CH620799A5

CH620799A5 -

Info

Publication number: CH620799A5
Application number: CH1027277A
Authority: CH
Inventors: Dale I Gorden
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1976-08-20
Filing date: 1977-08-22
Publication date: 1980-12-15
Also published as: FR2362519B1; ES461765A1; SE7709386L; JPS5325814A; BE857995A; GB1591330A; DE2737541A1; JPS5894903U; JPS5895200U; SE427977B; MX4205E; US4152636A; FR2362519A1; IT1192190B; CA1097738A

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Synchronmaschine mit einer Statorankerwicklung und einer Rotorhauptfeldwicklung, einer Wechselstrom-Erregermaschine, deren Stator eine Feldwicklung und deren Rotor eine Mehrphasenankerwicklung trägt, und mit einer Gleichrichteranordnung in Brückenschaltung, die von der Mehrphasenankerwicklung mit einem Erregerwechselstrom beaufschlagt wird und einen Erregergleichstrom an die Rotorhauptfeldwicklung abgibt, und zudem betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für diese Synchronmaschine.

Bürstenlose Erregersysteme sind weit verbreitet für die Gleichstromversorgung zur Felderregung von dynamoelektrischen Synchronmaschinen, insbesondere grossen Wechselstromgeneratoren. Derartige bürstenlose Erregersysteme umfassen eine Wechselstrom-Erregermaschine mit einer stationären Feldanordnung und einem rotierenden Anker. Auf der Welle zusammen mit dem rotierenden Anker ist eine Gleichrichteranordnung vorgesehen, die mit diesem umläuft und den Erregergleichstrom liefert. Ausgangsseitig ist die Gleichrichteranordnung an die Rotorhauptfeldwicklung des Generators angeschlossen, die sich ebenfalls mit dem Rotor der Erregermaschine und der Gleichrichteranordnung dreht. Auf diese Weise kann für das Erregersystem auf Gleitkontakte verzichtet werden.

Bei herkömmlichen Anordnungen umfasst der Haupterreger bzw. die Wechselstrom-Erregermaschine für den Synchrongenerator einen Wechselstromgenerator, dessen Anker auf derselben Welle wie die Rotorhauptfeldwicklung der Synchronmaschine angeordnet ist und eine Statorfeldwicklung hat, die mit Gleichstrom erregt wird, so dass durch das damit verbundene Magnetfeld eine Spannung in dem umlaufenden Anker der Erregermaschine induziert wird. Die Gleichstromversorgung für die Erregermaschine wird von einer Piloterregermaschine geliefert, die einen Permanentmagneten als Rotor hat und von der Antriebsmaschine des Generators mit angetrieben wird, so dass in einer Ringankerwicklung die für die Erregung der Haupterregermaschine notwendige Erregungsenergie anfällt. Der stationären Ringankerwicklung ist eine Gleichrichterschaltung nachgeordnet, die aus dem erhaltenen Wechselstromsignal ein Gleichstromsignal zur Erregung der Haupterregermaschine über deren Statorfeldwicklung

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Durch die Verwendung umlaufender Gleichrichteranord-nungen wurde sowohl der Wirkungsgrad als auch die Zuverlässigkeit verbessert, was sich in einem geringeren Wartungsbedarf sowie in einem geringeren Verschleiss ausdrückt, der üblicherweise an den Schleifringen, den Schleifbürsten und den Kommutatoren auftritt. Derartige bürstenlose Erregersysteme sind bekannt (US-PS 3 549 919,3 705 331). Dabei werden für jede Wechselstromphase Halbleiterdioden in Parallelschaltung zur Gleichrichtung benutzt, wobei die Dioden einzeln über in Serie geschaltete Sicherungen geschützt sind, damit ein Kurzschluss in den Dioden nicht zu einem Kurzschluss zwischen der Erregerankerwicklung und der Rotorhauptfeldwicklung des Generators führt. Es ist auch bereits bekannt (US-PS 3 341 328, 3 671 850), steuerbare Gleichrichter wie z. B. Thyristoren anstelle herkömmlicher Dioden für die Gleichrichteranordnung des bürstenlosen Erregersystems zu verwenden. Thyristoren haben sich besonders für die umlaufende Gleichrichteranordnung als geeignet erwiesen, da sie verhältnismässig unempfindlich gegen Schwingungen und extreme Temperaturänderungen sowie Beschleunigungskräfte sind. Ferner lässt sich mit derartigen steuerbaren Gleichrichtern eine verhältnismässig feinfühlige Regelung der Erregung erzielen, so dass ein extrem grosser Bereich des Erregerstromes sowohl für den Betrieb bei einer forcierten Erregung als auch bei einem Betrieb mit Gegenerregung zur Verfügung steht, was auch als Betrieb mit schnellem Erregungsabbau bekannt ist.

Bei herkömmlichen Erregeranordnungen ist es unter Verwendung von Thyristoren üblich, die Steuerung der Erregung so auszulegen, dass die Ankerwicklung des Erregers kontinuierlich in der Nähe der nominalen Spitzenspannung arbeitet,

wobei die Spitzenspannung durch die maximale Nennspannung der sich drehenden Gleichrichteranordnung bestimmt wird. Um die Erregung zu ändern, werden die Zündsignale für die Thyristoren bzw. steuerbaren Gleichrichter nur während der positiven Teile der mehrphasigen Ankerwechselspannungen angelegt, um dadurch die Erregung der Rotorhauptfeldwicklung des Generators zu steuern. Dieses bürstenlose Erregersystem hat für bestimmte Anwendungsfälle zweifelsohne Vorteile, jedoch ergeben sich ernsthafte Probleme, die sich aus der diesem System eigenen Betriebsweise ableiten. Da z. B. die steuerbaren Gleichrichter oder Thyristoren kontinuierlich in der Nähe der nominalen Spitzenspannung betrieben werden, müssen sie zur Erregungssteuerung mit verminderter Nennleistung arbeiten. Die Grösse des Erregers muss also auf einen kontinuierlichen Betrieb bei der normalen Spitzenspannung ausgelegt werden, was auch eine grössere Leiterdimensionie-rung mit sich bringt. Es ist auch mit einer grösseren Leistung des Kühlsystems zu rechnen, um dieses an die Temperaturver-hältnisse aufgrund vergrösserter mechanischer und elektrischer Verluste anzupassen. Steuerbare Gleichrichter ermöglichen eine bessere Regelung der Erregung, verglichen mit herkömmlichen Dioden. Jedoch werden derartige steuerbare Gleichrichter, wie bereits bekannt, bei einer verhältnismässig hohen Spitzenspannung geschaltet, was hohe Nennleistungen erfordert. Auch sind zusätzliche Komponenten notwendig, um einen schnellen Erregungsabbau möglich zu machen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Massnahmen zu schaffen, die bei der Verwendung von steuerbaren Gleichrichtern im bürstenlosen Erregersystem einen schnellen Erregungsabbau mit einfachen Mitteln möglich machen.

Diese Aufgabe wird für eine dynamoelektrische Synchronmaschine der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Gleichrichteranordnung aus einer Vielzahl von steuerbaren Gleichrichtern besteht, die im eingeschalteten Zustand den gleichgerichteten Erregerstrom zur Rotorhauptfeldwicklung übertragen, dass Regeleinrichtungen ein Regelsignal in Abhängigkeit von bestimmten Lastbedingungen

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der Synchronmaschine liefern, dass Steuereinrichtungen in Abhängigkeit von bestimmten Funktionen des Regelsignals die steuerbaren Gleichrichter derart ansteuern, dass die Gleichrichter einerseits während der Startphase, dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung im voll leitenden Zustand bleiben, wobei die Gleichrichter nur während der positiven Halbwelle der Erregerwechselspannungen leitend gemacht werden, und dass andererseits die Gleichrichter beim Auftreten von vorgegebenen Überlastbedingungen im leitenden Zustand gehalten werden, wobei die Gleichrichter nur während der negativen Halbwelle der Erregerspannungen leitend gemacht werden, um einen schnellen Erregungsabbau zu bewirken.

Ferner sieht die Erfindung zur Lösung der genannten Aufgabe ein Betriebsverfahren vor, das für die Rotorhauptfeldwicklung der dynamoelektrischen Synchronmaschine, bei der ein mehrphasiger in der sich drehenden Rotorankerwicklung einer mehrphasigen Wechselstrom-Erregermaschine induzierter Wechselstrom durch eine Vielzahl von in einer Brückenschaltung angeordneter steuerbarer Gleichrichter gleichgerichtet wird, vorsieht, dass die steuerbaren Gleichrichter derart gesteuert werden, dass sie den von der Dreiphasenwicklung erzeugten Erregerstrom gleichrichten und an die Rotorhauptfeldwicklung liefern, wobei die Gleichrichter einerseits während der Startphase, dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung im wesentlichen im voll leitenden Zustand während der positiven Halbwelle der Erregerwechselspannungen von den entsprechenden Phasenwicklungen gehalten werden, und dass die steuerbaren Gleichrichter andererseits beim Auftreten von vorgegebenen Überlastbedingungen in einen leitenden Zustand gesteuert werden, wobei die Gleichrichter nur während der negativen Halbwelle der Erregerspannungen leitend gemacht werden, um einen schnellen Erregungsabbau für die Rotorhauptfeldwicklung der Synchronmaschine zu bewirken.

Durch die Massnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Mehrphasenwicklung des Ankers der Erregermaschine auf einem Spannungsniveau arbeitet, das der ausgangsseitigen Nennspannung entspricht und wesentlich unter der nominalen Spitzenspannung der Erregermaschine liegt. Die Steuerelektroden der steuerbaren Gleichrichter bzw. Thyristoren werden nur bei verhältnismässig niederen Spannungspunkten bzw. verhältnismässig niederen Spannungswerten der negativen Halbwelle der Erregerwechselspannungen gezündet, um einen schnellen Erregungsabbau zu bewirken und werden im voll leitenden Betrieb während der positiven Halbwelle der Erregerspannungen gehalten. Auf diese Weise können steuerbare Gleichrichter mit einer geringeren Nennleistung Verwendung finden und ferner kann auf zusätzliche Komponenten für den schnellen Erregungsabbau im wesentlichen verzichtet werden.

Mit den steuerbaren Gleichrichtern sind Steuereinrichtungen verbunden, die auf bestimmte Funktionen der Lastbedingungen der Synchronmaschine ansprechen und durch entsprechende Steuerung der Gleichrichter beim Nennlastbetrieb und beim Betrieb mit einer forcierten Erregung, wenn ein Überlastbetrieb auftritt, für eine normale Erregung sorgen, wogegen ein schneller Erregungsabbau bewirkt wird, wenn ernsthafte Fehler auftreten. Die steuerbaren Gleichrichter werden in einem voll leitenden Zustand gehalten, wobei die Gleichrichterelemente nur während der positiven Halbwelle der Erregerspannung während der Startphase dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung leitend gemacht werden.

Die steuerbaren Gleichrichter werden in einem leitenden Zustand gehalten, wobei die Gleichrichterelemente nur während der negativen Halbwelle der Erregerwechselspannung leitend gemacht werden, wenn beim Auftreten bestimmter Über3

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lastbedingungen ein schneller Erregungsabbau erzielt werden soll. Durch die Zündung der Gleichrichter nur während der negativen Halbwelle der Erregerwechselspannung wird die Polarität der an die Rotorhauptfeldwicklung angelegten Erregergleichspannung umgekehrt, womit der schnelle Erregungsabbau ausgelöst wird. Dieser Erregungsabbau erfolgt in einer wesentlich kürzeren Zeit, verglichen mit dem konventionell üblichen Kurzschliessen der Rotorhauptfeldwicklung bei derartigen Überlastbedingungen. Durch den Betrieb der Erregerankerwicklung bei einem Spannungsniveau, das der ausgangsseitigen Nennspannung entspricht im Gegensatz zu einem Niveau in der Nähe der nominalen Spitzenspannung,

sind die Leistungsanforderungen an die Thyristoren geringer und ferner kann die Grösse der Erregermaschine reduziert werden, was entsprechend zu einer Verringerung des Kupferanteils und damit zu einer erheblichen Kostenverringerung führt. Da ferner die Thyristoren sowohl während der positiven Halbwelle als auch während der negativen Halbwelle mit forcierter Erregung, welche vom Magnetfeld der Piloterregermaschine stammt, voll leitend betrieben werden, ergibt sich kein verminderter Leistungsbetrieb für die Erregungssteuerung, wie dies bei herkömmlichen Systemen der Fall ist, die nah der nominalen Spitzenspannung arbeiten. Somit lässt sich auch die Nennleistung der Thyristoren verringern.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Synchrongenerators mit einem bürstenlosen Erregersystem;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Gleichstromsättigungskurve für die Haupterregung des Synchrongenerators gemäss Fig. 1, aus der die Zone der Basiserregung und der Übererregung hervorgeht.

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Wechselspannungsschwingung, wie sie durch die Mehrphasenankerwicklung des Erregers geliefert wird.

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Bereichs der Übererregung und des Bereichs des schnellen Erregungsabbaus der gesteuerten Gleichrichter gemäss Fig. 1 ;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Wirkungsweise der steuerbaren Gleichrichteranordnung gemäss Fig. 1 im voll ausgesteuerten Betrieb;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Wirkungsweise einer bekannten Gleichrichteranordnung, gemäss welcher diese mit verminderter Nennleistung zur Erregungssteuerung betrieben werden;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Wirkungsweise der Gleichrichteranordnung im Synchrongenerator gemäss Fig. 1 im Betrieb für einen schnellen Erregungsabbau;

Fig. 8 eine graphische Darstellung für den Abfall des Statorstromes in der Statorankerwicklung gemäss Fig. 1 während des schnellen Erregungsabbaus.

In Fig. 1 ist eine dynamoelektrische Synchronmaschine 10 dargestellt in Form eines turbinengetriebenen Synchrongenerators, der über ein bürstenloses Erregersystem 12 erregt wird und eine Wechselstrom-Erregermaschine 14 sowie eine rotierende Gleichrichteranordnung 16 umfasst, welche auf einer gemeinsamen Welle mit einer Antriebsmaschine 20 angeordnet ist. Die Wechselstrom-Erregermaschine 14 hat eine Statorfeldwicklung 22 und eine Rotorankerwicklung 25, die als Dreiphasenwicklung aufgebaut und in Schlitzen des Kernes 24 auf der Welle 18 eingelegt ist und sich daher mit der Rotorhauptfeldwicklung 26 der Synchronmaschine 10 dreht. Die Dreiphasenwicklung 25 ist mit der rotierenden Gleichrichteranordnung 16 verbunden, die seinerseits aus einer Vielzahl von steuerbaren Gleichrichtern und Sicherungen 30' besteht, die in herkömmlicher Weise in Brückenschaltung angeordnet sind, um einen Gleichstrom für die Erregung der Rotorhauptfeldwicklung 26 zu liefern. Dieser durch die Rotorhauptfeldwicklung fliessende Erregergleichstrom erzeugt ein magnetisches Feld, das einen Induktionsstrom innerhalb der Statorankerwicklung 32 des Stators 30 erzeugt, wenn das Erregersystem von der Antriebsmaschine 20 in Drehung versetzt wird.

Die Felderregung für die Wechselstrom-Erregermaschine 14 liefert eine Piloterregermaschine 34 mit einem Permanentmagnetfeld 36, die ebenfalls mechanisch mit der Welle 18 der Antriebsmaschine 20 verbunden ist. Durch die Drehung der Welle 18 dreht sich das Permanentmagnetfeld innerhalb einer Ringankerwicklung 38, in der das Permanentmagnetfeld in herkömmlicher Weise einen Wechselstrom induziert. Die Ausgangsklemmen der Ringankerwicklung 38 der Piloterregermaschine sind mit einem Regler 40 verbunden, der den mehrphasigen Erregerwechselstrom von der Ringankerwicklung in einen Erregergleichstrom umwandelt, der an die Statorfeldwicklung 22 angelegt wird. Der Regler 40 kann ein konventioneller Spannungsregler sein und spricht auf ein Spannungssignal 42 eines Spannungstransformators 48 und auf ein Stromsignal 44 eines Stromtransformators 46 an, die beide mit der Statorankerwicklung 32 verbunden sind.

Der Regler 40 erzeugt ferner ein Regelsignal 50, das grundsätzlich proportional einer bestimmten Ausgangsleistung des Synchrongenerators ist. Dieses Regelsignal 50 kann eine beliebige Funktion der Spannung und des Stromes in der Statorankerwicklung 32 sein, jedoch besteht das Regelsignal 50 aus zwei Komponenten, wovon die erste Komponente dem Betrieb des Synchrongenerators 10 während der Anlaufphase, bei Nennlastbedingungen oder sich ändernden Lastbedingungen während eines Betriebs mit Übererregung entspricht. Bei irgendeiner dieser Betriebsbedingungen veranlasst das Regelsignal 50 eine Torsteuerstufe 55 die aufeinanderfolgenden Paare der steuerbaren Gleichrichter 28 über ihre Steuerelektrode zu zünden, womit die Gleichrichteranordnung in den voll leitenden Zustand gesteuert wird, wobei jedoch die steuerbaren Gleichrichter 28 nur während der positiven Halbwelle der von der Dreiphasenwicklung 25 aus anliegenden Wechselspannung leitend gemacht werden. Im voll eingeschalten Betrieb während der positiven Halbwelle arbeiten die Gleichrichter 28 wie herkömmliche nicht steuerbare Gleichrichter. Die Wirkungsweise der Wechselstrom-Erregermaschine 14 in Verbindung mit der Gleichrichteranordnung 16 wird unter diesen Bedingungen in den Fig. 3 und 5 dargestellt. In Fig. 3 sind die drei gegeneinander verschobenen Phasen der an die Gleichrichteranordnung angelegten Erregerspannung gezeigt. In Fig. 5 ist mit 0 der Kommutationswinkel, das heisst die Zeitdauer dargestellt, welche zur Umschaltung von einer auf die andere Phase erforderlich ist. Dieser Kommutationswinkel ist für den Betrieb steuerbarer Gleichrichter eigentümlich und darf nicht mit der fremdgesteuerten Kommutation verwechselt werden, wenn die Leitfähigkeit durch eine grössere Zeitdauer verzögert wird, um wie im Stand der Technik die Erregung zu steuern.

Die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Schwingungsformen der Gleichrichteranordnung 16 sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Gemäss Fig. 3 besteht die an die Gleichrichter angelegte Spannung aus drei in der Regel symmetrisch sinusförmigen Spannungsschwingungen, die gegeneinander phasenverschoben sind, mit einem beliebigen positiven und negativen Amplitudenwert ER. Aus Fig. 4 kann man entnehmen, dass die forcierte Erregung über die Gleichrichteranordnung 16 in einem weiten Bereich des positiven Ausgangsstromes und der Ausgangsspannung mit einem maximalen Wert K variiert und welcher in der Regel der Amplitude der Eingangsspannung an der Gleichrichteranordnung 16 entspricht. Für den schnellen Erregungsabbau hat der Bereich grundsätzlich dieselben Grenzwerte, jedoch ist die Polarität der von der Gleichrichteranordnung abgegebenen Ausgangsspannung umgekehrt.

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In Fig. 2 ist die Gleichstromsättigungskurve 70 für die Wechselstrom-Erregermaschine 14 dargestellt. Der Arbeitspunkt A entspricht der ausgangsseitigen Nennspannung und einer 100%igen Basiserregung durch die Piloterregermaschine 34. Der Arbeitspunkt B entspricht der nominalen Spannungsspitze, welche durch die maximale Spannungscharakteristik der steuerbaren Gleichrichter in der Gleichrichteranordnung 16 bestimmt wird. Der Teil der Gleichstromsättigungskurve 70 zwischen dem Arbeitspunkt A und dem Arbeitspunkt B repräsentiert den Übergangsbetrieb der Wechselstrom-Erregerma-schine 14 während der forcierten Erregung in Abhängigkeit von Belastungen, die über das Niveau der Basiserregung ansteigen.

Die Ansteuerung der Steuerelektroden 52 der steuerbaren Gleichrichter 28 erfolgt über Schleifringe.

Unter normalen Betriebsbedingungen, das heisst wenn die Statorankerwicklung 32 Leistung an die Nennlast abgibt, arbeiten die Gleichrichter 28 im voll ausgelasteten Betrieb, bis ein Signal empfangen wird, das einen schnellen Erregungsabbau für die Synchronmaschine fordert. Gemäss Fig. 2 entspricht dieser Betrieb den Verhältnissen im Arbeitspunkt A auf der Gleichstromsättigungskurve 70. In Abhängigkeit von sich ändernden Lastbedingungen arbeitet jedoch die Wechselstrom-Erregermaschine 14 längs eines Bereichs der Gleichstromsättigungskurve 70 zwischen den Arbeitpunkten A und B infolge der forcierten Erregung aufgrund der im Permanentmagnetfeld 36 gespeicherten Energie. Beim Auftreten der zweiten Komponente des Regelsignals 50, welches von dem Regler 40 erzeugt wird und einen ernsthaften Kurzschluss oder irgendwelche andere ungewöhnliche Lastbedingungen für die Synchronmaschine 10 andeutet, werden die steuerbaren Gleichrichter 28 von der Torsteuerstufe 55 aus über die Signalübertragungsleitungen 60 derart angesteuert, dass sie nur während der negativen Halbwelle der Erregerspannungen gemäss den Fig. 3 leitend werden, womit eine Polaritätsumkehr an den Klemmen 35 und 35' der Rotorhauptfeldwicklung 26 bewirkt wird. Dies wird erreicht durch das Zünden aufeinanderfolgender Paare steuerbarer Gleichrichter gemäss der in Fig. 7 gezeigten Art. Die Zündung erfolgt vorzugsweise etwa 20 Grad vor den Punkten, in welchen sich die Ankerphasenspannung auf der negativen Seite der Nullinie kreuzen. Es ist zu beachten, dass nach dem Wegfallen der ersten Komponente des Steuersignals 50 die steuerbaren Gleichrichter während der negativen Halbwellen der Ankerspannung leitend bleiben, weil ein von der Induktanz der Feldwicklung 26 abhängiger, in dieser fliessender hoher Strom die steuerbaren Gleichrichter in Vorwärtsrichtung vorgespannt hält. Bezogen auf Fig. 1 fliesst somit Strom in der Feldwicklung 26 von oben nach unten, das heisst von 33 zu 35. Wenn indessen die Differenz der negativen Phasenspannungen zunimmt, sinkt der resultierende Strom in der Wicklung 26, wodurch eine Polaritätsänderung der an der Wicklung liegenden Spannung gemäss der Gleichung V = L di/dt auftritt. Während dieses Entregungsvorgangs wird der Erregerstrom längs der Gleichstromsättigungskurve 70 zwischen den Punkten A und C auf Null abgebaut, so dass entsprechend auch der Erregerstrom durch die Statorankerwicklung 32 rasch auf Null gebracht wird. Dieser Betrieb wird als schneller Erregungsabbau bezeichnet und ist in Fig. 8 durch den grundsätzlichen Verlauf der Kurve 80 bildlich erläutert. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass die für den schnellen Erregungsabbau benötigte Zeit nicht so kurz ist, als dies mit einem statischen Erregungsabbau möglich ist, der durch die Beaufschlagung der Rotorhauptfeldwicklung 26 mit einer Spannung umgekehrter Polarität über Schleifringe von einer externen Spannungsquelle aus möglich ist. Dieser statische Erregungsabbau wird durch die Kurve 82 in Fig. 8 angedeutet. Der schnelle Erregungsabbau gemäss der Erfindung ist jedoch noch wesentlich rascher und günstiger als der Erregungsabbau

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in konventioneller Weise, indem nämlich die Rotorhauptfeldwicklung 26 lediglich kurzgeschlossen und keine Gegenspannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird. Dieser konventionelle Betrieb mit einem Kurzschluss der Rotorhauptfeldwicklung wird durch die Kurve 84 gemäss Fig. 8 illustriert.

Während des Betriebs des schnellen Erregungsabbaus ändet sich die Schwingungsform der von der Rotorankerwicklung 24 gelieferten Spannung von einer grundsätzlich in Fig. 5 dargestellten Schwingungsform in die der Darstellung gemäss Fig. 7, weil die Zündung der steuerbaren Gleichrichter 28 während den negativen Halbwellenabschnitten der Ankerspannungen aufrecht erhalten bleibt, sinkt der Strom durch die Feldwicklung 26 und damit auch im Turbinengenerator entsprechend der Kurve 80 in Fig. 8 auf Null.

Die momentane Umkehr der Steuerphase für die steuerbaren Gleichrichter während des schnellen Erregungsabbaus bringt eine Anzahl von Vorteilen. Zunächst ist für die steuerbaren Gleichrichter 28 kein verminderter Nennleistungsbetrieb erforderlich, um eine Erregungskontrolle vornehmen zu können, da die Schwingungsform während des normalen Lastbetriebs dieselbe ist wie bei herkömmlichen Dioden. Die Erregung wird durch die in dem elektromagnetischen Feld der Permanentmagnetfeldanordnung gespeicherte Energie bewirkt. Auch die kurzzeitige Ansteuerung der Gleichrichter während ungewöhnlichen Lastbedingungen ist weniger ernst. Die Tatsache, dass die Wechselstrom-Erregermaschine 14 nicht kontinuierlich bei der nominalen Spitzenspannung arbeitet, bringt wesentlich geringere Verluste für die Erregermaschine mit sich. Die Grösse der Wechselstrom-Erregermaschine 14 und des bürstenlosen Erregersystems 12 kann verringert werden, da diese Teile auf einem Nennspannungsniveau arbeiten, das wesentlich niederer als die nominale Spitzenspannung ist, was für herkömmliche Anordnungen nicht zutrifft. Daraus ergibt sich auch ein geringerer Bedarf an Kupfer für die drei Phasenwicklungen 25.

Unter diesen Steuerbedingungen behält die Wechselstrom-Erregermaschine 14 ihre Fähigkeit, auf rasch ändernde Lastbedingungen schnell zu reagieren. Dies ergibt sich aus dem Permanentmagnetfeld der Piloterregermaschine, das genügend forcierende Leistung an das Haupterregerfeld liefern kann, um das erforderliche schnelle Ansprechen zu erreichen. Die Ansprechgeschwindigkeit einer solchen Anordnung ist direkt proportional zur Stärke des Magnetfeldes der Piloterregermaschine, das seinerseits wieder direkt proportional der Masse der Permanentmagnetfeldanordnung 36 ist. Das heisst, dass für eine vorher festgelegte Grösse der Ansprechgeschwindigkeit durch die Piloterregermaschine genügend Reserveleistung zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird die Basiserregung und die forcierte Erregung der Wechselstrom-Erregermaschine durch die Piloterregermaschine geliefert, wobei die Torsteuer-stufe 55 die steuerbaren Gleichrichter 28 während der positiven Halbwelle der Erregerspannungen voll in den leitenden Zustand steuert und damit eine Nennausgangsspannung bewirkt, um das Ausgangssignal des Synchrongenerators den sich ändernden Lastbedingungen anzupassen. Die Piloterregermaschine arbeitet auf dem nominalen Leistungsniveau, um die Basiserregung für die Nennspannung zu liefern. Für den Betriebszustand der forcierten Erregung ist die Piloterregermaschine so ausgelegt, dass sie das Zweieinhalbfache der Basiserregung liefern kann, wenn der Synchrongenerator auf Lastveränderungen anspricht. Damit ist für die Ansprechzeit solcher Anordnungen, bei denen die steuerbaren Gleichrichter sowohl bei der positiven Halbwelle als auch bei der negativen Halbwelle, und zwar einerseits im Nennbetrieb und andererseits im forcierten Betrieb oder für die schnelle Erregungsabschaltung voll leitend sind, kein Kompromiss notwendig. Ausserdem werden die charakteristischen Schalteigenschaften der steuerbaren Gleichrichter 28 besser als bei bekannten Anord5

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nungen ausgenutzt, da auf Nennspannungsniveau im Gegensatz zu dem nominalen Spitzenspannungsniveau gearbeitet wird.

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Unter dem vorstehend benutzten Begriff Kommutationswinkel 0 ist die Stromübernahme oder Kommutierung bei Thyristoren zu verstehen.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

620 799 PATENTANSPRÜCHE

1. Dynamoelektrische Synchronmaschine mit einer Statorankerwicklung und einer Rotorhauptfeldwicklung, einer Wechselstrom-Erregermaschine, deren Stator eine Feldwicklung und deren Rotor eine Mehrphasenankerwicklung trägt, und mit einer Gleichrichteranordnung in Brückenschaltung, die von der Mehrphasenankerwicklung mit einem Erregerwechselstrom gespeist wird und einen Erregergleichstrom an die Rotorhauptfeldwicklung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichteranordnung (16) aus einer Vielzahl von steuerbaren Gleichrichtern (28) besteht, die im eingeschalteten Zustand gleichgerichteten Erregerstrom an die Rotorhauptfeldwicklung (26) liefern, dass Regeleinrichtungen (40) ein Regelsignal (50) in Abhängigkeit von bestimmten Lastbedingungen der Synchronmaschine liefern, dass Steuereinrichtungen (55) in Abhängigkeit von bestimmten Funktionen des Regelsignals die steuerbaren Gleichrichter (28) derart steuern, dass die Gleichrichter einerseits während der Startphase, dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung im voll leitenden Zustand bleiben, wobei die Gleichrichter nur während der positiven Halbwelle der Erregerwechselspannung leitend gemacht werden, und dass andererseits die Gleichrichter beim Auftreten von vorgegebenen Überlastbedingungen im leitenden Zustand gehalten werden, wobei die Gleichrichter nur während der negativen Halbwelle der Erregerspannung leitend gemacht werden, um einen schnellen Erregungsabbau zu bewirken.

2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Piloterregermaschine (34) mit einer Ankerwicklung (38) und einem Permanentmagneten als Rotor (36) vorhanden ist, dass mit der Ankerwicklung (38) der Piloterregermaschine (34) verbundene Einrichtungen (40) vorhanden sind, die den abgegriffenen Wechselstrom in einen Gleichstrom zur Erregung der Statorfeldwicklung (22) umwandeln, und dass der Rotor der dynamoelektrischen Synchronmaschine sowie die Gleichrichteranordnung (16), der Rotor der Wechselstrom-Erregermaschine (14) und der Permanentmagnet (36) der Piloterregermaschine (34) mechanisch gekoppelt sind und sich gemeinsam drehen.

3. Verfahren zum Betrieb der Synchronmaschine nach Anspruch 1, wobei ein in der Rotorankerwicklung (25) einer mehrphasigen Wechselstrom-Erregermaschine (14) induzierter Wechselstrom durch eine Vielzahl von in einer Brückenschaltung angeordneten steuerbaren Gleichrichtern gleichgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Gleichrichter (28) derart gesteuert werden, dass sie den von der Dreiphasenwicklung (25) erzeugten Erregerstrom gleichrichten und an die Rotorhauptfeldwicklung (26) liefern, wobei die Gleichrichter einerseits während der Startphase, dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung im wesentlichen im voll leitenden Zustand während der positiven Halbwelle der Erregerwechselspannungen von den entsprechenden Phasenwicklungen gehalten werden, und dass die steuerbaren Gleichrichter andererseits beim Auftreten von vorgegebenen Überlastbedingungen in einen leitenden Zustand gesteuert werden, wobei die Gleichrichter nur während der negativen Halbwelle der Erregerspannungen leitend gemacht werden, um einen schnellen Erregungsabbau für die Rotorhauptfeldwicklung(26) der Synchronmaschine (10) zu bewirken.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Gleichrichter (28) nur bei einem niederen Spannungspegel der positiven oder negativen Halbwelle der zugeordneten Phasen der Erregerwechselspannungen von den Mehrphasenwicklungen (25) leitend gemacht werden, wodurch die durch die Umschaltung ausgelöste Phasenverschiebung auf ein Minimum reduziert wird, und dass die steuerbaren Gleichrichter (28) im wesentlichen während der gesamten positiven oder gesamten negativen Halbwelle im leitenden Zustand gehalten werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerstrom für den Nennlastbetrieb und für den Betrieb bei wechselnden Lastbedingungen, die den Nennlastbetrieb übersteigen, von der Piloterregeranordnung mit dem Permanentmagnetfeld geliefert wird, wobei die steuerbaren Gleichrichter (28) nur während der positiven Halbwelle der Erregerspannungen in den voll leitenden Zustand gesteuert werden, dass die Erregerleistung üfr Schnellentregung ebenfalls von der Piloterregeranordnung mit dem Permanentmagnetfeld (36) geliefert wird, wobei die steuerbaren Gleichrichter (28) nur während der negativen Halbwellen der Erregerspannungen leitend gemacht werden, so dass die Polarität der von der Gleichrichteranordnung gelieferten Erregerspannung bezüglich der Polarität umgekehrt wird, welche von der Gleichrichteranordnung während des Nennlastbetriebs und während des Über-Nennlastbetriebs bei einer forcierten Erregung bestimmt wird, und dass die Energie für die Schnellentregung von der elektromagnetischen, im Permanentmagnetfeld gespeicherten Energie geliefert wird, wenn sie während der Umpolarisierung gleichgerichtet wird.