CH348997A - Einrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung von kapazitiv belasteten Synchronmaschinen - Google Patents

Description

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 Einrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung von    kapaziiiv   belasteten    Synchronmaschinen   Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung von    kapazi-      tiv   belasteten Synchronmaschinen unter Verwendung von Relais. 



  Um die bei einer    kapazitiv   belasteten Synchronmaschine bestehenden Verhältnisse darlegen zu können, sei zunächst der Begriff der synchronen    Reak-      tanz   anhand der    Fig.   1 erläutert. Dort ist das Polrad mit 1, eine Phasenwicklung des    Stators   mit 2, die Längsachse des Rotors mit d, die Querachse mit q und der Winkel zwischen der Wicklungsachse und der Läuferachse mit 0 bezeichnet. Wenn die    Ständerphase   2 von einem Wechselstrom erregt wird, lassen sich die für verschiedene Stellungen des Polrades geltenden    Reaktanzen   leicht bestimmen. In    Fig.   2 ist der kurvenmässige Verlauf dieser    Reaktanz   als Funktion des Winkels    dd   dargestellt.

   Man erkennt, dass für 0 = 0 der Maximalwert    x,1   vorhanden ist. Dies ist erklärlich, da der magnetische Leitwert dann am grössten ist, wenn die Längsachse d mit der Wicklungsachse zusammenfällt. Der kleinste Leitwert und damit die kleinste    Reaktanz   x, treten bei    -b   =    90    auf. Für Maschinen mit ausgeprägten Polen gilt als    Anhaltswert,   dass x, ungefähr 0,6    x"   ist, und für    Vollpolmaschinen   gilt, dass    x,1   ungefähr 0,9    x"   ist (vgl. die Kurven 3 und 4 von    Fig.   2). Wenn nun eine Synchronmaschine auf ein Kabelnetz oder eine lange, leerlaufende Leitung arbeitet, ist die    kapazitive   Belastung erheblich.

   Zur Erzielung einer konstanten Spannung wird es dann erforderlich, die Erregung gegenüber der Leerlauferregung zu verkleinern. Solange die    kapazitive      Be-      lastungsreaktanz   x, grösser ist als die    Längsreaktanz   x,, der Synchronmaschine, beispielsweise also gleich    x"      (Fig.   2), ist ein stabiler Betrieb bei positiver Erregung möglich. Für x, =    x,"   ist die Erregung gleich 0, und sie wird für noch kleinere Werte von x, das heisst für solche, die zwischen    xd   und    x"   liegen (z. B.    x"3),   negativ.

   Auch in diesem Fall ist es noch möglich, mit Hilfe von Zusatzeinrichtungen zum normalen Spannungsregler einen stabilen Betrieb    aufrechtzuhalten.      Sobald   jedoch    x,,   etwa den Wert von    x,1   erreicht, ist die Spannung instabil, und es tritt eine Selbsterregung auf, die eine gefährliche Spannungserhöhung verursacht. Um dies zu vermeiden, kann in bekannter Weise die Maschine mit Hilfe von    flberspannungsrelais   vom Netz getrennt werden und eine    Schnellentregung   erfolgen. Der Nachteil besteht hierbei darin, dass die Spannung bis zum    Ansprechwert   des Relais steigt und die Abschaltung infolge der Spannungserhöhung relativ schwierig ist.

   Weiterhin ist schon vorgeschlagen worden, die abgegebene    kapazitive   Blindleistung zu messen und beim Überschreiten des zulässigen Grenzwertes dieser Leistung die Belastung abzuschalten. Mit der genannten Methode kann die Selbsterregung jedoch nicht zuverlässig verhütet werden. Steigt nämlich beispielsweise infolge eines Lastabwurfes die Frequenz, so steigen die synchronen    Reaktanzen      x"   und x, des Generators ebenfalls.    Damit   wächst aber auch der zulässige Wert von x, so dass die zulässige Blindleistung bei konstanter    Spannung   sinkt. Es kann demnach bereits die Selbsterregung einsetzen, ehe der festgelegte Grenzwert der abgegebenen Blindleistung erreicht ist. 



  Die Mängel des Bekannten lassen sich dadurch vermeiden, dass erfindungsgemäss Strom- und    Span-      nungswandler   vorgesehen sind, welche ein Relais derart erregen, dass dessen Schaltstellung vom Wert des Verhältnisses zwischen der    kapazitiven      Reaktanz   der Belastung und der induktiven    Reaktanz   der Maschinen bestimmt ist, wobei das Relais Schaltmassnahmen auslöst, wenn der Verhältniswert der    Reaktanzen   einen vorbestimmten Betrag unterschreitet. Der Vor- 

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 teil der Erfindung besteht darin, dass die Einrichtung auch bei veränderter Frequenz und Spannung fehlerfrei arbeitet und gefährliche Spannungserhöhungen nicht auftreten können.

   Ferner besteht die Möglichkeit, Verbraucher, die zur Selbsterregung nicht beitragen, ohne Unterbrechung    weiterzuspeisen,   da eine    Entregung   der Maschine nicht erfolgt. 



  Während die    Fig.   1 und 2 zum Stand der Technik gehören, beziehen sich die    Fig.   3 bis 5 auf Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Hierbei stellt die    Fig.   3 eine Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung einer Synchronmaschine schematisch dar, die    Fig.   4 gibt ein    Vektordiagramm   wieder, und die    Fig.   5 zeigt eine weitere Einrichtung zum Schutz gegen die Selbsterregung. 



  Nach    Fig.   3    liegt   an den Phasen    ,R   und S einer Synchronmaschine 5 die Primärwicklung eines    Span-      nungswandlers   6 und an den Phasen S und T die Primärwicklung eines weiteren Spannungswandlers 6'. Die Sekundärwicklungen dieser beiden Wandler sind in Reihe geschaltet und speisen über einen Widerstand 7 die Spannungsspule 8 eines wattmetrischen Relais 9. An die Sekundärwicklung des Spannungswandlers 6 ist ferner eine die induktive    Reaktanz   der Maschine nachbildende Drosselspule 10 und in Reihe hierzu die Primärwicklung 11 eines    Zwischenstromwandlers   12 angeschlossen, der eine zweite Primärwicklung 13 aufweist, die von einem in der Phase S liegenden Stromwandler 14    erregt   wird.

   Die Sekundärwicklung 15 des    Zwischenstromwandlers   12 ist mit der Stromspule 16 des Relais 9 verbunden. Dieses Relais weist einen Leerkontakt 17 und einen Betätigungskontakt 18 auf, der im Stromkreis der Schaltspule 19 des Schalters 20 angeordnet ist. 



  Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemässen Einrichtung dient    Fig.   4. Dort sind die um    120    gegeneinander phasenverschobenen Strangspannungen mit UR, 1,4 und Ur bezeichnet. ULI,    UL3   und    UL3   stellen die verketteten Spannungen dar. Wie der    Fig.   3 zu entnehmen ist, entspricht die Sekundärspannung des Wandlers 6 der Leiterspannung ULI, und der Strom IL muss dieser Spannung um 90  nacheilen, da die Belastung praktisch induktiv ist.    Ferner   ist zu ersehen, dass bei    kapazitiver   Belastung der Synchronmaschine der Strom    1c.   gegenüber der Spannung    U,   eine Phasenverschiebung von 90  im voreilenden Sinn aufweisen muss.

   Aus den in    Fig.   4 eingezeichneten Winkeln folgt weiterhin, dass    Ic   parallel zu    U"3   verläuft. Unter Berücksichtigung der für den    Zwischenstromwandler   12 geltenden Durchflutungsbeziehung ergibt sich der Strom 17 als geometrische Summe der Ströme    LL   und    1c.   Betrachtet man vereinfachend die    Drehmomentverhältnisse   des Relais 9 bezüglich der Spannung    UL3   und des Stromes    1z,   so folgt auf Grund des Energiegesetzes, dass die Stromkomponente    I"7   kein Moment entwickeln kann. Hierfür ist lediglich die    Wirkkomponente      1'7   massgebend.

   Solange nun    1'7   in Gegenphase zu    UL3   liegt, solange also    1c   kleiner ist als IL .    cos   30 , bleibt das Relais 9 auf den Leerkontakt 17 geschaltet. Sobald aber    1'7   die gleiche Phasenlage wie    UL3   besitzt, schaltet das Relais auf den Kontakt 18, so dass der Schalter 20 ausgelöst und die    kapazitive   Last abgeschaltet wird. Statt dieser Abschaltung könnte eine Verhinderung der Selbsterregung auch durch Zuschalten von Kompensationsdrosselspulen erfolgen. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass das Relais nur dann anspricht, wenn zwischen den Strömen    1c   und IL ein ganz bestimmtes Verhältnis besteht.

   Da    1c   von der    kapazitiven      Reaktanz   x. abhängt und    IL   dem induktiven Blindwiderstand    xL   der Synchronmaschine entspricht, sind die durch das Relais bedingten Schaltvorgänge eindeutig vom Verhältnis zwischen    xc   und    XI,   bestimmt.    xL   bildet gewissermassen die    Reaktanzen   der Synchronmaschine ab, und deshalb arbeitet die erfindungsgemässe Einrichtung auch bei veränderter Frequenz und Spannung einwandfrei. Schliesslich ist durch entsprechende Wahl der Grösse von    xL   die Möglichkeit gegeben, die Verhältniswerte der    Reak-      tanzen   den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. 



  Die    Fig.   5 zeigt drei parallel geschaltete Synchronmaschinen 5, 5' und 5", welche mit der erfindungsgemässen Einrichtung, die aber nur zum Teil dargestellt ist, gegen Selbsterregung geschützt werden. Gleiche Teile sind in    Fig.   5 wieder mit denselben Bezugszeichen versehen wie in    Fig.   3. Da beim Parallelschalten mehrerer Maschinen die zulässige    kapazi-      tive      Reaktanz   abnimmt, muss der    Ansprechwert   des Relais automatisch den Betriebsverhältnissen angepasst sein. Dies geschieht mit Hilfe der Kontakte 21, 21' und 21", die entsprechende Drosselspulen 10, 10' und 10" zu- bzw. abschalten. Falls vor dem Stromwandler 14 noch Transformatoren liegen, können diese in analoger Weise abgebildet werden. 



  Bei    kapazitiver   Belastung sind die Synchronmaschinen normalerweise nicht gesättigt. Liegt jedoch ihre Spannung höher als der Nennwert, so könnte unter Umständen auch eine Berücksichtigung der Sättigung erforderlich werden. Dies ist leicht durch entsprechende Bemessung der    Abbildspulen   10, 10', 10" zu erreichen. Die Nachbildung erfolgt beispielsweise durch zwei in Reihe geschaltete Drosseln, wobei die eine Drossel ungesättigt ist und der    Streureaktanz   der Maschine entspricht, während die andere eine Sättigungscharakteristik aufweist. Durch entsprechenden    Abgleich   lassen sich die beim gewünschten Ansprechwert bestehenden Verhältnisse richtig erfassen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Einrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung von kapazitiv belasteten Synchronmaschinen unter Verwendung von Relais, dadurch gekennzeichnet, dass Strom- und Spannungswandler vorgesehen sind, welche ein Relais derart erregen, dass dessen Schaltstellung vom Wert des Verhältnisses zwischen der kapazitiven Reaktanz der Belastung und der induktiven Reaktanz der Maschinen bestimmt ist, wobei das Relais Schaltmassnahmen auslöst, wenn der Verhältniswert der Reaktanzen einen vorbestimmten Betrag unterschreitet. <Desc/Clms Page number 3> UNTERANSPRÜCHE 1.

   Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungen zweier Span- nungswandler (6, 6') in Reihe geschaltet und die drei Klemmen dieser Reihenschaltung mit den drei Leitungen eines Drehstromsystems verbunden sind, dass ferner auch die Sekundärwicklungen der Spannungs- wandler in Reihe liegen, wobei an deren Summenspannung über einen Widerstand (7) die Spannungsspule (8) eines wattmetrischen Relais (9) angeschlossen ist, während die Sekundärwicklung des einen Spannungswandlers (6) zusätzlich mit einer die induktive Recktanz der Maschine nachbildenden Drossel (10) und der hierzu in Reihe liegenden Primärwicklung (11) eines Zwischenstromwandlers (12) in Verbindung steht, der eine weitere Wicklung (13) aufweist,

   die an den Sekundärkreis eines Stromwandlers (14) angeschlossen ist, dessen Primärwicklung in einer Leitung des Drehstromsystems liegt und dass die Sekundärwicklung (15) des Zwischenstromwand- lers (12) mit der Stromspule (16) des Relais (9) verbunden ist. 2. Einrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbilddrossel aus mehreren Teilspulen (10, 10', 10") besteht, die automatisch mittels Hilfskontakten (21, 21', 21") derart schaltbar sind, dass stets die gesamte Reaktanz der in Betrieb befindlichen Maschinen nachgebildet ist. 3.

   Einrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbilddrossel aus zwei in Reihe liegenden Spulen besteht, wobei die eine Spule ungesättigt ist und die andere eine Sättigungscharakteristik aufweist. 4. Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass die Verhinderung der Selbsterregung durch das Abschalten von kapazitiver Last erfolgt. 5. Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass die Verhinderung der Selbsterregung durch das Zuschalten von Kompensationsdrosseln erfolgt.