DE1918261C3

DE1918261C3 - Device for slip and rotor angle detection of brushless excited synchronous machines

Info

Publication number: DE1918261C3
Application number: DE19691918261
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Ing. 1000 Berlin Schneider
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Filing date: 1969-04-05
Publication date: 1976-09-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Schlupf- und Polradwinkelerfassung zur Synchronisierung und Asynchronlaufüberwachung von bürstenlosen Synchronmaschinen, die von einem Erregergen^rator über umlaufende, gesteuerte oder ungesteuerte Halbleiterlellen in Sternschaltung mit mindestens zu :iner Halbkiterzelle antiparallelem Hochlaufthyristor erregt werden, so daß zumindest über Teile der Wicklungen des Läufers des Erregergenerators während des asynchronen Hochlaufs ein geschlossener Kreis für den Polradstrom besteht Derart aufgebaute Erregersysteme für Synchronmaschinen sind z. B. bekannt aus Technische Mitteilungen AEG-Telefunken 58 (1968) Nr. 3, S. 145 bis 148.The invention relates to a device for slip and pole wheel angle detection for synchronization and Asynchronous running monitoring of brushless synchronous machines, which are supplied by an excitation generator via rotating, controlled or uncontrolled semiconductor cells in star connection with at least one half-kit cell antiparallel run-up thyristor are excited so that at least parts of the windings of the The rotor of the exciter generator forms a closed circuit for the pole wheel current during asynchronous run-up consists of such a built-up excitation systems for synchronous machines are z. B. known from Technical Communications AEG-Telefunken 58 (1968) No. 3, pp. 145 to 148.

Bei asynchronem Hochlauf von bürstenlos erregten Synchronmaschinen ist es wichtig, den Schlupf und die Lage des Polrades zum Ständerdrehfeld, d. h. den Polradwinkel zu erfassen, um im geeigneten Zeitpunkt die Erregung einschalten zu können, so daß die Synchronmaschine, auch gegen eine Last, in den Synchronismus kommt Bei einer bereits synchron laufenden Synchronmaschine ist es wichtig, daß der Zustand des Außertrittfallens durch eine entsprechende Signalgabe gemeldet wird.With asynchronous start-up of brushless excited synchronous machines, it is important to check the slip and the Position of the pole wheel in relation to the rotating field of the stator, d. H. to detect the pole wheel angle in order to achieve the To be able to switch on excitation, so that the synchronous machine, even against a load, is in synchronism In the case of a synchronous machine that is already running synchronously, it is important that the state of the falling out of step is reported by a corresponding signaling.

Es ist vorgeschlagen worden, den Schlupf und den Polradwinkel beim asynchronen Hochlauf von bürstenlos erregten Synchronmaschinen mittels einer Synchronisierungsschiupfspule zu messen, wobei die Synchronisierungsschlupfspule mit dem Streufeid der Synchronmaschine verkettet ist (DT-OS 16 38 364). Hierbei kann jedoch die Lage des Polrades zum Ständerdrehfeld nur gemessen werden, wenn das Polrad der Synchronmaschine geringfügige Unsymmetrien aufweist. Die Messung des Polradwinkels ist deshalb nicht sehr zuverlässig. It has been proposed to reduce the slip and the rotor angle during asynchronous start-up from brushless excited synchronous machines by means of a synchronization slip coil to measure, the synchronizing slip coil with the scattering oath of the synchronous machine is chained (DT-OS 16 38 364). Here, however, the position of the pole wheel to the stator rotating field can only can be measured when the pole wheel of the synchronous machine shows slight asymmetries. The measurement the rotor angle is therefore not very reliable.

Weiterhin ist es möglich, für die Messung des Schlupfes und des Polradstroms und damit des Polradwinkels einen Schlupfstrommeßwandlers mit rotierender Primärwicklung zu verwenden. Diese Meßmethode ist jedoch mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden.It is also possible to measure the slip and the flywheel current and thus the flywheel angle a slip current transducer with a rotating primary winding to use. However, this measurement method involves additional effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schlupf und den Polradwinkel beim asynchronen Hochlauf, sowie den Schlupf beim Außertrittfallen einer bürstenlos erregten Synchronmaschine mit geringem Aufwand einwandfrei zu messen.The invention is based on the object of determining the slip and the rotor angle during asynchronous run-up, as well as the slip when stepping out of a brushless excited synchronous machine with little effort to measure properly.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelös\ daß die Anzahl der vom Polradstrom durchflossenen Wicklungen 1,2,3 des Läufers in der positiven und in der negativen Stromrichtung durch entsprechende Anordnung antiparalleler Hochlauftyristoren 7 verschieden ist und eine oder mehrere feststehende, mit dem Läuferfeld verkettete Spulen 9, 10, 11 zur Erfassung des Schlupfes und des Polradwinkels im Ständer des Erregergenerators vorgesehen sind. In Weiterbildung des Gegenstands der Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine Spule mit einer Sehnung von ²h der Polteilung des Erregergenerators und nur in einem Gleichrichterzweig antiparallele Hochlaufthyristoren vorgesehen sind. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß zwei Spulen vorgesehen sind mit einer Sehnung von ²A sowie '/3 der Polteilung des Erregergenerators und das Signal der ersten Spule von dem der zweiten Spule subtrahiert wird, sowie daß zwei um 90° el. versetzte Spulen vorgesehen sind mit jeweils einer Sehnung von ²Ii der Polteilung des Erregergenerators und die Signale der Spulen nach einer Gleichrichtung addiert werden.This object is achieved according to the invention in that the number of windings 1, 2, 3 of the rotor through which the rotor current flows is different in the positive and in the negative current direction due to the corresponding arrangement of anti-parallel run-up thyristors 7 and one or more stationary coils 9 linked to the rotor field , 10, 11 are provided for detecting the slip and the rotor angle in the stator of the exciter generator. In a further development of the subject matter of the invention, it is proposed that a coil with a length of ² h of the pole pitch of the exciter generator and anti-parallel run-up thyristors be provided in only one rectifier branch. It is also proposed that two coils are provided with a chord of ² A and 1/3 of the pole pitch of the exciter generator and the signal of the first coil is subtracted from that of the second coil, and that two coils offset by 90 ° el. Are provided with a chord of ² Ii of the pole pitch of the exciter generator and the signals from the coils are added after rectification.

Die Spulen werden als besondere Meßspulen ausgebildet, die sich bei Außenpolerregergeneratoren in den Polschuhen des Außenpolerregergenerators befinden oder es wird die offene Erregerwicklung selbst für die Signalgabe verwendet. Bei asynchronen Erregergeneratoren werden auch vorhandene geeignete Ständerwicklungsspulen als Meßspulen verwendet. Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß es mit einfachen Mitteln möglich ist, neben dem Schlupf auch den Polradwinkel und damit die günstigste Stellung des Polrades zum Ständerdrehfeld fürThe coils are designed as special measuring coils, which are located in the pole pieces of the external pole exciter generator in the case of external pole exciter generators or the open field winding itself is used for signaling. With asynchronous exciter generators Existing suitable stator winding coils are also used as measuring coils. The advantages of the invention are in particular that it is possible with simple means, in addition to the slip also the pole wheel angle and thus the most favorable position of the pole wheel to the stator rotating field for

das Zuschalten der Erregung erfassen zu können. Darüber hinaus kann auch mit der erfindungsgemäßen Einrichtung der Zustand des Außertrittfattens einer bereits synchron laufenden Maschine ebenso erfaßt werden wie Defekte an den Gleichrichter.to be able to detect the activation of the excitation. About it in addition, with the device according to the invention, the state of the external step fattening can already be achieved synchronously running machine can be detected as well as defects in the rectifier.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.

In de; Zeichnung jst die Einrichtung zur Schlupf- und Polradwinkelerfassung bei Erregung über die Halbleiterzellen 4,5,6 in dreiphasiger Sternschaltung dargestellt, wobei die Halbleiterzellen gesteuert oder ungesteuert sein können. Beim asynchronen Hochlauf der Synchronmaschine wird in der Läuferwicklung 8 der Synchronmaschine eine Wechselspannung induziert, die die Frequenz der Schlupffrequenz hat. Diese Wechselspannung läßt einen Strom, den Polradstrom, über die HaJbleiterzellen 4, 5 und 6, bzw. den antiparallelen Hochlaufthyristor 7 und die drei Läuferwicklungen 1, 2, 3 des Außenpolerregergsnerators fließen. Während in der positiven Stromrichtung (damit wird im folgenden die Stromrichtung bezeichnet, in der bei eingeschalteter Erregung die Läuferwicklung 8 durchflossen wird) die drei Läuferwicklungen 1, 2 und 3 gleichmäßig durchflossen werden, wird in der negativen Stromrichtung nur die Läuferwicklung 3 über den antiparallelen Hochlaufthyristor 7 durchflossen. Die umlaufenden Läuferwicklungen 1, 2 und 3 erzeugen durch die Rotation während der positiven Stromrichtung eine dritte Flußoberwelle und während der negativen Stromrichtung einen Grundwellenfluß. Damit ist die Bildung eines Signals möglich, das während der positiven Stromrichtung die dreifache Frequenz der Grundfrequenz aufweist, während der negativen Stromrichtung Grundfrequenz aufweist und jeweils in der Amplitude entsprechend der Schlupffrequenz moduliert ist. Da die Erregung der Synchronmaschine bei beginnendem positiven Polradstrom zugeschaltet werden soll, weil in diesem Zeitpunkt das Polrad die günstigste Stellung zum Ständerdrehfeld für das Zuschalten der Erregung hat, ist es notwendig ein Signal zu erhalten, das diesen Beginn eindeutig erfaßt. Dazu ist es notwendig, die Grundwelle von der dritten Oberwelle zu trennen. Dies ist normalerweise schwierig, da sich sowohl die Grundwelle als auch die dritte Oberwelle entsprechend der Drehzahl während des asynchronen Hochlaufs ändern. Erfindungsgemäß erhält daher die feststehende Spule 9 eine Sehnung von ²/3 der Polteiiung des Erregergenerators, so daß in ihr nur während der negativen Stromrichtung eine Spannung von Grundfrequenz, amplitudenmoduliert mit der Schlupffrequenz induziert wird und die dritte Oberwelle dagegen wegen der Sehnung nicht erfaßt wird. Das Ende dieses nur während der negativen Stromrichtung induzierten Signals zeigt also eindeutig den Beginn der positiven Stromrichtung an und damit bei genügend kleiner Schlupffrequenz, die aus dem zeitlichen Abstand der induzierten Signale ermittelt wird, den Zeitpunkt für das Zuschalten der Erregung der Synchronmaschine. Soll der Beginn der positiven Stromrichtung direkt durch den Beginn eines Signals angezeigt werden, so ist dazu eine zweite SpuleIn the; The drawing shows the device for detecting the slip and rotor angle when excited via the semiconductor cells 4, 5, 6 in a three-phase star connection, with the semiconductor cells being able to be controlled or uncontrolled. When the synchronous machine starts up asynchronously, an alternating voltage is induced in the rotor winding 8 of the synchronous machine, which has the frequency of the slip frequency. This alternating voltage allows a current, the pole wheel current, to flow through the semiconductor cells 4, 5 and 6 or the anti-parallel run-up thyristor 7 and the three rotor windings 1, 2, 3 of the external pole exciter. While the three rotor windings 1, 2 and 3 are flowed evenly through the three rotor windings 1, 2 and 3 in the positive current direction (this is the current direction in which the current flows through the rotor winding 8 when the excitation is switched on), only the rotor winding 3 is flowed through in the negative current direction via the anti-parallel run-up thyristor 7 flowed through. The rotating rotor windings 1, 2 and 3 generate a third flux harmonic due to the rotation during the positive current direction and a fundamental wave flux during the negative current direction. This enables the formation of a signal which has three times the frequency of the basic frequency during the positive current direction, and which has a basic frequency during the negative current direction and is modulated in amplitude in accordance with the slip frequency. Since the excitation of the synchronous machine is to be switched on when a positive pole wheel current begins, because at this point in time the pole wheel is in the most favorable position to the stator rotating field for switching on the excitation, it is necessary to receive a signal that clearly detects this beginning. To do this, it is necessary to separate the fundamental from the third harmonic. This is usually difficult because both the fundamental and the third harmonic change according to the speed during asynchronous run-up. According to the invention, the fixed coil 9 therefore has a tension of ^2/3 the pole pitch of the exciter generator, so that a voltage of the fundamental frequency, amplitude-modulated with the slip frequency, is induced in it only during the negative current direction and the third harmonic, on the other hand, is not detected because of the tension. The end of this signal, which is only induced during the negative current direction, clearly indicates the beginning of the positive current direction and thus, with a sufficiently low slip frequency, which is determined from the time interval between the induced signals, the point in time for switching on the excitation of the synchronous machine. If the beginning of the positive current direction is to be indicated directly by the beginning of a signal, a second coil is required for this purpose

10 mit einer Sehnung von '/3 der Polteilung des Erregergenerators vorzusehen. In dieser Spule 10 wird eine Spannung induziert, die während der negativen Stromrichtung Grundfrequenz aufweist und während der positiven Stromrichtung die dreifache Frequenz10 with a chord of 1/3 of the pole pitch of the exciter generator to be provided. In this coil 10, a voltage is induced, which during the negative Current direction has basic frequency and three times the frequency during the positive current direction

der Grundfrequenz hat. Wird von diesem Signal das der Spule 9 subtrahiert, so verbleibt ein Signal, das nur während der positiven Stromrichtung entsteht und dessen Beginn unmittelbar den Beginn der positiven Stromrichtung anzeigt. Die Schlupffrequenz wird auch hier aus dem zeitlichen Abstand der während der positiven Stromrichtung anstehenden Signale ermittelt. Will man den Schlupf und den Polradstrom nach Phasenlage und Richtung über den ganzen Bereich von π = 0 bis η = n»„ erfassen, so ist es zweckmäßig, zwei um 90° el. versetzte Spulen 9, 11 mit jeweils einer Sehnung von -73 der Polteilung des Erregergenerators vorzusehen und deren Signale nach einer Gleichrichtung zu addieren.the basic frequency has. If that of the coil 9 is subtracted from this signal, a signal remains that is only generated during the positive current direction and the beginning of which immediately indicates the beginning of the positive current direction. Here, too, the slip frequency is determined from the time interval between the signals present during the positive current direction. If you want to record the slip and the rotor current according to phase position and direction over the entire range from π = 0 to η = n »„ , it is useful to have two coils 9, 11 offset by 90 ° el. Each with a chord of -73 the pole pitch of the exciter generator and to add their signals after rectification.

Beim Außertrittfalien der Synchronmaschine wird infolge der auftretenden Überspannung der Thyristor 7 gezündet. Die im Läufer 8 der Synchronmaschine induzierte Spannung, die Schlupffrequenz besitzt, treibt, sofern sie größer ist als die Erregerspannung, einen Strom durch die Wicklungen 1, 2, 3 des Läufers des Erregergenerators. Dieser Strom durchfließt, ähnlich wie beim asynchronen Hochlauf, die Wicklungen 1, 2, 3 in der positiven Stromrichtung und in der negativen Stromrichuing in verschiedener Weise, so daß, wie beim asynchronen Hochlauf in der Spule 9 Signale in-When the synchronous machine is stepped out, as a result the overvoltage that occurs, the thyristor 7 is ignited. The one induced in the rotor 8 of the synchronous machine Voltage, which has a slip frequency, drives you if it is greater than the excitation voltage Current through the windings 1, 2, 3 of the rotor of the exciter generator. This current flows through it, similarly As with asynchronous run-up, windings 1, 2, 3 in the positive current direction and in the negative Stromrichuing in different ways, so that, as with asynchronous run-up in the coil 9 signals in-

duziert werden, die eine Erfassung des Außertrittfallschlupfes gestatten.be reduced, which allow a detection of the exit slip.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

"Claims:

1. Device for slip and rotor angle detection for synchronization and asynchronous operation monitoring of brushless synchronous machines that are driven by an exciter generator via rotating, controlled or uncontrolled semiconductor cells in star connection with at least one semiconductor cell antiparallel run-up thyristor are excited, so that at least parts of the windings the runner of the exciter generation; a closed circle during asynchronous start-up for the Polradstrom is characterized in that the number of the Polradstrom traversed windings (1, 2, 3) of the rotor in the positive and in the negative The direction of current is different due to the appropriate arrangement of parallel run-up thyristors (7) lind one or more stationary coils (9, 10, 11) linked to the rotor field for detecting $ ung the slip and the rotor angle are provided in the stator of the exciter generator.

2. Device according to claim 1, characterized in that a coil (9) with a tendon of * / 3 of the pole pitch of the exciter generator and antiparallel run-up thyristors only in a rectifier branch (7) is provided.

3. Device according to claim 2, characterized in that a further coil (10) with a tendon of '/ 3 of the pole pitch of the exciter generator are provided and the signal of the first coil (9) from which the second coil (10) is subtracted.

4. Device according to claim 2, characterized in that a further 90 "el. Offset coil (11) with a stretch of ¹ Ii of the pole pitch of the exciter generator is provided and the signals from the coils (9, 11) are added after rectification .

5. Device according to claims I to 4, characterized in that the coils (9. 10, U) as special measuring coils are formed.

6. Device according to claim 2, with an external pole exciter generator, characterized in that that the field winding of the external pole generator, which is open during start-up, is provided as the coil (9) is.

7. Device according to claim 5 with an external pole exciter generator, characterized in that the measuring coils are arranged in the pole pieces.

8. Device according to claims 1 to 4 with an asynchronous exciter generator, thereby marked, that existing suitable stator winding coils are provided for signaling.