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Schaltungsanordnung zum Kurzschlussschutz der mitrotierenden Halbleitergleichrichter eines bürstenlos erregten Polrades für eine Synchronmaschine
Bei bürstenlos erregten Synchrongeneratoren besteht der betriebsmässige Vorteil unter anderem darin, dass, wie die Bezeichnung aussagt, sämtliche Bürsten bzw. galvanischen Kontakte zwischen umlaufendem und feststehendem Maschinenteil wegfallen. Gleichzeitig entfällt aber auch die Möglichkeit, galvanisch übertragene Schutzanordnungen im Polradkreis vorzusehen.
Bei grösseren Einheiten sind zahlreiche umlaufende Siliciumdioden in Parallelschaltung zur Speisung des Polrades vorhanden. Ein Kurzschluss bzw. Sperrschichtzusammenbruch in nur einer dieser Dioden stellt bereits eine schwere Störung dar und kann zum Abbrennen der Zuleitungen oder der Erregermaschine führen.
Eswurde bereits bekannt, die umlaufenden Dioden durch ebenfalls umlaufende Schmelzsicherungspatronen zu schützen, die etwa in Form sogenannter "Sicherungsräder" angeordnet sind. Die weitere Schwierigkeit besteht nun darin, im Störungsfall das Durchbrennen eines Sicherungselements rechtzeitig zu erkennen, da andernfalls die übrigen Dioden durch Überlastung ebenfalls Schaden erleiden würden. Dies bedingt nicht ganz einfache Kontrolleinrichtungen.
Es wurde schon vorgeschlagen, zur Erfassung von Fehlern an den mit der Welle umlaufenden Erregergleichrichtern, die von einer ebenfalls umlaufenden, induktiv mit einer feststehenden Wicklung gekoppelten Wechselstromwicklung gespeist werden, in der feststehenden Wicklung entstehende fehlerbedingte Oberwellenänderungen heranzuziehen.
Aus der Schweizer Patentschrift Nr. 397849 wurde bereits eine Synchronmaschine mit Stromrichtererregung des ohne Schleifringe ausgeführten Läufers mittels eines Wellengenerators und eines mit diesem verbundenen umlaufenden Halbleiterstromrichters bekannt, bei dem der Halbleiterstromrichter steuerbar vorgesehen ist, wobei der Wellengenerator zwei getrennte Wicklungsgruppen im Ständer und auf dem Läufer mit voneinander unabhängigen magnetischen Kreisen besitzt, u. zw. eine Hauptwicklung, die der
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der Synchronmaschine dient, undregungund dieläuferseitigehilfswicklungist über einen Hilfsgleichrichter oder direkt mit einem gleichfalls umlaufenden Steuergerät verbunden, das der Bildung der Steuerspannungsimpulse dient, die auf die Halbleiter-Stromrichterventile einwirkt.
Weiters wurde aus der deutschen Patentschrift Nr. 611567 bekannt, dass eine vorzugsweise in der Pollücke befindliche Hilfsspule Impulse auf Grund von Änderungen des Luftspaltfeldes von Gleichstrommaschinen abgibt, welche über ein auf Stromimpulse ansprechendes Relais irgendwelche Schutzhandlungen auslösen. Im besonderen ist diese Einrichtung bei Hochspannungsgleichstrommaschinen zum
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Schutz gegen äussere Fehler, wie Überströme, Klemmenkurzschluss oder Kollektorüberschläge, von Vor- teil, wo eine potentialfreie Anzeige oder Schutzeinrichtung erwünscht ist. Die Anordnung reagiert auf Änderungen des Absolutwertes des Ankerquerfeldes. Die Lage des Querfeldes im Raum ist ja durch die Bürsten eindeutig fixiert, so dass es bei Gleichstrommaschinen keine Änderung der Querfeldlage gibt.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Kurzschlussschutz der mitrotierenden Halbleitergleichrichter eines bürstenlos erregten Polrades für eine Synchronmaschine mit einem Wellengenerator, bei dem ständerseitig zwei Wicklungen vorgesehen sind, von welchen eine als Hilfswicklung in
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Schutzwicklungausgebildetist, von deren vom Ankerquerfeld induzierten Spannung eine Schutzeinrich- tung der Halbleitergleichrichter steuerbar ist.
Vorteilhaft kann die Hilfswicklung nur über einen Teil der Pole am Umfang des Ständers eingelegt sein, mindestens jedoch in zwei Nuten, die einander benachbarten Polen angehören. Dies erklärt sich daraus, dass die Hilfswicklung nur zu Kontrollzwecken dient und keine Leistung abgeben muss, so dass sie bereits über einem einzigen Polpaar genügend Spannung liefert, um ihrer Aufgabe nachkommen zu können. Die wirtschaftlichste Ausführung ergibt jene Wicklung, die in den Nuten unter der Polmitte von zwei benachbarten Polen liegt.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende :
Inder Hilfswicklung wird im Normalbetrieb eine Spannung induziert, die proportional dem Polrad- stromverläuft. Im Falle eines Kurzschlusses im Polradkreis bricht diese Spannung zusammen, wobei dieser Spannungszusammenbruch zur Auslösung der Schutzschalthandlungen herangezogen wird, beispielsweise zur Entregung der Wechselstromerregermaschine oder zum Stillsetzen des Maschinensatzes.
Die physikalischen Grundlagen sind hiebei folgende :
Im Normalbetrieb bedeutet das Polrad der Hauptsynchronmaschine für die Wechselstromerregermaschine eine ohmsche Last, die Ankerrückwirkung liegt daher in Querstellung zum erregenden Feld. Eine um 900 elektrisch zur Feldwicklung versetzte Hilfswicklung ist daher voll verkettet mit der Ankerrückwirkung bei ohmscher Last. Bei Kurzschluss im Polradkreis bricht die ohmsche Komponente bis auf geringe Reste zusammen, als Impedanz verbleibt praktisch die Induktivität der Läuferwicklung der Wechselstromerregermaschine. Die Ankerrückwirkung ändert sprunghaft ihre Lage von Quer- auf Längsstellung, die Hilfswicklung wird entkoppelt und die zuvor in ihr induzierte Spannung bricht zusammen.
Die Anordnung bezieht sich auf gleichstromerregte Maschinen, da diese zufolge der um Grössenordnungen geringeren Erregerleistung leichter und wirtschaftlicher zu regeln sind. Gleichstromerregung würde zwar ansicheinimwesentlichen stationäres Gleichfeld als Ankerquerfeld hervorrufen, soweit man die Lage des Vektors im Raum innerhalb eines engen Winkelbereiches betrachtet, es kommt jedoch durch die Kommutierung der Stromtore zu geringen, sprunghaften und periodischen Änderungen in der Durchflutung der Messwicklung, so dass in dieser eine dem Polradstrom proportionale Spannung induziertwird. Um einen Hinweis auf die Grösse der aus der Hilfsspule zu entnehmenden Leistung zu geben, seien die Verhältnisse beispielsweise bei einem 250 kVA-Generator angeführt.
Bei einer Polradleistung von 4 kW und einer Feldleistung von 300 W ist die maximal aus der Hilfswicklung zu entnehmende Leistung etwa 40 VA. Somit ist es möglich, ein grösseres Relais direkt von der Hilfswicklung zu speisen.
Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der schematischen Zeichnungen, in denen Fig. 1 eine Lage-und Fig. 2 eine Schaltskizze der erfindungsgemässen Anordnung darstellen. Der Ständer der Wechselstromerregermaschine ist mit-l-, ihre vierpolige Feldwicklung mit - 2-, die Hilfs (Mess-) wicklung mit-3--und der Läufer mit --4-- bezeichnet. Die zu schützenden mitrotierenden Halbleitergleichrichter sind mit-5-und das Polrad der Hauptsynchronmaschine mit - bezeichnet.
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