-
Anordnung zur Messung des Erregerstromes in umlaufenden Wicklungen
elektrischer Maschinen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des Erregerstromes
in umlaufenden Wicklungen elektrischer Maschinen, insbesondere Synchronmaschinen,
deren Erregerwicklungen über mitumlaufende Gleichrichterelemente vom Anker einer
am Wellenstrang mitangeschlossenen Wechselstromerregermaschine erregt werden und
wobei ein vom Erregerstrom abhängig erregtes Feldsystem, z. B. durch die Erregerstromleitungsführung
im Wellenstrang selbst gebildet, in einem Meßwicklungen tragenden Ständer ezegerstromproportionale
Spannungen induziert.
-
Zur Bestimmung und Vorausbestimmung des Verhaltens elektrischer Maschinen
bei Steuer- und Regelungsanforderungen ist es unerläßlich, über den jeweiligen augenblicklichen
inneren Zustand der Maschine Bescheid zu wissen, d. h., es ist erforderlich, die
wichtigen Größen innerhalb der Maschine, z. B. den Erregerstrom oder die Erregerspannung,
zu messen. Solange solche Maschinen Schleifringe oder Kommutatoren aufwiesen, war
solch ein Meßvorgang relativ einfach. Mit Schwierigkeiten ist jedoch eine solche
Messung bei modernen Synchronmaschinen verbunden, die mehr und mehr schleifringlos
erregt werden und bei denen eine galvanische Meßaufnahme also nicht möglich ist.
-
Es ist bekannt, zur Messung der elektrischen Größen des Erregerkreises,
der Erregerspannung oder insbesondere des Erregerstromes den umlaufenden Teil einer
solchen Maschine mit einem besonderen Feldsystem zu versehen, das in Abhängigkeit
der zu messenden Größen in besonderen Hilfswicklungen des feststehenden Ständers
dazu proportionale Spannungen erzeugt (deutsche Auslegeschrift 1 080221).
-
Bekannt ist weiterhin, ein solches geschildertes Feldsystem z. B.
auch auf der Läuferwelle auszubilden. Eine vorteilhafte Möglichkeit besteht beispielsweise
dann darin, die sowieso dort entlangführenden Erregerstromleitungen so anzuordnen
und auszulegen, daß die Läuferwelle an bestimmten Stellen in polkörperartig wirkende
Teile gegliedert wird. Durch die besondere Leitungsführung kann man dann direkt
die Durchflutung für das so gebildete Feldpolsystem einer induktiven Meßwertübertragungseinrichtung
erzeugen (deutsche Auslegeschrift 1140 283).
-
Mit solchermaßen aufgebauten, induktiv wirkenden Meßeinrichtungen
können zwar relativ konstante Erregerströme recht gut gemessen werden, sie haben
jedoch den gewichtigen Nachteil, bestimmte Betriebsphasen, wie sie beim modernen
Generatorbetrieb auftreten können bzw. erforderlich sind, nicht oder nicht richtig
zu erfassen.
-
Dazu ist zunächst einmal zu bemerken, daß die an den Meßwicklungen
erhaltenen Meßspannungen sich allgemein aus Mischfrequenzen zusammensetzen, aus
Grund- oder Trägerfrequenz - gegeben durch Polpaarzahl und mechanische Winkelfrequenz
- und Modulierfrequenz, erhalten durch den Erregerstrom. Daraus ist auch ersichtlich,
daß z. B. schon Störungen auftreten, wenn der zu messende Erregerstrom auf Grund
besonderer Ereignisse schnelle Änderungen aufweist mit Frequenzen, die nicht mehr
wesentlich kleiner als die der Trägerfrequenz sind, also keinen definierten Abstand
von ihr aufweisen.
-
Besonders deutlich wird aber der bisherige Mangel, wenn der zu messende
Erregerstrom außer positiven Werten oder Nullwerten auch negative Werte annehmen
kann bzw. in besonderen Fällen soll. Ein solcher Betriebszustand wird beispielsweise
bei der modernen Schnellentregung mit Gegenspannung für Synchrongeneratoren höchster
Leistung kurzfristig gefordert. Schnellentregung mittels kurzfristig umpolarisierten
Erregerstromes wird durch unmittelbares Umpolen der Erregermaschine erzielt oder
bei den modernen Drehstromerregermaschinen mit mitumlaufen den, steuerbaren Halbleiterventilen
durch Umsteuerung der doppelt vorhandenen Ventile erwirkt. In allen Fällen ist die
genaue Stromgabe wesentlich, die exakte Messungen unumgänglich macht.
-
Auch für den sogenannten »Ladebetrieb« des Generators im untererregten
Bereich, wie er bei stärkerer kapazitiver Belastung, z. B. bei nächtlicher in-
duktiver
Entlastung unter bestimmten Voraussetzungen entstehen kann, ist es wichtig, die
Generatorerregung zur Spannungshaltung genau einzustellen und zu regeln, d. h. zu
vermindern, unter Umständen sogar unter Null durch Umpolung hinausgehen zu lassen.
-
Diese Beispiele lassen erkennen, wie wesentlich für eindeutige Steuer-
und Regelbefehle. richtige, d. h. auch phasenrichtige, Messungen des Erregerstromes
sind, die mit den bisher bekannten geschilderten Meßeinrichtungen nicht durchgeführt
werden konnten.
-
Die Erfindung bezieht sich nun auf eine vorteilhafte Verbesserung
an im Prinzip an sich bekannten Meßübertragungseinrichtungen für elektrische Maschinen,
z. B. Turbogeneratoren, mit Gleichstromerregung mittels umlaufender Halbleiterventile.
-
Durch die Erfindung wird in einfacher Weise der wesentliche bisherige
Mangel an phasenrichtiger Messung ausgeschaltet, und es können eindeutige Meßergebnisse
für exakte Steuer- und Regelungsbefehle erzielt werden.
-
Das wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß den Meßwicklungen
ein Diskriminator nachgeschaltet ist, der als phasensensitives Glied eine zusätzliche,
von der Stellung des Maschinenläufers abhängige periodische Größe erhält und durch
Phasenvergleich bzw. phasenrichtige Gleichrichtung dem gemessenen Betrag eine eindeutige
Richtung zuordnet.
-
In Ausgestaltung der Erfindung besteht der Diskriminator aus einem
Komparator mit synchrongesteuerter Kippstufe, wobei die Richtungszuweisung zum Meßbetrag
im Komparator durch phasenrichtige Gleichrichtung erfolgt. Auch andere Diskriminatorformen
sind denkbar, z. B. indem der Diskriminator aus einer Multiplikatorstufe besteht
und die Richtungszuweisung zum Meßbetrag durch Multiplikation erfolgt. Seine synchronisierende,
periodische Größe erhält der Diskriminator in weiterer Ausgestaltung über eine permanentmagnetische
Hilfswicklungsanordnung oder eine fotoelektrische Abtasteinrichtung, wobei die Größe
drehwinkelverhältig von der Läuferwelle abgeleitet wird. Dazu können die Permanentmagnete
in bestimmtem Drehwinkelabstand auf der rotierenden Läuferwelle und die zugehörigen
Wicklungen stationär in einem Ständerteil der Maschine angeordnet sein, oder es
werden die in bestimmtem Drehwinkelabstand aufgebrachten Meßmarken auf der rotierenden
Läuferwelle von einer stationären, fotoelektrischen Abtasteinrichtung abgetastet
und in Impulsgrößen umgesetzt. Nach einem weiteren Erfindungsgedanken werden die
abgeleiteten periodischen Synchronisiergrößen vor Aufschaltung auf den Diskriminator
Impulsformer- bzw. Filterstufen zugeführt. Für den Fall, daß der Multiplikatorstufe
ein Komparator zugeordnet werden muß. wird die gleichgerichtete Meßspannung je nach
Polarität direkt oder über einen Umkehrverstärker angezeigt. Erhält die Multiplikatorstufe
die synchronisierende Größe als gefilterte Grundwelle oder geformte Rechteckschwingung,
so wird der Meßbetrag am Ausgang direkt vorzeichenrichtig ausgewiesen werden Mittels
einer dieser verbesserten Anordnungen nach der Erfindung kann den Betriebsanforderungen
moderner Synchrongeneratoren vollgültig Rechnung getragen werden.
-
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den
Ansprüchen, der Zeichnung
und der Beschreibung hervor.
-
An Hand der schematisierenden Zeichnung soll im folgenden das Prinzip
der Erfindung erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine Schaltungsanordnung nach
der Erfindung in Blockbilddarstellung für die Meßauswertung mit Hilfe einer Kippstufe,
F i g. 2 a bis 2 e Spannungsverläufe an verschiedenen Meßpunkten der in Fig. 1 dargestellten
Schaltungsanordnung, F i g. 3 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung in Blockbilddarstellung
für die Meßauswertung mit Hilfe einer Multiplikatorstufe, F i g. 4 a bis 4 d Spannungsverläufe
an verschiedenen Meßpunkten der in F i g. 3 dargestellten Schaltungsanordnung.
-
In F i g. 1 stellen 1 und 2 verschiedene Ebenen ein und derselben
Läuferwelle eines Turbogenerators dar. In diese Welle 1/2 sind, wie aus der Ebene
1 hervorgeht, in z. B. diametral gegenüberliegenden Nutenpaaren 3 Erregerstromzuleitungen
4 eingelegt, die zu den nicht näher dargestellten Feldwicklungen der Maschine führen.
Nach der in üblicher Weise durch Kreuz oder Punkt gekennzeichneten Stromrichtung
innerhalb der Erregerstromzuleitungen 4 würden sich die Polköpfe - wie angedeutet
- als Nord- und Südpole ausbilden. 6 deutet eine reguläre Meßwicklung an, die als
Einzelspule angeordnet oder auch als Durchmesserspule über den Umfang eines die
Läuferwelle 1/2 - um Ebene 1 herum - umgebenden stationären Ständerkörpers aufgebracht
sein kann.
-
Eine Hilfswicklungsanordnung 7 im nicht näher dargestellten Ständer
der Maschine arbeitet im Bereich der Ebene 2 mit auf die Läuferwelle 1/2 aufgebrachten
Permanentmagneten 8 zusammen. Statt Permanentmagneten können, so sei hier vermerkt,
in gleichartiger Weise auch Meßmarken angeordnet sein, die dann ihrerseits fotoelektrische
Aufnehmer an Stelle der Hilfswicklungsanordnung 7 beeinflussen.
-
Mit 9 ist ein Komparator bezeichnet, der als Diskriminatorglied einerseits
von der Meßwicklung 6 und andererseits über eine Impulsformerstufe 10 und eine Kippstufe
11 von der Hilfswicklungsanordnung 7 beaufschlagt wird. 12 deutet die Meßwertausgabe
an.
-
Rotiert die Läuferwelle 1/2, so wird entsprechend dem Erregerstrom
in den Zuleitungen 4 eine Spannung in der Meßwicklung 6 induziert, die an den Klemmen
der Wicklung 6 in der nach F i g. 2 a aufgezeigten vereinfachten Form auftritt.
Gleichzeitig werden an den Klemmen der Wicklung 7 Impulse entsprechend der F i g.
2 b auftreten, die nach der Impulsformung in der Impulsformerstufe 10 eine Form
nach F i g. 2 c aufweisen. Diese Impulse steuern eine Kippstufe 11, wodurch eine
Rechteckspannung nach Fig. 2d erzielt wird. Die Meßspannung von Meßwicklung 6 (F
i g. 2 a) und die Hilfsspannung, abgeleitet von Hilfswicklung 7 (F i g. 2d), werden
dem Komparator 9 getrennt zugeleitet, und mit Hilfe der Rechteckimpulse (Fig. 2d)
wird die jeweils richtige Halbwelle der Meßspannung herausgeschnitten. Am Ausgang
des Komparators 9 erscheint eine Spannung entsprechend F i g. 2 a mit in diesem
Falle rein positivem Verlauf.
-
Kehrt sich der Verlauf des Erregerstromes um, so werden die Spannungsverläufe
nach den F i g. 2 a und
2e umgekehrt. Die Verläufe nach den Fig.
2 b bis 2d bleiben unverändert.
-
F i g. 3 zeigt eine etwas veränderte Meßanordnung nach der Erfindung,
bei der die Meßergebnisauswertung in einem Multiplizierglied erfolgt.
-
Auch hier wird - entsprechend der Fig. 1 -der Erregerstrom innerhalb
der Zuleitungen 4 in proportionale Spannung in der Wicklung 6 mit einem Verlauf
gemäß F i g. 4 a umgesetzt. Ein auf der Ebene 2 der Läuferwelle 1/2 befindliches
permanentmagnetisch oder elektrisch erregtes Hilfsfeldsystem, angedeutet durch die
Polkappen 13, induziert in einer Hilfswicklung 14, die als Durchmesserwicklung ausgeführt
sein kann, eine Spannung, die etwa einen Verlauf nach Fig. 4b nehmen kann. Je nach
Ausgestaltung dieses Systems werden dabei die Grundwelle und mehr oder weniger kräftige
Oberwellen die Form bestimmen. Meßspannung und Hilfsspannung werden einem Multiplikator
15 zugeführt, der eine Produktenspannung nach F i g. 4 c liefert, die im Mittelwert
eindeutig die Richtung des zu messenden Stromes angibt. Nach Gleichrichtung der
Meßspannung im Gleichrichtersatz 16 wird diese Meßspannung einem Komparator 17 mechanischer
oder elektronischer Art zugeführt und von diesem entweder direkt mit positivem oder
über einen Umkehrverstärker mit negativem Vorzeichen bei 18 ausgegeben (Fig. 4d).
-
Eine weitere Vereinfachung der zuletzt beschriebenen Anordnung gemäß
der Erfindung kann beispielsweise noch dadurch erzielt werden, daß die an den Klemmen
der Hilfswicklung 14 auftretende Spannung auf eine Spannung reiner Grundwellen-oder
Rechteckform zurückgeführt bzw. umgeformt wird. Der Multiplikator 15 gibt dann direkt
ein vorzeichenrichtiges Maß des Erregerstromes in den Zuleitungen 4; Gleichrichtersatz
16 und Komparator 17 werden dann entbehrlich.