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Schutzeinrichtung für ein umlaufendes elektrisches System Die Erfindung
bezieht sich auf ein umlaufendes, elektrische Leistung übertragendes System nach
Art der Stromzuleitung für die Erregung von bürstenlosen :Maschinen, deren Erregermaschine
unter Vermeidung von Kollektoren und Schleifringen zusammen mit der Maschine umläuft
und über Gleichrichter@die Erregerwicklung speist.
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Wenn derartige bürstenlose Wechselstrom-Synchronmaschinen, wie z.
B. Turbogeneratoren, im Dauerbetrieb arbeiten, so- sieht man Schutzelemente, z.
B. Sicherungen, gegen Überlast und Kurzschluß für die Gleichrichter vor. Wenn in
irgendeinem Stromkreis ein derartiger Fehler auftritt, genügt es dann, nur den zugeordneten
Gleichrichter durch die Schutzelemente abzuschalten, so daß die Erregung des Turbogenerators
in allerdings vermindertem Umfang noch weiter aufrechterhalten werden kann. Erst
wenn eine größere Anzahl von Gleichrichtern ausfallen sollte, müßte mit einem schnell
und leicht ansprechenden Gerät die Anzahl der abgeschalteten Gleichrichter feststellbar
sein. Es ließe sich danach leicht entscheiden, ob die Maschine bis zur nächsten
turnusmäßigen Revision weiter in Betrieb bleiben kann oder sofort stillgesetzt werden
muß, bevor die Erregung ganz ausfällt.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Bei der Erfindung geht
es vor allem darum, daß - unter an sich bekannter Zuordnung von Schutzelementen
gegen Überlast und Kurzschluß zu den Gleichrichtern und Befestigung der Schutzelemente
auf einem umlaufenden Teil des Systems - der Betriebszustand der Schutzelemente
bei laufender Maschine von außen her erkennbar ist. Eine Beobachtung des Betriebszustandes
der Sicherungen erlaubt dann weiterhin die Möglichkeiten, Maßnahmen zur selbsttätigen
Überwachung des Betriebszustandes der Schutzelemente vorzusehen und demgemäß selbsttätig
bei Ausfall einer bestimmten Anzahl derselben eine Abschaltung von Hand oder selbsttätig
vorzunehmen. Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß der Tragkörper für die Schutzelemente
und ihre Halterungen in Form eines auf der Welle befestigten Scheibenrades, einer
Walze od. dgl. ausgebildet ist oder einen Teil eines derartigen Rotationskörpers
darstellt.
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Es ist an sich bereits eine Trockengleichrichteranordnung für die
Erregung eines elektrischen Generators bekanntgeworden, bei dem der Erregergleichstrom
über Trockengleichrichter aus einer Wechselstromquelle entnommen wird und die Trockengleichrichter
mit der Maschinenwelle des elektrischen Generators umlaufen und gegebenenfalls an
scheibenförmigen Tragkörpern gehaltert sind. Bei dieser bekannten Anordnung geht
es aber vor allem lediglich darum, die Gleichrichter so unterzubringen, daß eine
ausreichende Kühlung derselben gewährleistet ist, während an irgendwelche Schutzelemente
gegen Überlast und Kurzschluß für die Gleichrichter nicht gedacht ist und demgemäß
auch keine Möglichkeiten für Halterungen für solche Schutzelemente in Betracht kommen.
Wie erwähnt, beschäftigt sich die Erfindung mit einem anderen Problem, nämlich abgesehen
vom zusätzlichen Anbringen von Schutzelementen diese in von außen beobachtungsfähiger
Weise anzuordnen. Dementsprechend werden erfindungsgemäß in einer Weise, die bei
laufender Maschine ihre Überwachung von außen her sicherstellt, die Schutzelemente
an Tragkörpern in Form von Scheibenrädern, Walzen od. dgl. gehaltert.
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Auf diese Weise wird eine leichte Zugänglichkeit zu den Schutzelementen
bewerkstelligt, so daß ein Auswechseln derselben jederzeit stattfinden kann. Auch
gestattet eine derartige Anordnung, jederzeit die Schutzelemente zu beobachten,
um ihren Betriebszustand zu überprüfen, so daß leicht festgestellt werden kann,
welche und wieviele Gleichrichter im Erregerkreis etwa abgeschaltet worden sind.
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Für die Gleichrichter einerseits und die Schutzelemente andererseits
kann ein gemeinsamer Tragkörper vorgesehen sein. Jedem einzelnen Gleichrichterelement
oder zumindest jeweils einer Gruppe von wenigen Gleichrichterelementen ist mit Vorteil
ein Schutzelement zugeordnet. Als Schutzelemente können in an sich bekannter Weise
Sicherungen, vorzugsweise Schmelzsicherungen, mit im Tragkörper befindlichen Halterungen
verwendet werden. Bei Verwendung von Sicherungen können diese mit Vorteil innerhalb
von
Durchbrüchen gehaltert sein, die sich in einem Scheibenrad od.
dgl. konzentrisch zur Welle befinden.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist als Beispiel das Erregungssystem
eines bürstenlosen Wechselstrom-Turbogenerators gezeigt. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf die Anwendung bei Turbogeneratoren beschränkt, sondern ist allgemein für
bürstenlose Synchronmaschinen oder, im erweiterten Sinne, für jedes umlaufende elektrische
System verwendbar, das Schutzeinrichtungen auf dem umlaufenden Teil benötigt.
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Fig. 1 ist eine Gesamtansicht des als Beispiel gewählten Erregungssystems
für einen Turbogenerator; Fig. 2 zeigt einen schematischen Schaltplan der Einrichtung;
Fig. 3 ist eine Teilansicht des die Sicherungen aufnehmenden Tragkörpers aus der
Fig. 1; Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3; Fig. 5 zeigt
einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 3, und Fig. 6 zeigt eine Teilansicht eines
anderen Beispiels der Erfindung.
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In der dargestellten Ausführung der Erfindung (Fig. 1) haben ein Turbogenerator
2 und eine Wechselstrom-Erregermaschine 4 eine gemeinsame Welle 6, die auch die
Kupplungsteile für den Antrieb des Turbogenerators 2 enthält. Ein Tragkörper mit
der Gleichrichteranordnung 8 und ein Tragkörper 10 für die Sicherungen, ebenfalls
auf der gemeinsamen Welle 6 des Erregers 4 und des Turbogenerators 2 befestigt,
vervollständigen das Ausführungsbeispiel.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, hat der Turbogenerator 2 im Läufer eine Gleichstrom-Feldwicklung
22 und im Ständer eine Dreiphasenwicklung 18. Die Wechselstrom-Erregermaschine 4
hat eine dreiphasige Wicklung 20 im Läufer und eine Gleichstrom-Feldwicklung 16
im Ständer. Für die Gleichstromerregung der Erregermaschine 4 können die üblichen
Mittel, wie z. B. eine angebaute Maschine mit Permanentmagneten verwendet werden.
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Die umlaufende Gleichrichteranordnung 8 in Drehstrom-Brückenschaltung
enthält eine Vielzahl von Gleichrichterelementen 26, vorzugsweise Siliziumgleichrichter,
und dient der Gleichrichtung des in der dreiphasigen Läuferwicklung 20 erzeugten
Stromes zur Speisung der Feldwicklung 22. An Stelle der Siliziunlgleichrichter können
natürlich auch andere Gleichrichter verwendet werden. Der Aufbau der Gleichrichteranordnung
8 kann beliebig sein. Der erfindungsgemäße Aufbau vervollständigt die bekannte,
grundsätzliche Anordnung bei bürstenlosen Synchron-41 Wie bereits festgestellt,
ist wegen der Möglichkeit, daß einzelne Gleichrichter 26 ausfallen, bei einer derartigen
Anwendung eine Schutzeinrichtung notwendig oder zumindest erwünscht, die überlastete
oder schadhafte Gleichrichter 26 abschaltet. Bei einer Abschaltung von Gleichrichtern
müssen die übrigen die gesamte Belastung übernehmen. Ina allgemeinen wird in jeder
Phase eine größere Zahl von Gleichrichtern angeordnet sein, so daß bei Versagen
.eines einzelnen oder einiger weniger Gleichrichter die übrigen die Belastung für
eine gewisse Zeit übernehmen können. Wenn die in einem Zweig oder einer Phase liegenden
Cleichrichter überlastet werden, wird dieser bzw. diese aus dem Erregerkreis abgeschaltet,
und die übrigen Zweige oder Phasen übernehmen :die gesamte Belastung. Gemäß der
Erfindung ist diese Schutzeinrichtung in dem Tragkörper 10 untergebracht. Die Sicherungen
sind für eine bestimmte Überlast und eine bestimmte Zahl von Gleichrichtern, deren
Schutz sie übernehmen sollen, bemessen.
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Die Sicherungsanordnung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Jedes
Sicherungselement 30 ist mit einem Gleichrichterelement 26 in Reihe geschaltet.
Parallel zu jeder Sicherung 30 ist ein Mittel zur sichtbaren Anzeige des Betriebszustandes
jedes einzelnen Gleichrichters 30 geschaltet. Dieses Mittel ist in Fig. 2 als Lampe
32 dargestellt, obgleich, wie später beschrieben wird, die Erfindung auch andere
Mittel zur Erzielung einer sichtbaren Anzeige des Betriebszustandes jedes Gleichrichterelementes
30 verwendet.
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Der Tragkörper 10, in den die Sicherungen eingesetzt sind, ist auf
der Welle 6 befestigt und elektrisch in den Erregerkreis des bürstenlosen Turbogenerator
zum Schutz der Gleichrichter 26 der Gleichrichteranordnung 8 geschaltet. Die Gleichrichter
30 und die Anzeigemittel 32 sind auf dem Tragkörper 10 in der in F ig. 3 und 4 gezeigten
Art befestigt.
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Eine Anzahl von Sicherungen 30 ist in ein Scheibenrad 34 eingesetzt
und konzentrisch zur Welle 6 angeordnet, auf der das Scheibenrad 34 befestigt ist.
Das Scheibenrad ist vorteilhaft massiv aus nicht magnetischem Stahl oder aus einem
anderen Material hergestellt, das den an ihm auftretenden Fliehkräften standhalten
kann. Eine Anzahl von axialen Durchbrüchen 36 in dem Scheibenrad 34 nimmt die einzelnen
Sicherungen 30 auf. Die Sicherungen 30 sind in den Durchbrüchen mit Hilfe von kreisförmigen,
im Inneren an jedem Durchbruch befindlichen Ansätzen gelagert. Jeder Durchbruch
36 ist durch eine exzentrische Bohrung 40 erweitert, wodurch ein ausreichender Sicherheitsabstand
und ausreichende Kriechwege von den Sicherungs-Anschlußstücken 44 her sichergestellt
ist. Beide Seiten des Scheibenrades 34 haben eine Abstufung 42, die konzentrisch
zur `'Felle 6 verläuft, wodurch das Gewicht des Tragkörpers 10 vermindert und ferner
auch der elektrische Sicherheitsabstand verbessert wird.
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Das Scheibenrad 34 hat auf jeder Seite am Umfang einen ringförmigen
Flansch 48 mit einer Aussparung 50 und einer zweiten größeren Aussparung 52. Ein
Isolierring 54 ist konzentrisch zur Welle 6, abschließend mit der ersten Aussparung
50, auf jeder Seite des Scheibenrades befestigt und hat eine Reihe von Bohrungen
56, die über die Ringfläche verteilt sind, für die Sicherungen 30. Die Bohrungen
56 sind größer als die Sicherungen 30 und exzentrisch zu ihnen angebracht. Sie nehmen
die Sicherungsfassungen 58 mit den Zuleitungen 72 auf. Jede Fassung 58 nimmt das
jeweilige Anschlußstück44 der Sicherung 30 auf. Die kreisförmige Abstufung 42 und
die dazu exzentrische Bohrung 40 liefern ausreichende Kriechwege zwischen der Scheibe
34 und der Fassung 58. Ein zweiter Isolierring 62, mit zu den Sicherungen 30 ebenfalls
exzentrischen Bohrungen 56 liegt auf dem ersten Isolierring 54 auf und schließt
radial ebenfalls mit der Aussparung 50 ab. Der bolzenförmige Sockel 58 mit einer
exzentrischen Bohrung 6, in die das Anschlußstück 44 eizugesetzt ist, steckt in
den Bohrungen 56 der Isolierringe 54 und 62.
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Die Fassungen 58 sind zumindest einmal von der schmalen Stelle 59
aus über den ganzen Querschnitt und einmal, um 90' dazu versetzt, nur teilweise
gespalten, wie bei 61 in Fib 3 .gezeigt, damit sie federnd an ihrem Platz festsitzen
und das Sicherungs-Anschlußstück 44 festhalten.
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Die mit Isolierschlauch74 umhüllten Zuleitungen72 sind in radiale,
im zweiten Isolierring 62 angebrachte
Schlitze 63 eingepaßt.
Wenn die Fassungen 58, die die Sicherungen 30 aufnehmen, erst einmal eingesetzt
sind, können sie sich nicht mehr axial verschieben. Eine federnde Klammer 70, die
am Boden der Fassung 58 angelötet oder in anderer Weise befestigt und zwischen Anschlußstück
44 und Fassung 58 eingesetzt ist, bewirkt eine federnde Halterung für jede Sicherung
30. Sie nimmt Schwingungen, die von der Fassung 58 auf die Sicherungen 30 übertragen
werden können, auf oder dämpft sie. Natürlich können auch andere federnde Mittel
verwendet werden. Der schmale Teil 59 z. B. kann axial verlängert und hakenförmig
ähnlich der Form der Klammer 70 gebogen sein, um einen elastischen Sitz der Sicherung
zu erzielen.
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Die Isolierringe 54 und 62 sind an einer Axialbe--%vegung durch einen
koaxial zur Welle 6 angeordneten Ring 67 gehindert, der durch Schrauben 66 mit Unterlegscheiben
64 gesichert ist. Der Ring 67 greift über den zweiten Isolierring 62, und die Schraube
66 ist in das Scheibenrad 34 eingeschraubt, wie aus Fig. 5 zu erkennen ist. In ähnlicher
Art wie durch die Schrauben 66 sind durch zusätzliche Schrauben 68 kleineren Durchmessers,
jedoch konzentrisch zur Welle 6, die Isolierringe 54 und 62 an dem Scheibenrad 34
befestigt.
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Es wird also jede Sicherung 30 sicher in den Öffnungen 36 gehalten,
während gleichzeitig ausreichende Kriechwege zwischen den Anschlußstücken 44 und
dem Scheibenrad 34 bestehen. Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zu jedem
Ende der Sicherungselemente 30 ist die Zuleitung 72, die in der Fassung 58 endet
und von einem Isolierschlauch 74 umgeben ist, zwischen den beiden Isolierringen
54 und 62 hindurchgeführt. Nach Austritt aus dem Isolierschlauch 74 werden die Zuleitungen
72 durch Befestigungsmittel, z. B. mit einer Schnur 80 auf einer Isolierbuchse 78
festgebunden, die auf der Welle 6 befestigt ist. Die Isolierbuchse greift in eine
Nut des Scheibenrades 34 ein und isoliert die Zuleitungen 72 . von der Welle 6.
Die Zuleitungen 72 stellen die Verbindung jeder Sicherung einerseits mit der Gleichrichteranordnung
8 und andererseits mit den von der Dreiphasenwicklung 20 kommenden Leitung 21 her.
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In Fig. 2 ist jedem Gleichrichter 26 eine Sicherung 30 zugeordnet.
Es kann jedoch auch irgendeine andere Anordnung von Sicherungen zum Schutz eines
einzelnen Gleichrichterelementes oder einer Gruppe von zusammengeschalteten Gleichrichterelementen
verwendet werden. Zur Erklärung sei angenommen, daß eine beliebige Zahl von Gleichrichterelementen
auf dem Tragkörper 8 befestigt ist. Dann kann der Tragkörper 10 nach Wunsch je eine
Sicherung zum Schutz eines einzelnen Gleichrichters oder einer Gleichrichtergruppe,
z. B. einer Gruppe je Phase, enthalten.
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Wie früher erläutert, wird eine Einrichtung für die Beobachtung des
Betriebszustandes der Sicherungen 30 bei umlaufendem Tragkörper 10 gewünscht. Es
sind also Mittel zur Bestimmung der Zahl von Gleichrichterelementen, die noch in
Betrieb und noch in den Erregerkreis des Turbogenerators 2 eingeschaltet sind, erforderlich.
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Die einfachste Art, eine optische Anzeige des Betriebszustandes jeder
einzelnen Sicherung zu erhalten, ergibt sich durch Anordnung eines Schlitzes 38
in der :Mantelfläche des Scheibenrades 34, der sich bis unter die Sicherungen 30
erstreckt und die Sicht auf jeden Sicherungskörper 31 freigibt. Die Grundfläche
des Schlitzes 38 ist weiß gestrichen. Wird eine Sicherung mit durchsichtigem Körper
zusammen mit einer geeigneten stroboskopisehen Abtasteinrichtung gebräuchlicher
Ausführung verwendet, so kann eine durchgeschlagene Sicherung während des Laufes
der Einrichtung durch die Schwarzfärbung, die sich vom hellen, weißgestrichenen
Grund des Schlitzes 38 abhebt, festgestellt werden.
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Eine andere Einrichtung, eine ausgefallene Sicherung festzustellen,
ist in Fig.4 dargestellt. Ein verhältnismäßig dünner Schmelzdraht 82 ist parallel
zu jeder Sicherung 30 angeordnet. Die elektrische Verbindung jedes Schmelzdrahtes
82 zur Sicherung 30 wird durch die Leiter 84 hergestellt, die elektrische Kontakte
mit der Fassung 58 an jedem Ende der Sicherung 30 haben. Jeder Leiter 84 ist durch
eine Isolierhülse 86, die zwischen den Isolierringen 54 und 62 hindurchgeführt ist,
von dem Scheibenrad 34 isoliert. Wenn eine Sicherung 30 durchbrennt, schmilzt auch
der Schmelzdraht 82. Der unterbrochene Schmelzdraht 82 kann leicht sichtbar gemacht
werden durch Verwendung eines mit stroboskopischem Lichtstrahl oder magnetisch arbeitenden
Gerätes, das jeden Schmelzdraht 82 abtastet, wenn der Tragkörper 10 in Betrieb ist.
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Eine weitere Einrichtung, den Betriebszustand einer jeden Sicherung
30 zu beobachten, zeigt Fig. 6. An Stelle des dünnen Schmelzdrahtes 82 (Fig. 4 und
5) ist eine Anzeigelampe 88 eingesetzt. Sie ist in geeigneter Weise, z. B. durch
die Befestigungsarme 90, befestigt. Jede Anzeigelampe 88 ist parallel zu einer Sicherung
30 geschaltet und elektrisch in derselben Art wie der oben beschriebene Schmelzdraht
mit der Fassung verbunden. Wenn eine bestimmte Sicherung 30 angesprochen hat, leuchtet
die Lampe 88 und gibt dadurch ein optisches Signal zur Bestimmung, wieviel Gleichrichterelemente
26 ausgefallen und aus dem Erregerstromkreis abgeschaltet sind. Dazu kann-wiederum
ein stroboskopisch arbeitendes oder ein anderes geeignetes Gerät zur Beobachtung
der Anzeigelampe verwendet werden. Erfindungsgemäß ist also eine Einrichtung zum
Schutz der im Erregerstromkreis eines bürstenlosen Turbogenerators verwendeten Gleichrichteranordnung
geschaffen. Der Tragkörper 10 enthält Mittel für die Abschaltung eines jeden ausgefallenen
Gleichrichterelementes. Auf diese Weise kann die Erregung des Turbogenerators 2
aufrechterhalten werden. Wenn eine zu große Zahl von Gleichrichterelementen 26 ausfallen
sollte, wodurch die Gleichrichteranordnung 8 überlastet werden könnte, so kann zusätzlich
eine Vorwarneinrichtung vorgesehen werden, die ein optisches oder akustisches Signal
gibt.
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Ein abnehmbares Blechgehäuse mit Luftlöchern für eine kräftige Kühlung
kann den Tragkörper 10 für die Sicherungen und, falls gewünscht, die Gleichrichteranordnung
8 abdecken. Solch eine Abdeckung ist mit Schaugläsern auszurüsten, sowohl für die
Überwachung der Sicherungen oder ihrer Anzeigevorrichtungen als auch für andere
Überwachungszwecke.
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Vorstehende Ausführungsbeispiele können im Rahmen der Erfindung in
mannigfacher Weise abgewandelt werden, ohne dadurch vom eigentlichen Erfindungsgedanken
abzuweichen.