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Einrichtung zur Überwachung des Gleichstromkreises von elektrischen
Maschinen, der über mit der Maschinenwelle umlaufende Stromrichter gespeist wird
Bei elektrischen Maschinen, deren Gleichstromkreise über mit der Maschinenwelle
umlaufende Stromrichter gespeist werden, werden die Gleichstromausgänge der einzelnen
Stromrichter an Stromsammelringe gelegt, so daß diese Sammelringe den Gesamtstrom
führen. Es ist bekannt, hinter den Sammelringen ein zweipoliges Meßblechpaket anzuordnen
und über dieses Meßblechpaket mittels induktiver Meßsonden den gesamten Gleichstrom
zu messen.
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Eine derartige Meßeinrichtung erlaubt Aussagen über die Gesamtbelastung
des Gleichstromkreises, die etwa zur Leistungsregelung der Maschine herangezogen
werden können. Eine Aussage über die Belastung der einzelnen rotierenden Stromrichter
sowie eine Messung des Gesamtstromes vor den Sammelringen ist jedoch mit dieser
Meßeinrichtung nicht möglich.
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Ein wichtiges Anwendungsgebiet umlaufender Stromrichter stellen die
sogenannten kollektorlosen Erregermaschinen dar, wie sie beispielsweise zur Erregung
von Turbomaschinen verwendet werden. Hierbei ist die Erregermaschine eine Drehstrommaschine,
die über rotierende Stromrichter die Erregerwicklung eines Drehstromgenerators mit
Erregergleichstrom speist.
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Zur Gewährleistung eines einwandfreien Betriebes und zur Verhütung
von Schäden an den Stromrichtern infolge Stromüberlastung ist zu der bekannten Gesamtstrommessung
eine Ortung von schadhaften Stromrichtern während des Betriebes der Maschine, sowie
eine Messung der Ströme in den einzelnen Stromrichtern notwendig.
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Es ist bekannt, daß Stromrichter auf Halbleiterbasis bei Parallelbetrieb
eine unterschiedliche Stromverteilung aufweisen, die durch unterschiedliche Charakteristiken
der Stromrichter selbst, die auch bei sorgfältigster Fertigung nicht ausgeschaltet
werden können, bedingt sind. Extrem große Unterschiede der Strombelastung können
zwar durch eine sorgfältige Auswahl geeigneter Stromrichter verhindert werden, dennoch
ist es nicht zu vermeiden, daß die Stromwerte in den ausgesuchten Stromrichtern
im Parallelbetrieb bis zu 10 bis 20 o schwanken. Hierbei ergibt sich zwangläufig,
daß gerade der Stromrichter die größte Erwärmung aufweist, der den höchsten Strom
führt Es wurde deshalb vorgeschlagen, mit den Stromrichtern Schmelzsicherungen in
Reihe zu schalten, die bei defektem Stromrichter eine selektive Ausschaltung des
fehlerhaften Stromrichterelementes ermöglichen.
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Die restlichen Stromrichter müssen bei Ausfall eines Elementes allerdings
dann einen entsprechend höheren Strom übernehmen. Sie sind also in der Folge
bevorzugt
gefährdet. Es ist durchaus möglich, daß infolge der erhöhten Belastung immer mehr
Stromrichter zu Schaden kommen, so daß die gesamte Maschine ausfällt. Man kann sich
zunächst gegen solche Schäden durch eine reichliche Anzahl von Stromrichtern schützen.
Da man jedoch mit der induktiven Gesamtstrommessung des Gleichstromkreises keine
verläßliche Aussage über die Belastung der einzelnen Stromrichterelemente erhält,
ist es dennoch möglich, daß die Maschine ganz plötzlich ohne vorherige Warnung ausfällt,
wenn nur ein oder wenige der Stromrichterelemente fehlerhaft sein sollten. Solche
unangenehmen Überraschungen sind nur dann auszuschließen, wenn es möglich wird,
die Ströme in jedem einzelnen Stromrichter zu messen und etwaige Schäden zu lokalisieren.
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Es ist weiterhin bekannt, zur Überwachung der rotierenden Stromrichter
induktive Meldevorrichtungen vorzusehen, die den Stromrichtern zugeordnet sind und
deren Signal magnetisch von einem ruhenden Meßgerät erfaßt wird, wodurch die Anzahl
und Lage der defekten Stromrichter ermittelt wird. Bei diesen induktiven Vorrichtungen
liegen die signalgebenden Teile parallel zu den Sicherungen der rotierenden Stromrichter.
Bei Auslösung der Sicherung durch einen Stromrichterschaden wird die Meldevorrichtung,
die jetzt an der verketteten Spannung der Drehstromerregermaschine liegt, erregt.
Das erzeugte Magnetfeld induziert in einer stationären Wicklung eine Meßspannung,
die, nach Phase und Größe ausgewertet, ein Maß für die Lage und Zahl der defekten
Stromrichter ergibt. Diese Vorrichtungen gestatten lediglich eine Sicherungs- bzw.
Stromrichterprüfung auf Schäden bzw. Ausfälle des Stromrichters. Dagegen ist eine
Summen-Gleichstrom- und Einzel-Gleichstrommessung der rotierenden Stromrichter mit
diesen Vorrichtungen nicht möglich.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Uberwachung des
Gleichstromkreises von elektrischen Maschinen, der über mit der Maschinenwelle umlaufende
Stromrichter gespeist wird, deren Gleichstrom ausgänge zu zwei auf der Welle angeordneten
Stromsammelringen geführt sind. Aufgabe gemäß der Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung
zu schaffen, die es ermöglicht, bereits vor den Sammelringen eine Gesamtstrommessung
vorzunehmen und während des Betriebes laufend die Ströme in den einzelnen Stromrichten
des Gleichstromkreises zu messen und die Meßpunkte zu lokalisieren. Die Erfindung
löst diese Aufgabe dadurch, daß die einzelnen Gleichstromausgänge der Stromrichter
zwischen Polschenkeln eines auf der Welle angeordneten Meßblechpaketes hindurchgeführt
und über den Umfang des Meßblechpaketes derart verteilt sind, daß von Leiter zu
Leiter die Stromflußrichtung wechselt, so daß der Stromfluß in den Stromrichtern,
auf eine in der Nähe des Umfanges des Blechpaketes angeordnete induktive Meßvorrichtung
bezogen, in feststehenden Sektoren gleicher Breite erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Führung der Stromrichterausgänge durch das Meßblechpaket
stellt die einzige Möglichkeit dar, bereits vor den Stromsammelringen eine Gesamtstrommessung
vorzunehmen. Bei jeder anderen Führung der Stromrichterausgänge ändern die Stromflußzonen,
auf ein stationäres System bezogen, ständig ihre Lage, so daß eine Messung der Ströme
über stehende Meßsonden nicht möglich ist.
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Werden jedoch erfindungsgemäß die Ableitungen der Plus-Stromrichter
gegen die der Minus-Stromrichter um den Winkel versetzt, der der Verschiebung des
Stromflusses in diesen Stromrichtern entspricht, und die Ableitungen fortlaufend
in der Reihenfolge des Stromflusses durch ein rotierendes Meßblechpaket geführt,
so ergeben sich stehende Stromflußzonen wechselnder Polarität. In diesen Stromflußzonen
können Meßsonden angeordnet werden, in denen von den stromdurchflossenen Stromrichterausgängen
eine Wechselspannung induziert wird. Sind hierbei die magnetischen Kreise ungesättigt,
so ist die Größe der induzierten Spannung ein Maß für den gesamten Gleichstrom aller
Stromrichter.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht darüber hinaus auch eine selektive
Messung der Ströme in jedem einzelnen Stromrichter, was für die Betriebssicherheit
solcher Gleichstromkreise von ganz besonderer Wichtigkeit ist.
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Zur Messung des Gesamtstromes am Meßblechpaket kann die Meßvorrichtung
mindestens eine Meßsonde mit Meßspule(n) oder Hallgenerator(en) aufweisen, in der
bzw. denen durch die Ströme in den einzelnen Stromrichtern bzw. Stromrichterausgängen
eine Wechselspannung induziert wird, die dem gesamten Gleichstrom der rotierenden
Systems bei ungesättigtem Eisenkreis proportional ist.
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Zur Einzelstrommessung in jedem Stromrichter sowie zur Überwachung
des Zustandes von mit den einzelnen Stromrichtern in Reihe geschalteten Sicherungen
kann eine Meßsonde vorgesehen sein.
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Die Meßsonde zur Einzelstrommessung kann aus einem ebenfalls am Umfang
des Meßblechpaketes angeordneten Meßjoch mit beispielsweise Meßspulen oder Hallgeneratoren
bestehen. Zur selektiven Messung des Stromes in jedem beliebigen Stromrichterelement
ist insbesondere ein Synchronisiergerät (Steuergerät) vorgesehen, das bei jeder
Umdrehung
der Welle einen Steuerimpuls abgibt, der für die Dauer des Durchlaufs des
Leiters eines bestimmten Stromrichterelementes unter der Meßspule für die Einzel
strommessung mit der Meßspule in Reihe geschaltete Trioden aussteuert, so daß nur
die eine von dem bestimmten, gerade unter dem Meßjoch durchlaufenden Stromrichterausgang
induzierte Spannungshalbwelle von einem Meßgerät erfaßt wird. Das Synchronisiergerät
ist dabei vorzugsweise ein induktiver oder kapazitiver Näherungsinitiator, dessen
Steuerimpuls von einem auf dem Umfang der Welle angeordneten Nocken oder Zahn beim
Passieren des Näherungsinitiators ausgelöst wird. Insbesondere ist das Synchronisiergerät
um die Wellenachse mittels motorischer oder Handverstellung drehbar, so daß durch
Verstellung des Gerätes nacheinander der Strom durch jeden beliebigen einzelnen
Stromrichter gemessen und die Lage des gemessenen Stromrichters durch die Stellung
des Gerätes identifiziert werden kann. Die Meßwerte der Meßspule können laufend,
beispielsweise elektronisch, gespeichert und in einem Regler mit einem vorgegebenen
Sollwert verglichen werden, der bei unzulässigen Oberschreitungen des Sollwertes,
z. B. bei Ausfall eines Stromrichters. die Belastung der Gleichstrommaschine durch
Änderung der Erregung herabsetzt. Die Verstellung des Synchronisiergerätes und damit
die laufende selektive Strommessung und Sicherungsüberwachung erfolgt vorzugsweise
automatisch.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch das Meßblechpaket, an dessen
Umfang die Meßsonden für die Gesamt- und Einzelstrommessung angeordnet zeigt; in
F i g. 2 ist die erfindungsgemäße Stromrichterschaltung in einer Abwicklung dargestellt.
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In F i g. 1 ist mit 1 ein Meßblechpaket bezeichnet, das auf einer
Induktorwelle 2, beispielsweise eines Turbogenerators, angeordnet ist. Am Umfang
des Meßblechpaketes 1 sind zwei Meßsonden 3 und 4 angeordnet, die zur Messung der
Summe aller durch die Stromrichter fließenden Ströme dienen. Die Meßsonden 3 und
4 liegen einander gegenüber, so daß Schwankungen des Luftspaltes zwischen den Sonden
und dem Meßblechpaket ausgeglichen werden. Die Meßsonden 3 und 4 sind über Leitungen
5 und 6 mit einem Meßgerät 7 verbunden.Ferner ist eine weitere Meßsonde 8 am Umfang
des Meßblechpaketes 1 angeordnet. Zwischen den Polschuhen 9 des Meßblechpaketes
1 verlaufen die Gleichstromausgänge 10 von über dem Umfang der Welle 2 verteilten
Stromrichterelementen. Die Gleichstromausgänge 10 sind, wie auch F i g. 2 zeigt,
auf dem Meßblechpaket 1 derart angeordnet, daß von Leiter zu Leiter die Stromflußrichtung
wechselt, so daß der Stromfluß in den Stromrichtern 11, auf die Meßvorrichtung 8
bezogen, in vier feststehenden Sektoren 12 von gleicher Breite erfolgt. In Reihe
mit den Stromrichtern 11 sind Sicherungselemente 13 geschaltet.
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Die Meßsonde 8 zur Messung der Einzelströme steht über Meßleitungen
14 und 15 mit einem Meßgerät 16 in Verbindung. Im Zuge der Meßleitung 14 ist ein
Schaltverstärker 17 angeordnet. Um zu gewährleisten, daß die Meßsonde 8 nur die
Ströme in den einzelnen Stromrichterelementen bzw. in den einzelnen Stromrichterausgängen
10 mißt, ist ein Steuergerät 18 vorgesehen, das bei jeder Umdrehung der
Welle
2 über Steuerleitungen 19 einen Steuerimpuls abgibt, der für die Dauer des Durchlaufs
eines bestimmten Sfromrichterausganges 10 unter der Meßsonde 8 mit dieser in Reihe
geschaltete und im Schaltverstärker 17 untergebrachte Trioden aussteuert. Der Schaltverstärlter
enthält zwei entgegengesetzt geschaltete Trioden, damit die positiven und negativen
Halbwellen gemessen werden können.
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Das Steuergerät 18 ist ein induktiver oder kapazitiver Näherungsinitiator,
dessen Steuerimpuls von einem auf dem Umfang der Welle 2 angeordneten Nocken 20
ausgelöst wird, der bei jeder Umdrehung der Welle 2 den Näherungsinitiator 18 einmal
passiert. Der Näherungsinitiator 18 ist um die Wellenachse 21 mit einem Motor 22
drehbar, so daß durch Verstellung des Initiators 18 nacheinander der Strom durch
jeden beliebigen einzelnen Stromrichter 13 bzw. Stromrichterausgang 10 gemessen
werden kann.
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Die Lage des jeweils gemessenen Stromrichters kann nun ohne weiteres
durch die Stellung des Näherungsinitiators 18 identifiziert werden. Dies ist deshalb
ohne weiteres möglich, weil der Stromfluß in den Stromrichtern 11 bzw. den Stromrichterausgängen
10, auf die Meßsonde 8 bezogen, immer in feststehenden Sektoren 12 gleicher Breite
erfolgt.
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Es ist natürlich auch möglich, für die Verstellung des Näherungsinitiators
18 eine Handbetätigung vorzusehen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Meßwerte
der Meßsonde 8 laufend, beispielsweise elektronisch, zu speichern und in einem nicht
dargestellten Regler mit einem vorgegebenen Sollwert zu vergleichen, der bei unzulässigen
tZberschreitungen des Sollwertes die Belastung der Drehstrom-Erregermaschine 23
durch Anderung des Erregerstromes in der Erregerwicklung 24 herabsetzt.
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Es ist natürlich auch möglich, die Verstellung des Näherungsinitiators
18 und damit die laufende selektive Strommessung und Sicherungsüberwachung autotomatisch
vorzunehmen.
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Die Erfindung ermöglicht es also, während des Betriebes, zu jeder
beliebigen Zeit, die Belastungsverhältnisse und den Betriebszustand jedes einzelnen
der rotierenden Stromrichterelemente 11 zu messen. Dadurch wird ausgeschlossen,
daß die Maschine überraschend, ohne jede Vorwarnung, durch Überlastung ausfällt,
da Abweichungen von den zulässigen Belastungswerten sofort erkannt werden. Man kann
deshalb rechtzeitig die Erregung der Gleichstrommaschine herabsetzen, um lawinenartig
zunehmende Ausfälle von Stromrichterelementen zu verhindern.
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Das Auswechseln von schadhaften Stromrichterelementen kann dann zu
einem geeigneten Zeitpunkt, beispielsweise bei einer Revision der Maschine, erfolgen.
Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Überwachung des Gleichstromkreises von elektrischen
Maschinen, der über mit der Maschinenwelle umlaufende Stromrichter gespeist wird,
deren Gleichstromausgänge zu zwei auf der Welle angeordneten Stromsammelringen geführt
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gleichstromausgänge (10) der Stromrichter
(11) zwischen Polschenkeln (9) eines auf der Welle (2) angeordneten Meßblechpaketes
(1) hindurchgeführt und über den Umfang des
Meßblechpaketes (1) derart verteilt sind,
daß von Leiter zu Leiter die Stromflußrichtung wechselt, so daß der Stromfluß in
den Stromrichtern (11), auf eine in der Nähe des Umfanges des Blechpaketes (1) angeordnete
induktive Meßvorrichtung (4) bezogen, in feststehenden Sektoren (12) gleicher Breite
erfolgt.