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Anordnung zum Schutz der Polraddioden von bürstenlos erregten Polrädern
Eine Eigenart der Polradkreise von Synchronmaschinen ist es, dass die darin auftretenden Spitzen- spannungen infolge Fehlschalthandlungen das 20fache - 50fache der Nennspannung bei Normalbetrieb erreichen können. Derartige Überspannungen gehören also nicht zum Normalbetriebsfall der Maschine.
Bei einer etwaigen Fehlschaltung treten diese Spitzenspannungen jedoch augenblicklich und in voller
Grösse auf.
Daraus lässt sich die Forderung für bürstenlos erregte Polräder ableiten, dass die Diodenanordnung entweder für die maximal zu erwartenden Spannungsscheitelwerte zu bemessen ist oder man trifft Vor- kehrungen, dass die Spannung nicht in voller Grösse auf die Polraddioden gelangen kann. Bekanntlich führt ein einziger über dem maximalen Sperrwert der Diode liegender Spannungsimpuls zur irreversiblen Zerstörung der Sperrschicht in der Diode.
Die vorhin genannten Überspannungen haben grundsätzlich zwei Ursachen. Einmal wird bei nicht synchron laufendem und ans Netz geschaltetem Generator eine Spannung in der Polradwicklung indu- ziert, deren Grösse vom Schlupf der Maschine und dem Übersetzungsverhältnis abhängt. Bei Grossgeneratoren liegt diese Spannung bei stillstehender Maschine in der Grössenordnung von 10 bis 20 kV und erhöht sich noch bei gegenlaufendem Drehfeld. Beanspruchungen dieser Art treten bei Fehlsynchronisationen ein und bleiben so lange aufrecht, als die Maschine mit nicht synchroner Drehzahl am Netz verbleibt.
Ferner tritt bei Kurzschlüssen am Generator ein Ausgleichsvorgang ein, der durch die momentane Änderung der Ankerrückwirkung verursacht wird und im Polrad ebenfalls eine weit über der Normalbetriebsspannung liegende Spannung induziert. Sie klingt nach etlichen Halbwellen auf einen Bruchteil des Anfangswertes ab, wobei gleichzeitig eine kurzzeitige Belastung des Gleichrichters bis zum 15fachen des Nennstromes in Durchlassrichtung möglich ist.
Die Auslegung der Polraddioden für diese hohen Spannungen führt zu wirtschaftlich untragbaren Lösungen. Es bleibt nur der zweite Weg, die nicht zum Normalbetriebsfall gehörenden, spontan auftretenden Überspannungen von den Gleichrichtern fernzuhalten.
Eine der zahlreichen geeigneten Lösungen hiefür sieht z. B. parallel zum Polrad Überspannungsableiter vor. Letztere sind problematisch, da sie eine Ansprechverzögerung haben können, die den Schutz der sehr empfindlichen Diodensperrschicht beeinträchtigen kann. Ein Schutz gegen unzulässige Über- ströme ist bei dieser Anordnung natürlich nicht gegeben.
Bei Kleingeneratoren werden die Gleichrichter durch parallelgeschaltete, spannungsabhängige Widerstände geschützt. Als spannungsabhängige Widerstände können sowohl Silit-Widerstände, z. B. Varistoren, als auch besondere Selen-Plattenaggregate herangezogen werden. Ihre Charakteristik ist derart, dass der Widerstand mit zunehmender Spannung zusammenbricht. Steigt die Spannung an den Dioden über einen zulässigen Wert an, so übernehmen die spannungsabhängigen Widerstände den Stromfluss in Sperrichtung der Dioden. Dadurch entsteht im Verein mit der meist hohen Impedanz des Polrades an diesem ein Spannungsabfall, so dass bei richtiger Bemessung die Dioden geschützt sind.
Bei grösseren Generatoren sind spannungsabhängige Widerstände nicht mehr unbeschränkt einsatzfähig. da die Grösse der thermischen Verlustleistung zu aufwendigen Widerstandsaggregaten führt. Ein Schutz gegen Überströme vom Polrad her ist auch hier nicht gegeben.
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Einweiteres Schutzverfahren verwendetThyristoren, die parallel zum Polrad liegen, dessen Steuer- elektroden die Zündimpulse von einem elektronischen mitumlaufenden Steuergerät erhalten. Das Steuergerät verarbeitet die Strom- und Spannungsistwerte, um bei Überschreiten eines noch zulässigen
Grenzwertes das Zünden der Thyristoren durchzuführen. Diese Lösung, obwohl sehr wirksam, hat nur den Nachteil, sehr teuer und aufwendig zu sein. Es sind auch schon Einrichtungen in Erregerschaltungen für Wechselstrommaschinen mit Gleichstromerregung über eine Gruppe von Gleichrichtern bekanntgeworden, die zum Schutz dieser Gleichrichter gegen Überspannungen einen die Ableitung der Überspannung ermöglichenden Nebenschlusskreis verwenden, der aus einer Anzahl in Reihe geschalteter Halbleiterdio- den gebildet wird, mit denen Sperrzellen inReihe geschaltet sind.
Beim Auftreten einer Überspannung nach Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes schalgen die Halbleiterdioden durch, wonach sie eine grössere Leitfähigkeit in entgegengesetzter Richtung zu ihrer normalen Leitfähigkeit annehmen und diese Leitfähigkeit erst beim Rückgang der Spannung auf einen kleinen negativen Wert bzw. Umkehr der Spannung wieder verlieren.. Die in Reihe geschalteten Sperrzellen sollen verhindern, dass normalerweise durch den Nebenschlusskreis im gleichen Sinn wie durch die Erregergleichrichter ein Strom flie- ssen kann. Ein Nachteil dieser Anordnung ist jedoch, dass die Schutzdioden ein sehr grosses Volumen besitzen, das bei weitem das der Hauptdioden übertrifft, sowie ihr dementsprechend hoher Preis.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz der Polraddioden von bürstenlos erregten Polrädern gegen Überspannungen und Überströme mittels Schutzdioden, wobei erfindungsgemäss die Schutzdiode parallel und gleichsinnig zu den Polraddioden liegt und derart bemessen bzw. ausgewählt ist, dass sie durch ihren Sperrschichtzusammenbruch die Polradwicklung dauernd, insbesondere bis zum Ansprechen eines Schutzschalters, kurzschliesst, worauf sie ausgewechselt werden muss. Die Tatsache, dass Fehlschaltungen und damit Gefährdungen der Gleichrichter selten auftreten, berechtigt dazu, den Sperrschichtzusammenbruch der Freilaufdiode und ihr nachfolgendes Auswechseln zum Schutz der übrigen Gleichrichter heranzuziehen, wobei die Schutzdiode an bequem zugänglicher Stelle montiert ist.
Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann durch Wahl der Kennlinie für die Schutzdiode das Schutzniveau der Hauptgleichrichter beliebig hoch einstellbar sein.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann dieselbe Gleichrichtertype sowohl als Schutzdiode als auch als Brückendiode eingesetzt werden, wodurch sich ein Faktor 2 für das Schutzniveau der in Serie geschalteten Dioden einer Drehstrombrücke ergibt.
Die erfindungsgemässe Anordnung ist zum Schutz gegen Überspannungen sowie gegen Überströme
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Überspannungen aufzunehmen hat. Für die Gleichrichteranordung bedeutet dies in Durchlassrichtung eine Strombelastung und in Sperrichtung eine Spannungsbelastung. Eine Gefährdung der Gleichrichter tritt also im Durchlassbereich durch unzulässige Stromstösse, im Sperrbereich durch unzulässig hohe Spitzenspannungen ein. Mit der erfindungsgemässen Freilaufdiode, welche parallel gleichsinnig mit dem zu schützenden Gleichrichteraggregat geschaltet wird, wird somit ein vollkommener Schutz der Polraddioden für beide Fälle bei geringem Aufwand an Materialkosten und Arbeit (Auswechslung) erreicht.
Bei grossen Einheiten, bei denen einBetriebsausfall wegen des Diodenwechsels zu kostspielig erscheint, wird die erfindungsgemässe Anordnung vermutlich nicht zum Einsatz gelangen, wohl aber bei kleinen Einheiten, bei denen die Schutzeinrichtung an den Gesamtkosten prozentuell einen sehr hohen Anteil ausmacht.
Tritt eine gefährliche Überspannung auf, so wird stets zunächst die Schutzdiode durchschlagen, da auf diese die volle Spannung, auf die Brückendioden nur ungefähr die halbe Spannung trifft. Damit ist das Polrad kurzgeschlossen und die gefährliche Überspannung auf Null zusammengebrochen. Die Brükkendioden arbeiten nun bis zum Ansprechen der Entregungsschalter auf einen Kurzschluss im Polradkreis. Dies stellt jedoch keine besondere Belastung dar. Die Wechselstromerregermaschine hat im allgemeinen einen Dauerkurzschluss von weniger als dem zweifachen Nennstrom, was die Brückendioden kurzzeitig aushalten.
Wird im Polrad ein Stromstoss induziert, so fliesst in der Schutzdiode ungefähr der doppelte Strom wie in einem einzigen Drehstrombrückenzweig, da die einzelnen Schutzdioden nur den halben Widerstand besitzen wie die beiden in Serie geschalteten Dioden eines Brückenzweiges. War der Strom so gross, dass er zur Zerstörung der Schutzdiode führte, so bleiben die Dioden der Drehstrombrücke ebenfalls geschützt.
Die Schutzdiode führt betriebsmässig keinen Strom und braucht daher nicht gekühlt zu werden.
Wird sie an leicht zugänglicher Stelle angebracht, so ist ihre Auswechselung im Schadensfalle sehr ein-
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fach und verursacht keinerlei Demontage irgendeines andem Maschinenteiles. Die Kosten für eine einzelne Diode sind gering.
Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der Zeichnungen, in denen schematisch in der Fig. 1 das Schaltbild und in Fig. 2 und 3 die elektrische Beanspruchung gezeigt wird.
Pos. l bezeichnet die Feldwicklung der Wechselstromerregermaschine, 2 deren Läufer, 3 die Polraddioden, 4 die Schutzdiode, 5 das Polrad des Hauptgenerators und schliesslich 6 den Ständer des Hauptgenerators.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass-gleiche Kennlinien vorausgesetzt-die Dioden 3 je nur die halbe Sperrspannung erhalten wie die Schutzdiode 4.
Der Fig. 3 ist zu entnehmen, dass - wieder gleiche Kennlinien vorausgesetzt-je Diodenzweig bei 3 der halbe Strom fliesst wie in 4, da der Durchlasswiderstand je Zweig in 3 doppelt so gross ist wie in 4.
Da in der Praxis die Kennlinien nicht völlig gleichartig verlaufen, kann auf irgendeine der bekannten Arten von Potentialsteuerung die Sperrspannung der in Serie geschalteten Dioden vergleichmässigt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zum Schutz der Polraddioden von bUrstenlos erregten Polrädern gegen Überspannungen und Überströme mittels Schutzdioden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode parallel und gleichsinnig zu den Polraddioden liegt und derart bemessen bzw. ausgewählt ist, dass sie durch ihren Sperrschichtzusammenbruch die Polradwicklung dauernd, insbesondere bis zum Ansprechen eines Schutzschalters, kurzschliesst, worauf sie ausgewechselt werden muss.