DE1945801B2 - Anordnung zur schleifringlosen erregung einer synchronmaschine - Google Patents

Description

Elektrische Synchronmaschinen werden oft schleifringlos erregt, um die Nachteile einer Wartung von Bürsten und Schleifringen zu vermeiden. Bei der schleifringlosen Erregung wird der Erregerstrom als Wechsel- bzw. Drehstorm von einer mit der Maschine rotierenden Wicklung, z. B. einer Erregermaschine oder eines Übertragers geliefert und über gesteuerte oder ungesteuerte rotierende Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt und der Erregerwicklung zugeführt.

Eine derartige schleifringlose Erregerschaltung einer elektrischen Synchronmaschine ist aus der »Siemens-Zeitschrift« 42 (1968), Heft 11, S. 930 bis 939 bekannt. Dort ist insbesondere beschrieben, daß in Reihe mit der Erregerwicklung liegend ein gesteuertes Längsventil vorhanden ist, das dazu dient, die Erregung der Synchronmaschine im richtigen Moment einzuschalten. Dabei sind im wesentlichen zwei unterschiedliche Betriebsbedingungen zu beachten.

Soll die Synchronmaschine durch das Zuschalten der Erregung in Tritt gezogen werden, so muß das Längsventil schlupfabhängig und phasenrichtig gezündet werden. Dazu ist bei der bekannten Erregeranordnung eine Steuerschaltung vorhanden, die mittels eines Kondensators eine Integration der in der Erregerwicklung induzierten asynehronen Anlauf-Weehselspannung zur Messung des kritischen Schlupfes vornimmt. Bei Erreichen des kritischen Schlupfes der Maschine bewirkt dieser Kondensator die Zündung des Längsventils und somit die Zuschaltung der Erregung.

Manchmal kann sich die Synchronmaschine jedoch synchronisieren, ohne daß die Erregung durch das Längsventil zugeschaltet wird. Da in diesem Fall die frequenzabhängige Steuerung nicht in der Lage ist, einen Zündimpuls zu geben, ist bei der bekannten Anordnung eine zweite, ebenfalls auf die Zündung de" Längsventils einwirkende, zeitabhängige Steuerschals tung vorgesehen, die als Synchronzündung bezeichnet wird. Abgesehen davon, daß diese zweite Steuerschaltung verhältnismäßig aufwendig ist, treten auch Schwierigkeiten auf, wenn zu hohe Spannungen an den offenen Erregerklemmen der Synchronmaschine liegen. Deshalb muß eine mit einer derartigen zeitabhängigen Zündeinrichtung versehene Synchronmaschine eine

ίο verhältnismäßig hohe Längsfelddämpfung besitzen, sie muß also besonders ausgelegt sein.

Es ist weiterhin bekannt (Zeitschrift »Power«. Februar 1965, S. 70 bis 73). bei einer schleifringlosen Erregerschaltung einer Synchronmaschine in dem Zündkreis des gesteuerten Längsventils, durch welches die Erregung auf die Maschine geschaltet wird, an Stelle eines Integrationskondensatcrs einen sogenannten Feldenüadewiderstand (field discharge resistor) vorzusehen, der die Spannung für den Steuerkreis der Zündung des Längsventils liefert. Ein derartiger rotierender Widerstand ist aber eine sehr aufwendige Lösung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine schleifringlose Erregeranordnung mit einem Integrationskondensator im Zündkreis des gesteuerten Längsv^ntils durch eine besondere Ausbildung dieses Zündkreises so zu verbessern, daß das gesteuerte Längsventil unter den beiden möglichen Betriebsbedingungen, nämlich nach Erreichen des kritischen Schlupfes (falls die Maschine durch die Erregung in Tritt gezogen werden soll) oder nach einer Selbstsynchronisierung, im richtigen Moment eingeschaltet wird. Außerdem soll jedoch die Größe der an den offenen Erregerklemmen der Maschine liegenden Spannung keinen Einfluß auf die Zündung haben.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Anordnung zur schleifringlosen Erregung einer Synchronmaschine, deren mittels kontaktloser Schaltelemente kurzschließbare Erregerwicklung an einem rotierenden Gleichrichter angeschlossen ist und bei der in Reihe mit der Erregerwicklung ein gesteuertes Längsventil vorgesehen ist, das in Abhängigkeit von der Größe und von der Frequenz der Anlaufwechselspannung über eine Steuerschaltung gezündet wird, deren im Zündkreis des Längsthyristors liegender, den Zündstrom liefernder, zur Integration dienender Kondensator in Reihe mit einem Widerstand und einem ungesteuerten, in Sperrichtung des Erregerstromes geschalteten Ventil liegt. Gemäß der Erfindung liegt zur Reihenschaltung Kondensator und Widerstand ein in Richtung des Ladestromes des Kondensators geschaltetes gesteuertes Ventil parallel und ist dieser Parallelschaltung ein weiterer Widerstand vorgeschaltet.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß zur Messung des kritischen Schlupfes infolge des mit dem Kondensator in Reihe liegenden, in Sperrichtung des Erregerstromes geschalteten, ungesteuerten Ventils von vorn= herein nur die phasenrichtigen Halbwellen der in der Erregerwicklung induzierten asynehronen Anlaufwechselspannung, d. h. die Halbwellen, die den Strom in Richtung des Erregergleichstromes treiben wollen, zur Integration ausgenutzt werden. Bei allen Schlupfwerten, die größer als der kritische Schlupf sind, wird der Ladevorgang des Kondensators bei einer Spannung abgebrochen, welche durch die Werte der in Reihe mit dem Kondensator liegenden beiden Widerstände bestimmt ist. Wird diese erreicht, so wird das parallel

zum Kondensator und dem einen Widerstand liegende gesteuerte Ventil gezündet, so daß sich der Kondensator über dieses entlädt. Da der die Entladung einleitende Spannungswert durch das Größenverhältnis der beiden in der Steuerschaltung vorhandenen Widerstände bestimmt wird, ist man von der im Erregerkreis durch den Überspannungsschutz vorgeschriebenen maximalen Spannung unabhängig. Auch starke Fertigungstoleran.?_n können nicht mehr störend wirken.

Außerdem löst die gleiche gemäß der Erfindung vorgesehene Steuerschaltung auch den Zündimpuls für das Längsventil aus. wenn die Maschine unerregt synchron läuft. Im unerregten synchronen Betrieb tritt nämlich an den offenen Erregerklemmen der Synchronmaschine eine von der Oberwelligkeit des Ankerfeldes induzierte Wechselspannung, auch Synchronspannung genannt, auf. Ihre Frequenz ist größer als die Maschinenfrequenz. Durch die besondere Schaltung gemäß der Erfindung wird der Kondensator auch durch diese Synchronspannung aufgeladen und löst dann den Zündimpuls für das Längsventil air».

Im folgenden sei die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels in den Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Die Erregerwicklung 1 im Läufer einer Synchronmaschine, deren nicht dargestellte Ständerwicklung an ein Drehstromnetz angeschlossen sein kann, ist über eine Gleichrichteranordnung 2 mit ungesteuerten Ventilen 3, insbesondere Silizium-Gleichrichtern, in Brükkenschaltung an die dreiphasige Läuferwicklung 4 einer Erregermaschine angeschlossen. Zu der rotierenden Erregeranordnung gehört ferner ein der Erregerwicklung 1 parallel geschalteter Überspannungsschutz 5. welcher die in der Erregeranordnung auftretenden Spannungen auf einen bestimmten maximalen Wert U_max beschränkt.

In Reihe mit der Erregerwicklung 1 liegt ein gesteuertes Längsventil, der Längsthyristor 6, der die Zus^haltung der Gleichrichteranordnung 2 auf die Erregerwicklung 1 steuert. Zur Auslösung des Zündimpulses für den Längsthyristor 6 dient die erfindungsgemäße Steuerschaltung. Wesentlicher Bestandteil dieser Steuerschaltung ist der zur Integration der anstehenden Spannungen verwendete Kondensator 7. Ei reicht dieser durch Aufladung einen bestimmten Spannungswert, so zündet das im Zündentladekreis des Kondensators 7 vorgesehene Schaltelement, eine Shockley-Diode 8, und der Kondensator 7 entlädt sich über die P.imärwicklung des Gitterübertragers 9, dessen Sekundärstrom als Zündstrom für den Längsthyristor 6 vorgesehen ist und seiner Steuerelektrode zugeführt wird. In Reihe mit der Sekundärwicklung des Gitterübertragers 9 ist noch eine Entkopplungsdiode 10 angeordnet. Außerdem enthält der Zündentladekreis des Kondensators 7 noch einen Strombegrenzungswiderstand 11 und die Diode 12, sowie einen der Shockley-Diode 8 parallelgeschalteten Schutz 13.

Gemäß der Erfindung liegt der Kondensator 7 in Reihe mit zwei Widerständen 14, 15 und der in Sperrrichtung des Erregerstromes geschalteten Diode 16 parallel zur Erregerwicklung 1. Außerdem ist parallel zu dem Kondensator 7 und dem Widerstand 14 ein gesteuertes Ventil, der Thyristor 17, geschaltet, der von der Zenerdiofo 18 gesteuert wird. Dadurch wird ein zweiter Entladekreis für den Kondensator 7 gebildet.

Dieser zweite Entladekreis spricht an, wenn eine gewisse maximale Ladespannung Ul max erreicht wird, die kleiner als die durch den Überspannungsschutz 5 für die Erregeranordnung gegebene maximale Spannung Umax ist. Die Größe dieser maximalen Spannung im Ladekreis U_Lmas ist durch das Größenverhältnis der Widerstände 14 und 15 zueinander gegehen. während die Summe der Widerstandswerte 14 und If die Ladezeit für den Kondensator 7 bestimmt.

ίο Um das Widerstandsverhältnis nachträglich noch ohne Auswechseln von Bauelementen ändern zu können, empfiehlt es sich, die Widerstände 14 und 15 jeweils, wie in Fig. 2 dargestellt, aus mehreren Einzelwiderständen aufzubauen. Dadurch lassen sich insbesondere Fertigungstoleranzen ausgleichen.

Während des asynchronen Anlaufs der Synchronmaschine wird in der Erregerwicklung 1 eine Anlaufwechselspannung induziert. Die phasenrichtigen HaIbvvellen dieser Anlaufwechselspannung, d. h. jene, die

so einen Strom in Richtur des Erregerstromes trieben würden, werden von der Di^de 16 durchgelassen und laden den Kondensator 7 auf. Wird in dem durch den Kondensator 7 mit den Widerständen 14 und 15 gebildeten Ladekreis die Spannung Ul max vor dem kritischen Schlupf erreicht, so zündet die Zenerdiode 18 den Thyristor 17 und der Kondensator 7 entlädt sich dann ohne Abgabe eines Zündimpulses für den Längsthyristors 6.

Dieser wird erst gegeben, wenn die Maschine den kritischen Schlupf erreicht hat, d. h. der Kondensator 7 die Shockley-Diode 8 vor Erreichen der Spannung UL max zündet, so daß er sich diesmal über die Sekundärwicklung des Übertragers 9 entlädt. Der Längsthyristor 6 erhält so den Zündimpuls, der die Erregung

aufschaltel, wodurch die Synchronmaschine in Tritt gezogen wird.

Läuft dagegen die entlastete Maschine so schnell hoch, daß sie in Tritt fällt, ohne den für die frequenzabhängige Zündung eingestellten Schlupf wert durch-

laufen zu haben, so nützt man zur Zündung des Längsthyristors 6 die bei unerregten Synchronismus von den Oberwellen des Ankerfeldes in der Erregerwicklung 1 induzierte Wechselspannung, die Synchronspannung, aus. Diese liegt nämlich bei der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls am Ladekreis des Kondensators 7 an und lädt diesen solange auf (vorausgesetzt, daß die Synchronspannung kleiner als Ul.,wz ist), bis die Spannung der Shockley-Diode 8 erreicht wird und diese die Entladung des Kondensators 7 über den Übertrager 9 auslöst, wodurch der Zündimpuls für den Längsthyristor 6 und die Aufschaltung der Erregung gegeben wird. Die Steuerschaltung muß dazu so bemessen sein, daß die Synchronspannung größer als die Spannung der Shockley-Diode 8 ist.

Da die Größe der Synchronspannung allein von der Auslegung der Synchronmaschine anhängt, könnte unter umständen der Fall eintreten, daß sie größer als Ul _max wäre. Dies würde bedeuten, daß sich der Kondensator 7 jeweils über den Thyristor 17 entlädt;

eine Integration fände also nicht statt. Es empfiehlt sich dann, parallel zur Erregerwicklung 1 einen Widerstand 19 zu schalten, der die belastungsabhängige Synchronspannung teilweise zusammenbrechen läßt. Dieser Widerstand 19 ist so zu bemessen, daß die Synchronspannung kleiner als Uhmax wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur schleifringlosen Erregung einer Synchronmaschine, deren mittels kontaktloser Schaltelemente kurzschließbare Erregerwicklung an einem rotierenden Gleichrichter angeschlossen ist und bei der in Reihe mit der Erregerwicklung ein gesteuertes Längsventil vorgesehen ist. das in Abhängigkeit von der Größe und von der Frequenz der Anlaufwechselspannung über eine Steuerschaltung gezündet wird, deren im Zündkreis des Längsthyristors liegender, den Zündstrom liefernder, zur Integration dienender Kondensator in Reihe mit einem Widerstand und einem ungesteuerten, in Sperrichtung des Erregerstromes geschalteten Ventil liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reihenschaltung Kondensator (7) und Widerstand (14) ein in Richtung des Ladestromes des Konde--.ators (7) geschaltetes gesteuertes Ventil (17) parallel liegt und daß dieser Parallelschaltung ein weiterer Widerstand (15) vorgeschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerelektrode des gesteuerten Ventils (17) eine Zener-Diode (18) oder Shockley-Diode vorgeschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Widerstände (14, 15) jeweils aus mehreren Einzelwiderständen aufgebaut sind.