DE1513219B2

DE1513219B2 - Einrichtung zum schutz gegen temperaturueberschreitung fuer den rotor einer elektrischen maschine

Info

Publication number: DE1513219B2
Application number: DE19651513219
Authority: DE
Inventors: Katsumi Tokio Takami
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1964-03-31
Filing date: 1965-03-29
Publication date: 1973-08-16
Also published as: JPS4323001B1; US3358208A; DE1513219A1; GB1064803A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schutz gegen Temperaturüberschreitung für den Rotor einer elektrischen Maschine mit einem temperaturabhängigen Schaltelement und mit einer Übertragerspule innerhalb des Rotors und einer statorseitigen Ubertragerspule, die einen Steuerkreis beeinflußt.

Eine solche Einrichtung ist bekannt durch die deutsche Auslegeschrift 1154 194. Bei dieser Einrichtung wird in Abhängigkeit von der Temperatur der Rotorwicklung einer elektrischen Maschine ein an die Rotorwicklungen angeschlossener, rotorseitiger Stromkreis geschaltet, der induktiv eine Statorwicklung beeinflußt. Diese Anordnung ist somit nur bei einem Rotor mit Rotorwicklungen anwendbar. Außerdem ist diese Anordnung abhängig vom jeweiligen Rotorstrom.

Die Anwendung einer Brückenschaltung mit temperaturabhängigen Schaltelementen für eine Temperaturerfassung ist aus der USA.-Patentschrift 2 659801 bekannt. Diese Patentschrift enthält allerdings keinen Hinweis auf die Temperaturerfassung eines Rotors.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Schutz gegen Temperaturüberschreitung für einen Rotor zu schaffen, die von Rotorwicklungen unabhängig ist und daher auch bei wicklungslosen Rotoren zur Anwendung kommen kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die rotorseitige Ubertragerspule zusammen mit einem Kondensator einen Schwingkreis bildet, in dem parallel zur Ubertragerspule ein temperaturabhängiges Widerstandselement als Dämpfungsglied angeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist also ein auf dem Rotor aufgebauter und einen auf eine feste Frequenz abgestimmter Schwingkreis vorgesehen, dessen Dämpfung durch ein temperaturabhängiges Widerstandselement verändert wird. Für den Schwingkreis selbst kann man Schaltelemente mit hoher Langzeitkonstanz benutzen, so daß die Abstimmung der Einrichtung keine zeitlichen Schwankungen aufweist. Die Erfindung ermöglicht die Erfassung der Rotortemperatur an verschiedenen Stellen, nämlich an den jeweiligen Einbaustellen des temperaturabhängigen Elements. Dadurch können gerade die temperaturempfindlichen Stellen des Rotors überwacht werden.

Die Einrichtung nach der Erfindung eignet sich für eine Regelung, bei der die Drehzahl des Rotors durch Verstellung des Ankerwiderstandes oder des Feldwiderstandes im Sinne einer Konstanthaltung der Rotortemperatur verändert wird. Die Einrichtung nach der Erfindung kann jedoch auch zur Ausschaltung der Maschine bei Überschreitung eines Grenzwertes der Rotortemperatur benutzt werden.

Der Rotor kann im Dauerbetrieb an der Grenze der zulässigen Temperatur betrieben werden, ohne daß Schädigungen zu befürchten sind. Infolgedessen kann man die notwendigen Sicherheitsschwellen, insbesondere für eine Änderung der Umgebungstemperatur, klein halten.

Zur Erfassung der Rotortemperatur ist nur eine passive Schaltstufe geringer Größe und geringen Gewichtes erforderlich. Dieses ist besonders bei honen Drehzahlen der Maschine von Bedeutung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der f olgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigt

A b b. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

Ab b. 2 und 3 grafische Darstellungen der Tempe-.3° raturkennlinien verschiedener Widerstände R_s,

Abb. 4 eine grafische Darstellung verschiedener Resonanzkennlinien des Schwingkreises in Abhängigkeit von der Größe des Widerstandes R_s,

Abb. 5 eine grafische Darstellung der Änderung des Stromes i₀ in Abhängigkeit von Änderungen des Widerstandes R_s, -

Abb. 6 Kurven der Spannung i_or in Abhängigkeit von der Zeit, /"

Abb. 7 Kurven der" Spannung i_or.nach Verstärkung, Gleichrichtung und Glättung und

Abb. 8 und 9 jeweils Varianten des Blockschaltbildes in Abb. 1. __

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach A b b. 1 wird in einem Oszillator 1 eine Schwingung mit der Kreisfrequenz ω erzeugt, der Oszillator ist ein LC-Oszillator, ein Hartley Oszillator, ein Colpitts-Oszillator bzw. ein RC-Oszillator. Die Schwingung wird in einem Trennverstärker 2 verstärkt, dessen Ausgang an die Primärwicklung eines Transformators 3 angeschlossen ist. An die Klemmen α und c der Sekundärwicklung des Transformators 3 sind in Reihe eine Übertragerspule Lp₁ und eine Abgieichspuie L_p2 angeschlossen, ein niederohmiger Widerstand r liegt zwischen einem Mittelabgriff b der Transformatorsekundärwicklung und dem Verbindungspunkt der Spulen L_pl und L_p2.

Somit bilden die Transformatorsekundärwicklung, die Spulen L₁ und L₂ sowie der Widerstand r eine Brückenschaftung 4, deren Gleichgewicht mittels der Abgleichspule L_p2 eingestellt wird.

Auf der Außenseite des Rotors 5 einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Motors oder eines Generators ist ein Schwingkreis mit einer Ubertragerspule L_s und einem Kondensator C₅ angebracht, dessen Resonanzfrequenz von der Rotortemperatur unabhängig ist. Die Ubertragerspule L_s ist ausschließlich für je eine elektromagnetische Kopplung pro Umlauf mit der Übertragerspule L_{p α} der genannten Brük-

kenschaltung angeordnet und abgestimmt.

Ein parallel zu dem aus Spule L_s und Kondensator C₅ bestehenden Schwingkreis angeschlossener Widerstand R_s ist in den Rotor an einer solchen Stelle eingebaut, wo eine Temperaturüberwachung besonders notwendig ist. Dieser Widerstand R_s besteht aus einem Halbleiterwiderstand, dessen Widerstandswert sich bei einer kritischen Sprungtemperatur ändert, beispielsweise einem Heißleiter der BaTiO₃-Reihe mit positivem Temperaturkoeffizienten oder einem Heißleiter der Vanadiumreihe mit fallender Kennlinie. Die Widerstands-Temperatur-Kennlinien eines BaTiO₃- bzw. eines Vanadiumheißleiters sind in den Abb. 2 bzw. 3 dargestellt.

Nach A b b. 1 ist ferner ein Verstärker 6 zur Verstärkung der Klemmenspannung des niederohmigen Widerstandes r der Brückenschaltung 4 vorgesehen. Die Ausgangsspannung wird in einen Glättungskreis 7 eingespeist, wo die durch einen Koppelkondensator C₁ übertragene und an einem Widerstand R₁ erscheinende Spannung mittels einer Diode D gleichgerichtet und dann mittels eines Kondensators C₂ geglättet wird. Die an einem Einstellwiderstand R₂ erscheinende Ausgangsspannung des Glättungskreises 7 liegt an einem Schmitt-Trigger 8 an, welcher nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn ein Eingangssignal unterhalb "oder oberhalb eines Schwellenwertes anliegt.

Die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers 8 dient zur Steuerung eines Ausgangssteuerkreises 9, der in Abhängigkeit von dieser Ausgangsspannung die Stromzufuhr der elektrischen Maschine steuert. Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 1 verdeutlicht eine Unterbrechungssteuerung. Ein Kontakt 91 wird durch den Ausgangsstrom des Schmitt-Triggers 8 geschlossen, so daß eine Relaisspule 92 zur Ein-Aus-Betätigung eines Leistungsschalters 101 für den Stromkreis 10 der elektrischen Maschine erregt wird. Das öffnen und Schließen des Leistungsschalters 101 bewirkt eine Ein-Aus-Steuerung, wodurch die Temperatur des Rotors beeinflußt wird.

Die Steuerung ist nicht auf die oben beschriebene Arbeitsweise beschränkt. Beispielsweise kann zur Änderung der Drehgeschwindigkeit das Feld der Maschine durch die Ausgangssparinung .des Schmitt-Triggers gesteuert werden, oder es kann eine Änderung des Rotorwiderstandes bewirkt werden. Außerdem kann eine Anzeigelampe od. dgl. zur Anzeige der Überhitzungsgefahr in die Schutzeinrichtung eingebaut werden.

A b b. 4 zeigt die Änderung der Resonanzkennlinie in Abhängigkeit von der Größe des Widerstandes R_s, und Abb. 5 zeigt die Änderung des Mittelwertes des Stromes i_o iri Abhängigkeit von der Größe des Widerstandes R_s.

Zunächst soll die Verwendung eines Heißleiters mit positivem Temperaturkoeffizienten nach Abb. 2 betrachtet werden. Solange die Temperatur des Rotors 5 unterhalb des Schwellenwertes T_s liegt, hat der Widerstand R_s einen sehr kleinen Wert. Wie man aus den Abb. 4 und 5 ersieht, ist auch der Wert des Stromes i_o klein. Deshalb erreicht die in der Brückenschaltung 4 auftretende Spannung (i_or) einen sehr kleinen Wert, wie in dem Bereich t < t₀ in Abb. 6 angegeben. Diese Spannung wird durch den Verstärker 6 verstärkt und in dem Glättungskreis 7 geglättet, so daß die in A b b. 7 gezeigte Spannung an den Klemmen des Widerstandes R₂ vor dem Zeitpunkt t_o zur Schaltung des Schmitt-Triggers 8 nicht ausreicht.

Sobald dann die Temperatur des Rotors 5 zum Zeitpunkt t_o den Schwellwert T₁ übersteigt, steigt der Widerstand R_s steil an, und die Spannung an den Klemmen des Widerstandes r steigt an, wie in dem Bereich i> t_o der Abb. 6 gezeigt. Dementsprechend erhält die Spannung V₀ zwischen den Klemmen des Widerstandes R₂ die in Abb. 7 gezeigte Form, schaltet den Schmitt-Trigger 8 und ergibt ein Ausgangssignal, das den Steuerkreis 9 erregt.

Wenn in erster Linie eine Überhitzung des Rotors 5 verhindert werden soll, wird das Widerstandselement R_s so ausgewählt, daß die genannte Sprungtemperatur T₁ mit der zulässigen Maximaltemperatur des Rotors zusammenfällt. Sobald also die Rotortemperatur den Wert T₅ übersteigt, wird das Relais 9 durch den Ausgang des Schmitt-Triggers 8 geschaltet, wodurch der Leistungsschalter 101 der elektrischen Maschine geöffnet wird.

Wenn die Maschine in der Weise arbeiten soll, daß die Temperatur der Rotoranordnung auf einem Sollwert T₄ gehalten wird, wird ein Widerstandselement R_s ausgewählt, dessen Widerstand sich bei der Temperatur T₄ plötzlich ändert. Dann dient die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers zur Steuerung einer Größe, beispielsweise des Ankerwiderstandes oder des Feldwiderstandes, welche zur Steuerung der Belastung der elektrischen Maschine in der Lage ist. Da in diesem Fall die Solltemperatur von dem Sprungpunkt des Widerstandswertes abhängt, kann •dieser Punkt durch Beifügung von SrTiO₃ zu einem Heißleiterelement der BaTiO₃-Reihe innerhalb eines Bereiches von 50° C bis 120° C bis 220° C beliebig eingestellt werden. Dadurch kann man leicht ein für die gewünshte Solltemperatur geeignetes Widerstandselement erhalten.

Während sich das beschriebene Ausführungsbeispiel auf den Fall bezieht, wo als Widerstand R_s ein Heißleiter mit positivem iiemperaturkoeffizienten benutzt wird, kann auch ein Heißleiter mit negativem Temperaturkoeffizienten mit einer Kennlinie nach Abb. 3 benutzt werden. In diesem Fall muß zur Erzielung derselben Regelwirkung, wie beschrieben, an Stelle der Schaltung 8 eine Schaltung benutzt werden, die nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn ein Eingangssignal mit kleinerer Spannung als die Schwellenspannung anliegt. Nach einer anderen Arbeitsweise werden die Spule L_s, der Kondensator C_s und der Widerstand R_s hintereinandergeschaltet, um dieselbe Wirkungsweise wie in dem Fall zu erreichen, wo ein Heißleiter mit positivem Temperaturkoeffizienten parallel geschaltet ist.

Während ferner bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein einziger Schwingkreis auf dem Rotor 5 sitzt, kann man auch eine Mehrzahl von Schwingkreisen auf der Umfangsfläche des Rotors in der Weise aufbauen, daß die jeweiligen Spulen dieser Schwingkreise nacheinander mit der Spule L_{p ί} gekoppelt werden, wenn sich der Rotor dreht. Mit einer solchen Anordnung kann man die Temperaturen in einer Mehrzahl verschiedener Punkte des Rotors erfassen. In diesem Fall wird der Schmitt-Trigger zum Schalten gebracht, wenn die Temperatur an einem der Überwachungspunkte einen vorgegebenen Wert überschreitet.

Die Brückenschaltung 4 dient zum Erfassen von Änderungen der Schwingkreisgüte Q infolge von Temperaturänderungen und ist nicht auf die Schal-

tuiigsanordnung nach Abb. 1 beschränkt. Eine Brücke kann beispielsweise nach Abb. 8 aus Widerständen T₁ und r₂ sowie Spulen L_pl und L_p2 bestehen, wobei die Schwingkreisspule L₅ und die Spule L₁ elektromagnetisch miteinander verkoppelt sind, damit man eine Spannung zwischen den Knotenpunkten a_a und b_a der Brückenschaltung erhält.

Eine weitere abgeänderte Anordnung ist in A b b. 9 dargestellt, wo die mit der Spule L₅ verkoppelte Übertragerspule L_pl mittels eines Oszillators 1 durch einen konstanten Strom erregt wird und die Spannung zwischen den beiden Punkten c_a und d_a nachgewiesen wird.

Wenn der Rotor eine Temperatur oberhalb der Solltemperatur erreicht hat und der Leistungsschalter der Maschine geöffnet worden ist, soll in manchen Fällen dieser Zustand festgehalten werden. In diesem Fall kann in die letzte Stufe des Schmitt-Triggers 8 eine Selbsthaltestufe, beispielsweise ein bistabiler Multivibrator eingeschaltet werden. Der Leistungsschalter wird dann von dem Ausgang der Selbsthaltestufe geöffnet und geschlossen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Schutz gegen Temperaturüberschreitung für den Rotor einer elektrischen Maschine mit einem temperaturabhängigen Schaltelement und mit einer Ubertragerspule innehalb des Rotors und einer statorseitigen Übertragerspule, die einen Steuerkreis beeinflußt, d adurch gekennzeichnet, daß die rotorseitige Ubertragerspule (L_s) zusammen mit einem Kondensator (Cj) einen Schwingkreis bildet, in dem parallel zur Übertragerspule ein temperaturabhängiges Widerstandselement (R_s) als Dämpfungsglied angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis einen Verstärker (6), einen Gleichrichter (7) mit Glättungsstufe sowie einen Schmitt-Trigger (8) umfaßt und daß der Leistungsschalter der Maschine an den Ausgangskreis des Schmitt-Triggers angekoppelt ist.