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.
Device for measuring the insulation resistance on the rotor of a brushless synchronous machine
The invention relates to a device for measuring the insulation resistance on the rotor of a brushless synchronous machine.
The known device for measuring the insulation resistance of the rotating part of the circuit, for example the rotor of a powerful brushless synchronous machine, contains an insulation resistance measuring part, a supply source and a unit, which can be switched on via a switch, for coupling the rotor of the machine mentioned with the insulation resistance measuring part (see e.g. BDB Hoover The Brushless Exoitation System for Large AC Gene.
rator, Westinghouse Ingeneer, Vol. 24, No. 5, 1964).
In this device, slip rings and brushes are used as the coupling unit, which are pressed against them during the measurement with the aid of an electromagnet fed by the supply source.
The device mentioned has a number of deficiencies: the sliding contacts require additional maintenance and reduce the measurement reliability; the electrically conductive dust that collects on the brushes and slip rings deteriorates the insulation of the machine to be operated; the moving parts also require additional maintenance and degrade measurement reliability due to possible jamming of the same and other causes.
The purpose of the invention is to eliminate the deficiencies mentioned.
The invention is based on the object of developing a device for measuring the insulation resistance on the rotor of a brushless synchronous machine, which is characterized by increased measuring accuracy, simple operation, accelerated measuring process, small axial dimensions and enables insulation measurement under load.
This is achieved in that the coupling means contain a synchronous generator with rotating rectifier and exciter, the excitation winding of the synchronous generator together with the rotating rectifier and the armature winding of the exciter being connected in series between the potential zero point of the rotor circuit of the brushless synchronous machine and the rotor body, while in parallel resistors are applied to the rotating rectifier and the supply source for determining the insulation resistance is connected to the inductor winding of the exciter via one of the switch positions, the measuring device of the insulation resistance measuring part being connected to the armature winding of the synchronous generator and the inductor winding of the exciter via the corresponding positions of the switch mentioned,
while in the switch position it is applied to the armature winding of the synchronous generator to signal the insulation breakdown.
In the coupling unit, the excitation winding of the synchronous generator can be bridged by a diode connected in the opposite direction to the rotating rectifier, while in the measuring section, in one of the switch positions, the measuring device with a double-sided scale is connected to the poles of the same name of two rectifiers bridged by resistors and connected in series in opposite directions, one of which is connected to the armature winding of the synchronous generator and the other - to the inductor winding of the exciter.
The center tap of the winding of the induction voltmeter connected in the rotor circuit of the synchronous machine can be used as the potential zero point of the rotor circuit of the brushless synchronous machine.
The armature winding of the induction voltmeter can be designed as a 2/4 ply three-phase winding in order to reduce its axial dimensions and the entire system, with its winding heads being placed in a plane perpendicular to the armature axis of rotation.
The device according to the invention is characterized by increased reliability and simplification of the operation of the brushless excitation systems of powerful synchronous machines which have no electrical coupling of the rotor circuits with the stationary parts. With their help, the following can be carried out: periodic measurement of the insulation resistance of the rotor circuits to the body at points provided by the operating rules; Continuous signaling via insulation breakdown with approximate indication of the breakdown point; continuous measurement of the excitation voltage of the synchronous machine;
Insulation breakdown protection.
For a better understanding of the invention, a detailed description of the exemplary embodiments of the device according to the invention follows with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows the basic circuit diagram of the device for measuring the insulation resistance and the voltage on the rotor of a brushless synchronous machine;
2 shows the basic circuit diagram of the same device in which the field winding of the synchronous generator is bridged by a diode and the measuring device of the measuring part has a two-sided scale;
3 shows the basic circuit diagram of the device according to FIG.
2, in which the center tap of the inductor winding of the induction voltmeter is used as the zero potential point;
4 shows the circuit diagram of the armature winding of the induction voltmeter.
As can be seen from Fig. 1, the device for measuring the insulation resistance and the voltage of the rotor 1 of the brushless synchronous machine 2 contains an insulation resistance measuring part 3 with a supply source 4, a unit 5 placed over the switch 6 for coupling the rotor 1 of the mentioned machine to the insulation resistance measuring part 3 and the induction voltmeter 7.
The coupling unit 5 is designed as a synchronous generator 8 with a rotating rectifier 9 and exciter 10, the exciter winding 11 of the synchronous generator 8 together with the rotating rectifier 9 and the armature winding 12 of the exciter 10 in series between the zero potential point 13 of the rotor circuit 1 and the rotor body (point 14) are switched. The rotating part 15 of the coupling unit 5 is mechanically connected to the body of the rotor 1. The rotating rectifier 9 can be designed in a bridge circuit according to FIG. 1 and in any other circuit, for example in a doubling circuit. It is partially (FIG. 1) or completely (not shown in FIG. 1) bridged by the resistors 16.
In position U1 of the switch 6 (FIG. 1) the supply source 4 (current stabilized desired) is connected to the inductor winding 17 of the exciter 10 and the measuring device 18 is connected to the armature winding 19 of the synchronous generator 8.
In position U2 of switch 6, supply source 4 is switched off from winding 17. The rest of the circuit is unchanged.
In position 0 of the switch 6, instead of the winding 19, the winding 20 arranged on the inductor of the exciter 10, which can be an independent winding, as shown in FIG. 1, or the inductor winding itself is connected to the measuring device 18. The supply source 4 is switched off.
In position C of the switch 6, the measuring device 18 is connected to the winding 19 with the limiter 21, which is implemented with semiconductor diodes or another type of circuit. The supply source 4 is switched off.
The induction voltmeter 7 has an inductor winding 22 which is arranged on the rotating part 15 and connected to the plus and minus poles of the rotor circuit 1. The circuit of the fixed part of the induction voltmeter 7 contains an armature winding 23 and a measuring device 24, which can be switched in any known manner with a rectifier 25, as shown in FIG. 1, or without it.
The device has four operating states in accordance with the positions of switch 6: U1 - measurement of the insulation resistance; U2 - measurement of the interference signal; O - determination of the direction of the interference current; C - signaling via insulation breakdown.
The measurement of the insulation resistance (switch 6 in position U1) is done as follows. The specified excitation current flows from the supply source 4 via the inductor winding of the exciter 10 and when the armature winding 12 of the exciter 10 rotates, an EMF is induced in it, which is rectified by the rectifier 9. The rectified voltage is applied by the rectifier 9 to the insulation of the circuits of the rotor 1 from its body via the excitation winding 11 of the synchronous generator 8, as a result of which a current flows in this winding which depends on the insulation resistance. When the current-carrying winding 11 rotates with respect to the armature winding 19 of the synchronous generator 8, a current in the winding 11 proportional, i.e. H. EMF dependent on the insulation resistance induced.
This EMF is measured with the device 18, which can be calibrated in resistance units. Since the circuit consisting of the rectifier 9 and the winding 11 lies between points of equal potential with respect to the voltage of the rotor circuit 1, which is the case with an even distribution of the insulation resistance, in this case the voltage mentioned has no influence on the display of the device 18 off.
If the insulation resistance is unevenly distributed, the voltage of the rotor circuit 1 generates an interference signal which can be taken into account in the following way.
In position U, of switch 6, the insulation resistance Ro is read on the resistance scale and at the same time the voltage U0 is read on the voltage scale. The switch 6 is brought to position U2. Since the supply source 4 is switched off, a current flows in the winding 11 only under the effect of the voltage of the rotor circuit 1, which is therefore a pure interference current. When the winding 11 rotates, a corresponding EMF is induced in the winding 19 and the interference voltage U is measured with the device 18.
The influence of the interference current depends on its direction, which in turn depends on the location of the reduced insulation resistance in relation to the rotor circuit. To determine the direction of the interference current, switch 6 is set to position 0.
If the reduced insulation resistance is closer to the positive pole of the rotor circuit 1, with the polarity of the rectifier 9 shown in FIG. 1, the interference current flows from point 14 to point 13 via the diodes of rectifier 9 without flowing through winding 12. Since the winding 12 is de-energized, the measuring device placed on the winding 20 shows zero. In this case the exact resistance value will be according to the formula
EMI2.1
where R11 - the resistance of winding 11 is.
If the reduced insulation resistance is closer to the negative pole of the rotor circuit 1, the interference current flows from point 13 to point 14 via resistors 16 and winding 12. As a result, when current-carrying winding 12 rotates with respect to winding 20, an EMF and the measuring device arise in it indicates a non-zero signal. In this case the exact resistance value will be according to the formula
EMI2.2
certainly. Here, R16 is the total resistance of resistors 16 and R12 - the resistance of winding 12.
The measurement of the insulation resistance is carried out periodically and each time does not take more than 20 seconds to complete (observation of the devices and writing down the displays in switch positions Ul, U2, 0).
For the rest of the time between measurements, the device works in insulation breakdown detection mode, with the switch in position C.
If there is no breakdown, the device 18, since the supply source 4 is switched off, shows no signal or a small signal.
In the event of a breakdown at the positive pole of the rotor circuit 1, the current flows in the winding 11 under the effect of the voltage in the rotor circuit 1 from point 14 to point 13, its size being maximum because the resistance value of this circuit is minimal. Accordingly, the pointer deflection of the device 18 is also maximal, while the limiter 21 restricts this to the signal zone marked with the plus sign on the scale of the device (scale not shown).
In the event of a breakdown at the negative pole of the rotor circuit 1, the current flows in the winding 11 under the effect of the voltage of the rotor circuit 1 from point 13 to point 14 via the resistors 16 and the winding 12, its size being smaller than that of the breakdown signal at the positive pole is because the resistance of the circuit is greater. The pointer of the measuring device 18 accordingly deflects at a smaller angle and gets into the zone marked with the minus sign on the scale.
To increase the breakdown signaling accuracy and to simplify the insulation resistance measurement process, it is advisable to use a device according to FIG.
In this case, the excitation winding 11 of the synchronous generator 8 in the coupling unit is bridged by the diode 26 connected against the rectifier 9.
A direct current instrument is used as the measuring device 18. A second measuring device 27 with a two-sided scale and two rectifiers 28 and 29 is added, which are bridged by the resistors 30 and 31 in position C of the switch 6, which corresponds to the breakdown detection mode.
In this position of the switch 6, the supply source 4 is switched off, the armature winding 19 of the generator 8 is connected via the rectifier 28 to the measuring device 27, to which the inductor winding 17 of the exciter is connected via the rectifier 29 in such a way that both rectifiers 28 and 29 are connected in series with one another, while their free poles are connected to the measuring device.
In position U of the switch 6, which corresponds to the measurement of the insulation resistance, the device 27, the rectifier 29 and the resistors 30, 31 are switched off from the windings 17 and 19, while the rectifier 28 is connected to the device 18 and the supply source 4 - on the winding 17 are connected.
In the measuring mode, the operation of this device is similar to that described according to FIG. 1 for the switch position Ul.
In position C of switch 6, in the event of a breakdown at the positive pole, the device functions similarly to the device described in accordance with FIG. 1, with the difference that the breakdown is reported by the measuring device 27, via which the current from the rectifier at resistor 31 closes. The polarity of the rectifier and the measuring device is chosen so that the pointer deflects to the positive side.
In the event of a breakdown at the negative pole, the current flows under the effect of the voltage in the rotor circuit 1 from point 13 to point 14 via the diode 26 and further via the resistors 16 and the winding 12. As a result, when the windings 11 and 12 rotate in the Winding 19 does not induce an emf, while an emf is induced in winding 17. This EMF generates a current of reverse polarity via the rectifier 29 and the resistor 30 in the device 27, which current deflects the pointer in the negative direction.
To determine the influence of the voltage in the rotor circuit 1 on the measurement results, it is necessary to have the corresponding voltage U0 in position U of switch 6 together with the insulation resistance Ro, which is measured on the resistance scale, and the signal U in position C of switch 6 the voltage scale of the measuring device 18 to measure. If U> 0, the exact calculation of the insulation resistance is done according to the formula
EMI3.1
If U> 0, the insulation resistance is calculated using the formula:
EMI3.2
Here are A, B - empirical figures (or calculation figures); K = 0; R22 - resistance of winding 22.
The potential zero point 13 can be structurally difficult to access, e.g. B. in a rectifier circuit of the synchronous machine 2, which is designed in star-center connection. In this case, to ensure the function of the device, an artificial potential zero point can be generated with the aid of two resistors with a relatively large resistance value. However, additional space on the rotor and heat dissipation for the resistors are required for the arrangement of the same, which makes the construction more complicated as a whole and increases the dimensions.
In order to reduce the dimensions of the device, the center tap 32 of the inductor winding 22 of the induction voltmeter 7, as shown in FIG. 3, is used as the potential zero point of the rotor circuit 1.
The operation of the device in this case is similar to the operation of the device according to FIG. 2, with the difference that point 32 serves as the potential zero point 13, while the coefficient K = 0.25 is set in the formulas for calculating the insulation.
In terms of construction, it is advantageous to assemble the rotating part 15 of the device into a whole. Accordingly, it is useful that the windings 17, 19, 20 and 23¯ are also accommodated in a common housing. If the winding 23 is designed as three-phase in order to reduce the pulsation of the measurement voltage, it is expedient to design the winding 23 according to the circuit shown in FIG. 4 in order to reduce the dimensions of the entire device.
Electrically, the winding 23 has two layers and a four-layer design, accordingly with a number of phases m = 3 and a number of poles that is a multiple of the number of structural layers, all of the winding heads of the winding 23 do not intersect, whereby the electromagnetic symmetry of the winding is preserved, and are placed in a plane perpendicular to the axis of rotation.
This reduces the axial dimensions of the device, which is essential for systems with brushless excitation. 4 shows the core slots 1 '+ 24', the insert pieces 33 made of insulating material, which fill the cavities in the core slots 1 '+ 24', and the winding designs C1, C2, C3, C4, C5, C6.
The device according to FIGS. 1 and 2 can be carried out separately in the form of two separate devices - one for measuring the insulation resistance and the other for measuring the voltage - whereby the use of one of the devices mentioned does not necessarily result in the use of the other Has.
In the laboratory for industrial electrical energy, a model of the device described was made and tested and then a test sample of a device for a brushless turbo generator with an output of 200 MW was produced
The tests of the model and the test sample were successful.
Another example of a facility for a brushless turbo generator with an output of 300 MW is under construction, while a facility for machines with an output of 500 to 1200 MW has been completed.