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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zum Schutz grosser Drehstrom-Synchronmaschi- nen, insbesondere mit supraleitender Erregerwicklung, vor unsymmetrischer Belastung.
Die unsymmetrische Belastung einer Drehstrom-Synchronmaschine kann zu thermischen und mechanischen Überbeanspruchungen führen, die Beschädigungen verschiedenster Art hervorrufen können.
Besonders empfindlich sind in dieser Hinsicht Vollpol-Synchronmaschinen (Turbogeneratoren) und in noch bedenklicherem Ausmass Drehstrom-Synchronmaschinen mit supraleitender Erregerwicklung. Die unsymmetrische Belastung führt des weiteren zu Unsymmetrien der Klemmenspannung, die sich auf die übrigen Verbraucher nachteilig auswirken (vgl. Aiehholzer G. :"Elektromagnetische Energiewandler",
Seite 272, Springer-Verlag Wien, New York 1975).
Die älteste bekannte Schutzmassnahme gegen die genannten Gefahren stellt die Dämpferwicklung im Läufer der Maschine dar, die eine teilweise Aufhebung der durch die unsymmetrische Belastung verursachten gegenläufigen (inversen) magnetischen Durchflutung bewirkt. Eine andere, seltener angewandte Massnahme ist die Parallelschaltung einer Asynchronmaschine, die einen Teil der gegenlaufenden Stromkomponente von den Klemmen der Hauptmaschine"absaugt".
Die erstgenannte Massnahme einer Dämpferwicklung ist insofern unvollkommen, als durch sie nur ein Teil der gegenlaufenden magnetischen Durchflutung aufgehoben werden kann.
Die zweite Massnahme einer parallelgeschalteten Asynchronmaschine macht zwar eine Dämpferwicklung in der Synchronmaschine entbehrlich, doch kann sie wegen ihres notwendigerweise endlichen Kurzschlusswiderstandes ebenfalls nur einen Teil des schädlichen gegenläufigen Stromsystems"absaugen". Auch muss sie wegen des erforderlichen kleinen Kurzschlusswiderstandes mit einer relativ hohen Leistung ausgeführt werden. Eine Anwendung dieser Methode ist daher nur bei seltenen Spezialfällen bekannt.
Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Schutzsystem weist die oben genannten Mängel nicht auf und ist im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen geeignet, das inverse Stromsystem auch bei starker Unsymmetrie des Netzes von der zu schützenden Maschine zur Gänze fernzuhalten. Dies wird dadurch erreicht, dass vor den Klemmen der zu schützenden Maschine eine Zusatzspannungsmaschine in Reihe und eine Zusatzstrommaschine parallelgeschaltet sind, die jeweils mit einem geblechten Rotor und einer zweiachsigen Erregerwicklung ausgeführt sind, und von denen jede sowohl von einer Gleichstromquelle als auch überlagert von einer 100 Hz-Drehstromquelle in Abhängigkeit von Inversspannung bzw.
Inversstrom so erregt werden, dass die Zusatzspannungsmaschine die Inversspannung aufhebt und die Zusatzstrommaschine einen Kurzschluss für den Inversstrom bildet und dadurch an den Klemmen der zu schützenden Maschine weder inverse Ströme noch inverse Spannungen auftreten.
Die Aufhebung der Inversspannung wird unter Bezugnahme auf die erfindungsgemässe Schaltanordnung dadurch erzielt, dass durch die Zusatzspannungsmaschine eine gleichgrosse Inversspannung umgekehrten Vorzeichens erzeugt und in Reihe zu den Maschinenklemmen geschaltet wird. Die Reihenschaltung geschieht im Fall des vorliegenden Beispiels zum Zweck der Anpassung über einen Zusatztransformator.
Die Höhe der aufzuhebenden Inversspannung ist einerseits durch den Inversstrom, anderseits durch die Inversreaktanz der zu schützenden Maschine bestimmt.
Die Fernhaltung von Inversströmen von der supraleitenden Maschine geschieht gemäss der erfindungsgemässen Schaltanordnung dadurch, dass diese Ströme vor der zu schützenden Maschine in die Zusatzstrommaschine abgeleitet werden. Für die abzuleitenden Inversströme stellt die Zusatzstrommaschine nämlich einen Kurzschluss dar, während sie dem Mitstromsystem einen sehr hohen (induktiven) Widerstand bietet. In gewissem Sinn liegt hier eine Art Filterwirkung vor. Die Kurzschlusswirkung der Zusatzstrommaschine kann auch so verstanden werden, dass sie bei geeigneter Erregung überlagert einen Inversstrom ins Netz schickt, der nach Grösse und Phasenlage gleichgross aber entgegengesetzt zum Inversstrom liegt, der von der zu schützenden Maschine ferngehalten werden soll.
Die Einstellung der Erregung von Zusatzstrom- und Zusatzspannungsmasehine im Sinn der oben beschriebenen Funktion kann von Hand oder durch eine geeignete Regelung erfolgen. Das gesamte System stellt so eine Inversstrom- und Inversspannungssperre dar, die allen bisher bekannten Schutzanordnungen deshalb überlegen ist, weil sie im Gegensatz zu diesen keinerlei Restunsymmetrie bedingt.
Die oben stehend erläuterten Massnahmen sind in dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben.
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In der Zeichnung bedeuten-l-die zu schützende Drehstrom-Synchronmaschine, --2-- einen Stromtransformator zur Übertragung der inversen Zusatzspannung,--3-die Zusatzstrommaschine,--4, 5,6, 7,8, 9, 10--das Erregersystem für die Zusatzstrommaschine, welches sowohl eine Gleichspannung
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über dem sich der 100 Hz-Erregerstromanteil ähnlich einem Sternpunkt schliessen kann, ohne über den
Erregergleichrichter zu fliessen und dessen Funktion zu stören, --7-- bedeutet eine Glättungsdrossel, die gleichzeitig als Drehstromsperre dient, --8-- einen Erregergleichrichter für --4--, --9-- den Regler für den Gleichstromanteil und --10-- den Regler für den 100 Hz-Anteil des Erregerstromes für --3--.
--11-- bedeutet die Zusatzspannungsmaschine und --12 bis 18-- das zugehörige Erregersystem, das gleich aufgebaut ist und eine analoge Funktion besitzt wie das Erregersystem --4 bis 10-- der Zusatzstrommaschine.
Die Erregerwiclung. der Zusatzmaschine ist als Dreiphasenwicklung zweiachsig geführt, während ihr Rotor geblecht ist, so dass sei bei geeignet überlagerter Speisung sowohl ein Gleichfeld wie auch überlagert ein 100 Hz-Drehfeld erregen können. Wegen des Drehfeldes im Rotor muss dieser geblecht ausgeführt werden. Im Fall der Zusatzstrommaschine dient das Erregergleichfeld der Erzeugung einer mitlaufenden 50 Hz-Spannung und das überlagerte 100 Hz-Drehfeld der Erzeugung einer gegenläufigen 50 Hz-Spannung an den Klemmen der Maschinen. Dabei wird das Gleichfeld durch den Regler --9-- so eingestellt, dass die mitlaufende Klemmenspannungskomponente der Spannung der Hauptmaschine-l-das Gleichgewicht hält.
Das 100 Hz-Drehfeld hingegen wird durch den Regler --10-- so erregt, dass es die magnetische Rückwirkung des abzusaugenden Inversstromsystems in der Ständerwicklung --3-- aufhebt ; dadurch wird die Zusatzstrommaschine zur Aufnahme eines beliebigen Inversstromsystems gezwungen, das dann von der Hauptmaschine ferngehalten wird.
Im Fall der Zusatzspannungsmaschine dient das Gleichfeld der Erzeugung einer mitlaufenden 50 Hz-Zusatzspannung, durch die die Spannungsregelaufgaben der Hauptmaschine übernommen werden können. Dies ist insbesondere bei Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklungen ein Vorteil, weil solche Erregerwicklungen bei rascher Änderung des Stromes normalleitend werden können, was mit einer schweren Betriebsstörung, wenn nicht gar Beschädigung der supraleitenden Wicklung verbunden ist.
Der 100 Hz-Anteil im Feld der Zusatzspannungsmaschine dient zur Erzeugung einer gegenlaufenden Spannungskomponente an deren Klemmen, die durch den Regler so hoch und phasengerecht eingestellt wird, dass sie eine allenfalls verbleibende Inverssoannungskomponente aufhebt und diese von der zu schützenden Hauptmaschine fernhält.
Inversströme sind bei Maschinen mit supraleitender Erregerwicklung vor allem deshalb besonders unerwünscht, weil die durch sie verursachten Felder in die supraleitende Wicklung eindringen und diese normalleitend machen können oder Wärme verursachen, die gerade bei den tiefen Temperaturen nur mit sehr hohem Aufwand abgeführt werden kann.