Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes am Läufer einer bürstenlosen Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes am Läufer einer bürstenlosen Synchronmaschine.
Die bekannte Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes des rotierenden Teils der Schaltung, beispielsweise des Läufers einer leistungsstarken bürstenlosen Synchronmaschine, enthält einen Isolationswiderstandsmessteil, eine Speisequelle und eine über einen Schalter einschaltbare Einheit zur Kopplung des Läufers der erwähnten Maschine mit dem Isolationswiderstandsmessteil (siehe z. B. D. B. Hoover The Brushless Exoitation System for Large A. C. Gene.
rator , Westinghouse Ingeneer, Vol. 24, Nr. 5, 1964).
Bei dieser Einrichtung werden als Kopplungseinheit Schleifringe und Bürsten, die an diese während der Messung mit Hilfe eines von der Speisequelle gespeisten Elektromag neten gepresst werden, benutzt.
Die erwähnte Einrichtung weist eine Reihe von Mängeln auf: die Schleifkontakte bedürfen einer zusätzlichen Wartung und setzen die Messzuverlässigkeit herab; der sich an den Bürsten und Schleifringen ansammelnde elektrisch leitende Staub verschlechtert die Isolation der zu bedienenden Maschine; die beweglichen Teile erfordern auch eine zusätzliche Wartung und setzen die Messzuverlässigkeit, infolge einer möglichen Verkeilung derselben und anderen Ursachen herab.
Zweck der Erfindung ist es, die erwähnten Mängel zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes am Läufer einer bürstenlosen Synchronmaschine zu entwickeln, die durch erhöhte Messgenauigkeit, einfachen Betrieb, beschleunigten Messvorgang, geringe Axialabmessungen gekennzeichnet ist und die Isolationsmessung unter Belastung ermöglicht.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Kopplungsmittel einen Synchrongenerator mit rotierendem Gleichrichter und Erreger enthalten, wobei die Erregerwicklung des Synchrongenerators zusammen mit dem rotierenden Gleichrichter und der Ankerwicklung des Erregers in Reihe zwischen dem Potentialnullpunkt des Läuferkreises der bürstenlosen Synchronmaschine und dem Läuferkörper geschaltet sind, während parallel zum rotierenden Gleichrichter Widerstände gelegt sind und die Speisequelle zur Bestimmung des Isolationswiderstandes über eine der Schalterstellungen an die Induktorwicklung des Erregers gelegt ist, wobei das Messgerät des Isolationswiderstandsmessteils über die entsprechenden Stellungen des erwähnten Schalters an die Ankerwicklung des Synchrongenerators und die Induktorwicklung des Erregers angeschlossen ist,
während es in der Schalterstellung zur Isolationsdurchschlagmeldung an die Ankerwicklung des Synchrongenerators gelegt ist.
Bei der Kopplungseinheit kann die Erregerwicklung des Synchrongenerators durch eine dem rotierenden Gleichrichter entgegengeschaltete Diode überbrückt sein, während im Messteil bei einer der Schalterstellungen das mit einer zweiseitigen Skala versehene Messgerät an die gleichnamigen Pole zweier durch Widerstände überbrückter und gegensinnig in Reihe geschalteter Gleichrichter, einer von welchen an der Ankerwicklung des Synchrongenerators und der andere - an der Induktorwicklung des Erregers liegt, angeschlossen ist.
Als Potentialnullpunkt des Läuferkreises der bürstenlosen Synchronmaschine kann die Mittelanzapfung der Wicklung des im Läuferkreis der Synchronmaschine geschalteten Induktionsspannungsmessers benutzt werden.
Die Ankerwicklung des Induktionsspannungsmessers kann zwecks Verringerung deren Axialabmessungen und der gesamten Anlage als 2/41agige Dreiphasenwicklung ausgeführt werden, wobei ihre Wickelköpfe in einer zur Ankerdrehachse senkrechten Ebene gelegt werden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung wird durch erhöhte Zuverlässigkeit und Vereinfachung des Betriebes der bürstenlosen Erregersysteme leistungsstarker Synchronmaschinen, die keine elektrische Kopplung der Läuferstromkreise mit den feststehenden Teilen haben, gekennzeichnet. Mit deren Hilfe kann durchgeführt werden: periodische Messung des Isolationswiderstandes der Läuferkreise zum Körper an Stellen, die durch die Betriebsregeln vorgesehen sind; fortlaufende Signalisierung über Isolationsdurchschlag mit ungefährer Angabe der Durchschlagstelle; fortlaufende Messung der Erregerspannung der Syn chronmaschine;
Isolationsdurchschlagschutz.
Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt nachstehend eine eingehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrichtung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes und der Spannung am Läufer einer bürstenlosen Synchronmaschine;
Fig. 2 das Prinzipschaltbild der gleichen Einrichtung, bei der die Erregerwicklung des Synchrongenerators durch eine Diode überbrückt ist und das Messgerät des Messteils eine zweiseitige Skala hat;
Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Einrichtung gemäss Fig.
2, bei der als Nullpotentialpunkt die Mittelanzapfung der Induktorwicklung des Induktionsspannungsmessers benutzt ist;
Fig. 4 das Schaltbild der Ankerwicklung des Induktionsspannungsmessers.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, enthält die Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes und der Spannung des Läufers 1 der bürstenlosen Synchronmaschine 2 einen Isolationswiderstandsmessteil 3 mit Speisequelle 4, eine über den Schalter 6 gelegte Einheit 5 zur Kopplung des Läufers 1 der erwähnten Maschine mit dem Isolationswiderstandsmessteil 3 und der Induktionsspannungsmesser 7.
Die Kopplungseinheit 5 ist als Synchrongenerator 8 mit rotierendem Gleichrichter 9 und Erreger 10 ausgeführt, wobei die Erregerwicklung 11 des Synchrongenerators 8 zusammen mit dem rotierenden Gleichrichter 9 und der Ankerwicklung 12 des Erregers 10 in Reihe zwischen dem Nullpotentialpunkt 13 des Läuferkreises 1 und dem Läuferkörper (Punkt 14) geschaltet sind. Der rotierende Teil 15 der Kopplungseinheit 5 ist mechanisch mit dem Körper des Läufers 1 verbunden. Der rotierende Gleichrichter 9 kann in Brückenschaltung gemäss Fig. 1 sowie in jeder anderen Schaltung, beispielsweise in Verdopplungsschaltung, ausgeführt sein. Er wird teilweise (Fig. 1) bzw. vollständig (in Fig. 1 nicht gezeigt) durch die Widerstände 16 überbrückt.
In Stellung U1 des Schalters 6 (Fig. 1) ist die Speisequelle 4 (stromstabilisiert erwünscht) an die Induktorwicklung 17 des Erregers 10 und das Messgerät 18 - an die Ankerwicklung 19 des Synchrongenerators 8 gelegt.
In Stellung U2 des Schalters 6 ist die Speisequelle 4 von der Wicklung 17 abgeschaltet. Der restliche Teil der Schaltung ist ohne Anderung.
In Stellung 0 des Schalters 6 ist an das Messgerät 18 an Stelle der Wicklung 19 die am Induktor des Erregers 10 angeordnete Wicklung 20, die eine unabhängige Wicklung, wie in Fig. 1 gezeigt ist, sein kann, oder die Induktorwicklung selbst angeschlossen. Die Speisequelle 4 ist abgeschaltet.
In Stellung C des Schalters 6 ist das Messgerät 18 an die Wicklung 19 mit dem Begrenzer 21, der mit Halbleiterdioden bzw. auf andere Schaltungsart ausgeführt ist, gelegt. Die Speisequelle 4 ist abgeschaltet.
Der Induktionsspannungsmesser 7 hat eine Induktor Wicklung 22, die an dem rotierenden Teil 15 angeordnet und an den Plus- und Minuspol des Läuferkreises 1 angeschlossen ist. Die Schaltung des feststehenden Teils des Induktionsspannungsmessers 7 enthält eine Ankerwicklung 23 und ein Messgerät 24, die auf jede bekannte Art mit einem Gleichrichter 25, wie in Fig. 1 gezeigt, oder ohne diesen geschaltet werden können.
Die Einrichtung hat in Übereinstimmung mit den Stellungen des Schalters 6 vier Betriebszustände: U1 - Messung des Isolationswiderstandes; U2 - Messung des Störsignals; O - Bestimmung der Störstromrichtung; C - Signalisierung über lsolationsdurchschlag.
Die Messung des Isolationswiderstandes (Schalter 6 in Stellung U1) geschieht wie folgt. Der vorgegebene Erregerstrom fliesst von der Speisequelle 4 über die Induktor-Wicklung des Erregers 10 und bei Drehung der Ankerwicklung 12 des Erregers 10 wird in dieser eine EMK induziert, die durch den Gleichrichter 9 gleichgerichtet wird. Die gleichgerichtete Spannung wird vom Gleichrichter 9 an die Isolation der Kreise des Läufers 1 gegenüber seinem Körper über die Erregerwicklung 11 des Synchrongenerators 8 gelegt, demzufolge in dieser Wicklung ein Strom fliesst, der von dem Isolationswiderstand abhängt. Bei Drehung der stromdurchflossenen Wicklung 11 gegenüber der Ankerwicklung 19 des Synchrongenerators 8 wird in dieser eine dem Strom in der Wicklung 11 proportionale, d. h. von dem Isolationswiderstand abhängige EMK induziert.
Diese EMK wird mit dem Gerät 18, das in Widerstandseinheiten geeicht sein kann, gemessen. Da der aus dem Gleichrichter 9 und der Wicklung 11 bestehende Kreis zwischen Punkten gleichen Potentials gegenüber der Spannung des Läuferkreises 1 liegt, was bei einer gleichmässigen Verteilung des Isolationswiderstandes der Fall ist, so übt in diesem Fall die erwähnte Spannung keinen Einfluss auf die Anzeige des Gerätes 18 aus.
Ist der Isolationswiderstand ungleichmässig verteilt, so erzeugt die Spannung des Läuferkreises 1 ein Störsignal, das auf folgende Weise berücksichtigt werden kann.
In Stellung U, des Schalters 6 wird an der Widerstandsskala der Isolationswiderstand Ro und gleichzeitig an der Spannungsskala die Spannung U0 abgelesen. Der Schalter 6 wird in Stellung U2 gebracht. Da die Speisequelle 4 abgeschaltet ist, so fliesst in der Wicklung 11 ein Strom nur unter der Wirkung der Spannung des Läuferkreises 1, der somit ein reiner Störstrom ist. Bei Drehung der Wicklung 11 wird in der Wicklung 19 eine entsprechende EMK induziert und mit dem Gerät 18 die Störspannung U gemessen.
Der Einfluss des Störstromes hängt von seiner Richtung ab, die ihrerseits von der Stelle des reduzierten Isolationswiderstandes gegenüber dem Läuferkreis abhängig ist. Zur Bestimmung der Störstromrichtung wird der Schalter 6 in Stellung 0 gebracht.
Liegt der reduzierte Isolationswiderstand näher zum Plus pol des Läuferkreises 1, so fliesst bei der in Fig. 1 gezeigten Polarität des Gleichrichters 9 der Störstrom vom Punkt 14 zum Punkt 13 über die Dioden des Gleichrichters 9, ohne die Wicklung 12 zu durchfliessen. Da die Wicklung 12 stromlos ist, so zeigt das an die Wicklung 20 gelegte Messgerät Null an. In diesem Falle wird der genaue Widerstandswert nach der Formel
EMI2.1
bestimmt, wobei R11 - der Widerstand der Wicklung 11 ist.
Liegt der reduzierte Isolationswiderstand näher zum negativen Pol des Läuferkreises 1, so fliesst der Störstrom vom Punkt 13 zum Punkt 14 über die Widerstände 16 und die Wicklung 12. Demzufolge entsteht bei Drehung der stromdurchflossenen Wicklung 12 gegenüber der Wicklung 20 in dieser eine EMK und das Messgerät zeigt ein von Null unterschiedliches Signal an. In diesem Falle wird der genaue Widerstandswert nach der Formel
EMI2.2
bestimmt. Hierin ist R16 der Summenwiderstand der Wider- stände 16 und R12 - der Widerstand der Wicklung 12.
Die Messung des Isolationswiderstandes wird periodisch vorgenommen und nimmt jedesmal nicht mehr als 20 sec. in Anspruch (Beobachtung der Geräte und Notieren der An zeigen in den Schalterstellungen Ul, U2, 0).
Die restliche Zeit zwischen den Messungen arbeitet die Einrichtung im Isolationsdurchschlagmeldebetrieb, wobei der Schalter in Stellung C steht.
Liegt kein Durchschlag vor, so zeigt das Gerät 18, da die Speisequelle 4 abgeschaltet ist, kein Signal bzw. ein geringes Signal an.
Bei einem Durchschlag am positiven Pol des Läuferkreises 1 fliesst der Strom in der Wicklung 11 unter der Wirkung der Spannung im Läuferkreis 1 vom Punkt 14 zum Punkt 13, wobei seine Grösse maximal ist, da der Widerstandswert dieses Stromkreises minimal ist. Demzufolge ist auch der Zeigerausschlag des Gerätes 18 maximal, während der Begrenzer 21 diesen auf die mit dem Plus-Zeichen an der Skala des Gerätes gekennzeichnete Signalzone (Skala nicht mitgezeichnet) einschränkt.
Bei einem Durchschlag am negativen Pol des Läuferkreises 1 fliesst der Strom in der Wicklung 11 unter der Wirkung der Spannung des Läuferkreises 1 vom Punkt 13 zum Punkt 14 über die Widerstände 16 und die Wicklung 12, wobei seine Grösse geringer als die des Durchschlagsignals am positiven Pol ist, da der Widerstand des Stromkreises grösser ist. Der Zeiger des Messgerätes 18 schlägt entsprechend um einen kleineren Winkel aus und gerät in die mit dem Minus-Zeichen an der Skala gekennzeichnete Zone.
Zur Erhöhung der Durchschlagsignalisiergenauigkeit und Vereinfachung des Isolationswiderstandsmessvorganges ist es zweckmässig eine Einrichtung gemäss Fig. 2 zu benutzen.
In diesem Fall ist bei der Kopplungseinheit die Erregerwicklung 11 des Synchrongenerators 8 durch die entgegen dem Gleichrichter 9 geschaltete Diode 26 überbrückt.
Als Messgerät 18 findet ein Gleichstrominstrument Verwendung. Hinzugefügt ist ein zweites Messgerät 27 mit zweiseitiger Skala und zwei Gleichrichtern 28 und 29, die in Stellung C des Schalters 6, die dem Durchschlagmeldebetrieb entspricht, durch die Widerstände 30 und 31 überbrückt sind.
In dieser Stellung des Schalters 6 ist die Speisequelle 4 abgeschaltet, die Ankerwicklung 19 des Generators 8 ist über den Gleichrichter 28 mit dem Messgerät 27 verbunden, mit welchem gleichzeitig über den Gleichrichter 29 die Induktorwicklung 17 des Erregers derart verbunden ist, dass beide Gleichrichter 28 und 29 miteinander entgegen in Reihe geschaltet sind, während deren freie Pole an das Messgerät gelegt sind.
In Stellung U des Schalters 6, die der Messung des Isolationswiderstandes entspricht, sind das Gerät 27, der Gleichrichter 29 und die Widerstände 30, 31 von den Wicklungen 17 und 19 abgeschaltet, während der Gleichrichter 28 an das Gerät 18 und die Speisequelle 4 - an die Wicklung 17 geschaltet sind.
Im Messbetrieb ist die Arbeitsweise dieser Einrichtung der der gemäss Fig. 1 beschriebenen für die Schalterstellung Ul ähnlich.
In Stellung C des Schalters 6 funktioniert die Einrichtung im Falle eines Durchschlags am positiven Pol ähnlich wie die gemäss Fig. 1 beschriebene Einrichtung mit dem Unterschied, dass den Durchschlag das Messgerät 27 meldet, über welches sich der Strom vom Gleichrichter am Widerstand 31 schliesst. Die Polarität des Gleichrichters und des Messgerätes ist derart gewählt, dass der Zeigerausschlag zur positiven Seite erfolgt.
Bei einem Durchschlag am negativen Pol fliesst der Strom unter der Wirkung der Spannung im Läuferkreis 1 vom Punkt 13 zum Punkt 14 über die Diode 26 und weiter über die Widerstände 16 und die Wicklung 12. Infolgedessen wird bei der Drehung der Wicklungen 11 und 12 in der Wicklung 19 keine EMK induziert, während in der Wicklung 17 eine EMK induziert wird. Diese EMK erzeugt über den Gleichrichter 29 und den Widerstand 30 im Gerät 27 einen Strom von umgekehrter Polarität, der den Zeiger nach der negativen Richtung ablenkt.
Zur Erfassung des Einflusses der Spannung im Läuferkreis 1 auf die Messergebnisse ist es erforderlich in Stellung U des Schalters 6 zusammen mit dem Isolationswiderstand Ro, der an der Widerstandsskala gemessen wird, auch die entsprechende Spannung U0 und in Stellung C des Schalters 6 das Signal U an der Spannungsskala des Messgerätes 18 zu messen. Bei U > 0 geschieht die genaue Berechnung des Isolationswiderstandes nach der Formel
EMI3.1
Bei U > 0 erfolgt die Berechnung des Isolationswiderstandes nach der Formel:
EMI3.2
Hierin sind A, B - Erfahrungszahlen (bzw. Berechnungszahlen); K = 0; R22 - Widerstand der Wicklung 22.
Der Potentialnullpunkt 13 kann konstruktiv schwer zugänglich sein, z. B. bei einer Gleichrichterschaltung der Synchronmaschine 2, die in Stern-Mittelpunktschaltung ausgeführt ist. In diesem Fall kann man zur Sicherung der Funktion der Einrichtung einen künstlichen Potentialnullpunkt mit Hilfe von zwei Widerständen mit relativ grossem Widerstandswert erzeugen. Jedoch benötigt man zur Anordnung derselben zusätzlichen Platz am Läufer und eine Wärmeabfuhr für die Widerstände, was im Ganzen die Konstruktion komplizierter macht und die Abmessungen erhöht.
Zwecks Verminderung der Abmessungen der Einrichtung wird als Potentialnullpunkt des Läuferkreises 1 die Mittelanzapfung 32 der Induktorwicklung 22 des Induktionsspannungsmessers 7, wie in Fig. 3 gezeigt ist, benutzt.
Die Arbeitsweise der Einrichtung ist in diesem Falle der Arbeitsweise der Einrichtung gemäss Fig. 2 ähnlich, mit dem Unterschied, dass als Potentialnullpunkt 13 der Punkt 32 dient, während in den Formeln zur Berechnung der Isolation der Koeffizient K = 0,25 gesetzt wird.
Konstruktionsmässig ist es vorteilhaft den rotierenden Teil 15 der Einrichtung zu einem Ganzen zusammenzubauen. Dementsprechend ist es zweckmässig, dass die Wicklungen 17, 19, 20 und 23¯auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Falls hierbei die Wicklung 23 zwecks Reduzierung der Pulsation der Messspannung dreiphasig ausgeführt ist, so ist es zur Verminderung der Abmessungen der gesamten Einrichtung zweckmässig, die Wicklung 23 nach der in Fig. 4 gezeigten Schaltung auszuführen.
Elektrisch ist die Wicklung 23 zweilagig und konstruktiv vierlagig ausgeführt, demgemäss bei einer Phasenzahl m = 3 und einer Polzahl, die ein Mehrfaches der Zahl der konstruktiven Lagen ist, sämtliche Wicklungsköpfe der Wicklung 23 einander nicht schneiden, wobei die elektromagnetische Symmetrie der Wicklung erhalten wird, und in einer der Drehachse senkrechten Ebene gelegt sind.
Dadurch wird die Reduzierung der Axialabmessungen der Einrichtung erreicht, was wesentlich für Anlagen mit bürstenloser Erregung ist. In Fig. 4 sind die Kernnuten 1' + 24', die Einlegestücke 33 aus Isoliermaterial, die die Hohlräume in den Kernnuten 1' + 24' ausfüllen, und die Wicklungsausführungen C1, C2, C3, C4, C5, C6 gezeigt.
Die Einrichtung nach Fig. 1 und 2 kann getrennt in Form von zwei separaten Einrichtungen - eine für die Messung des Isolationswiderstandes und die andere für die Messung der Spannung - ausgeführt werden, wobei die Anwendung einer der erwähnten Einrichtungen nicht unbedingt die Anwendung der anderen zur Folge hat.
Im Laboratorium für industrielle Elektroenergetik wurde ein Modell der beschriebenen Einrichtung angefertigt und geprüft und sodann ein Versuchsmuster einer Einrichtung für einen bürstenlosen Turbogenerator mit einer Leistung von 200 MW hergestellt
Die Prüfungen des Modells und des Versuchsmusters verliefen erfolgreich.
Ein weiteres Muster einer Einrichtung für einen bürstenlosen Turbogenerator mit einer Leistung von 300 MW befindet sich im Bau, während für eine Einrichtung für Maschinen mit einer Leistung von 500 bis 1200 MW die Entwurfsarbeiten abgeschlossen sind.