DE1613530A1

DE1613530A1 - Anordnung zur Erregung eines Synchronmotors

Info

Publication number: DE1613530A1
Application number: DE1967A0056189
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl-Ing Merhof; Renato Dipl-Ing Noser
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1967-05-26
Filing date: 1967-07-05
Publication date: 1971-04-29
Also published as: US3667014A; CH451296A; DE1613530B2; DE1613530C3

Description

27/67 Op/ub

Aktiengesellschaft Brown, Boverl A Cie., Baden (Schweiz)

Anordnung zur Erregung eines Synohroninotors

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors, bei welcher die rotierende Wicklung eines auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Weohselstrom-Erregermaschine über eine rotierende Gleiohrichter-Brückenschaltung an die rotierende, mit einem Parallelwiderstand versehene Feldwicklung des Synchronmotors schleifringlos angeschlossen ist und bei welcher gesteuerte Stromrichterventile zur zeitweiligen Trennung der Qleichrichter-Brüokenschaltung von der Feldwicklung Ira asynchronen Betrieb vorgesehen sind

Bei schleifringlos erregten Synchronmotoren der angeführten Art wird während der Anlaufphase in der Feldwicklung des Synchronmotors eine schlupffrequente Spannung induziert. Ein

10 9 818/0231

161353Q

- 2 - 27/67

entsprechender sehlupffrequenter Strom kann lin Kreis der Feldwicklung Jedoch nur in- der einen Richtung f Hessen, da der Stromfluss in der anderen, negativen Richtung durch die Gleichrichter-BrUcteenschaltung, an welche die Feldwicklung angeschlossen ist, gesperrt ist. Die induzierten negativen Spannungshalbwellen können deshalb unzulässig hohe, die Feldwicklung und insbesondere die Gleiehrichterventile gefährdende Ueberspannungen verursachen.

Zur Abhilfe ist es bekannt, der Feldwicklung einen Widerstand parallel zu schalten, um die in der Feldwicklung während des asynchronen Betriebs induzierte Spannung zu begrenzen. Da für die positive, induzierte Stromhalbwelle der Widerstand durch die Glslchrichterventile der Brückenschaltung im wesentlichen ku„i/geschlossen ist, für die negative induzierte Stromhalbwelle Jedoch voll wirksam ist, wird die Feldwicklung wegen dieser unterschiedlichen Widerstands-Verhältnisse von einem eine Gleichstromkomponente aufweisenden Erregerstrom durchflossen. Dieser Erregerstrom stört aber den Anlauf des Synchronmotors erheblich oder verunmöglioht ihn gar.

Eine bekannte Massnahme zur Verbesserung des Anlaufs besteht darin, die im synchronen Betrieb den Erregerstrom liefende Gleichrichteranordnung während der Anlaufphaee durch mitrotierende mechanische Sohalter von der Feldwicklung zu trennen und die Feldwicklung gleichzeitig zur Vermeidung von hohen induzierten Ueberspannungen mittels eines ebenfalls mit einem mechanischen Schalter zugesohalte- ¹ - 10981 8/0231

- 3 - 27/67

teten Parallelwiderstandes zu shunten. Solche rotierende mechanische Schalter sind zwar ausführbar, sind jedoch technisch unbefriedigend und kompliziert»

Es ist auch bekannt, die Feldwicklung und/oder die im synchronen Betrieb den Erregerstrom liefernde Gleichrichteranordnung mit elektronischen Mitteln, insbesondere mit gesteuerten Stromrichterventilen, zu deren Steuerung Zenerdioden vorgesehen sind, beim Anlauf des Synchronmotors kurzzuschliessen, beispielsweise indem, diese Stromrichterventile während der Sperrphase der Gleichrichteranordnung jeweils gezündet werden. Es ist ferner bekannt, zwischen der Gleichrichteranordnung und der Feldwicklung ein geeteuertes Stromrichterventil vorzusehen, um beim Anlauf des Sy.chronmotors die Gleichrichteranordnung von der Feldwicklung elektrisch zu trennen. Hierbei sind weitere gesteuerte Stromrichterventile vorgesehen, um gleichzeitig die Feldwicklung kurzzuschliessen oder mit einem parallelgeschalteten Belastungswider st and zu verbinden.

Die bekannten Anordnungen mit elektronischen Mittein zum Trennen, Belasten und Kurzschliessen der Erregerstrom-Gleichrichter und der Feldwicklung weisen die Nachteile auf, dass neben der für die' volle vorgesehene Leistung dimensionierten Gleichrichterbrücke mit ungesteuerten Gleichrichtern zusätzliche, gesteuerte Ventile wie Thyristoren für etwa die glei ehe oder sogar die 1,5-fache Leistung installiert werden müssen und dass insbesondere bei der zweiten angeführten, be-10 9 818/0231

1b13b3Q

- ή- - 27/67

kannten Anordnung zur Steuerung der Ventile aufwendige Schaltungsmassnahraen ergriffen werden müssen, welche im vorliegenden Falle rotierender Schaltungselemente die Betriebssicherheit herabsetzen.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist, die angeführten Nachteile zu vermeiden und eine Anordnung zu echaffen, welche den Anlauf eines schleifringlos erregten Synchronraotors über einen der Feldwicklung parallel geschalteten Widerstand mit geringem Aufwand und geringen Verlusten ermöglicht.

Erflndungsgemäss ist die Anadnung dadurch gekennzeichnet, dass die in der Brflckenschaltung angeordneten Gleichrichterventile der einen Brückenhälfte ungesteuert und diejenigen der andeen Brückenhälfte gesteuert ausgebildet sind und dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, um im asynchronen Betrieb die gesteuerten Gleichrichterventile dauernd zu sperren,- im synchronen Betrieb jedoch zur Erzeugung eines Stromflusses in ihrer Leitrichtung ständig zu zünden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 In Bchematischer Darstellung eine Anordnung nach der Erfindung mit ungesteuerten und gesteuerten Oleichrichterventilen,

Flg. 2 eine Schaltungsvariante zur Zündung der gesteuerten Ventile der Ffel. _on|Q|NA|_ _|NSPECTE0

109818/0231

- 5 - 27/67

Gemäss Pig. 1 ist ein Synchronmotor mit seinem Stat or, an ^?* Klemmen 3 eine» Drehstromnetzes angeschlossen. Die mit dem Rotor des Synchrorimofcors umlaufenden Maschinen* und Schaltungsteile sind zeichnerisch in einem gestrichelt dargestellten Rahmen 5 enthalten. Diese rotierenden Teile umfassen eine Feldwicklung 6 des Syrichronmotprs, wobei der Feldwicklung 6 ein Widerstand 7 parallelgdschaitet, ^s^* fernerein*'Gleichrichter-Brückensc haltung ;8 eur .Speisung; der- ipeldicLckiüng' 6, sowie Ankerwicklungen 9 einer Wecnselstrom-Erregeriaaschine jbut Speisung der Gleichriehter-Brücicenschaltung 8 mit einem Drehstrom. Ein Erregerkreis 10 der Wechseletrpm-Erregerniaechine enthält eine stationäre Feldwicklung 11, die über einen elnstellbaen Widerstand 13 von einer Gleichriahteranprdnung' 15 .. gespeist wird, welche ihrerseits an Klemmen. 17 -einei». ifinV oder auch mehrphasigen Wechselstromnetzes angeschlossein, ist>\/

Die Gleichrichter-Brückenschaltung 8 weist für jede speisende Wechselatromphase ein Gleiohrichterventil 19 der einen Leitrichtung und ebenfalls, ein Glelchichterventil 21 der linderen Leitrichtung auf. Im Gegensatz au bekannter! Oleiciirlchteranordnungen sind hler nur die Glelchrlohterventll^.j,8 der einen Brückenhälfte ungeeteuerte Ventile, während jii*;Qi«li|iofalchtirf ventile 21 der anderen BrttoJcenhälfte als ge st «uert· Ventile, z.B. als Thyristoren, ausgebildet sind.

Die Steuerelektroden 25 der gesteuerten Gleichriohterventile 21 sind an die einen Enden ebenfalls rotierender Sekundär-

10 9 6 18/0231

.- 6. - ;;r/67

Wicklungen 27 eines Induktiven Uebertragers 29 angeschlossen. Die anderen Enden der Wicklungen 27 sind gemeinsam mit allen Kathoden der gesteuerten Ventile21 verbunden, so dass die gleichphasigen Wechselspannungen der Sekundärwicklunge 27 an den Strecken zwischen Steuerelektrode und Kathode der gesteuerten Ventile 21 liegen. Die stationären Primärwicklung -des Uebertragers 29 ist an den Ausgang eines steuerbaren Wecheelspannungsgenerators 33 angeschlossen, der eine Torschaltung enthält und bei geschlossener Torschaltung eine Wechselspannung abgibt, deren Frequenz wesentlich höher 1st als die Frequenz der Spannung der Wechselstrom-Erregermaschine 9, beispielsweise 15 bis 20 mal höher.

Zur Steuerung dee Wecha-Ispannungsgenerators 33 ist ein PoI-radwinkel-Messgerät 35 vorgesehen, an dessen Eingang einerseits die von zwei der Klemmen 3 abgenommene Netzfrequenzspannung und andererseits eine von einem induktiven Impulsgeber erzeugte Spannung mit einer der Drehzahl der Feldwicklung 6 proportionalen Frequenz liegen. Im Polradwinkel-Hessgerät 35 wird die Lage des Netzvektors mit derjenigen des Polradvektors verglichen. Die Schaltung 1st hierbei so aasgelegt, dass bei Erreichen eines vorgegebenen Minimalschlupfes vom Messgerät ein Synchronisiersignal erzeugt und der Torschaltung des Wechselspannungsgenerators 33 zugeführt wird, so dass dieser in 'ü.er Folge eine ständige Wechselspannung hoher Frequenz an die Primärwicklung 31 des Uebertragers 29 abgibt.

10981 8/023 1

- 7— 27/67

Die Wirkungswelse der beschriebenen Anadnung 1st die folgende:

Während des Anlaufvorganges des Synchronmotora 1 ±st- infolge des grossen, vom Polradwinkel-Messgerät 35 erfassten Schlupfes der Wechselspannungsgenerator 33 gesperrt; die Sekundärwicklungen 27 des üebertragers 29 sind also spannungslos und die gesteuerten Ventile 21 werden nicht gezündet. Der der Feldwicklung 6 parallelgeschaltete Widerstand 7 kann also die in der Feldwicklung induzierten schlupffrequenten Ströme in positiver als auch in negativer Richtung gleichmässig führen, da infolge der gesperrten Ventile 21 keine Gleichrichtung der schlupffrequenten Ströme zustande kommt, insbesondere nicht in einem zum Widerstand 7 parallelen Strompfad. Ein Anlauf des Synchronmotors mit Erregung ist also vermieden.

Sobald beim Anlauf ein vorgegebener Minimalschlupf erreicht ist, erzeugt das Messgerät 35 wie beschrieben ein Synchronisiersignal, welches die Entsperrung des Wechselspannungsgenerator bewirkt, so dass nun an den Sekundärwicklungen 27 des Üebertragers 29 eine Wechselspannung erscheint, die an die Steuerelektroden 25 der gesteuerten Gleichrichterventile 21 gelegt 1st und die wesentlich höherer Frequenz ist als diejenige der die Ventile. 19 und 21 speisenden Wechselspannung, also als die Frequenz der Spannung der Ankerwicklungen 9 der Wechselstrom-Erregermaschine. Die gesteuerten Ventile 21 zünden demnach standig und verhalten sich wie die ungesteuerten Ventile 19, das heisst sie koramutieren über die angelegte Wechselspannung. Durch

10 9 818/0231

- 8 - 27/67

das Zünden der gesteuerten Ventile 21 wird die Synchronisierung eingeleitet * und durch die ständig an die Steuerelektroden 25 der gesteuerten Ventile 21 gelegte Zündwechselspannung wird der synchrone Betrieb aufrechterhalten. Die Spannungsregulierung erfolgt hierbei nach wie vor an der Feldwicklung 11 der Wechselstrom-Erregerraaschine.

Bei einem Aussertrittfallen des Synchronmotors bewirkt das Polradwinkel-Messgerät 35 eine Sperrung des Wechselspannungsgenerators 33» so dass die Erregung infolge Ausfallens der Zündspannung für die gesteuerten Ventile 21 augenblicklich zurückgenommen wird. Dies i3t dann der Fall, wenn der Polradwinkel entweder grosser als 18O° wird oder ein vorgegebener Schlupf erreicht ist, der Im allgemeinen kleiner gewählt wird als derjenige, bei welchem die Anlaufsynchronisierung in der beschriebenen Weise eingeleitet wird.

Statt die gesteuerten Ventile 21 mit einer Wechselspannung hoher Frequenz zu zünden, kann man an Ihre Steuerelektroden 25 auch eine Gleichspannung legen. In Fig. 2 ist eine entsprechende Schaltungsvariante beispielsweise dargestellt. Die an den Sekundärwicklungen 27 des üebertragers 29, von welchen nur eine einzige dargestellt ist, erscheinende Wechselspannung wird hierin durch eine auf dem rotierenden Teil 5 untergebrachte GleicMchterventil 39 und einen Widerstand Ul enthält, gleichgerichtet und an die Steuerelektrode -25 des gesteuerten Gleichrichterventils 21 gelegt.. Gleiche Schaltungsanordnungen sind auch für die übrigen Ventile 21 der Fig. 1, die in Fig. 2 nicht dargestellt sind, vorgesehen.

"'-· " 109818/0231

ibi3b30

- 9 - 27/67

Der der Feldwicklung 6 parallelgeschaltete Widerstand 7 erzeugt Im Normalbetrieb zusätzliche Verluste, die zwar gering sind, da der Widerstandswert des Widerstandes 7 etwa 5 bis 10 mal grosser ist als derjenige der Feldwicklung 6. Falls diese zusätzlichen Verluste nicht tragbar sind und vermieden werden sollen, kann in an sich bekannter Weise dem Widerstand 7 eine Anordnung mit gesteuerten und ungesteuerten Ventilen zugeordnet werden. Beispielsweise kann in Reihe zum Widerstand 7 die Parallelschaltung eines ungesteuerten und eines gesteuerten Ventils mit entgegengesetzten Leitrichtungen angeordnet werden (nicht dargestellt), wobei zur Zündung des gesteuerten Ventils z.B. eine Zener-Diode so angeordnet werden kann, dass eine Zündspannung nur durch die in der Feldwicklung 6 induzierte, schlupffrequente Spannung erzeugt wird, nicht aber durch die Erreger-Gleichspannung. Der über den Widerstand 7 führende Strompfad ist dann für die in der Feldwicklung 6 induzierte, schlupffrequente Spannung geöffnet, während er für die Erreger-Gleichspannung gesperrt ist.

Die beschriebene Anordnung weist den Vorteil auf, dass eich die Brücken-Gleichrichterleistung zur Hälfte aus der Leistung der gesteuerten Ventile und zur Hälfte aus der Leistung der ungesteuerten Ventile zusammensetzt,, dass aber auaserhalb der Brückenventile keine suaätglichen gesteuerten Ventile notwendig sind. Der gegenüber einer vollständig ungefceuerten Brücke nötige zusätzliche Aufwand beschränkt »ich also darauf, in der Qleichrichter-Brückenechaltung die Hälft.» ^;<ί#ι· ungesteüer-

ORIGINAL INSPECTED

1098 18/02 3 1

Ib13530

- 10 - 27/67

ten Ventile durch gesteuerte Ventile zu ersetzen, wogegen in den bekannten Anordnungen neben allen ungesteuerten Ventilen der Gleichrichter-Brückenschaltung noch gesteuerte Ventile mindestens der halben Brückenleistung vorgesehen werden müssen. Zudem weist die beschriebene Anordnung einen einfachen Aufbau auf und benötigt nur sehr wenige zusätzliche Schaltungselemente» was die Kosten niedrig hält und die Betriebssicherheit erhöht.

OB₁GlNAU

109818/0231

Claims

16 MVo

?st e η t a η s ρ r ü e h e;

1. Anordnung zur Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors, bei welcher die rotierende Wicklung eines auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Wechselstrom-Erregermaschine über eine rotierende Gleichriehter-Brückenschaltung an die rotierende, mit einem Parallelwiderstand versehene Feldwicklung dee Synchronmotors schleifringlos angeschlossen ist und bei welcher gesteuerte Stromrichterventile zur zeitweiligen Trennung der Gleiehrichter-Brückenschaltung von der Feldwicklung im asynchronen Betrieb vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Brückenschaltung (8) angeordneten Glelchrichterveatile (IJ-) der einen. Brückenhälfte ungesteuert und diejenigen (21) der anderen Brückenhälfte gesteuert ausgebildet sind und dass eine Steuereinrichtung (29j 33, 35) vorgesehen ist, um im asynchronen Betrieb die gesteuerten Gleichrichterventile (21) dauernd zu sperren, im synchronen Betrieb Jedoch zur Erzeugung «Ines Stromflusses in ihrer Leitrichtung ständig zu zünden,

Z, Anordnung nach Anspruch 1, daduch gekennzeichnet» daae die Steuereinrichtung ein Polradwinkel-Messgerät 435) eofcaält welches bei.Erreichen eines vorgegebenen Minimalechlüpfes ein Signal zur ständigen Erzeugung einer Zündspannung für die gesteuerten Gleichriehterventile (21) abgibt,

.-: .V_1-L₁- ORIGINAL INSPECTED

10 9 818/0231

- 12 - 27/67

3* Anordnung nach Anspruch 2_t dadurch gekennzeichnet, dass an das Polradwinkel-Messgerät (55) ein mit einer Torschaltung versehener Wechsä.spannungsgenerator (33) angeschlossen ist, dessen Ausgangespannung den Steuerelektroden (25) der gesteuerten Gleichrichterventile (21) Über einen rotierenden, induktiven Übertrager (29) zugeführt ist.

4»Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Ausgangsspannung dea Wechselspannungsgenerator (33) höher, z»B. 15 bis 20 mal höher ist,als die Frequenz der Spannung der Wechselstrora-Erregermascbine (9) und dass die Steuerelektroden (25) der gesteuerten Gielchrichterventlle (21) direkt an die Sekundärwicklung (27) des Uebertragers (29) angeschlossen sind.

5* Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnt, dass die Steuerelektroden (25) der gesteuerten Gleichrichterventile (21) Ober eine Gleichrichteranordnung (39*41) an die Sekundärwicklung (27) des Uebertragers (29) angeschlossen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1 und 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet., utimB in Reihe zum Parallelwiderstand (7) der Feldwicklung (6) des Synchroniaotors eine mindestens ein gesteuertes Ventil enthaltende Torschaltung angeordnet ist, um den Widerstand (7) im synchronen Betrieb von der Feldwicklung (S) zu trennen»

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.