DE1613530C3 - Anordnung zur Steuerung der ' Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung der Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Anordnung dieser Gattung ist aus der Zeitschrift »Power«, Februar 1965, S. 70—73, bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird die rotierende Feldwicklung über eine ungesteuerte Gleichrichter-Brückenschaltung gespeist; während der asynchronen Anlaufphase wird die Gleichrichter-Brückenschaltung durch einen Serien-Thyristor von der Feldwicklung getrennt. Die Steuerung des Thyristors erfolgt durch eine im Rotor untergebrachte und nur von der in der Feldwicklung induzierten EMK gespeisten Steuereinrichtung. Aufgrund der Tatsache, daß diese EMK nicht nur der Frequenz nach, sondern auch der Amplitude nach schlupfabhängig ist, stellt sie nur ein ungenaues Maß für die Steuerung des Thyristors dar.

Bei der Anordnung zur Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors nach der GB-PS 9 54 604, bei welcher die rotierende Wicklung eines auf der Welle der Synchronmaschine angebrachten Ankers einer Wechselstromerregermaschine über eine rotierende Gleichrichter-Brückenschaltung mit einer steuerbaren und einer ungesteuerten Brückenhälfte an die rotierende Feldwicklung des Synchronmotors schleifringlos angeschlossen ist und bei welcher eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, werden die steuerbaren Ventile der halbgesteuerten Brückenschaltung in Abhängigkeit von den Spannungen der Wechselstrom-Erregermaschine gesteuert. Diese Spannungen sind drehzahlabhängig. Zudem sind diese Spannungen selbst bei gleichbleibender Drehzahl nicht konstant, sondern sind von der Belastung, Remanenzerscheinungen und anderen Parametern der Maschine abhängig. Bei Klemmenkurzschlüssen sinken diese Spannungen auf Werte ab, die eine Zündung der Ventile nicht mehr ermöglichen, da die Zündspannung jeweils ein bestimmter Bruchteil der Phasenspannung ist.

Durch die US-PS 32 93 518 und die Zeitschrift »Electrical Manufacturing«, Juni 1960, Seiten 125—128, insbesondere Fig. 5, ist jeweils eine Anordnung zur Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors bekannt, bei welcher zwar die rotierende Wicklung eines auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Wechselstrom-Erregermaschine über eine rotierende Gleichrichteranordnung an die rotierende, mit einem Parallelwiderstand versehene Feldwicklung des Synchronmotors angeschlossen ist, dabei ist jedoch die Brückenschaltung nur aus ungesteuerten Gleichrichtern aufgebaut; gesteuerte Gleichrichter finden sich dagegen in weiteren Zweigen parallel zu der rotierenden Feldwicklung. Im Falle der Anordnung nach der Zeitschrift »Electrical Manufacturing« erfolgt die Steuerung dieser Ventile durch die im Rotorkreis induzierte EMK und ist somit mit der Anordnung nach der Zeitschrift »Power« vergleichbar, während bei der Anordnung nach der US-PS 32 93 518 die Steuereinrichtung für die Ventile von der Stellung und Geschwindigkeit des Rotors abgeleitet werden.

Aus der FR-PS 14 13 295 ist schließlich ein Synchrongenerator mit zugehöriger Erregeranordnung bekannt, bei welchem eine feststehende Steuereinrichtung über einen Übertrager die Zündspannung für die steuerbaren Gleichrichter der rotierenden halbgesteuerten Erregerstrom-Gleichrichterbrücke liefert. Die Steuerung der steuerbaren Gleichrichter erfolgt dabei kontinuierlich in Abhängigkeit von der Regelabweichung eines Spannungsreglers. Ein Polradwinkelmeßgerät ist im Rahmen der Steuereinrichtung nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Steuerung der Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die die Betriebssicherheit sowohl im asynchronen als auch im synchronen Betrieb verbessert.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Steuerung der Ventile der halbgesteuerten Gleichrichter-Brückenschaltung durch ein außerhalb des rotierenden Teils des Motors angeordnetes Polradwinkel-Meßgerät verbessert die Betriebssicherheit bei allen Betriebszuständen. Bei einem Außertrittfallen der Maschine bewirkt die Steuereinrichtung augenblicklich eine Unterbrechung der Zündimpulszufuhr und damit die Zurücknahme der Erregung — unabhängig von anderen Einflußgrößen, also auch solchen, die gerade für das Außertrittfallen verantwortlich sind. Andererseits ist während der asynchronen Anlaufphase stets sichergestellt, daß keine Zündung der Ventile erfolgt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist insbesondere darin zu sehen, daß auf dem Rotor

praktisch kein zusätzlicher Raum für die Unterbringung von steuerbaren Gleichrichtern und deren Kühleinrichtungen nötig ist. Dies ist insbesondere im Hinblick darauf von Bedeutung, daß in aller Regel nicht ein einziges steuerbares Ventil, sondern eine Mehrzahl 5 parallelgeschalteter Ventile eingesetzt werden muß, um den Erreger-Dauerstrom zu führen.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Anordnung nach der Erfindung mit ungesteuerten und gesteuerten Gleichrichterventilen,

Fig.2 eine Schaltungsvariante zur Zündung der gesteuerten Ventile der F i g. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein Synchronmotor mit seinem Stator 1 an Klemmen 3 eines Drehstromnetzes angeschlossen. Die mit dem Rotor des Synchronmotors umlaufenden Maschinen- und Schaltungsteile sind zeichnerisch in einem gestrichelt dargestellten Rahmen 5 enthalten. Diese rotierenden Teile umfassen eine Feldwicklung 6 des Synchronmotors, wobei der Feldwicklung 6 ein Widerstand 7 parallel geschaltet ist, ferner eine Gleichrichter-Brückenschaltung 8 zur Speisung der Feldwicklung 6 sowie Ankerwicklungen 9 einer Wechselstrom-Erregermaschine zur Speisung der Gleichrichter-Brückenschaltung 8 mit einem Drehstrom. Ein Erregerkreis 10 der Wechselstrom-Erregermaschine enthält eine stationäre Feldwicklung 11, die über einen einstellbaren Widerstand 13 von einer Gleichrichteranordnung 15 gespeist wird, welche ihrerseits an Klemmen 17 eines Wechselstromnetzes angeschlossen ist.

Die Gleichrichterbrückenschaltung 8 weist für jede speisende Wechselstromphase ein Gleichrichterventil 19 der einen Leitrichtung und ebenfalls ein Gleichrichterventil (Thyristor) 21 der anderen Leitrichtung auf. Die Gleichrichterventile 19 der einen Brückenhälfte sind ungesteuerte Ventile, während die Gleichrichterventile 21 der anderen Brückenhälfte als Thyristoren ausgebildet sind.

Die Steuerelektroden 25 der gesteuerten Gleichrichterventile 21 sind an die einen Enden ebenfalls rotierender Sekundärwicklungen 27 eines induktiven Übertragers 29 angeschlossen. Die anderen Enden der Wicklungen 27 sind gemeinsam mit allen Kathoden der gesteuerten Ventile 21 verbunden, so daß die gleichphasigen Wechselspannungen der Sekundärwicklungen 27 an den Strecken zwischen Steuerelektrode und Kathode der gesteuerten Ventile 21 liegen. Die stationäre Primärwicklung 31 des Übertragers 29 ist an den Ausgang eines steuerbaren Wechselspannungsgenerators 33 angeschlossen, der eine Torschaltung enthält und bei geschlossener Torschaltung eine Wechselspannung abgibt, deren Frequenz wesentlich höher ist als die Frequenz der Spannung der Wechselstrom-Erregermaschine 9, beispielsweise 15- bis 20mal höher.

Zur Steuerung des Wechselspannungsgenerators 33 ist ein Polradwinkel-Meßgerät 35 vorgesehen, an dessen Eingängen einerseits die von zwei der Klemmen 3 abgenommene Netzfrequenzspannung und andererseits eine von einem induktiven Impulsgeber 37 erzeugte Spannung mit einer der Drehzahl der Feldwicklung 6 proportionalen Frequenz liegen. Im Polradwinkel-Meßgerät 35 wird die Lage des Netzvektors mit derjenigen des Polradvektors verglichen. Die Schaltung ist hierbei so angelegt, daß bei Erreichen eines vorgegebenen Minimalschlupfes vom Meßgerät 35 ein Synchronisiersignal erzeugt und der Torschaltung des Wechselspannungsgenerators 33 zugeführt wird, so daß dieser in der Folge eine ständige Wechselspannung hoher Frequenz an die Primärwicklung 31 des Übertragers 29 abgibt.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist die folgende:

Während des Anlaufvorganges des Synchronmotors ist infolge des großen, vom Polradwinkel-Meßgerät 35 erfaßten Schlupfes der Wechselspannungsgenerator 33 gesperrt; die Sekundärwicklungen 27 des Übertragers 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 Polradwinkel-Meßgerät 35 ein Synchronisiersignal, welches die Entsperrung des Wechselspannungsgenerators 33 bewirkt, so daß nun an den Sekundärwicklungen 27 des Übertragers 29 eine Wechselspannung erscheint, die an die Steuerelektroden 25 der gesteuerten Gleichrichterventile 21 gelegt ist 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 ständig und verhalten sich wie die ungesteuerten Ventile 19, das heißt sie kommutieren über die angelegte Wechselspannung. Durch 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 im Erregerstromkreis der Wechselstrom-Erregermaschine.

Bei einem Außertrittfallen des Synchronmotors bewirkt das Polradwinkel-Meßgerät 35 eine Sperrung des Wechselspannungsgenerators 33, so daß die Erregung infolge Ausfallen der Zündspannung für die gesteuerten Ventile 21 augenblicklich zurückgenommen wird. Dies ist dann der Fall, wenn der Polradwinkel entweder größer als 180° 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 gleichgerichtete Spannung legen. In F i g. 2 ist eine entsprechende Schaltungsvariante beispielsweise dargestellt. Die an den Sekundärwicklungen 27 des Übertragers 29, von welchen nur eine einzige dargestellt ist, erscheinende Wechselspannung wird hierin durc'; eine auf dem rotierenden Rahmen 5 untergebrachte Gleichrichteranordnung, die ein Gleichrichterventil 39 und einen Widerstand 41 enthält, gleichgerichtet und an die Steuerelektrode 25 des gesteuerten Gleichrichterventils 21 gelegt. Gleiche Schaltungsanordnungen sind auch für die übrigen Ventile 21 der F i g. 1, die in F i g. 2 nicht dargestellt sind, vorgesehen.

Der der Feldwicklung 6 parallelgeschaltete Wider-

stand 7 erzeugt im Normalbetrieb zusätzliche Verluste, die zwar gering sind, da der Widerstandswert des Widerstandes 7 etwa 5- bis lOmal größer 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 eine Antiparallelschaltung aus einem ungesteuerten und eines gesteuerten Ventils angeordet 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 Erfindung wird in der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gesehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors, bei welcher die rotierende Wicklung eines auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Wechselstromerregermaschine über eine rotierende Gleichrichterbrückenschaltung an die rotierende, mit einem Parallelwiderstand versehene Feldwicklung des Synchronmotors schleifringlos angeschlossen ist, bei welcher Thyristoren zur elektrischen Abtrennung der Gleichrichterbrückenschaltung von der Feldwicklung während des asynchronen Anlaufs des Synchronmotors vorhanden sind und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die den Thyristoren in Abhängigkeit von der Schlupffrequenz ein Signal bei Erreichen eines vorgegebenen minimalen Schlupfes zur ständigen Erzeugung einer Zündspannung zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren (21) eine der Brückenhälften bilden, daß ihre Steuereinrichtung einen stationären Wechselspannungsgenerator (33) als Zündspannungsquelle für die Thyristoren (21) enthält, dem das Ausgangssignal eines Polradwinkelmeßgeräts (35) zugeführt ist, welches die Lage des Netzvektors mit der des Polradvektors vergleicht, und daß die Frequenz der Zündimpulse wesentlich höher als die Frequenz der Spannung der Wechselstromerregermaschine (9,11) ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem stationären Wechselspannungsgenerator (33) und den Thyristoren (21) ein induktiver Übertrager (29) vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der Thyristoren (21) über eine Gleichrichteranordnung (39,41) an die Sekundärwicklung des induktiven Übertragers (29) angeschlossen sind (F i g. 2).