetze speisen, müssen oftmals mit verhältnismässig schwacher Erre- gung arbeiten, weil ein beträchtlicher Teil der benötigten Blindleistung von der Kapazität der Leitungen erzeugt wird. Der Polradwinkel, d. h. der Winkel zwischen der Polrad-EMK und der Klemmspannung bzw. die Winkelabweichung des Polrades zwischen Leerlauf und Belastung der Maschine, wird dementsprechend gross. Die Generatoren befinden sich praktisch an der Grenze der Stabilität, so dass bereits kleine Störun- gen ein Aussertrittfallen bedingen können. Um dies zu verhindern, lassen sich in bekannter Weise auf der
Generatorwelle Hilfsgeneratoren, stroboskopische Messanordnungen usw. vorsehen, die eine Erfassung und
Beeinflussung des Polradwinkels ermöglichen.
Die Nachteile des Bekannten bestehen darin, dass zusätzli- cher Raum auf der Generatorwelle nötig wird und die Einrichtungen darüber hinaus teuer und umständlich sind. Es sind auch bereits Einrichtungen beschrieben worden, welche es ermöglichen, den Polradwinkel mit Hilfe der Polrad-EMK, der Maschinenspannung und der vom Ankerfeld erzeugten Blindspannung J-x' festzustellen, wobei x'die gesamte Synchronreaktanz bedeutet. Dieser Lösungsweg bietet aber nicht die gleichen vorteilhaften Funktionsmöglichkeiten wie der Erfindungsgegenstand. Schliesslich gehören auch
Einrichtungen zur Verhinderung der Selbsterregung von kapazitiv belasteten Synchronmaschinen zum Stand der Technik. Mit solchen Anordnungen kann man jedoch den Polradwinkel nicht ermitteln.
Die Erfindung ist gekennzeichnet a) durch Elemente zur Bestimmung von dem Maschinenblindstrom sowie dem Maschinenwirkstrom proportionalen Grössen, wobei vorzugsweise vier Zwischenstromwandler vorgesehen sind, von denen jeder zwei primäre Teilwicklungen aufweist, die in an sich bekannter Weise von zwei in Reihe geschalteten Maschinenspannungswandlern und einem in die Mittelphase der Synchronmaschine geschalteten Stromwandler gespeist sind und je mit einer Sekundärwicklung versehen sind, an die eine Gleichrichterbrücke angeschlossen ist, wobei zwei miteinander gekoppelten Gleichrichterbrücken eine dem Maschinenblindstrom proportionale Grösse entnommen wird und zwei weiteren miteinander gekoppelten Gleichrichterbrücken, deren vorgeschaltete Zwischenstromwandler primärseitig eine aus einem Widerstand und einer Kapazität bestehende Parallelschaltung aufweisen,
eine dem Maschinenwirkstrom proportionale Grösse entnommen wird, ferner gekennzeichnet b) durch Elemente zur Bestimmung einer der Maschinenphasenspannung proportionalen Grösse, wobei vorzugsweise einer weiteren, unmittelbar an einem der Spannungswandler liegenden Gleichrichterbrücke eine der Maschinenphasenspannung proportionale Grösse entnommen wird und ein an sich bekanntes Zusatzgerät, beispielsweise ein Relais, vorgesehen ist, dem die vorgenannten Grössen zugeführt werden und das zur Regelung des Polradwinkels oder Begrenzung seines Höchstwertes dient.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass man mit rein statischen, keiner Abnutzung unterworfenen, einfachen Elementen arbeiten kann, die sich an ohnehin vorhandene Strom-und Spannungswandler leicht anschliessen lassen. Weitere Vorteile kann man der nachfolgenden Beschreibung entnehmen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch wiedergegeben.
Während die Fig. l, 2,9 und 11 die der Erfindung entsprechenden Schaltungen zeigen, dienen die Fig. 3-8 sowie Fig. 10 zur Erläuterung der Wirkungsweise..
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eine SynchronmaschineKlemmen dieser Spannungswandler führen über einen Widerstand 3 zu den Teilwicklungen 4a und 5a von
Zwischenstromwandlern 4 und 5. Weiterhin ist die gemeinsame Sekundärklemme der Spannungswandler i 2, mit zwei in Reihe geschalteten Teilwicklungen 6a, 7a der Zwischenstromwandler 6 und 7 verbun- den, welche ausserdem über eine Parallelschaltung, bestehend aus dem Kondensator 8 und dem Wider- stand 9, mit einer äusseren Sekundärklemme der Spannungswandler in Verbindung stehen. Die Zwischen- stromwandler 4,5, 6 und 7 weisen je eine zweite primäre Teilwicklung 4b, 5b, 6b, 7b auf, die von einem in der Phase S liegenden.
Stromwandler 10 gespeist werden, wobei in diesem Stromkreis noch ein I Doppelpotentiometer 11 vorgesehen ist. Die Sekundärwicklungen 4c, 5c der Zwischenstromwandler 4,5 sind an Gleichrichterbrücken 12 und 13 gelegt, deren Gleichstromklemmen miteinander verbunden sind und zu einem Zusatzgerät 14 führen. Entsprechend werden auch die Sekundärwicklungen 6c, 7c der Zwi- schenstromwandler 6 und 7 an Gleichrichterbrücken 15,16 angeschlossen, deren Gleichstromklemmen ebenfalls mit dem Zusatzgerät 14 in Verbindung stehen. Letzteres ist schliesslich noch an eine Gleichrichterbrücke 17 gelegt, welche über Widerstände 18,19 mit der gemeinsamen und einer äusseren Sekundär- klemme der Spannungswandler 2, 2'verbunden wird.
Fig. 2 entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Gleiche Teile sind dement- sprechend mit denselben Bezugszeichen versehen. In die Verbindungsleitungen einer äusseren und der ge- meinsamen Sekundärkleinme der Spannungswandler 2, 2' mit den Teilwicklungen der Zwischenstromwand- ler sind nunmehr jedoch Potentiometer 21, 24 eingeschaltet. Diese Potentiometer werden von Stromwand- lern 20,23 gespeist, die wieder an Stromwandler 10, 22 angeschlossen sind. Im Hinblick auf die be- stehenden Potentialverhältnisse bei Erdung der Hauptwandler werden die Wandler 20 und 23 erforderlich.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels des Erfindungsge- genstandes sei zunächst Fig. 3 betrachtet. Dort ist das Polrad der Synchronmaschine 1 mit la, eine Pha- senwicklung des Stators mit 1b, die Rotorlängsachse mit d und die Querachse mit q bezeichnet. Ausserdem wurde die Spannung U,. der Strom J und der Polradwinkel 6 eingetragen. Erregt man die Ständerphase 1b mit einem Wechselstrom, so lassen sich die für verschiedene Stellungen des Polrades geltenden Ma- schinenreaktanzen (synchronen Reaktanzen) bestimmen. Es ist zu erkennen, dass für a = 0 der Maximal- wert xd vorhanden ist, da der grösste magnetische Leitwert dann besteht, wenn die Längsachse d mit der Wicklungsachse zusammenfällt.
Der kleinste Leitwert und damit die kleinste Reaktanz Xq treten bei
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ten Bezeichnungen wieder. Es lässt sich nachweisen, dass zwischen der Phasenspannung U und der Resultierenden R', welche aus einer der Maschinenphasenspannung U proportionalen Grösse sowie einer dem Maschinenstrom J proportionalen Grösse besteht (wobei letztere gegenüber dem Strom um 900 el. phasenverschoben wird), der Polradwinkel 6 auftritt. Gemäss Fig. 4 ist der Strom J, welcher der Spannung U um den Winkel nacheilt, in seine Wirkkomponente Jw und seine Blindkomponente Jb zerlegt. Um 6 ermit- teln zu können, wird die direkt aus dem Zeigerdiagramm ablesbare Beziehung tg 5 = J'x/ (U + ib-x q) benutzt.
Man muss also den Wirkstrom, den Blindstrom und die Spannung U zueinander in Beziehung setzen, um ein Mass für den Polradwinkel 6 zu erhalten.
Die Bestimmung von Jb geschieht in der Schaltung nach Fig. 1 folgendermassen : Die Wandlel-Teilwicklungen 4a und 5a der Zwischenstromwandler 4 und 5 liegen über den Widerstand 3 an den Phasen T und R des in Fig. 5 dargestellten Dreiphasensystems. Ausserdem speist der in der Phase S angeordnete Stromwandler 10 die Teilwicklungen 4b und 5b. Im Zwischenstromwandler 4 unterstützen sich die Durchflutungen der Teilwicklungen 4a und 4b, so dass auf der Sekundärseite 4c die Grösse Ua = U'+ J (Fig. 6) wirksam ist. Im Zwischenstromwandler 5 sind hingegen die Durchflutungen der Teilwicklungen 5a und 5b einander entgegengerichtet.
Folglich tritt im Sekundärkreis 5c die Grösse Ub = U'-J auf. Im Zusatzerät 14 ist dann infolge der Zusammenschaltung der Gleichrichterbrücken 12 und 13 die Differenz Ua - Ub vorhanden. Unter Zugrundelegung von Fig. 6 ergibt eine einfache Rechnung die Beziehung : Ua-Ub =
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stromklemmen der Brücken 12 und 13 ist also eine die Richtung von U'aufweisende Stromkomponente abgreifbar (Fig. 6). Da U'und die Phasenspannung S senkrecht aufeinander stehen, stellt die genannte Stromkomponente der Blindstrom Jb dar. Auf analoge Weise lässt sich der Wirkstrom J mit Hilfe der Zwischenstromwandler 6 und 7 bestimmen. Gemäss Fig. 1 wird hiebei als Spannung U die Spannung zwischen den
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Phasen R und S benutzt.
Man würde dann eine Stromkomponente erhalten, welche die Richtung dieser verketteten Spannung hätte. Um einen Strom Jw in Phase mit der Spannung S zu erzielen, muss eine Rich- tungsverschiebung vorgenommen werden, was durch das Parallelschaltglied 8,9 möglich ist. Schliesslich wird dem Zusatzgerät 14 auch noch eine der Spannung proportionale Grösse über den Gleichrichter 17 zugeführt, so dass sämtliche Kennwerte, welche den Lastwinkel bestimmen, erfasst sind. Die in den einzel-
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wählbarer Bezugswert. Entspricht nun der tatsächlich vorhandene Polradwinkel dem gewählten Bezugswert, so ist das Gerät 14 stromlos, da dann -(U/xm) + J'ctg 6-J. = 0 ist.
Weicht hingegen 6 von dem Bezugswert ab, so ist die vorgenannte Summe nicht mehr gleich Null, sondern gleich einem Betrage, wel- cher von der Differenz zwischen dem tatsächlichen Polradwinkel und dem Bezugswert abhängt. Da man sowohl den Differenzbetrag als auch den Bezugswert kennt, ist der Polradwinkel erfassbar, d. h. messbar.
Die bisherigen Betrachtungen hatten zur Voraussetzung, dass die Spannung an den Klemmen der Synchronmaschine starr ist. Trifft dies nicht zu, so müssen die Reaktanzen zwischen den Generatorklemmen und dem Netzpunkt, an welchem die Spannung als starr angesehen werden kann, ebenfalls berücksichtigt werden. Zur Spannung U kommt also noch die Grösse J'x hinzu (Fig. 7). Für die Stabilität der Maschine ist der Winkel zwischen U"und R', d. h. 6 +'5', massgebend. 6'kann nun nicht einfach durch die Addition
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lich mit dem Zusatzgerät 14 verbunden ist. Am Eingang der Gleichrichterbrücke 25 liegt eine Spannung unterschiedlicher Richtung, je nachdem ob Motor oder Generatorbetrieb besteht.
An den Ausgangsklemmen der Brücke besitzt hingegen die Spannung eine unveränderliche Richtung, so dass der Einfluss der Wirkkomponente des Stromes unabhängig davon ist, ob die Synchronmaschine als Motor oder Generator arbeitet.
Das Zusatzgerät 14 (beispielsweise ein Relais, ein Transduktor, ein Maschinenverstärker, ein Transistor u. dgl.) kann sowohl mit einem Regler für die Erregung der Synchronmaschine als auch mit einem Regler der Antriebsmaschine zusammenarbeiten, u. zw. entweder im Sinne einer Regelung des Polradwinkels oder aber auch im Sinne einer Begrenzung des Winkelhöchstwertes, um ein Aussertrittfallen zu vermeiden.
Un : er bestimmten Bedingungen kann es zweckmässig sein, der Funktion Jw = Etib) eine gekrümmte Kennlinie, etwa gemäss Fig. 10, zugrunde zu legen. Ein solcher Kurvenverlauf lässt sich beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 11 gezeigten Anordnung erreichen. Dort sind wieder mit 15 und 16 die Gleichrichterbrücken bezeichnet, welche eine dem Wirkstrom proportionale Komponente liefern, während die Brücke 25 die Richtungsunabhängigkeit des Wirkstromes vom Generator- oder Motorbetrieb gewährleistet.
Das Zusatzgerät 14 ist an den einen Pol eines Potentiometers 26 angeschlossen, das von der Gleichspan- nung Un gespeist wird. Die aus dem Zusatzgerät 14 und einem Widerstand 27 bestehende Reihenschaltung führt über Gleichrichter 28,29 und Widerstände 30,31 sowie ein Element 32, welches mit dem Zusatz- gerät 14 induktiv gekoppelt ist, zu Abgriffen des Potentiometers 26. Wenn gemäss Fig. 1 oder 2 die
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in welchem die Spannung an der Reihenschaltung 14,27 die Spannung UI übersteigt, ein Teil des Wirkstromes Jw vom Zusatzgerät 14 abgezweigt, und der Zusammenhang zwischen Jw und Jb ist dann durch die Strecke BC gegeben. Schliesslich kann man mit Hilfe einer Gegenkopplung zwischen 14 und 32 die Strecke CD einstellen.
Die Elemente 32 und 14 stellen beispielsweise Wicklungen einer Verstärkermaschine, eines Tranduktors, eines Relais usw. dar, welche miteinander induktiv gekoppelt sind. Infolge der Verwendung der Gleichrichterbrücke 25 lässt sich bei Generatorbetrieb der Kurvenzug A, B', C', D' erzielen. Es ist selbstverständlich, dass durch Anordnung weiterer, mit der Reihenschaltung 14,27 in
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Verbindung stehender Abzweigungen die Kurvenstücke der gekrümmten Funktion beliebig klein gehalten werden können. Weiterhin lässt sich auch das Element 32 in Form einer verstärkenden Koppelung ver- wenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erfassung des Polradwinkels einer Synchronmaschine unter Verwendung von Strom- und Spannungswandlern, Widerständen und Gleichrichterbrücken, gekennzeichnet a) durch Elemente zur Bestimmung von dem Maschinenblindstrom (Jb) sowie dem Maschinenwirkstrom (Jw) proportionalen Grössen, wobei vorzugsweise vier Zwischenstromwandler (4,5, 6,7) vorgesehen sind, von denen jeder zwei primäre Teilwicklungen (4a, 4b.
5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b) aufweist, die in an sich bekannter Weise von zwei in Reihe geschalteten Maschinenspannungswandlern (2, 2') und einem in die
Mittelphase der Synchronmaschine (1) geschalteten Stromwandler (10) gespeist sind und je mit einer Se- kundärwicklung (4c, 5c, 6c, 7c) versehen sind, an die eine Gleichrichterbrücke (12, 13, 15, 16) angeschlossen ist, wobei zwei miteinander gekoppelten Gleichrichterbrücken (12,13) eine dem Maschinenblindstrom (Jb) proportionale Grösse entnommen wird und zwei weiteren miteinander gekoppelten Gleichrichterbrücken (15, 16), deren vorgeschaltete Zwischenstromwandler (6, 7) primärseitig eine aus einem Widerstand (9) und einer Kapazität (8) bestehende Parallelschaltung aufweisen, eine dem Maschinenwirkstrom (Jw) proportionale Grösse entnommen wird,
ferner gekennzeichnet b) durch Elemente zur Bestimmung einer der Maschinenphasenspannung (U) proportionalen Grösse, wobei vorzugsweise einer weiteren, unmittelbar an einem der Spannungswandler (2) liegenden Gleichrichterbrücke (17) eine der Maschinenphasenspannung (U) proportionale Grösse entnommen wird und ein an sich bekanntes Zusatzgerät (14), beispielsweise ein Relais, vorgesehen ist, dem die vorgenannten Grössen (Jb,'J , U) zugeführt werden und das zur Regelung des Polradwinkels oder Begrenzung seines Höchstwertes dient.