DE1488854C - Anordnung zur automatischen, laufenden Überwachung des Stromes in den Strompfaden der mitumlaufenden Erregergleichrichter bei einer schleifringlos erregten Synchronmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Anordnung zur automatischen, laufenden Überwachung des Stromes in den Strompfaden der mitumlaufenden Erregergleichrichter bei einer schleifringlos erregten Synchronmaschine mit m Gruppen (A, B, C...) mit je η parallelen Strompfaden (a_v a._z, a_r.. b_v b₂, b_z...), bei der am Umfang eines auf der Läuferwelle mitdrehenden Trägerkörpers entsprechend den m-n Strompfaden tn-n magnetisierbare Kerne zur Erregung von Signalen, welche ortsfest induktiv von der Läuferwelle abgenommen und nach Zahl und Lage eventuell auftretender Gleichrichterdefekte in einem Auswertegerät ausgewertet werden, angebracht sind, welche Kerne im ungestörten Zustand durch den Strom des zugehörigen Strompfades magnetisiert sind.

Bei einer schleifringlosen Erregung einer Synchronmaschine handelt es sich um eine Anordnung, bei welcher der zur Speisung des Läuferfeldes notwendige Gleichstrom zuerst als Wechselstrom in einem Wechselstromgenerator erzeugt wird, dessen Anker sich auf der Läuferwelle befindet oder ein Teil derselben ist. Ein ebenfalls auf der Welle montierter mitrotierender Gleichrichter besorgt die Umformung des Wechselstromes in Gleichstrom. Es handelt sich also um ein elektrisch in sich abgeschlossenes rotierendes System, welches die Speisung des Feldes mit Gleichstrom ohne Schleifringe und Kommutator ermöglicht.

Der mitrotierende Gleichrichter besteht aus Halbleiter-Gleichrichterelementen, welche je nach gewählter Schaltungsart zu m Gruppen zusammengefaßt werden, wobei wiederum jede Gruppe in eine Anzahl η an gleicher Spannung liegender paralleler Strompfade aufgeteilt ist. Zum Schutz gegen inneren Kurz-Schluß ist den Gleichrichterelementen in Serie pro Strompfad eine Sicherung vorgeschaltet. Im allgemeinen wird die Anzahl η paralleler Strompfade pro Gruppe so gewählt, daß bei Defekt einer oder mehrerer Sicherungen die verbleibenden Strompfade hinsichtlich der Gleichrichterelemente nicht überlastet sind. Gegebenenfalls wird man, speziell bei großen Turbogeneratoren, bis zu einem gewissen Grade eine vorübergehende Leistungsreduktion durchführen, damit man bei Überschreiten der Anzahl zulässiger Sicherungsdefekte pro Schaltgruppe für Nennbetrieb nicht gezwungen ist, eine plötzliche Abschaltung vornehmen zu müssen.

Voraussetzung für diese wünschenswerte Betriebsweise ist eine Überwachungseinrichtung, die es erlaubt, jederzeit über den augenblicklichen Betriebszustand des Gleichrichters zu informieren. Es stellt sich ferner für die Überwachungseinrichtung die Forderung einer kontaktlos arbeitenden automatischen Anzeige. Darüber hinaus sollen Befehle zur Leistungsreduktion oder Abschaltung gegeben werden können. Es sind verschiedene Anordnungen bekanntgeworden, die die Überwachung eines rotierenden Gleichrichters zum Gegenstand haben.

Eine bekanntgewordene Anordnung benutzt die während der Sperrphase des Gleichrichters an den Klemmen einer defekten Sicherung anstehende Sperrspannung zur Magnetisierung eines Induktors, wobei die Sicherungen pro Schaltgruppe zusammengefaßt ein Signal induzieren, dessen Amplitude ein Maß für die Anzahl defekter Sicherungen darstellt. Hierbei können aber Pendelungen Fehlanzeigen verursachen. Auch wird vorgeschlagen, mittels dieser Spannungen Einzelinduktoren zu magnetisieren. Dieses System vermag nicht zu befriedigen, da Fälle möglich sind, bei denen trotz Unterbruch des Strompfades keine Sperrspannung an den Klemmen der Sicherung anliegt, z. B. bei Leitungsunterbruch im Strompfad oder bei Ausbrennen eines Gleichrichterelementes. Außerdem ist das gesamte rotorseitige Meßsystem galvanisch nicht vom Erregerkreis getrennt, was unter Berücksichtigung der großen Beschleunigungskräfte die Gefahren eines Isolationsdefektes auf dem Rotor in ungerechtfertigt hohem Maße vergrößert.

Bei einem älteren, aber nicht vorveröffentlichten Recht (deutsche Patentschrift 1 232 252) sind magnetisierbare Kerne vorhanden, die jeweils durch den Strom des zugehörigen Strompfades magnetisiert werden. Jedoch erfolgt die Magnetisierung der entlang eines Umfangkreises angeordneten Kerne mit jeweils abwechselnder Stromrichtung. Bei einer Erregeranordnung, bei der die Stromrichtung vom Ort der rotierenden Gleichrichter nach der Erregerwicklung über Leiter mit durchwegs gleicher Stromrichtung erfolgt, wäre diese bekannte Anordnung nicht verwendbar. \

Ferner gehört es zum Stand der Technik, Meßsonden auf mehreren Umfangskreisen anzuordnen und justierbar zu montieren (deutsche Auslegeschrift 1 151 311).

* Auch ist es bekannt, eine Auswertung der Meßsignale mit logischen Elementen vorzunehmen (deutsche Auslegeschrift 1 166 362).

Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Anordnung zur schleifringlosen Erregung einer Synchronmaschine die einzelnen mit Sicherungen versehenen Strompfade der mitrotierenden Gleichrichter kontaktlos zu überwachen, jedoch die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden.

Die vorgenannte Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Anordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sämtliche Strompfade gleiche Stromrichtung aufweisen und entlang einem ersten Umfangskreis diesen Kernen gegenüber η stationäre Abnahmespulen teilungsgleich einander unmittelbar folgend so angeordnet sind, daß ihre maximale Induzierung im Bereich der maximalen Magnetisierung der Kerne erfolgt und daß auf einem zweiten Umfangskreis auf dem Trägerkörper ein induzierender Eisenkern und über diesem Umfangskreis m gleichverteilte stationäre Abnahmespulen angeordnet sind und daß die feststehenden Spulen über den beiden Umfangskreisen mit je einem Eingang zu einem UND-Gatter von m · η Auswertekanälen des Auswertegerätes verbunden sind.

An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine mögliche Halbleitergleichrichterschaltung,

Fig. 2 eine Anordnung zur Überwachung,

Fig. 3 das Prinzipschaltbildeines Auswertekanals,

Fig. 4, 5 bzw. 6, 7 zwei Ausführungsbeispiele der Magnetisierkerne.

Dem Ausführungsbeispiel ist ein Erregergleichrichtersystem in Dreiphasensternschaltung für eine schleifringlos erregte Synchronmaschine zugrunde gelegt.

In F i g. 1 sind 1 die mitrotierenden, dreiphasig angeordneten, induzierten Wicklungen einer Induktionsmaschine, welche mit dem Läufer der Synchronmaschine mitdreht. Die Statorwicklung der Induk-

tionsmaschine wirkt als Gleichstromerregerwicklung. Der umlaufende Erregergleichrichter weist somit m=3 Schaltgruppen (A, B, C) auf. Jede Schaltgruppe weist η — 4 Strompfade auf (al, al, a3, a4; bl...; el...). Jeder Strompfad weist zwei in Serie geschaltete Halbleitergleichrichter 2 und eine Sicherung 3 auf. Im ganzen sind m · n — 12 Strompfade vorhanden.

In der Fig. 2 sind die Mittel zur Erzeugung von Signalen dargestellt, welche induktiv von der Läuferwelle abgenommen und ortsfest ausgewertet werden. Dazu ist jedem Strompfad ein magnetisierbarer Eisenkern 5 zugeordnet. Sämtliche m · η Kerne sind entlang einem Umfangskreis auf einem Trägerkörper 8 gleichmäßig verteilt angeordnet. Im ungestörten Zustand, also bei normalem Betrieb, erfolgt eine Magnetisierung jedes Kernes durch den Strom im zugehörigen Strompfad. Den rotierenden Kernen 5 gegenüber sind η stationäre magnetisierbare Kerne mit Abnahmespulen angeordnet. Sie haben gleiche Teilung wie die Teilung der Kerne auf dem Trägerkörper. Die Abnahmespulen 11 bis 14 liegen auf dem ersten Umfangskreis 8 a und sind mit den rotierenden Kernen 5 über den Luftspalt derart magnetisch koppelbar, daß sie durch Drehen in Umfangsrichtung in den Bereich der maximalen Induzierung der Kerne 5 gleicher Phasengruppe m gebracht werden. In diesem Bereich werden in den Abnahmespulen 11 bis 14 infolge der Rotation der Kerne 5 Spannungsimpulse induziert.

Wenn also z. B. die Phasengruppe A gerade stromführend ist, die zugehörigen Magnetkerne 5 auf den Polbogenpunktenal, al, a3, a4 im ungestörten Zustand alle maximal magnetisiert sind und die Abnahmespulen 11,12,13,14 in diesem Zeitmoment t_A den Polbogenpunkten genau gegenüberstehen, wird in allen Abnahmespulen 11 bis 14 gleichzeitig ein auswertbarer Impuls induziert.

Auf einem zweiten Umfangskreis 8 b ist auf dem Trägerkörper 8 ein induzierender Eisenkern 15 angebracht. Dieser Eisenkern kann ein Permanentmagnet sein, der das nötige Magnetfeld erzeugt. An dessen Stelle kann auch der Kern der Abnahmespule mit Gleichstrom vormagnetisiert sein, so daß beim Vorbeilaufen des Eisenkerns 15 in der Abnahmespule ebenfalls eine Spannung induziert wird. Diesem Eisenkern gegenüber sind m — 3 über den Umfang gleich verteilte, stationäre, mit Eisenkernen versehene Abnahmespulen R₁, R₂, R₃ angeordnet. Der Kern 15 steht dem Kern der Spule R₁ gerade in dem Zeitmoment gegenüber, in welchem in allen Abnahmespulen 11 bis 14 durch die Kerne O₁ bis a_i gleichzeitig ein Impuls induziert wird.

In entsprechender Weise werden im Leitbereich der Phasengruppen B und C zu äquidistanten Zeit-Intervallen t_B und t_c die jeweils den entsprechenden Gruppen zugehörigen Kerne 5 in allen Abnahmespulen 11 bis 14 und den korrespondierenden Spulen R₂ und R₈ gleichzeitig Impulse induziert.

Die Abnahmespulen 11 bis 14 sowie die Abnahmespulen JR₁ bis R₃ sind auf das Auswertegerät geschaltet. Dieses enthält Auswertekanäle all bis a 14, fell bis &14, eil bis cl4, zusammengefaßt in m = 3 Gruppen (A₀, B₀, C₀) zu je η = 4 Auswertekanälen. Jede Abnahmespule 11 bis 14 ist auf je den ersten Eingang eines UND-Gatters in jedem Auswertekanal geschaltet. Je eme der Abnahmespulen jRl bis R3 sind auf je die zweiten Eingänge der UND-Gatter je einer Gruppe A₀, B₀, C₀ geschaltet. An die Ausgänge jedes Auswertekanals sind Anzeigelampen 24 angeschlossen.

In den Eingangsleitungen zu den Auswertekanälen all bis c 14 sind Impulswandler (A/C-Wandler) 21 eingebaut, welche die Impulse der Abnahmespulen in rechteckige Impulse für den Eingang in die UND-Gatter umwandeln. Den Aufbau eines Auswertekanals (z. B. O₁₁), wie er für jeden Strompfad vorhanden ist, zeigt Fig. 3.

Die jeweils von den Abnahmespulen (11 bis 14) bzw. (/J₁ bis R₃) kommenden Eingangsleitungen gelangen auf je einen A/C-Wandler 21, mit welchen die für die Gatter 22 notwendige Amplituden- und Impulsform erhalten wird. Aus der Menge der in den Abnahmekernenil bis 14 induzierten Impulse, die an allen Kanälen am UND-Gatter 22 entstehen, werden jene auf dem monostabilen Multivibrator 23 mit einstellbarer Abfallverzögerung durchgelassen, die mit dem Referenzimpuls, z.B. von .R₁, zeitlich zusammenfallen. Das ist dann der Fall, wenn auf Grund der mechanischen Zuordnung z. B. die Kerne der StrompfadeO₁ bis a₄ den Abnahmespulenkernenil bis 14 genau gegenüberliegen, wie in Fig. 2 gezeigt. Dem Multivibrator folgt je eine Anzeigelampe (24). Der Multivibrator 23 dient als Verzögerungsglied mit einstellbarer Verzögerung. Dadurch sollen Fehlanzeigen durch fremde kurzzeitige Störimpulse oder durch transiente Vorgänge im Hauptgenerator verhindert werden. Eine Verzögerungszeit von etwa 2 Sekunden ist zweckmäßig.

Die Wirkungsweise ist folgende: Bei normalem Betrieb, also bei nicht durchgebrannten Sicherungen, führen die Schaltgruppen A, B, C abwechselnd während eines Zeitintervalls von einem Bruchteil einer Periode einen positiven Gleichrichterstrom. Wenn z.B. gerade die Gruppe Λ vollen Strom führt, befindet sich der induzierende Magnet 15 gerade der Spule A₁ gegenüber. Sämtliche UND-Gatter der Gruppe A₀ sind infolgedessen auf Stromdurchlaß geschaltet. Dasselbe trifft auch in entsprechender Weise für die Gruppen B₀ und C₀ zu. Sämtliche Anzeigelampen 24 leuchten. Ist eine der Sicherungen durchgebrannt, ζ. B. die Sicherung des Strompfades a₃, dann wird im zugeöhrigen Kern kein Magnetfeld erzeugt, und in der Abnahmespule 13 wird in diesem Moment keine Spannung induziert, während der zugehörige Referenzimpuls in R₁ aber auftritt. Die zugehörigen Kanäle α 13, fel3, cl3 sind also gesperrt, auch dann, wenn von der Spule .R₁ der jeweils zweite Eingang der UND-Gatter der Gruppe A₀ Spannung erhält. Die zugehörige Anzeigelampe bleibt dunkel und zeigt damit an, daß die rotierende Sicherung im Strompfad α 3 defekt ist und durch eine neue ersetzt werden muß.

Es kann ein weiteres Gatter 25 angeschlossen sein zur Ausführung von Warnsignalen. Durch eine weitere, nicht näher dargestellte Vorrichtung 26 kann die Synchronmaschine beeinflußt werden. Es kann ein Abschalten vorgenommen oder eine Leistungsreduktion der Synchronmaschine eingeleitet werden.

Der Aufbau der magnetisierbaren Kerne kann gemäß der Fig. 4 und 5 erfolgen. Auf dem mitrotierenden Trägerkörper 41 sind U-förmige Magnetkerne 42 eingelegt, wofür am Umfang radiale Schlitze 43 vorgesehen und in die Schenkel des Magnetkernes eingelegt sind. Die eingelegten Magnetkerne weisen an ihrem Mittelstück Nasen 42 b auf. Über

Claims (1)

1. 5 6

   diese erfolgt die Festklemmung der Kerne am Träger- sind einfache Konstruktionselemente und können

   körper, indem diese Nasen gegen den Innenrand 41 b zudem sehr robust ausgeführt werden. Sie vermögen

   des Trägerkörpers gedrückt werden, mittels eines deshalb zusätzliche Zentrifugalkräfte aufzunehmen,

   Keilkörpers 44. Der Keilkörper wird durch eine so daß sie gleichzeitig zur Befestigung des Strom-Schraube 45 angezogen, wobei gleichzeitig auch der 5 leiters dienen können. Es können ebene Polplatten benachbarte Kern festgeklemmt wird. 46 ist der verwendet werden und brauchen, wenigstens bei einer

   Stromleiter des Strompfades, durch den der Magnet- größeren Zahl von Luftspalten, der Krümmung des

   kern magnetisiert wird. Trägerkörpers nicht angepaßt zu werden.

   Den Schenkelenden 42 α stehen entsprechende orts- Die Rückführung des Leiters 35 a kann, statt wiefeste Magnete 42 von gleicher Form gegenüber. Auf io der durch das Magnetsystem, zunächst radial nach

   diesen Magneten sind die Abnahmespulen 11 bis 14 innen verlaufen und direkt an den einen Pol der

   gemäß der F i g. 2 angebracht. Sicherung angeschlossen werden. Vorstehende

   Die Abnahmespulen auf den beiden Umfangs- Spulenköpfe können dadurch vermieden werden,
   kreisen sind zweckmäßig auf konzentrisch zur Wellen- Mit Hilfe der synchronen Abtastung wird es mögachse liegenden Ringen angebracht. Diese Ringe sind 15 lieh, die einzelnen Strompfade eines umlaufenden in Umfangsrichtung verstellbar und ermöglichen es, Erregergleichrichters vollkommen automatisch und die Abnahmespulen in den Bereich der maximalen selektiv zu überwachen, wobei im Störungsfall der Magnetisierung zu bringen. Bei den Magneten auf ausgefallene Strompfad nach Schaltgruppe und Lage dem Umfangskreis 8 a kann wegen des nur kleinen, innerhalb der Schaltgruppe exakt angezeigt wird,
   mit Magneten bedeckten Bogens auch nur ein Ring- ao Für die Überwachung des Betriebes kann es notsegment verwendet werden. wendig sein, daß bei einer Verringerung der Er-Die in diesen Spulen induzierte Impulsspannung regung, z.B. bei Unterschreiten der Erregung bei weist eine ausgeprägte, positive und negative Span- Leerlauf um 20%, die Überwachungsanlage ausnungshalbwelle auf. Dies stellt an den A/C-Wandler geschaltet wird, damit nicht ein Sicherungsdefekt 21 in den Eingangsleitungen zu den Auswertekanälen 25 vorgetäuscht wird. Da hierfür die direkte Messung besondere Anforderungen, um daraus positive Im- des Erregerstromes nicht möglich ist, wird ersatzpulse für den Eingang an die UND-Gatter zu er- weise der damit etwa proportionale Felderregerstrom halten. zugezogen. Zu diesem Zweck ist im Erregerstrom-Für die Auswertung in den Auswertekanälen kann kreis der Erregermaschine ein Minimalstromrelais es wünschenswert sein, schon in den Abnahmespulen 30 eingeschaltet, dessen Betätigungskontakt beim AnImpulse zu erhalten, deren positive Halbwelle hoch sprechen eine Unterbrechung beim Auswertegerät und schmal ist, während die negativen Halbwellen bewirkt. Dazu kann der Schaltkontakt des Relais klein und breit sind, so daß diese direkt dem UND- beim Auswertegerät zwischen dem Multivibrator 23 Gatter zugeführt werden können. Die F i g. 6 und 7 und der Anzeigelampe 24 eingeschaltet werden. Es zeigen magnetisierende Kerne, die eine solche Span- 35 kann auch der Speisestromkreis des Auswertegerätes nungskurve ergeben und die Form von Polplatten unterbrochen werden. Das Einschalten erfolgt zweckhaben, mäßig mit einer zeitlichen Verzögerung, um allfällige, Auf dem Trägerkörper 31 (abgewickelt dargestellt) betriebsmäßig auftretende plötzliche kurzzeitige Sensind die Polplatten 32 befestigt, deren Enden 32 a kungen des Erregerstromes nicht wirksam werden zu sich gegenseitig mit einem bestimmten Abstand a 4° lassen.

   gegenüberstehen und so ein Luftspalt entsteht, in Es ist zweckmäßig, die rotierenden bzw. statiodessen Bereich sich ein magnetisches Streufeld aus- nären Kerne 42 (F i g. 4, 5) mit unterschiedlicher bildet. Die Befestigung auf dem Trägerkörper erfolgt Länge in der Richtung der Rotorachse auszuführen, mit versenkten Schrauben 33 unter Zwischenlage von derart, daß, wenn sich der Rotor infolge Temperatur-Distanzstücken 34. Unmittelbar unter jedem Luft- 45 dehnung verlängert, die einander gegenüberstehenden spalt liegt ein Leiter 35, der den Strom eines Strom- PoUlächen in ihrer wirksamen Größe unverändert pfades führt. Es sind m · η Luftspalte bzw. Strom- bleiben. Dazu ist jeweils die Abmessung der einen leiter vorhanden. Die jeweilige Rückführung jedes Polfläche gegenüber der anderen Polfläche in der Leiters 35 α erfolgt in der Mitte zwischen den Luft- Achsrichtung um den Betrag der Wärmedehnung spalten und zwischen zwei zusammengehörigen Ab- 50 verschieden.

   Stützungen 34. Ortsfest ist der prismatische Abnahme- Die F i g. 6 und 7 dienen lediglich der Erläuterung, kern 36 mit der Abnahmespule 11 bzw. 12, 13, 14 Für Merkmale, die nur in diesen Figuren, nicht hinangeordnet. Die Breite des Kernes an der Stirnfläche, gegen in Beschreibung und Anspruchsfassung entalso an der Eintrittsstelle des magnetischen Feldes, halten sind, werden Rechte nicht beansprucht,
   entspricht ungefähr der Luftspaltbreite α. Zur Ver- 55
   besserung der magnetischen Verhältnisse, also zur

   Verringerung des magnetischen Widerstandes vom Patentansprüche:
   Kern nach den Polplatten weist der Abnahmekern
   beidseitig Eisen-Rückschlüsse 36 a auf, welche bis in

   die Nähe der Polplatten reichen. Dabei verringert sich 60 1. Anordnung zur automatischen, laufenden

   der Luftspalt nach der Mitte hin. Das Verhältnis Überwachung des Stromes in den Strompfaden

   Abnahmekernbreite α zur Polplattenteilung t richtet der mitumlaufenden Erregergleichrichter bei einer

   sich nach der erforderlichen relativen Impulsbreite schleifringlos erregten Synchronmaschine mit

   und liegt im vorliegenden Fall zweckmäßig bei m Gruppen (A, B, C ) mit je η parallelen

   etwa 1:10. 65 Strompfaden (a_v a₂, O₃,... b_v b₂, b_s ...), bei der

   Die Anordnung der Abnahmespulen nach Fig. 6 am Umfang eines auf der Läuferwelle mitdrehen-

   und 7 ermöglicht es, gleichgerichtete Impulse direkt den Trägerkörpers entsprechend den m ■ η Strom-

   zu erzeugen. Die Polplatten und die Abstützungen pfaden m · η magnetisierbare Kerne zur Erregung