DD230682A3

DD230682A3 - METHOD AND DEVICE FOR PROTECTING THREE-PHASE GENERATORS FROM OVERVOLTAGE

Info

Publication number: DD230682A3
Application number: DD25036083A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Lehmann; Juergen Doerfling
Original assignee: Dessau Elektromotorenwerk
Priority date: 1983-04-29
Filing date: 1983-04-29
Publication date: 1985-12-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Begrenzung von Spannungsueberhoehungen bei im Inselbetrieb arbeitenden Drehstrom-Synchron-Generatoren mit dem Ziel, die angeschlossenen Verbraucher und den Generator vor Schaeden zu bewahren. Erfindungsgemaess wird die Generatorspannung dreiphasig erfasst, eine Bewertung dieser vorgenommen und bei Ueberschreiten eines Sollwertes ein Schaltvorgang ausgeloest, der verzoegert auf eine weitere Schaltstufe wirkt. Diese 2. Stufe beeinflusst den Erregerstromkreis derart, dass ihm Energie entzogen und in einem Widerstand umgewandelt wird. Dabei wird die Klemmenspannung verringert. Durch entsprechende Festlegung des Widerstandes ist ein Notbetrieb des Generators moeglich.The invention relates to a method and a device for limiting Spannungsueberhoehungen working in island operation three-phase synchronous generators with the aim to protect the connected loads and the generator from damage. According to the invention, the generator voltage is detected in three phases, an evaluation of these is carried out and, when a setpoint value is exceeded, a switching operation is initiated which delays the effect on a further switching stage. This second stage affects the excitation circuit so that it is deprived of energy and converted into a resistor. The terminal voltage is reduced. By appropriate determination of the resistance emergency operation of the generator is possible.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von Drehstrom-Generatoren gegen Überspannungen, welche bei im Inselbetrieb der arbeitenden Generatoren, die im Kompoundierungsverfahren mit Abwärtsregelung arbeiten, auftreten und Schäden am Generator und seinen angeschlossenen Verbrauchern hervorrufen können sowie eine Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens. Als Anwendungsfälle treten vorrangig Bordnetzgeneratoren oder Generatoren von Landstationen auf, die im besonderen von Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden.The invention relates to a method for the protection of three-phase generators against overvoltages, which can occur in stand-alone operation of the working generators, which work in the compounding process with downward control, and can cause damage to the generator and its connected consumers and a device for carrying out the method. As applications are primarily on-board generators or generators of land stations, which are driven in particular by internal combustion engines.

Characteristic of the known technical solutions

Bei im Inselbetrieb arbeitenden Generatoren wird häufig ein Verfahren zur Spannungsregelung angewendet, bei dem ein Überangebot an Erregerleistung vorgesehen ist. Von dieser Erregerleistung wird nur ein Teil der Erregerwicklung zugeführt, während der restliche Teil durch entsprechende Regelung abgesetzt wird. Nachteilig an dieser Ausführungsart ist jedoch, daß bei Ausfall der Regeleinrichtung der Erregerwicklung die volle Erregerleistung zugeführt wird und es dadurch zu einer beachtlichen Überhöhung der Generatorspannung kommen kann. Damit besteht eine Gefahr der Zerstörung sowohl für den Generator als auch für angeschlossene Verbraucher.When working in island mode generators, a method for voltage regulation is often used, in which an oversupply of exciter power is provided. From this excitation power only a part of the excitation winding is supplied, while the remaining part is sold by appropriate regulation. A disadvantage of this embodiment, however, is that in case of failure of the control device of the exciter winding, the full exciter power is supplied and it can thereby come to a considerable increase in the generator voltage. There is thus a risk of destruction both for the generator and for connected consumers.

In der DE-Offenlegungsschrift 2525393 wird eine Lösung beschrieben, mit der es möglich ist, empfindliche Verbraucher vor Überspannung zu schützen. Entsprechend dieser Ausführung erstreckt sich der Schutz nur auf den Verbraucher. Erwirkt ohne Verzögerung. Allgemein ist nur die Überwachung einer Phase vorgesehen. Weiterhin sind keine Einrichtungen bekannt, die völlig unabhängig von der Funktion der Regeleinrichtung arbeiten und Überhöhung der vom Generator abgegebenen Spannung verhindern. Es ist nachteilig, daß die Wirkungsdauer der Spannungserhöhung nicht berücksichtigt wird, obwohl diese kurzzeitig möglich ist. Bei im Inselbetrieb arbeitenden Generatoren kann es jedoch wünschenswert sein, daß das Ansprechen der Schutzbaugruppen eine bestimmte Zeit später erfolgt. Weiterhin sollte eine Schutzbaugruppe so ausgelegt sein, daß ihre Lebensdauer wesentlich höher liegt als die der Regeleinrichtung. Für die Erfassung geringer Spannungsüberhöhungen ist ein exakter Arbeitspunkt notwendig.In DE-OS 2525393 a solution is described with which it is possible to protect sensitive consumers from overvoltage. According to this embodiment, the protection extends only to the consumer. Achieves without delay. In general, only the monitoring of one phase is provided. Furthermore, no facilities are known which operate completely independent of the function of the control device and prevent overshoot of the voltage delivered by the generator. It is disadvantageous that the duration of action of the voltage increase is not taken into account, although this is possible for a short time. In island mode generators, however, it may be desirable for the protection modules to respond a certain time later. Furthermore, a protective assembly should be designed so that their life is much higher than that of the control device. For detecting low voltage peaks, an exact operating point is necessary.

Object of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für den Schutz der Drehstromgeneratoren mit Abwärtsregelung und seinen angeschlossenen Verbrauchern zu finden, die bei Überschreitung einer vorbestimmten zulässigen Überspannung nach einer vorgegebenen Ansprechzeit wirksam wird. Als weitere Aufgabe für die Erfindung steht die Bedingung, die Generatorspannung nur soweit abzusenken, daß ein zeitweiliger Notbetrieb der Verbraucher nocht möglich ist.The invention has for its object to find a solution for the protection of the alternators with downward control and its connected consumers, which is effective when exceeding a predetermined allowable overvoltage after a predetermined response time. Another object of the invention is the condition to lower the generator voltage only to the extent that a temporary emergency operation of the consumer nocht is possible.

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Features of the invention

Die gestellte Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Weise dadurch gelöst, daß die Generatorspannung dreiphasig erfaßt, eine Referenzspannung gebildet, beide von einem Trigger verglichen werden, das Vergleichsergebnis verzögert auf eine Transistorschaltstufe gegeben und bei Überschreitung eines vorgegebenen Spannungswertes der Erregerstromkreis des Generators derart beeinflußt wird, daß die Erregerleistung auf einen bestimmten Betrag abgesenkt wird. Der Durchführung des Verfahrens dient eine Einrichtung, die sich auszeichnet durch eine dreipulsige Gleichrichter-Mittelpunktschaltung mit vorgeschalteten Schutzwiderständen, der parallele kapazitiv belastete ohmsche Spannungsteiler nachgeschaltet sind, wobei einer durch Z-Dioden abgeschlossen ist, diese wiederum durch eine Z-Diodenschaltung belastet werden und mit dem nicht invertierenden Eingang eines Triggers verbunden sind, wobei der andere Spannungsteiler auf den invertierenden Eingang des Triggers geschaltet und der Ausgang des Triggers durch einen Kondensator kapazitiv mitgekoppelt ist, sowie durch eine einstellbar verzögerte R/C-Schaltstufe mit Leistungsausgang und Selbsthaltung mit einem Transistor. DieZ-Dioden n7; n8sind im Temperaturgang auf die Widerstände r4 bis r8 abgestimmt. Zum Schutz der Dioden n1 bis n3 sind die Widerstände r1 bis r3 als Sicherungen ausgebildet. Entsprechend einem weiteren Erfindungsmerkmal ist eine Selbsthaltung der aus Transistoren p1; ρ2, und Thyristor d1 und Transistor p3 gebildeten Schaltstufe vorgesehen. Durch Bemessung der Widerstände R_A und R_R zur Erregerleistung wird bei Ansprechen der Schutzeinrichtung eine Senkung der Generatorspannung auf einen Wert zwischen 70 und 110% der Nennspannung vorgenommen.The object is achieved procedurally in that the generator voltage three-phase detected, formed a reference voltage, both are compared by a trigger, the comparison result delayed given to a transistor switching stage and is exceeded when exceeding a predetermined voltage value of the exciter circuit of the generator such that the Exciter power is lowered to a certain amount. The implementation of the method is a device that is characterized by a three-pulse rectifier-center circuit with upstream protective resistors, the parallel capacitive ohmic voltage divider are connected downstream, one is completed by Z-diodes, these in turn are charged by a Z-diode circuit and with the non-inverting input of a trigger are connected, wherein the other voltage divider is connected to the inverting input of the trigger and the output of the trigger capacitively coupled by a capacitor, and by an adjustable delayed R / C switching stage with power output and latching with a transistor. The Z-diodes n7; n8are tuned in the temperature response to the resistors r4 to r8. To protect the diodes n1 to n3, the resistors r1 to r3 are formed as fuses. According to a further feature of the invention is a latching of the transistors p1; ρ2, and thyristor d1 and transistor p3 formed switching stage provided. By dimensioning the resistors R _A and R _R to the exciter power, a reduction of the generator voltage to a value between 70 and 110% of the rated voltage is made when the protective device responds.

embodiment

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.The invention will be described in more detail using an exemplary embodiment.

Fig. 1: ein Blockschaltbild zur Darstellung der Anordnung der HauptbauteHe für einen spannungsgeregelten Generator, undFig. 1 is a block diagram showing the arrangement of HauptbauteHe for a voltage-controlled generator, and

Fig.2: das Schaltbild des Spannungsbegrenzers.2 shows the circuit diagram of the voltage limiter.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 die Ankerwicklung des Generators gekennzeichnet. Die Erregerwicklung 2 wird von einer Einrichtung zur Erzeugung des Erregerstromes 3, die im wesentlichen aus einem Stromtrafo, einer Drossel, Gleichrichtern und weiteren Kleinteilen besteht, gespeist. Der Spannungsregler 6 ist der Erregereinrichtung parallel geschaltet und beeinflußt mit dem Widerstand R_R unmittelbar den Erregerstrom unter den normalen Betriebsbedingungen. Auch der erfindungsgemäß vorgesehene Spannungsbegrenzer 4 ist der Erregereinrichtung parallel geschaltet, wobei der Widerstand R_A im Havariefall funktionell an die Stelle des Widerstandes R_R tritt.In Fig. 1, reference numeral 1 denotes the armature winding of the generator. The field winding 2 is powered by a device for generating the excitation current 3, which consists essentially of a current transformer, a choke, rectifiers and other small parts. The voltage regulator 6 is connected in parallel with the exciter device and directly influences the excitation current under the normal operating conditions with the resistor R _R. The voltage limiter 4 provided according to the invention is also connected in parallel with the excitation device, the resistor R _A functionally replacing the resistor R _R in the event of an accident.

Die Generatorspannung wird über die Anschlüsse K1, K2 und K3 dreiphasig gegen den Sternpunkt, Anschluß 6, erfaßt. Die Anschlüsse K7 und K8sind über den Absetzwiderstand R_A mit dem Erregerkreis verbunden. Nach Überschreiten eines eingestellten Spannungswertes wird nach einer vorgegebenen Zeit eine Verbindung der Anschlüsse K7 und K8 durch den Spannungsbegrenzer hergestellt. Dem Erregerkreis wird damit Energie entzogen und im Absetzwiderstand R_A umgewandelt. Als Folge hiervon tritt eine Reduzierung der Generatorenspannung ein.The generator voltage is detected via the terminals K1, K2 and K3 three-phase against the neutral point, terminal 6. The terminals K7 and K8 are connected via the Absetzwiderstand R _A to the exciter circuit. After exceeding a set voltage value, a connection of the terminals K7 and K8 is established by the voltage limiter after a predetermined time. The excitation circuit is thus deprived of energy and converted in Absetzwiderstand R _A. As a result, a reduction of the generator voltage occurs.

Einzelheiten des Spannungsbegrenzers sollen an Hand der Fig.2 beschrieben werden. Die Genratorspannung wird in einer 3-pulsigen Mittelpunktschaltung, die aus den Dioden η 1 bis η3 besteht, gleichgerichtet. Widerstände r1 bis r3 schützen den Generator bei Ausfall der Dioden vor einem Kurzschluß. Ein Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen >4, r6, r7 und r8 paßt diese Gleichspannung an den Differenzverstärker, welcher von einem integrierten Schaltkreis JS1 verkörpert wird, an. Eine Siebung der Gleichspannung wird von den Kondensatoren C1 und C2 vorgenommen. Die Betriebsspannung für den Differenzverstärker wird aus der gleichgerichteten Generatorspannung gewonnen. Dazu dienen die Bauelemente r9, c3, r10, n5 und n6. Die Bildung einer Referenzspannung wird mit Hilfe der Bauelemente r12, n7 und n8 vollzogen. Der Differenzverstärker wird als Schalter mit kapazitiver Mitkopplung über den Kondensator C5 betrieben. Vom Vergleich der Generatorspannung mit der Referenzspannung ist der Schaltzustand des Differenzverstärkers abhängig. Überschreitet die Generatorspannung einen mit dem Widerstand r7 einstellbaren Wert, so schaltet der Ausgang des Differenzverstärkers um. Dieser Schaltvorgang wird durch eine RC-Kombination mit der Zeitkonstante T = ([r 15 + r16] // r17 ). C4 verzögert auf eine Schaltstufe gegeben, die aus den Transistoren p1, p2 und dem Relais d1 besteht. Ein Widerstand r18 sorgt für das sichere Sperren der Schaltstufe. Die Stromversorgung der Schaltstufe erfolgt über die Diode η 4 und den Widerstand r11.Details of the voltage limiter will be described with reference to FIG. The Genratorspannung is rectified in a 3-pulse center circuit consisting of the diodes η 1 to η3. Resistors r1 to r3 protect the generator in the event of diode failure from a short circuit. A voltage divider, consisting of the resistors> 4, r6, r7 and r8 adapts this DC voltage to the differential amplifier, which is embodied by an integrated circuit JS1. A screening of the DC voltage is made by the capacitors C1 and C2. The operating voltage for the differential amplifier is obtained from the rectified generator voltage. The components r9, c3, r10, n5 and n6 serve this purpose. The formation of a reference voltage is accomplished by means of the components r12, n7 and n8. The differential amplifier is operated as a switch with capacitive positive feedback via the capacitor C5. From the comparison of the generator voltage with the reference voltage, the switching state of the differential amplifier is dependent. If the generator voltage exceeds a value that can be set with the resistor r7, the output of the differential amplifier switches over. This switching process is performed by an RC combination with the time constant T = ([r 15 + r16] // r17). C4 delayed given to a switching stage, which consists of the transistors p1, p2 and the relay d1. A resistor r18 ensures the safe locking of the switching stage. The power supply of the switching stage via the diode η 4 and the resistor r11.

Solange wie die Generatorspannung unter dem eingestellten Wert liegt, sind die Transistoren p1 und p2 geöffnet. Dabei erhält das Relais d 1 keinen Strom. Im anderen Fall, bei dem die Generatorspannung über der eingestellten Spannung liegt, sind die Transistoren p1 und ρ 2 geschlossen und der Transistor ρ3 erhält mit Hilfe des Widerstandes r 19 den erforderlichen Basisstrom. Damit besteht für die Schaltung die Selbsthalturig. Der Erregerkreis wird durch den Thyristor p4 im Sinne der vorgesehenen Absenkung beeinflußt. Bei angezogenem Relais wird der Thyristor p4 über den Widerstand r20 aus dem Absetzkreis gezündet. Ein Kondensator C6 siebt die Betriebsspannung des Relais. Mit Zünden des Thyristors fließt ein Teil des Erregerstromes über den Absetzkreis.As long as the generator voltage is below the set value, transistors p1 and p2 are open. The relay d 1 receives no power. In the other case, in which the generator voltage is above the set voltage, the transistors p1 and ρ 2 are closed and the transistor ρ3 receives the required base current with the aid of the resistor r 19. Thus, there is the Selbsthalturig for the circuit. The exciter circuit is influenced by the thyristor p4 in the sense of the intended lowering. When the relay is energized, the thyristor p4 is fired from the settling circuit via resistor r20. A capacitor C6 sifts the operating voltage of the relay. When the thyristor is triggered, part of the excitation current flows via the settling circuit.

Mit Hilfe des Schalters 5 ist ein Funktionstest der Baugruppe möglich. Dabei wird das Teilverhältnis durch Parallelschalten von r5zu r4 verringert. Als Folge hiervon spricht die Baugruppe auch bei Nennspannung an. Der jeweilige Schaltzustand der Baugruppe wird an den Anschlußpunkten 9 und 10 durch das Relais d 1 signalisiert.With the help of the switch 5 a functional test of the module is possible. The ratio is reduced by connecting r5 to r4 in parallel. As a consequence, the module also responds at rated voltage. The respective switching state of the module is signaled at the connection points 9 and 10 by the relay d 1.

Claims

-ι - ουύ ου

Invention claim:

1. A method for protecting three-phase generators and its connected consumers against overvoltages, which may occur in particular in disturbances of such three-phase generators, for the generation of the required excitation power substantially consisting of current transformers, reactors, rectifiers and wiring elements existing excitation means are provided and according to the settling principle identify operating excitation current regulations, characterized in that the generator voltage detected in three phases, a reference voltage formed, both are compared by a trigger, the comparison result delayed given to a transistor switching stage and is exceeded when exceeding a predetermined voltage value of the exciter circuit of the generator such that the excitation power to a certain amount is lowered.

2. Device for carrying out the method for the protection of three-phase generators according to item 1, characterized by a three-pulse rectifier-center circuit with upstream protective resistors, the parallel capacitive loaded ohmic voltage conductors are connected, one by Z-diodes (n 5, η 6) completed in turn, these are loaded by a Zener diode circuit and connected to the noninverting input of a trigger (JS1), the other voltage divider being connected to the inverting input of the trigger and the output of the trigger being capacitively coupled by a capacitor (C5) , and by an adjustable delayed R / C switching stage with power output and latching with a transistor (p3).

3. Device according to item 2, characterized in that the Z diodes (n 7, η 8) are tuned in the temperature response to the resistors (r4 to r8).

4. Device according to item 2 and 3, characterized in that the resistors (M; r2 and r3) are formed as fuses for the diodes (n1 to n3).

5. Device according to items 2 to 4, characterized by a self-holding of the transistors (p1, ρ2) and thyristor (d1) formed switching stage by means of the transistor (p3).

6. Device according to items 2 to 5, characterized by the assignment of an RC combination (r15; r 16; c4; r17) for switching stage.

7. Device according to items 2 to 6, characterized in that the resistance R _A to the resistance R _R and the excitation power is in such proportion that when the protection device responds, the generator voltage is between 70 and 110% of the nominal voltage.

For this 2 pages drawings