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Anordnung zur Gleichstromerregung von Stromwandlern, die eine gemeinsame Belastung speisen Es ist bekannt, dass der abgegebene Strom eines Stromwandlers durch Gleichstromerregung des Stromwandlerkernes beeinflusst wird. Bisher musste aber der Gleichstromkreis eine grosse Wechselstromimpedanz in Reihe enthalten, damit der Gleichstromkreis keine unzulässliche Belastung für die Stromwandler bewirkt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Gruppe von Stromwandlern mittels Gleichstromerregung zu steuern, ohne dass die Gleichstromkreise eine Belastung für die Stromwandler bewirken. Die Erfindung soll ferner die Zuführung des Gleichstromes in die Laststromwicklungen ohne besondere Steuerwicklungen ermöglichen. Die erfindungsgemässe Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei symmetrische Mehrphasensysteme enthält, deren freie Phasenenden miteinander phasenweise direkt verbunden sind, während ihre Nullpunkte über eine Gleichstromquelle miteinander verbunden sind, wobei Sekundärwicklungen der Stromwandler mindestens eines der beiden Mehrphasensysteme bilden. Die Anordnung wird besonders zweckmässig, wenn beide symmetrischen Mehrphasensysteme aus Sekundärwicklungen der Stromwandler gebildet sind.
In diesem Falle brauchen die Stromwandler, deren Sekundärwicklungen das eine Mehrphasensystem bilden, und die Stromwandler, deren Sekundärwicklungen das andere Mehrphasen- stromsystern bilden, nicht von demselben Primärstrom beaufschlagt sein.
Die Wirkungsweise der Erfindung und einige ihrer Vorteile werden nachstehend unter Hinweis auf die Zeichnung beschrieben, die in den Fig. 1 und 2 zwei beispielsweise Ausführungsformen der Anordnung nach der Erfindung zeigt, während Fig. 3 eine weitere beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung darstellt, und zwar für eine An- ordnung zur Spannungsregelung eines selbsterregten Synchrongenerators.
In Fig. 1 bedeutet 2 eine Dreiphasenbelastung, die an den Klemmen 1 eines Dreiphasennetzes angeschlossen ist. In den drei Anschlussleitungen sind Stromwandler 3, 4, 5 eingeschaltet, und die Sekundärwicklungen der Stromwandler formen eine Sternschaltung mit Nullpunkt 11. Die freien Enden der Sekundärwicklungen sind an drei Belastungsimpedanzen 6, 7, 8 angeschlossen, die auch sterngeschaltet mit einem Nullpunkt 12 sind. Die zwei Nullpunkte 11 und 12 sind an eine Gleichstromquelle 9 angeschlossen.
Da die Sekundärwicklungen der Stromwandler 3, 4, 5 so ausgebildet sind, dass sie ein symmetrisches Dreiphasensystem bilden und auch die Impedanzen 6, 7, 8 ein symmetrisches Dreiphasensystem bilden, so wird kein Wechselstrom die Gleichstromquelle 9 passieren, auch wenn die Klemmen kurzgeschlossen werden. Die Gleichstromquelle bedeutet deshalb keine Belastung für die Stromwandler. Wenn die Impedanzen 6, 7, 8 für Gleichstrom durchlässig sind, wird ein Gleichstrom durch die Sekundärwicklungen der Stromwandler 3, 4, 5 fliessen, sobald die Spannung der Gleichstromquelle von Null abweicht, und dies bewirkt, wie bekannt, dass der abgegebene Wechselstrom des Stromwandlers vermindert wird.
Falls die Amperewindungszahl des Gleichstromes die Amperewindungszahl des Wechselstromes übersteigt, bleiben die Wandlerkerne immer gesättigt, das heisst, es wird kein Wechselstrom auf die Sekundärwicklungen transformiert.
Wird der Gleichstrom von diesem Grenzwert ab vermindert, so gehen die Stromwandler allmählich zum normalen Betrieb über; der abgegebene Wechselstrom wird also eine eindeutige Funktion des Gleichstromes, der die Nullpunkte 11 und 12 passiert, wenn
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der Primärstrom konstant ist. Wenn die Stromwandler mit Gleichstrom erregt sind, wird die volle Symmetrie nicht mehr in jedem Augenblick aufrechterhalten, und ein Wechselstrom fliesst in diesem Falle durch die Gleichstromquelle 9. Dieser Wechselstrom hat aber eine höhere Frequenz als der Wechselstrom in der Belastung, und seine Grösse ändert von Null über ein Maximum zurück zu Null, wenn die Gleichstromerregung von Null bis zur vollen Sättigung vergrössert wird.
Auch bei gleichstromerregten Kernen bewirkt deshalb die Gleichstromquelle keine Grundfrequenzbelastung des Stromwandlers.
Fig.2 zeigt, wie die erfindungsgemässe Anordnung zur Überwachung eines Einphasenstromes verwendet werden kann. Eine Belastung 2 ist an einer Wechselstromquelle 1 angeschlossen, und in die Anschlussleitungen sind Stromtransformatoren 3, 4, 13, 14 geschaltet. Die Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren 3, 4 und 13, 14 sind paarweise an den Nullpunkten von symmetrischen Zweiphasenschaltungen zusammengeschaltet, und die freien Enden der Sekundärwicklungen sind an den Punkten 23, 24 an eine Belastung angeschlossen, z. B. an eine Relaisspule 16. Zwischen den beiden Nullpunkten 11 und 12 in den beiden Zweiphasensystemen ist eine Gleichspannung eingeschaltet, die einem an eine Gleichstromquelle 9 angeschlossenen Potentiometer 10 abgenommen wird.
Der Wert des Wechselstromes durch die Belastung 2, für welchen das Relais 16 anspricht bzw. abfällt, ist offenbar von der Grösse der Gleichstromerregung der Stromwandler unmittelbar abhängig. Der Anspruch- bzw. Abfallwert des Relais 16 kann also mittels des Potentiometers 10 einfach eingestellt werden. Die Anordnung gemäss Fig. 2 unterscheidet sich von der Anordnung gemäss Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass die beiden symmetrischen Mehrphasensysteme aus Sekundärwicklungen von Stromwandlern aufgebaut sind, die vom selben Wechselstrom beaufschlagt sind.
Ein vom Potentiometer 10 abgenommener Gleichstrom fliesst durch die Sekundärwicklungen der Stromwandler 3, 4 und 13, 14; er kann aber nicht durch die Belastung 16 fliessen, weil diese an Punkten angeschlossen ist, die gleichstrommässig am gleichen Potential liegen. Aus reinen Symmetriegründen muss deshalb der Strom, der durch die Belastung 16 passiert, ein reiner symmetrischer Wechselstrom sein, im Gegensatz zu dem Fall in der Anordnung gemäss Fig. 1. Die zwei Stromwandlergruppen sind parallel geschaltet und führen deshalb je einen Teil des Belastungsstromes. Die Stromwandler können deshalb kleiner dimensioniert werden, als wenn nur die eine Gruppe den ganzen Belastungsstrom führen müsste.
Da die Stromwandler 3, 14 bzw. 4, 13 immer den gleichen Erregungszustand aufweisen, können ihre Kerne kombiniert werden, so dass die Anordnung nur zwei Stromwandler mit je zwei Sekundärwicklungen enthält.
Fig. 3 zeigt als weitere Variante die Anwendung der Erfindung in einer Anordnung für die Spannungsregelung eines selbsterregten Synchrongenerators. In Fig.3 bedeutet 20 ein Synchrongenerator mit Belastungsklemmen 2 und Feldwicklung 21. Die Feldwicklung wird aus einem Dreiphasengleichrichter 22 mit den Wechselstromklemmen 23, 24, 25 gespeist. Der Gleichrichter 22 ist an einer bekannten Anordnung für Selbsterregung angeschlossen, der die vom Belastungsstrom des Generators beaufschlagten Stromtransformatoren 3, 4, 5 und die von einem der abgegebenen Generatorspannung proportionalen Strom erregten Stromtransformatoren 13, 14, 15 enthält.
Die zwei Stromwandlergruppen sind an die Wechselstromklemmen 23, 24, 25 des Gleichrichters 22 angeschlossen; die Feldwicklung 21 des Generators 20 wird also von einem Strom durchflossen, der eine Komponente von den Stromwandlern 13, 14, 15 und eine belastungsabhängige Komponente von den Stromwandlern 3, 4, 5 enthält.
Es ist gezeigt worden, dass die abgegebene Spannung eines ideellen Synchrongenerators unabhängig von der Grösse und vom Phasenwinkel der Belastung bleibt, wenn der Primärstrom 13, 14, 15 gegenüber der Generatorspannung um 90 phasenverschoben ist. Dies wird gemäss der Fig. 3 dadurch erreicht, dass die Stromwandler 13, 14, 15 vom Strom einer induktiven oder kapazitiven Dreiphasenbelastung 17 erregt werden, die an den Belastungsklemmen 2 des Genera- tors angeschlossen ist. In der gezeigten Anordnung ist also der Generator 20 im normalen Fall selbstregelnd, und da das Feld 21 von den Stromwandlern 13, 14, 15 gespeist ist, stellt sich die Erregung schnell nach Belastungsänderungen ein.
Diese selbstregelnde Wirkung ist aber gegen die von Drehzahländerungen des Generators bewirkten Spannungsänderungen unwirksam, und die Regelung ist unsicher bei kleinen Erregungen, wenn die Remanenz der Pole des Gene- rators die magnetischen Flüsse dominiert.
Damit die Spannung des Generators einfach regelbar wird, so dass eine befriedigende Spannungsregelung unter allen Umständen erreicht wird, kann man eine Gleichstromerregung der Stromwandler einführen. In der Anordnung gemäss Fig. 3 erhält man diese Gleichstromerregung dadurch, dass die Sekundärwicklungen der zwei Stromwandlergruppen 3, 4, 5 bzw. 13, 14, 15 zu symmetrischen Dreiphasenschaltungen mit den Nullpunkten 11, 12 vereinigt sind, zwischen welchen Nullpunkten eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. Die zwei Nullpunkte 11, 12 sind gemäss Fig. 3 an der Gleichstromseite eines Gleichrichters 30 angeschlossen, der von einer Wechselstromquelle 31 in Reihe mit einem Transduktor 32 gespeist wird.
Der Transduktor ist selbsterregt und hat eine Steuerwicklung 33, die von einem konstanten Strom einer Gleichstromquelle 35 durchflossen ist, und eine Steuerwicklung 34, die über einen Gleichrichter 36 an den Belastungsklemmen 2 des Generators angeschlossen ist.
Die beiden Steuerwicklungen 33 und 34 sind so angeordnet, dass die konstante Erregung der Wicklung 33 der Selbsterregung des Transduktors entgegenwirkt, während die der Generatorspannung propor-
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tionale Erregung in der Steuerwicklung 34 die Selbsterregung übersteigt. Die Anordnung ist im Gleichgewicht, wenn die beiden Steuererregungen des Trans- duktors 33 sich aufheben. Eine Vergrösserung der abgegebenen Spannung des Generators über diesen Wert hinaus bewirkt eine Aussteuerung des Trans- duktors und deshalb eine vergrösserte Gleichstromerregung der Stromwandler 3, 4, 5 und 13, 14, 15, was eine Verminderung des Wechselstromes zur Folge hat, mit dem der Gleichrichter 22 gespeist wird.
Hierdurch wird die Erregung des Generators vermindert und somit auch die Generatorspannung herabgesetzt, bis das Gleichgewicht wieder erreicht ist.
Die für die Gleichstromerregung der Stromwandlergruppen 3, 4, 5 und 12, 14, 15 verwendete Schaltung entspricht der in der Fig. 2 gezeigten Schaltung, mit dem Unterschied, dass die Schaltung in Fig.3 dreiphasig ist und dass die zwei Stromwandlergrup- pen von verschiedenen Primärströmen erregt sind. Die Anschlusspunkte 23, 24, 25 für die Belastung der Stromwandler sind aber auch in Fig. 3 Äquipoten- tialpunkte für den Gleichstrom, so dass im Strom, der den Gleichrichter 22 speist, keine Gleichstromkomponente von der Gleichstromquelle 30 her enthalten sein kann.
Trotz der scheinbaren Unsymmetrie, die dadurch entsteht, dass die zwei Stromwandle rgruppen von verschiedenen Primärströmen beaufschlagt sind, wird deshalb die Speisewechselspannung des Gleichrichters 22 symmetrisch. Dies ist ein besonderer Vorteil dieser Schaltung, weil man den Gleichrichter 22 vergrössern müsste, wenn der eingespeiste Wechselstrom unsymmetrisch wäre.
Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, besteht die Anordnung im wesentlichen aus Apparaten, die normalerweise bei selbsterregten Generatoren verwendet werden. Durch die erfindungsgemässe Anordnung ist es also möglich, eine sehr gute und bei allen vorkommenden Störungen wirksame Spannungsregelung zu erhalten mit einer nur unbedeutenden Komplizierung der Schaltung, die der Transduktor 32 mit zugehörigem Gleichrichter bewirkt.
Es hat sich auch gezeigt, dass das System am besten so dimensioniert wird, dass die grösste Gleichstromerregung der Stromwandler dann vorhanden ist, wenn der Generator unbelastet ist. Dies bedeutet, dass die Stromwandler 3, 4, 5 thermisch nur für den Be- lastungsstrom dimensioniert werden müssen und deshalb nicht grösser werden als in einem System, das mit keiner Gleichstromerregung der Wandler versehen ist.
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Arrangement for direct current excitation of current transformers which feed a common load It is known that the current output of a current transformer is influenced by direct current excitation of the current transformer core. Until now, however, the direct current circuit had to contain a large alternating current impedance in series so that the direct current circuit did not cause an inadmissible load on the current transformer.
The present invention aims to control a group of current transformers by means of direct current excitation without the direct current circuits causing a load on the current transformers. The invention is also intended to enable the direct current to be fed into the load current windings without special control windings. The arrangement according to the invention is characterized in that it contains two symmetrical multi-phase systems, the free phase ends of which are directly connected to one another in phases, while their zero points are connected to one another via a direct current source, with secondary windings of the current transformers forming at least one of the two multi-phase systems. The arrangement is particularly useful when both symmetrical multiphase systems are formed from secondary windings of the current transformers.
In this case, the current transformers, whose secondary windings form one multi-phase system, and the current transformers, whose secondary windings form the other multi-phase current system, do not need to have the same primary current applied to them.
The mode of operation of the invention and some of its advantages are described below with reference to the drawing, which shows two exemplary embodiments of the arrangement according to the invention in FIGS. 1 and 2, while FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the arrangement according to the invention, namely for an arrangement for voltage regulation of a self-excited synchronous generator.
In Fig. 1, 2 indicates a three-phase load connected to terminals 1 of a three-phase network. Current transformers 3, 4, 5 are switched on in the three connection lines, and the secondary windings of the current transformers form a star connection with zero point 11. The free ends of the secondary windings are connected to three load impedances 6, 7, 8, which are also star-connected with a zero point 12. The two zero points 11 and 12 are connected to a direct current source 9.
Since the secondary windings of the current transformers 3, 4, 5 are designed so that they form a symmetrical three-phase system and the impedances 6, 7, 8 also form a symmetrical three-phase system, no alternating current will pass through the direct current source 9, even if the terminals are short-circuited. The direct current source therefore does not place any load on the current transformers. If the impedances 6, 7, 8 are permeable to direct current, a direct current will flow through the secondary windings of the current transformers 3, 4, 5 as soon as the voltage of the direct current source deviates from zero, and this, as is known, causes the output alternating current of the current transformer is decreased.
If the number of ampere-turns of the direct current exceeds the number of ampere-turns of the alternating current, the converter cores always remain saturated, which means that no alternating current is transformed into the secondary windings.
If the direct current is reduced from this limit value, the current transformers gradually switch over to normal operation; the output alternating current is therefore a clear function of the direct current that passes the zero points 11 and 12 when
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the primary current is constant. If the current transformers are excited with direct current, full symmetry is no longer maintained at all times, and an alternating current flows in this case through the direct current source 9. This alternating current, however, has a higher frequency than the alternating current in the load, and its magnitude changes from Zero through a maximum back to zero when the DC excitation is increased from zero to full saturation.
Even with cores excited by direct current, the direct current source does not cause any fundamental frequency load on the current transformer.
2 shows how the arrangement according to the invention can be used to monitor a single-phase current. A load 2 is connected to an alternating current source 1, and current transformers 3, 4, 13, 14 are connected in the connection lines. The secondary windings of the current transformers 3, 4 and 13, 14 are connected in pairs at the zero points of symmetrical two-phase circuits, and the free ends of the secondary windings are connected to a load at points 23, 24, e.g. B. to a relay coil 16. Between the two zero points 11 and 12 in the two two-phase systems, a direct voltage is switched on, which is taken from a potentiometer 10 connected to a direct current source 9.
The value of the alternating current through the load 2, for which the relay 16 responds or drops out, is evidently directly dependent on the magnitude of the direct current excitation of the current transformer. The demand or dropout value of the relay 16 can thus be easily set by means of the potentiometer 10. The arrangement according to FIG. 2 differs from the arrangement according to FIG. 1 essentially in that the two symmetrical multiphase systems are constructed from secondary windings of current transformers which are acted upon by the same alternating current.
A direct current taken from the potentiometer 10 flows through the secondary windings of the current transformers 3, 4 and 13, 14; however, it cannot flow through the load 16 because it is connected to points which are at the same potential in terms of direct current. For reasons of pure symmetry, the current that passes through the load 16 must therefore be a pure symmetrical alternating current, in contrast to the case in the arrangement according to FIG. 1. The two current transformer groups are connected in parallel and therefore each carry part of the load current. The current transformers can therefore be dimensioned smaller than if only one group had to carry the entire load current.
Since the current transformers 3, 14 and 4, 13 always have the same state of excitation, their cores can be combined so that the arrangement contains only two current transformers, each with two secondary windings.
As a further variant, FIG. 3 shows the application of the invention in an arrangement for the voltage regulation of a self-excited synchronous generator. In FIG. 3, 20 denotes a synchronous generator with load terminals 2 and field winding 21. The field winding is fed from a three-phase rectifier 22 to the alternating current terminals 23, 24, 25. The rectifier 22 is connected to a known arrangement for self-excitation, which contains the current transformers 3, 4, 5 charged by the load current of the generator and the current transformers 13, 14, 15 excited by a current proportional to the generator voltage output.
The two current transformer groups are connected to the AC terminals 23, 24, 25 of the rectifier 22; the field winding 21 of the generator 20 has a current flowing through it which contains a component from the current transformers 13, 14, 15 and a load-dependent component from the current transformers 3, 4, 5.
It has been shown that the voltage output of an ideal synchronous generator remains independent of the size and phase angle of the load if the primary current 13, 14, 15 is phase-shifted by 90 relative to the generator voltage. According to FIG. 3, this is achieved in that the current transformers 13, 14, 15 are excited by the current of an inductive or capacitive three-phase load 17, which is connected to the load terminals 2 of the generator. In the arrangement shown, the generator 20 is normally self-regulating, and since the field 21 is fed by the current transformers 13, 14, 15, the excitation occurs quickly after changes in the load.
However, this self-regulating effect is ineffective against the voltage changes caused by changes in the speed of the generator, and the regulation is unsafe for small excitations if the remanence of the poles of the generator dominates the magnetic fluxes.
So that the voltage of the generator can be easily regulated, so that a satisfactory voltage regulation is achieved under all circumstances, a direct current excitation of the current transformer can be introduced. In the arrangement according to FIG. 3, this direct current excitation is obtained in that the secondary windings of the two current transformer groups 3, 4, 5 or 13, 14, 15 are combined into symmetrical three-phase circuits with the zero points 11, 12, between which zero points a direct current source is connected . According to FIG. 3, the two zero points 11, 12 are connected to the direct current side of a rectifier 30, which is fed from an alternating current source 31 in series with a transducer 32.
The transducer is self-excited and has a control winding 33 through which a constant current from a direct current source 35 flows, and a control winding 34 which is connected via a rectifier 36 to the load terminals 2 of the generator.
The two control windings 33 and 34 are arranged in such a way that the constant excitation of the winding 33 counteracts the self-excitation of the transducer, while the generator voltage proportional
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tional excitation in the control winding 34 exceeds the self-excitation. The arrangement is in equilibrium when the two control excitations of the transducer 33 cancel each other out. An increase in the output voltage of the generator beyond this value causes the transducer to be modulated and therefore an increased DC excitation of the current transformers 3, 4, 5 and 13, 14, 15, which results in a reduction in the alternating current with which the rectifier 22 is fed.
This reduces the excitation of the generator and thus also the generator voltage until equilibrium is reached again.
The circuit used for the DC excitation of the current transformer groups 3, 4, 5 and 12, 14, 15 corresponds to the circuit shown in FIG. 2, with the difference that the circuit in FIG. 3 is three-phase and that the two current transformer groups of different primary currents are excited. The connection points 23, 24, 25 for the load on the current transformers, however, are also equipotential points for the direct current in FIG. 3, so that no direct current component from the direct current source 30 can be contained in the current that feeds the rectifier 22.
Despite the apparent asymmetry that results from the fact that the two current transformer groups are acted upon by different primary currents, the AC supply voltage of the rectifier 22 is therefore symmetrical. This is a particular advantage of this circuit because the rectifier 22 would have to be enlarged if the alternating current fed in were asymmetrical.
As can be seen from FIG. 3, the arrangement consists essentially of apparatus which are normally used in self-excited generators. The arrangement according to the invention therefore makes it possible to obtain a very good voltage regulation which is effective for all disturbances which occur, with only insignificant complication of the circuit caused by the transducer 32 with the associated rectifier.
It has also been shown that the system is best dimensioned so that the greatest DC excitation of the current transformers is available when the generator is not loaded. This means that the current transformers 3, 4, 5 only have to be thermally dimensioned for the load current and therefore do not become larger than in a system that is not provided with any DC excitation of the transformers.