DE1059099B

DE1059099B - Self-excited compounded three-phase generator, especially synchronous generator

Info

Publication number: DE1059099B
Application number: DEL27237A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Werner Droste
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1957-03-27
Filing date: 1957-03-27
Publication date: 1959-06-11

Description

Selbsterregter kompoundierter Drehstromgenerator, insbesondere Synchrongenerator Der Erregerstrom eines Synchrongenerators besteht aus dem zur Erzeugung des Hauptflusses erforderlichen und aus dem zum Aufheben der Ankerrückwirkung nötigen Teil. Diese beiden Stromanteile werden bei kompoundierten Generatoren zwei verschiedenen, parallel an die Erregerwicklungen gelegten Stromquellen entnommen. Als Stromquellen dienen dabei vom Synchrongenerator gespeiste elektrische Einrichtungen mit großem innerem Widerstand gegenüber dem Widerstand der Feldwicklungen und des Gleichrichters. Damit wird erreicht, daß diese Feldwicklungen unabhängig von den Einflüssen des Polrad- und Gleichrichterwiderstandes sowie der Bürstenübergangsspannung den der jeweiligen Belastung entsprechenden Erregerstrom erhalten. Dadurch ist gewährleistet, daß der Erregerstrom den Belastungsschwankungen schnell folgen kann.Self-excited compounded three-phase generator, especially synchronous generator The excitation current of a synchronous generator consists of that for generating the main flow required and from the part necessary to cancel the anchor reaction. These In the case of compounded generators, the two current components become two different, parallel Taken from the current sources connected to the excitation windings. Serve as power sources while the synchronous generator fed electrical equipment with a large internal Resistance to the resistance of the field windings and the rectifier. In order to it is achieved that these field windings are independent of the influences of the pole wheel and rectifier resistance as well as the brush junction voltage that of the respective Load corresponding excitation current received. This ensures that the Excitation current can quickly follow the load fluctuations.

Die Fig.1 der Zeichnung zeigt eine bekannte Selbsterregerschaltung dieser Art. Die Feldwicklung 10 erhält ihren Leerlauferregerstrom von der Ankerwicklung des Generators 11 über die Drosselspule 12 und den Gleichrichter 13. Der Widerstand der als Stromquelle dienenden Drosselspule 12 ist bei Nennspannung groß gegen den Widerstand des Gleichrichters 13 und der Feldwicklung 10.1 of the drawing shows a known self-exciting circuit of this type. The field winding 10 receives its no-load excitation current from the armature winding of the generator 11 via the choke coil 12 and the rectifier 13. The resistor serving as a power source choke coil 12 is large compared to the rated voltage Resistance of rectifier 13 and field winding 10.

Der Belastungsstrom des Generators 11 erzeugt in der ebenfalls als Stromquelle wirkenden Sekundärwicklung des Stromwandlers 14 einen der Ankerrückwirkung des Generators 11 verhältnisgleichen Strom, der sich dem über die Drosselspule 12 fließenden Strom überlagert. Der Innenwiderstand des Stromwandlers 14 ist eine Leerlaufreaktanz und bei der Nennspannung des Generators groß gegenüber dem Widerstand der Feldwicklung.The load current of the generator 11 generated in the also as Current source acting secondary winding of the current transformer 14 one of the armature reaction of the generator 11 is the same current, which is the same as that via the choke coil 12 flowing stream superimposed. The internal resistance of the current transformer 14 is an open circuit reactance and at the nominal voltage of the generator large compared to the resistance of the field winding.

Bei Selbsterregung des Generators 11 verursacht seine Remanenzspannung einen Strom, der teils über den Innenwiderstand des Stromwandlers 14 zum Sternpunkt seiner Sekundärwicklung und teils über die Drosselspule 12 und den Gleichrichter 13 zur Feldwicklung 10 fließt. Reicht der zuletzt genannte Stromanteil aus, die Spannung des Generators 11 genügend anzuheben, dann erregt sich der Generator 11 selbst. Die Höhe dieses Stromanteiles richtet sich nach der Höhe des über den Stromwandler 14 abfließenden und damit für die Erregung verlorengehenden Stromes.When the generator 11 is self-excited, it causes its remanence voltage a current that is partly via the internal resistance of the current transformer 14 to the star point its secondary winding and partly via the inductor 12 and the rectifier 13 flows to the field winding 10. If the last-mentioned proportion of electricity is sufficient, the Raising the voltage of the generator 11 sufficiently, then the generator 11 is excited itself. The amount of this current share depends on the amount of the current transformer 14 current flowing away and thus lost for the excitation.

Gerade zu Beginn der Selbsterregung ist aber infolge der kleinen Spannung an der Sekundärwicklung die Leerlaufreaktanz des Stromwandlers 14 gegenüber dem Widerstand des Gleichrichters 13, der Feldwicklung 10 und dem Bürstenübergang nicht mehr groß, da sich das Kernmaterial im Bereich der Anfangspermeabilität befindet, während bei den zunächst kleinen Strömen der Eingangswiderstand des Gleichrichters 13 und der Übergangswiderstand der Kohlenbürsten infolge ihrer nichtlinearen Charakteristik relativ groß sind.But especially at the beginning of the self-excitement is due to the small tension at the secondary winding the no-load reactance of the current transformer 14 compared to the Resistance of the rectifier 13, the field winding 10 and the brush junction not more large, as the core material is in the range of the initial permeability, while with the initially small currents, the input resistance of the rectifier 13 and the contact resistance of the carbon brushes due to their non-linear characteristics are relatively large.

Es ist hierzu schon vorgeschlagen worden (deutsche Auslegeschrift 1013 772), die störende, parallel zum Gleichrichter 13 liegende Leerlaufreaktanz des Stromwandlers 14 dadurch unschädlich zu machen, daß eine oder mehrere Phasen durch einen Schalter vom Gleichrichter 13 abgetrennt und durch denselben Schalter gleichzeitig die Wicklungen kurzgeschlossen werden.It has already been proposed (German Auslegeschrift 1013 772) to render the disturbing no-load reactance of the current transformer 14, which is parallel to the rectifier 13, harmless by separating one or more phases from the rectifier 13 by a switch and at the same time short-circuiting the windings using the same switch will.

Für eine ganz andere als in Fig. 1 gezeigte Schaltung wurde ferner schon vorgeschlagen (deutsches Patent 145 446), die dort störende, zu hohe- Selbstinduktiön der Sekundärwicklung des Stromtransformators durch die Einschaltung eines Kondensators vor den Gleichrichter nahezu auszugleichen.For a completely different circuit than that shown in FIG already proposed (German patent 145 446), the disturbing, too high self-induction the secondary winding of the current transformer by switching on a capacitor almost equalize in front of the rectifier.

In einer ebenfalls grundsätzlich von der Schaltung nach Fig.1 sich unterscheidenden Schaltung zur Selbsterregung von Synchronmaschinen über Gleich= richter ist im Erregerkreis ein nichtlinearer Spännungsteiler eingefügt, der aus der Reihenschaltung einer spannungsabhängigen Ringkerndrossel und einer Luftspaltdrossel konstanten Widerstandes besteht, wobei der Gleichrichter an den Klemmen der Ringkerndrossel liegt.In a likewise fundamentally different from the circuit according to FIG differentiating circuit for self-excitation of synchronous machines via equal = richter, a non-linear voltage divider is inserted in the excitation circuit, which consists of the series connection of a voltage-dependent toroidal core choke and an air gap choke constant resistance, the rectifier at the terminals of the toroidal core choke lies.

Der Spannungsteiler ist so ausgelegt, daß der Wechselstromwiderstand der Ringkerndrossel z. B. bei Remanenzspannung größer ist als derjenige der Luftspaltdrossel und z. B. bei Nennspannung des Generators wesentlich kleiner. Durch diese Schaltung wird verhindert, daß die am Erregerkreis liegende Spannung gegen Ende und nach dem Selbsterregungsvorgang zu hohe Werte annimmt.The voltage divider is designed so that the alternating current resistance the toroidal choke z. B. at remanence voltage is greater than that of the air gap throttle and Z. B. at nominal voltage of the generator much smaller. Through this circuit prevents the voltage applied to the exciter circuit towards the end and after the Self-excitation process assumes too high values.

Zweck der Erfindung ist es, bei einer Schaltung nach Fig.1 ohne Benutzung eines mechanischen Schaltelements während der Selbsterregung den Abfluß des vom Generator 11 kommenden und durch den Stromwandler 14 fließenden Stromteiles zu verhindern oder wenigstens stark zu vermindern, um die Selbsterregungsfähigkeit des Generators wesentlich zu verbessern. Dies könnte zwar schon durch eine Vergrößerung der Permeabilität des Stromwandlerkernes bei kleinen Induktionen geschehen, doch ist eine solche Lösung mit großem Kostenaufwand verbunden.The purpose of the invention is, in the case of a circuit according to FIG. 1, without use a mechanical one Switching element during the self-excitation Outflow of the current part coming from the generator 11 and flowing through the current transformer 14 to prevent or at least greatly diminish, to the ability to self-excitement to improve the generator significantly. This could be done by enlarging it the permeability of the current transformer core with small inductions happen, but such a solution is associated with great expense.

Für die vorstehend geschilderten selbsterregten Drehstromgeneratoren, von denen die Fig. 1 ein Beispiel darstellt, wird der Erfindung gemäß vorgeschlagen, in die Phasen der Stromwandlerkreise zusätzliche Drosselspulen zu legen, die gegenüber dem Stromwandler eine große, etwa 200fache Induktivität bei den kleinen Spannungen bei Beginn der Selbsterregung haben, während diese Drosselspulen bei Generatornennspannung eine gegenüber dem Stromwandler kleine, etwa 0,001fache Induktivität aufweisen.For the self-excited three-phase generators described above, of which FIG. 1 is an example, it is proposed according to the invention, to place additional reactors in the phases of the current transformer circuits, the opposite the current transformer has a large, approximately 200-fold inductance for the low voltages at the start of self-excitation, while these reactors are at the nominal generator voltage have a small inductance compared to the current transformer, about 0.001 times the inductance.

Derartige Drosselspulen, wie z. B. in Fig. 2 die Drosselspule 15, bewirken, daß bei kleinen Spannungen am Generator die Spannung am Gleichrichter im wesentlichen nicht mehr durch das Verhältnis der Reaktanz der Drosselspule 12 zur Reaktanz des Stromwandlers 14 bestimmt wird, sondern daß die Generatorspannung fast vollständig am Gleichrichter 13 liegt.Such inductors, such as. B. in Fig. 2 the choke coil 15, cause that with low voltages on the generator the voltage on the rectifier essentially no longer through the ratio of the reactance of the choke coil 12 the reactance of the current transformer 14 is determined, but that the generator voltage is almost completely on the rectifier 13.

Nach Beendigung der Selbsterregung und bei Belastung des Generators werden die zusätzlichen Drosselspulen mit eingeprägtem Strom betrieben. Da die Drosselspulen im vorliegenden Fall nichtlineare Eisenkreise haben, treten an den Drosselklemmen jedesmal im Stromnulldurchgang Spannungsspitzen auf, die sich den Spannungen der Stromwandler überlagern. Bei geeigneter Auslegung der Drosselspulen erreichen diese Spannungen jedoch nicht den Scheitelwert der durch die Kommutierung der Gleichrichter auftretenden Spannungen. Es ist deshalb auch nicht nötig, die Zahl der Gleichrichterplatten deswegen zu vergrößern.After the end of self-excitation and when the generator is loaded the additional choke coils are operated with impressed current. Because the reactors in the present case have non-linear iron circles, occur at the choke clamps each time in the current zero crossing voltage peaks, which correspond to the voltages of the Overlay current transformers. With a suitable design of the choke coils, this can be achieved Voltages, however, do not have the peak value caused by the commutation of the rectifier occurring tensions. It is therefore not necessary to increase the number of rectifier plates therefore to enlarge.

Um diese Spannungsspitzen zu unterdrücken, wird vorgeschlagen, jeder zusätzlichen Drosselspule 15 einen Kondensator 16 zuzuordnen, der parallel zur Drosselspule 15 (Fig. 3) oder zwischen den Phasen (Fig. 4) liegt und dessen Blindleistungsaufnahme zum Beginn der Selbsterregung und bei Frequenzen unterhalb der Netzfrequenz etwa oder auch genau gleich groß ist wie diejenige der zugeordneten Drosselspule.In order to suppress these voltage spikes, it is suggested that everyone additional choke coil 15 to assign a capacitor 16, which is parallel to the choke coil 15 (Fig. 3) or between the phases (Fig. 4) and its reactive power consumption at the beginning of self-excitation and at frequencies below the mains frequency, for example or is exactly the same size as that of the associated choke coil.

Die Kondensatoren zwischen die Phasen zu legen ist möglich, da nur die verketteten Spannungen eine Wirkung nach außen haben. Die für ihre Auslegung maßgebende Scheitelspannung ist dabei ebenso groß wie bei den parallel geschalteten Drosselspulen, während die Wirkung der so geschalteten Kondensatoren jedoch bedeutend stärker ist. Die Kondensatoren werden vorzugsweise so ausgelegt, daß ihreBlindleistungsaufnahme zu Beginn der Selbsterregung und bei Frequenzen unterhalb der Netzfrequenz etwa oder auch genau gleich groß ist wie diejenige der zugeordneten Drosselspule. Der Gesamtwiderstand der Anordnung ist dann sehr groß.Placing the capacitors between the phases is possible because only the linked tensions have an external effect. The for their interpretation The decisive peak voltage is just as great as in the case of the parallel-connected ones Choke coils, while the effect of the capacitors connected in this way is significant is stronger. The capacitors are preferably designed so that their reactive power consumption at the beginning of self-excitation and at frequencies below the mains frequency, for example or is exactly the same size as that of the associated choke coil. Of the The total resistance of the arrangement is then very high.

Eine Weitere Einrichtung zur Begrenzung der Spannungsspitzen ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 5 jeder zusätzlichen Drosselspule 13 zwei gegensinnig arbeitende Trockengleichrichter 17 und 18 parallel geschaltet sind, und zwar mit einer Plattenzahl, daß der erforderliche Spannungsabfall an der Drosselspule 15 unterhalb der Schleusenspannung liegt. Die Unterdrückung induktiver Spannungsabfälle an den zusätzlichen Drosselspulen kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch dadurch er--reicht werden, daß gemäß Fig.6 die zusätzlichen Drosselspulen 15 mit Steuerwicklungen 19 zur Gleichstromvormagnetisierung nach beendeter Selbsterregung versehen werden, deren Durchflutung die jeweilige Wechselstromdurchflutung stets überwiegt.Another device for limiting the voltage peaks is according to the invention characterized in that, according to FIG. 5, each additional choke coil 13 has two dry rectifiers 17 and 18 operating in opposite directions are connected in parallel, with a number of plates that the required voltage drop across the reactor 15 is below the lock voltage. The suppression of inductive voltage drops on the additional choke coils can according to a further embodiment of the invention can also be achieved in that, according to FIG. 6, the additional choke coils 15 with control windings 19 for direct current bias after self-excitation has ended are provided, the flow of which always corresponds to the respective alternating current flow predominates.

Diese Gleichstromvormagnetisierung wird entweder durch den Erregerstrom der Synchronmaschine aufgebracht oder durch einen von der Generatorspannung gespeisten, über eine Gleichrichteranordnung 20 mit den Steuerwicklungen 19 verketteten Wechselstromkreis, der eine Drosselspule 21 mit Sättigungsknick in der Nähe der Nennspannung enthält. Dadurch wird erreicht, daß die Vormagnetisierung erst in der Nähe der Nennspannung einsetzt.This direct current bias is either caused by the excitation current applied to the synchronous machine or by one fed by the generator voltage, AC circuit interlinked with the control windings 19 via a rectifier arrangement 20, which contains a choke coil 21 with a saturation kink in the vicinity of the nominal voltage. This ensures that the pre-magnetization is only in the vicinity of the nominal voltage begins.

Falls der Generator eine Selbstregeleinrichtung hat, kann auch der Regelstrom dazu benutzt werden, um im Erfindungssinne auf die Steuerwicklungen der Drosselspulen zu wirken, wobei es notwendig ist, diese Einrichtung so zu gestalten, daß auch bei den kleinsten vorkommenden Steuerströmen eine genügend große Gleichstromdurchflutung vorhanden ist.If the generator has a self-regulating device, the Control current can be used in the sense of the invention on the control windings of the To act choke coils, whereby it is necessary to design this device in such a way that that even with the smallest control currents that occur, a sufficiently large direct current flow is available.

Benutzt man den Erregerstrom zum Sättigen der zusätzlichenDrosselspulen, so beginnt schon bald nach Einsetzen der Selbststeuerung die Vormagnetisierung. Um dies zu vermeiden, wird durch die Erfindung vorgeschlagen, den mit einem Trockengleichrichter versehenen Stromkreis der Steuerwicklungen über einen Shunt mit dem Erregerstromkreis des Generators zu verbinden, wobei dann der erforderliche Schwellwert durch geeignete Auslegung des Gleichrichters und des Shuntes zu bestimmen ist. Eine solche Schaltung ist in Fig. 7 dargestellt, worin 22 den Shunt und 23 den Gleichrichter darstellen.If the excitation current is used to saturate the additional choke coils, so the premagnetization begins soon after the self-control starts. To avoid this, the invention proposes that with a dry rectifier provided circuit of the control windings via a shunt with the excitation circuit of the generator to connect, then the required threshold by suitable Design of the rectifier and the shunt is to be determined. Such a circuit is shown in Fig. 7, where 22 is the shunt and 23 is the rectifier.

Da die zusätzlichen Drosselspulen während des Betriebes immer voll gesättigt sind, tritt in ihnen fast keine Flußänderung auf, und es werden in den Wicklungen nur sehr kleine Spannungen induziert. Die zusätzlichen Drosselspulen brauchen also nicht - um die Grundwellenspannung dem Gleichstromkreise fernzuhalten - getrennte magnetische Kreise haben. Um aber erforderlichenfalls die noch entstehenden Spannungen zu unterdrücken, können erfindungsgemäß, wie Fig. 8 zeigt, im Dreieck geschaltete Wicklungen 24 der Drosselspulen vorgesehen werden.Because the additional choke coils are always full during operation are saturated, almost no change in flux occurs in them, and there will be in the Windings only induce very small voltages. The additional reactors So do not need - to keep the fundamental wave voltage away from the DC circuits - have separate magnetic circles. But if necessary, the still emerging According to the invention, as shown in FIG. 8, stresses can be suppressed in a triangle switched windings 24 of the choke coils are provided.

Schließlich ist es auch möglich, bei allen vorher geschilderten Anordnungen mit zwei statt mit drei zusätzlichen Drosselspulen 15 auszukommen, indem man erfindungsgemäß diese beiden Drosselspulen in V-Schaltung nach Fig. 9 betreibt.Finally, it is also possible with all of the arrangements described above get by with two instead of three additional choke coils 15 by, according to the invention operates these two choke coils in a V circuit as shown in FIG.

Außer den angegebenen Beispielen für die Begrenzung der durch die Ummagnetisierung auftretenden Spannungsspitzen an den zusätzlichen Drosselspulen sind viele weitere Möglichkeiten der Ausführung durchführbar. Die Erfindung ist also auf die angegebenen Beispiele nicht beschränkt.In addition to the examples given for the limitation of the Magnetization reversal occurring voltage peaks at the additional choke coils many other implementation options are feasible. The invention is thus not limited to the examples given.

Des weiteren ist dieAnwendung der Erfindung nicht auf eine Schaltung nach Fig. 1 beschränkt. Sie kann vielmehr für alle Schaltungen angewendet werden, bei denen der Erregerstrom eines Synchrongenerators durch Überlagerung von Stromquellen zur Verfügung gestellt wird.Furthermore, the invention is not applicable to a circuit limited according to FIG. Rather, it can be used for all circuits where the excitation current of a synchronous generator is generated by superimposing current sources is made available.

Die für das Verhältnis der Induktivitäten angegebenen Werte von etwa 200 bzw. 0,001 gelten etwa bei der Verwendung von Mu-Metall für die zusätzlichen Drosselspulen und von üblichem Transformatorenblech für die Stromwandler. Die Werte können sich bei Verwendung anderer Werkstoffe erheblich ändern. Außerdem sind sie abhängig von der jeweils günstigsten Auslegung der Erregereinrichtung.The values given for the ratio of the inductances of approx 200 and 0.001 apply when using mu-metal for the additional ones Choke coils and the usual transformer sheet for the current transformers. The values can change considerably if other materials are used change. In addition, they are dependent on the most favorable design of the excitation device in each case.

Die genannte erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich zu einer Baueinheit zusammenfassen und so z. B. nachträLylich oder bei Bedarf einbauen.The above-mentioned device according to the invention can be converted into a structural unit summarize and so z. B. install later or if necessary.

Claims

P: A reNTANSPKCCHE: 1. Self-excited compounded three-phase generator, in particular synchronous generator with choke coils as a power source for the no-load excitation and current transformers as a power source for load excitation, characterized by additional Choke coils (15) in the phases of the current transformer circuits with opposite the current transformer (14) large, approximately 200-fold inductance at the beginning of self-excitation and opposite the current transformer is smaller, about 0.001 times the inductance at the nominal generator voltage (Figures 2 to 9).

2. Three-phase generator according to claim 1, characterized in that each additional choke coil (15) is assigned a capacitor (16) which runs in parallel to the choke (15) or between the phases and its reactive power consumption at the beginning of self-excitation and at frequencies below the mains frequency, for example or is exactly the same size as that of the associated throttle (Fig. 3 and 4).

3. Three-phase generator according to Claim 1, characterized in that each additional Choke coil (15) two oppositely working dry rectifiers (17, 18) in parallel are connected, with a number of plates that the voltage drop across the Choke coil (15) is below the lock voltage (Fig. 5).

4. Alternator according to claim 1, characterized in that the additional choke coils (15) Control windings (19) for direct current bias after self-excitation has ended whose flow always outweighs the respective alternating current flow (Fig. 6).

5. Three-phase generator according to Claim4, characterized by one of the Generator voltage fed via a rectifier arrangement (20) with the control windings (19) chained alternating current circuit, which has a choke coil (21) with saturation kink contains near the nominal voltage (Fig. 6).

6. Synchronous generator according to Claim4 with a self-regulating device, characterized in that the regulating current is on the control windings (19) of the choke coils (15) acts.

7. Three-phase generator according to Claim4, characterized in that the circuit of the control windings (19) containing a dry rectifier (23) is connected to the excitation circuit of the generator via a shunt (22), the required threshold value being suitably designed for the dry rectifier (23) and the Shuntes (22) is to be determined (Fig. 7). B. Three-phase generator according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the windings (24) of the individual phases of the additional choke coils (15) are connected in a triangle (Fig. 8). 9. Three-phase generator according to one of claims 1 to 8, characterized by two additional choke coils (15) in a Y-connection (Fig. 9). 10. Three-phase generator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the additional choke coils (15) are combined into a retrofittable structural unit. Documents considered: German Patent Specifications No. 145 446, 942 700. Older Patents considered: German Patent No. 1013 772.