DE1960339A1

DE1960339A1 - Regeleinrichtung fuer den Feldstrom von Synchrongeneratoren

Info

Publication number: DE1960339A1
Application number: DE19691960339
Authority: DE
Inventors: David Bennett
Original assignee: Stone Platt Crawley Ltd
Current assignee: Stone Platt Crawley Ltd
Priority date: 1968-12-02
Filing date: 1969-12-02
Publication date: 1970-06-18
Also published as: US3599080A; BR6914695D0; EG9485A; NL6918108A; FR2025048A1; GB1233387A; CH519825A; ES374112A1

Description

STONE-PLATT CRAWLEY LIMITED, Gatwick Road, Crawley, Sussex

England

Regeleinrichtung für den Feldstrom von Synchrongeneratoren

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für den Feldstrom von Synchrongeneratoren, insbesondere Synchrongeneratoren zum Laden von Batterien sowie für die Energieversorgung in flauptlaststromkreisen, beispielsweise in Energieversorgungseinrichtungen für Schienenfahrzeuge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hierfür eine stationäre Regeleinrichtung anzugeben, die nicht die Nachteile der bekannten Erregereinrichtungen von Synchrongeneratoren aufweist, insbesondere eine solche Regeleinrichtung, die gerade bei den niedri gen infolge des Restmagnetismus beim Aufladen eines Synchrongenerators erzeugten Spannungen - in der Grössenordnung von einem Volt - arbeitet, und die auch bei hohen, vorübergehenden Spannungswerten, die beim Aufschalten der Last am Synchrongenerator auftreten, funktionsfähig bleibt.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, den Nachteil bekannter Regeleinrichtungen zu vermeiden, der gerade darin liegt, dass sie infolge einer parallel zur Feldwicklung des Synchrongenerators geschalteten sogenannten "Freilauf"-Diode nur langsam ansprechen. Eine verringerte Ansprechzeit hat ein geringeres Risiko für Schäden in der Hilfseinrichtung des Netzes beim Auftreten länger andauernder Hoohspannungsstösse zur Folge.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einer Anordnung der erwähnten Gattung mit einem negativen Rückkppplungskreis und mit Thyristoren, die den Erregerstrom auf- und abschalten, zusätzlichen Thyristoren, die auf die niedrigen, vom Restmagnetismus herrührenden Spannungen eines Synchrongenerators beim Anfahren leicht ansprechen und im Nebenschluss zu Hauptthyristoren geschaltet sind, die ihrerseits nach Erreichen der vollen Spannung des Synchrongenerators den Strom übernehmen, gelöst.

Die Thyristoren können nach einem weiteren Merkmal der Erfindung so geschaltet sein, dass sie von einem schwingenden Oszillator gezündet werden, der seinerseits in Abhängigkeit von abgetasteten Werten der Spannung des Synchrongenerators, des Haupt-Laststromes und/oder des Ladestromes für die Batterie und vorzugsweise in Abhängigkeit von allen drei Grossen überwacht wird.

Zur Herabsetzung der Ansprechzeit der Regeleinrichtung kann vorteilhafterweise eine Zenerdiode derart geschaltet sein, dass sich über sie das Erregerfeld wieder aufbaut, sobald der Erregerstrom abgeschaltet wird. Es können auch Mittel vorgesehen sein, die einen schnelleren Abfall des Feldstromes mittels einer ihm entgegengerichteten Spannung erzwingen. Dies kann zweckmässig mittels der Thyristoren dadurch erreicht werden, dass sie während der negativen Halbperiodeh der Spannung des Synchrongenerators leitend sind.

Weitere Merkmale der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen gemäss der Zeichnung weiter erläutert.

Dabei zeigt:

Figur 1 und la zusammen die Schaltung der erfindungsmässigen ' Regeleinrichtung für die Erregung eines Synchrongenerators,

Figur 2 einen Ausschnitt eines Ladekreises einer Batterie, Figur 3 eine andere Ausführung der Schaltung, Figar 4 den Ausschnitt eines abgewandelten Teils der Schaltung

nach- Figur 1, und
Figur 5 zur Erläuterung ein Spannungsdiagramm*

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Oemäss Figur 1 und 1 a gibt ein nicht eingezeichneter Synchrongenerator eine Dreiphasenspannung an die Regeleinrichtung über die Anschlüsse 1 (die Phasenziehungen der Phasen A, B, C sind symbolisch eingetragen) ab, welche mittels geeigneter Kombinationen von Abgriffen J> (entsprechend sind solche Abgriffe mit 49« 89 und 160 bezeichnet) den entsprechenden Eingaiftwindungen eines Spartransformators 4 zugeführt wird. Die Auegangsspannung wird an den Abgriffen 5 abgegriffen und über drei Thyristoren 7a, 7b, 7c, die im normalen Betriebszustand keinen Strom führen, dem Hauptfeld 6 des Synchrongenerator 6 zugeführt. Durch geeignete Wahl der Abgriffe 3 betrügt die Sekundärspannung am Spartransformator etwa 3o Volt. Ein nicht-geregeltes und in an sich bekannter Weise ™ erzeugtes Entmagnetlsierungsfeld, das dem Hauptfeld 6 derart überlagert ist, dass der für die' Erregung des Synchrongenerators erforderliche Bereich überstrichen werden kann, liegt über drei zusätzliche Dioden 9 an den Abgriffen 5.

über drei weitere negative Dioden werden ein Oszillator 11 und ein Differentialverstärker 12 gespeist, wobei die Spannung auf Io Volt stabilisiert ist.

Der Oszillator 11 liefert kontinuierliche Signale über die Sekundärwicklungen eines Impulsübertragers Io zum Ansteuern bwz. Zünden der Thyristoren 11. Diese Thyristoren sind während des » Schwin^s%standes des Oszillators leitend und lassen einen Strom in dieser Zeit für das Hauptfeld 6 durch.

Eine Spannungsteilerschaltung 14 tatet die Ausgangsspannung des Synchrongenerators über negative Dioden 15 ab; eine hierzu proportionale Teilspannung liegt an einer Zenerdiode 16 an. Diese Diode l6 leitet nur dann, wenn diese proportionale Teilspannung einen vorgegebenen Wert von z.B. 15 Volt erreicht hat. Ein zum Oszillator 11 parallel geschalteter Transistor wird dann leitend und überbrückt den Oszillator, der dann zu schwingen aufhört. Den Thyristoren wird kein Oszillatorsignal mehr zugeführt und sie kehren in den nicht-leitenden Zustand zurück, so dass die zusätzliche Energieversorgung des Hauptfelds

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unterbrochen wird. Die Erregung des Hauptfeldes wird-arlsö——— dadurch, dass auf- und abgeschaltet wird, wenn die Zenerdiode 16 leitet bezw. sperrt, geregelt. Der Spannungsteiler 14 ist so abgeglichen, dass die Diode l6 gerade dann leitet, wenn' die Ausgangsspannung des Synchrongenerators beispielsweise einen Wert von J>o Volt erreicht.

Der Oszillator 11 wird in ähnlicher Weise in Abhängigkeit von den Werten des Hauptladestromes gesteuert. Dieser wird über einen Transformator l8 überwacht, der über einen Spannungsteiler 19 und Gleichrichter 2o mit einer Zenerdiode 21 verbunden ist. Diese Zenerdiode arbeitet hinsichtlich des Transistor 17 in ähnlicher Weise wie die Diode l6, und zwar dann, wenn die an die Zenerdiode 21 angelegte Spannung die Diode 21 einen vorgegebenen Wert erreicht, beispielsweise J>o Volt, der einem bestimmten Ladestrom entspricht.

Der Oszillator 11 wird auch in Abhängigkeit von dem Ladestrom für die Batterie gesteuert. Dieser wird über einen Shunt 22 überwacht, der zwischen den positiven Ausgangsklemmen und den in Stromrichtung angeordneten Dioden eines nicht in den Figuren 1 und la eingezeichneten dreiphasigen Vollweggleichrichters angeordnet ist, über den Ladestrom vom Synchrongenerator zur

am

Batterie fliesst. Die Shunt 22 erzeugte Spannung wird im Verstärk er 12 verstärkt und über den Transistor 2j5 dem Transistor 17 zugeführt. Sobald diese Spannung einen vorgegebenen

bestimmten

Wert erreicht, der einer/Stromstärke des Ladestromes entspricht, wird der Transistor 17 leitend und der Oszillator abgeschaltet.

Die Figur 2 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für einen Ladestromkreis einer Batterie 24, mit der der Synchrongenerator über einen Transformer 25 und den Vollweggleichrichter 26 verbunden ist. Zusätzliche Dioden auf der negativen Seite verhindert, dass Energie von der Batterie eingespeist wird, sobald die Batteriespannung die von Synchrongenerator abgegebene Spannung übersteigt. Es liegt auf der Hand, dass die beschriebene Regeleinrichtung eine vollständige Kontrolle der Erregung des Synchrongenerators in Abhängigkeit von der

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Generatorspannung, dem Hauptlaststrom und dem Ladestrom für die

gestattet. Mit der Wahl von zweien dieser Grossen ist eine Überwachung nach Art einer zweifachen Regelung möglich. Fehler infolge Änderungen der Umgebungstemperatur können durch Wahl der Zenerdioden und Hilfsdioden kompensiert werden, bei spielsweise der mit ihnen in Reihe geschalteten Diode 28, deren Temperaturverhalten solche Fehler kompensiert. Der Verstärker ist gegen Temperaturschwankungen stabilisiert.

Die Hauptthyristoren 7&, Jh, 7c kontrollieren im normalen Betriebszustand den Strom für das Hauptfeld. Sie sind jedoch bei den sehr niedrigen Spannungswerten, die vom Restmagnetismus beim Anfahren des Generators erzeugt werden im nicht-leitenden Zustand. Um diese entstehenden Schwierigkeiten zu vermeiden, sind g zu den Thyristoren 7a* 7b, 7c drei äusserst leicht ansprechende Thyristoren 29 jeweils parallelgeschaltet. Die Schaltung i-st derart ausgelegt, dass die Thyristoren 29 solange leitend sind bis ein Strom von etwa 1 Ampere fliesst. Dann wird der Strom von den Thyristoren 7a, 7b, 7c übernommen. Der Oszillator 11, der ein Präszsionsgerät ist, ist derart ausgelegt, dass seine Schwingungen bei einer Spannung von ungefähr einem halben Volt einsetzen. Dadurch werden die leicht ansprechbaren Thyristoren 29 leitend und führen dem Feld 6 Strom zu. Der volle Wert der Erregung wird also ohne Verwendung anderer komplizierter Schaltungsmittel erreicht. "

Der Transformator 4 gestattet die Anpassung der Regeleinrichtung { an eine beliebige Ausgangsspannung durch entsprechende Wahl oder Anpassung seiner Abgriffe.

Falls die Last hochinduktiv ist, muss dafür gesorgt werden, dass der Strom in den leitenden Thyristoren 7a» 7b> 7c durch Null geht, damit sie, sobald^rforderlichvan den nicht-leitenden Zustand zurückkehren. Die bekannte Massnahme, eine sogenannte "free-wheel"-Diode parallel zum geregelten Feld zu schalten, führt zu einer verlängerten Periode für das Zurückgehen des Feldstromes und folglich zu einem langsamen Ansprechen der Einrichtung. In dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und la ist eine Zenerdiode Jo parallel zum Feld Io geschaltet,und zwar derart, dass sich das Feld über sie wieder aufbaut. Die

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Durchbruchspannung (conducting voltage) der Zenerdiode liegt wenig unterhalb des Maximums der sinusförmigen Speisespannung. Das Feld 6 baut sich demgemäss über die Thyristoren solange auf, bis die Spannung über die Diodenspannung angestiegen 1st; daraufhin wird das Feld über die Thyristoren abgebaut. Der durch die Thyristoren fliessende Strom fällt dann auf Null, Λ so dass die Thyristoren in den nicht-leitenden Zustand übergehen. Auf diese Weise ergibt sich eine beträchtliche Verkürzung der Periode für den Abbau des Feldes.

Die Kombination der Zenerdiode J>o mit einer in den Figuren 1 und la gezeigten Diode kann durch eine andere Anordnung, bestehend aus einer Zenerdiode mit in Reihe geschaltetem Kondensator oder einem Widerstand mit negativen Temperaturkoeffizienten, der in Serie mit einer Diode geschattet ist, ersetzt werden- Das dritte Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 gegeben, gemäss dem zwei Dioden 2oa, ein Thyristor 3ob und ein Kondensator 3oc in der aus dieser Figur ersichtlichen Weise angeordnet sind.

Ein weiteres Ausführungsbeisplsl für die Thyristorenschaltung für das Feld zeigt Figur 4, in dem die Zenerdiode 3o durch ein Schaltv-ngsteil sr-setst ist, durch das ein schnellerer Abbau des Pe}des mittels einer entgegengesetzt gerichteten Hilfsspanerreicht wird.

Bei dieser Anordnung kann jeder Thyristor 7 während der negativen Halbperiode des Versorgungsstromes leiten; auf diese Weise wird der Strom für den Aufbau des Feldes zum Abfall gezwungen. Zu diesem Zweck werden Impulse zum Zünden der betreffenden Thyristoren 7a, 7b, Jo mit drei identischen logischen Schaltkreisen erzeugt, die jeweils mit einem Transistor 51 in einfacher Weise den Augenblick zum Zünden steuern. Die Wirkungs weise der Erfindung wird anhand der Figur 5 erläutert, in der die Wechselspannungen für die drei Phasen der voa Synchrongenerator abgegebenen Spannung eingezeichnet wird. Wenn die Thyristoren 7a, 7b, 7c im normalen Betriebszustand sind,

die am Schaltungspunkt 32 entstehende Spannung den c.^ ¹I ausge zogenen Linien auf der Diiikatt SiIte der Figur 5.

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-r-

196 O 139 7a.7b,7o g der T?

Ί 196 O 139 7.7,7

Die negative Polarität wird durch die Anordnung der T?nyristören in der Schaltung bestimmt· Wenn die Leistung am Schaltungspunkt 32 abgegriffen wird, versucht das induktive Feld einen Strom in der gleichen Richtung aufrechtzuerhalten. Vom Feld wird eine Spannung erzeugt, die einen hohen Betrag erreicht und den Strom aufrechterhält. Dieser Strom sucht einen Strompfad mit dem geringsten ohm¹sehen Widerstand. Im vorliegenden Fall ist dies einer der Thyristoren 7a,7b,7c. Es ist deshalb nicht möglich alle Thyristoren abzuschalten.

Aus Pig. 5 geht hervor, daß die Phase B des Versorgungsstromes im Punkte S des Spannungsverlaufes von der Phase A die Aufrechterhaltung der Energieversorgung übernimmt. Im Punkt "T" übernimmt die Phase C die Aufrechterhaltung. Erfolgt dies nicht, so wer-

,. _J ^ _ΛΛ ·« , o. »τ,..^e"^,^lc^ii.·, 3ö>erTilmint im Punkt V den nacheinander die Punkte ¹¹U" und "Υ"/ά1β Phase C nicht, dann wird der Punkt ^HW^N erreicht, so daß dem Feld wiederum Energie zugeführt wird. Um dies zu verhindern, übernimmt die Phase C von der Phase B gerade vor Erreichen des Punktes "V" d.h. z.B. im Punkt "X". Deshalb muß der Thyristor 7c für die Phase C im Punkt ¹¹X" gezündet werden) daraufhin geht die Aufrechterhaltung sprungartig auf den Punkt ¹¹Y" über, erfolgt stetig bis zum Punkt ¹⁴V (dies ist durch die gebrochene Linie angedeutet) und so weiter.

Im Punkte ^HX^M ist die Phase B positiv, und die Spannung des Nulleiters negativ hinsichtlich der Phase C.Dies ist

zueinander ein besonderes Verhältnis der Spannungen^ das nur zwischen den Punkten ¹¹X" und "Y" besteht.

Durch eine einfache Detektorschaltung die ein Ausgangssignal nur beim Auftreten dieser besonderen Spannungs-Belation abgibt, kann der Thyristor 7c der Phase G zwischen den Punkten "X* und "V" gezündet werden und die Phase C Übernimmt von Phase B ehe der Punkt ¹¹V" erreicht ist.

Pig. 4 gibt ein Ausführungsbeispiel für einederartige Schaltung in der ein Transistor 31 angeordnet ist. Das Potential

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des Nulleiters liegt am unteren Abgriff eines Widerstandes 33 und das Potential der Phase B am unteren Abgriff eines Widerstandes 34· Das Bezugspotential im vorliegenden Falle dasjenige der Phase C, liegt am Emitter des Transistors 31£·-< wenn das Potential des Nulleiters bzw. der Phase B negativ bzw« positiv hinsichtlich demjenigen der Phase C geworden sind, wird der Thyristor 7c gezündet, wobei das Signal der Steuerelektrode über die Diode 35 zugeführt wirdo

Eine Z.enerdiode 36 dient als Schutzeinrichtung zur Begrenzung der Durchlaßspannung und der Sperrspannung an der Basis des Transis^rg^isp^pipg-gflg^liode 37 begrenzt die Durchlaßspannung/ , die am Transistor und am Steuerkreis des Thyristors 7c anliegen.

In ähnlicher Weise wird der Thyristor 7a gezündet, wenn das Potenial des Nulleiters negativ und das*Potenlal der Phase Q positiv bezüglich des Potenzials der Phase A sind; der Thyristor 7b, wenn das Potential des Nulleiters negativ und das Potential der Phase A positiv bezüglich des Potentials der Phase b sind.

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Claims

Regeleinrichtun-g für den Feldstrom von Synchrongeneratoren mit einem negativen Rücickopplungskreis und Thyristoren zum Auf- und Abschalten des Feldstromes, dadurch gekennzeichnet. daß zusätzliche, leicht ansprechende von den niedrigen von dem Restmagnetismus beim Anfahren des Synchrongenerators induzierten Spannungen zu zündende Thyristoren mit den Hauptthyristoren im Nebenschluß geschaltet sind, die nach Erreichen der vollen Generatorspannung den Strom übernehmen.
2. Regeleinrichtunf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Thyristoren von einem schwingenden Oszillator gezündet werden, der in Abhängigkeit .von der Spannung des Synchrongenerators, des Hauptlaststromes und/oder des Ladestromes für die Batterie J gesteuert wird.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Synchrongenerators von einer über eine Zenerdiode mit dem Oszillator verbundenen Spannungsteileranordnung überwacht wird und daß die Zenerdiode den Oszillator ab- und anschaltet, sobald die Spannung einen vorgegebenen Wert über- bzw. unterschreitet.
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder >, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptlaststrom von einem über eine Zenerdiode mit dem Oszillator verbundenen Stromwandler überwacht wird und daß die Zenerdiode den Oszillator ab- und anschaltet, aobald der i Hauptlaststrom einen vorgegebenen Wert über- bzw. unterschreitet-
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom für das Hauptfeld der Synchrongenerator geregelt wird und der Strom für das Entmagnetisierungsfeld ungeregelt bleibt.
6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herabsetzung der Ansprechzeit eine

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diode derart mit der Feldwicklung verbunden 1st, daß das Feld über die Zenerdiode aufgebaut wird, falls der Strom abgeschaltet
7. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabsetzung der Ansprechzeit durch eine entgegengerichtete Spannung eine schnelle Abnahme des Feldstrome3 erzwungen wird.
8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren während der negativen Halbperioden der Spannung des Synchrongenerators im elektrisch leitenden Zustand sind.
9. Regeleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren von Impulsen dreier logischer Schaltkreise zur Überwachung der Zündzeiten gezündet werden.

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