DE2235058A1

DE2235058A1 - Anordnung zur erregung eines asynchron anlaufenden synchronmotors

Info

Publication number: DE2235058A1
Application number: DE2235058A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Pisecker; Werner Dipl Ing Schicht
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1972-06-26
Filing date: 1972-07-17
Publication date: 1974-01-17
Also published as: FR2191332A1; FR2191332B1; GB1433510A; DE2235058C2; CH547034A; US3798522A; BE801373A; SE385067B

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Anordnung zur Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erregung eines asynchron, anlaufenden Synchronmotors, bei welcher die rotierene Wicklung des auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Wechselstrom - Erregermaschine über eine mitlaufende Gleichrichter-Brückenschaltung an die rotierende, mit mindestens einem Parallel- " widerstand versehene Feldwicklung des Synchronmotors schleifringlos angeschlossen ist und bei welcher gesteuerte·. Stromrichterventile zur zeitweiligen Trennung der GIeic'hrichter-Brückenschaltung von der Feldwicklung im asynchronen Betrieb vorgesehen sind, wobei die in der Brückenschaltung angeordneten Gleichrichterventile der einen

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Brückenhälfte ungesteüert und diejenigen der anderen Brückenhälfte gesteuert ausgebildet sind und eine aus einer weiteren Dioden-Hilfsgleichrichteranordnung mit einem Belastungswiderstand bestehende· Steuereinrichtung an die Erregermaschine-Ankerwicklung angeschlossen ist.

Eine im wesentlichen diese Merkmale aufweisende Anordnung ist durch die schweizerische Patenschrift 464 340 bekannt geworden. Die darin beschriebene Anordnung ist in Pig. I dargestellt. Die rotierende Wicklung des auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers 3 einer Wechselstrom-Erregermaschine ist über die ebenfalls mitlaufende Gleichrichter-Brückenschaltung 5*6 an die rotierende, mit dem Parallelwiderstand 4 versehene Feldwicklung 2 des Synchronmotors schleifringlos angeschlossen (alle innerhalb der gestrichelten* Linien liegenden Teile sind mit dem Rotor drehbar). 6 sind die zur zeitweiligen Trennung der Gleichrichter-Brückenschaltung von der Feldwicklung 2 im asynchronen Betrieb vorgesehenen Stromrichterventile; diese gesteuerten Ventile sind in der einen Hälfte der Brückenschaltung 5*6 angeordnet, während in der anderen Brückenhälfte die ungesteuerten Gleichrichterventile 5 liegen. Für die Steuerung der Stromrichterventile 6 ist eine an die Erregermaschinen-Ankerwicklung 5 angeschlossene Steuereinrichtung vorgesehen, die aus

einer weiteren, in Brücke geschalteten Diöden-Hilfsgleichrichteran-.Ordnung 8 mit einem Belastungswiderstand 9 besteht.

Nachteilig ist bei der bekannten Anordnung, dass die Steuer-Hilfs-

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gleichrichteranordnung über einer (vorzugsweise in V geschalteten) relativ aufwendigen Isoliertransformator an die Erregermaschinen-Ankerwicklung 3 angeschlossen ist. Es erscheint wünschenswert, diesen Transformator zu vermeiden. Ausserdem kann bei hoher Remanenzspannung der Erregermaschine eine unerwünschte vorzeitige Erregung erfolgen. Schliesslich wird infolge Undefinierter Zuschaltung der Erregung im allgemeinen kein optimales Synchronisiermoment erzielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden. Dies wird, was die Einsparung des Isoliertransformators betrifft, dadurch erreicht, dass die gesteuerten Stromrichterventile der Gleichrichter-Brückenschaltung in die negative Hälfte der Brücke gesetzt sind, dass jede Phase der Erregermaschinen-Ankerwicklung direkt mit der Kathode je eines gesteuerten Stromrichterventils der Gleichrichterbrüeke und der Anode je einer Diode der nicht direkt auf die Steuerelektrode -der Stromrichterventile geschalteten Hälfte der Hilfsgleichrichteranordnung verbunden ist, dass diese Dioden mit ihren Kathoden gemeinsam auf die eine Klemme des Hilfswiderstandes geschaltet sind und die zweite Klemme dieses Widerstandes mit dem Zusammenschaltungspunkt der Anoden der zur anderen Hälfte der Hilfsgleichrichteranordnung gehörenden Dioden verbunden"ist, deren Kathoden jeweils auf die Steuerelektroden der zugehörigen Stromrichterventil geschaltet sind.

Die Vermeidung der unerwünschten vorzeitigen Erregung sowie die Optimierung des Synchronisiermoments werden erfindungsgemäss durch

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weitere Massnahmen erzielt, die nachfolgend im einzelnen beschrieben werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren 2 bis 5 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Gleichrichterbrücke und separatem Dioden-Hilfsgleichrichter,

Fig. J5a eine vereinfachte Variante des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 2, bei der die ungesteuerten Gleichrichter der positiver Hälfte der Gleichrichterbrücke die Funktion der Dioden der nicht direkt auf die Steuerelektrode der Stromrichterventile geschalteten Hälfte der Hilfs-Gleichrichteranordnung mitübernehmen,

Fig. yo Hilfsthyristoren mit Zündspannungsschwelle als Alternativlösung statt der Hilfsgleichrichter-Dioden für die Zufühining des Steuerstroms an die gesteuerten Stromrichterventile

Fig. 4 eine Anordnung wie in Fig. 2, jedoch mit zusätzlichen Schaltungsma.ssnahmen zur Erzielung eines optimalen Synchronisiermomentes beim Hbchlaufen der Maschine

Fig. 5 die Verwendung einer Thyristoren-Serieschaltung in der negativen Hälfte der Gleichrichter-Brückenschaltung bei zu grosser Einschaltspannung an der Feldwicklung

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*■ b -. ■ .

Gegenüber der bekannten Anordnung gemäss Pig. I zeigen die Schaltungen nach den Figuren 2, Ja, 4 und 5 als augenfälligsten Unterschied das Fehlen des I-soliertransformators. Es ist jedoch nicht möglich,- in der bekannten Schaltung den Transformator 7 einfach wegzulassen und die Phasen der Erregermaschinen-Ankerwicklung 3 direkt mit den Züsammenschaltungspunkten der Seriendioderi in den entsprechenden Brückenzweigen des Hilfsgleichrichters 8 zu verbinden; hierbei würden die Anoden der gesteuerten Stromrichterventile 6 galvanisch mit den Anoden derjenigen Hilfsdioden 8 verbunden sein, derer Kathoden auf die Steuerelektroden der entsprechenden Stromrichterventile geschaltet sind. Vielmehr hat es sich gezeigt, dass die richtigen Potentialverhältnisse bei transformatorlosem Anschluss der Hilfsgleichrichteranordnung nur

dann hergestellt werden können, wennn die gesteuerten Stromrichterventile, d.h. die Thyristoren 6, in die negative^Hälfte der Gleichrichterbrücke 5*6 gesetzt werden.

Abgesehen davon entsprechen Aufbau und Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 durchaus der bekannten Schaltung nach Fig. 1: die Steuereinrichtung besteht aus der einfachen Hilfsgleichrichteranordnung 8 mit dem HilfsWiderstand 95 «Jedem Thyristor 6 ist eine der Steuerstrom liefernde Hilfsdiode 8 zugeordnet, welche auf die gleiche Phase der Wechselspannung arbeitet, so dass Zündsignal im gewünschten Augenblick erscheint.

Gemäss Fig. 3a kann die Schaltung noch.weiter vereinfacht werden,

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indem die zusammengeschalteten'Anoden der kathodenseitig auf die SteuereIektröden der Thyristoren 6 geschalteten Hilfsdioden 8 über den HilfsWiderstand 9 direkt mit den zusammengeschalteten Kathoden der ungesteuerten Gleichrichter 5 der positiven Hälfte der Gleichrichterbrücke 5*6 verbunden werden; die Dioden 5 übernehmen dann neben ihrer normalen Funktion in der GIeichrichterbrücke auch die Funktion der Hilfsdioden 8 in der „positiven Hälfte der Hilfsgleichrichteranordnung (Steuereinrichtung) gemäss Fig. 2.

Bei Verwendung der Hilfsdioden 8 für die Zuführung des Steuerstroms an die Thyristoren 6 kann es, wie schon bemerkt, bei hoher Remanenzspannung der Erregermaschine zu einer unerwünschten vorzeitigen Erregung kommen. Um dies zu vermeiden, kann man gemäss Fig. Jb anstelle der den Steuerstrom zuführenden Hilfsdioden 8 Hilfsthyristoren 15 verwenden, die erst beim Ueberschreiten einer Schwellspannung durchzünden. Diese Spannungsschwelle wird durch die Antiserienschaltung einer Zenerdiode und einer normalen Diode im Steuerkreis der Hilfsthyristoren erzielt. Dadurch lässt sich eine Remanenzspannung abschirmen! nach dem Zünden der Hilfsthyristoren steht jedoch die volle Spannung im Steuerkreis wieder zur Verfugung. Diese Massnahme lässt sich naturgemäss bei den Schaltungen nach Fig. 2 und Figo 3a anwenden.

Die bekannte Schaltung nach Figo 1 sowie die Schaltungen nach Fig. 2 und 3a gestatten kein optimales Intrittziehen einer bei grossem Lastmoment schlüpfenden Maschine, da der Zeitpunkt der Erregungs-

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zuschaltung sowie die Grosse der Erregung zu diesem Zeitpunkt nicht definiert sind. '

Das Synchronisiermoment wird dann maximal, wenn die vorerregte. Erregermaschine in dem Augenblick auf die Feldwicklung geschaltet wird, sobald der infolge Schlupfsinduzierte Strom in der Feldwicklung' in die Richtung zu fHessen beginnt, die.er im stationären Betrieb einnimmt. Um diese Bedingung erfüllen zu können, wurde die Schaltung nach Fig. K entwickelt, die folgende Ergänzungen aufweist: -

Die zusammengeschalteten Kathoden der ungeSteuerten Gleichrichter der positiven Hälfte der Gleiehrichterbrücke 5,6 werden über einen Widerstand R,g mit den zusammengeschalteten Kathoden der Dioden der positiven Hälfte der Hilfsgleichrichteranordnung verbunden* Zwischen die zusammengeschalteten Anoden der, Dioden 8 der negativen Hilfsgleichrichter-Hälfte und die diesen Dioden zugewandte Klemme, des HilfsWiderstandes 9 ist ein Serie-Parallel-Netzwerk geschaltet, das folgende Elemente aufweist:

a) einen ersten, in Durchlassrichtung geschalteten Thyristor in Serie zwischen HilfsWiderstand 9 und Dioden 8 der negativen Hilfsgleichrichter-Hälfte

b) einen zur Anoden-Kathoden -Strecke dieses Thyristors parallel Zweig, bestehend aus der Serienschaltung eines ebenfalls in

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Durchlassrichtung liegenden zweiten Thyristors 19> eines Widerstandes 17 und einer in Sperrichtung gepolten ersten Diode 22

c) eine zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstandes 17 mit der ersten Diode 22 und der Steuerelektrode des ersten Thyristors 18 liegende erste Zener-Diode 20

d) eine zweite Zener-Diode 21 zwischen der Anode und der Steuerelektrode des zweiten Thyristors 19

Im Betrieb wird mit den Eenerdiode 20 die Spannung Up₀ eingestellt, mit welcher die Erregermaschine auf die Feldwicklung der schlüpfenden Maschine geschaltet wird, z.B. die zur Leerlauferregung der Hauptmaschine gehörende Spannung ι der Erregermaschine,

Die Erregung der Erregermaschine wird beim Synchronisieren so gewählt, dass die Erreger,maschinenspannung zwischen U_?o und (U_?o + Up₁) Ixegt, wobei Up₁ die Zenerspannung der Z'enerdiode 21 ist. Liegt nun der Pol A gegenüber B auf positivem Potential, so erhält hierdurch der Hilfsthyristor 19 über die Widerstände 16 und 9 sowie die Benerdiode 21 Steuerspannung und wird somit gezündet, worauf die Spannung der Erregermaschine an die Zenerdiode 20 zu liegen kommt. Da diese Spannung, wie zuvor gesagt, grosser als U₂₀ sein soll, wird auch der Hilfsthyristor 18 gezündet (spätestens, wenn der Spannungsabfall an 9 infolge Rückgangs der Spannung AB abgenommen hat), und der Hilfskreis ist dadurch geschlossen, so dass die Haupthyristoren 6 Steuersignal erhalten. Sobald die Spannung AB

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so klein wird wie die Spannung der Erregermaschine, kehrt der Strom in der Feldwicklung seine Richtung um, und die Erregermaschine beginnt im richtigen Zeitpunkt Strom in die Feldwicklung zu speisen.

Um die Steuerung gegen positive Spannungen von der Seite B (Asynchronbetrieb) zu schützen, ist die Diode 2J erforderlich.'

Die Diode 22 und der Widerstand 17 sorgen dafür, dass der einmal gezündete Hilfsthyristor 18 leitend bleibt.

Als Nebenfunktion verhindert die Schaltung auch ein vorzeitiges Zünden der Hauptthyristoren 6 bei hoher Remanenzspannung des Erregers; es wird also dieselbe Wirkung erreicht wie mit den Hilfsthyristoren 15 gemäss Fig. J5b. .

Nimmt man während des Asynchronanlaufs, bei welchem eine hohe Feldspannung induziert wird, hohe Verluste im HilfsWiderstand 9 in Kauf, so kann auf den Widerstand 16 sowie auf die Hilfsdioden 8 in der positiven Hälfte der Hilfsgleichrichterariordnung verzichtet werden ·

Durch die Erhöhung der Phasenzahl des Erregers lässt sich bei gegebener Thyristor- und Diodengrösse ein grosseren Erregerstrom beherrschen, wobei eine ideale Stromauftellung auf die Gleichrichter erzwungen wird.

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Uebersteigt die Einschaltspannung an der Feldwicklung den für die Thyristoren zulässigen Wert, so kann (wenn der Schutzwiderstand 4 nicht klein und abschaltbar ausgeführt wird) eine Serieschaltung
von Thyristoren in der negativen Brücken-Hälfte mit einer Steuereinrichtung nach Fig. 5 verwendet v/erden (die hier noch erforderlichen Potentialteilwiderstände sind in der Figur nicht gezeichnet).

Die vorgeschlagenen Schaltungen zeichnen sich durch ihre Einfachheit aus. Es können damit praktisch Synchronmotoren aller Grossen schleifringlos ausgeführt werden.·

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Claims

1 .-1If 87/72 D Patentansprüche

1.7 Anordnung zur Erregung eines asynchron anlaufenden Synchronmotors, bei welcher die rotierende Wicklung des auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Wechselstrom-Erregermaschine über eine mitlaufende Gleichrichter-Brückenschaltung und die rotierende_s mit mindestens einem Parallelwiderstand versehene Feldwicklung des Synchrönmotors' schleifringlos angeschlossen ist und bei welcher gesteuerte Stromrichterventile zur zeitweiligen Trennung der Gleichrichter-Brückenschaltung von der Feldwicklung im asynchronen Betrieb vorgesehen sind, wobei die in der Brückenschalturig angeordneten Gleichrichterventile der einen Brückenhälfte ungesteuert und diejenigen der anderen Brückenhälfte gesteuert ausgebildet sind und eine aus einer weiteren Dioden-Hilfsgleichrichteranordnung mit einem Belastungswiderstand bestehende Steuereinrichtung an die Erregermaschinen-Ankerwicklung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerten Stromrichterventile (6) der Gleichrichter-Brückenschaltung in die negative Häl.fte der mehrphasigen Brücke gesetzt sind, dass jede Phase der Erregermaschinen-Ankerwicklung (3) direkt mit der Kathode je eines gesteuerten Stromrichterventils (6) der Gleichrichterbrücke und der Anode je einer Diode. (8) der nicht direkt auf die Steuerelektroden der Stromrichterventile (6) geschalteten Hälfte der Hilfsgleichrichteranordnung (8) verbunden ist, dass diese Dioden (8)

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mit ihren' Kathoden gemeinsam auf die eine Klemme des Hilfswiderstandes (9) geschaltet sind und die zweite Klemme dieses Widerstandes mit dem Zusammenschaltungspunkt der Anoden der zur anderen Hälfte der Hilfsgleichrichteranordnung gehörenden Dioden (8) verbunden ist, deren Kathoden jeweils auf die Steuerelektroden der zugehörigen gesteuerten Stromrichterventile (6) geschaltet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengeschalteten Kathoden der ungesteuerten Gleichrichterventile (5) der positiven Hälfte der· Gleichrichter-Brückenschaltung (5,6) sowohl mit der Feldwicklung (2) als auch .mit dem HilfsWiderstand (9) verbunden sind, so dass diese ungesteuerten Gleichrichterventile (5) neben ihrer Punktion in der Gleichrichter-Brückenschaltung (5,6) auch die Funktion der anodenseitig mit den einzelnen Phasen der Erregermaschinen-Ankerwicklung (3) -verbundenen Dioden (8) der Hilfsgleichrichteranordnung ausüben.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Steuerstrom an die gesteuerten Stromrichterventile (6) der Gleichrichter-Brückenschaltung (5,6) zuführenden Hilfs-Glelchrichterventile als Halbleiter-Stromtore (15) ausgeführt sind, die erst beim Ueberschreiten einer Schwellspannung durchzünden.

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4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Strömtore durch zenerspannungsgesteuerte Thyristoren verwirklicht sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengeschalteten Kathoden der ungesteuerten Gleichrichter (5) der positiven. Hälfte der Gleichrichterbrücke (5,6) über einen Widerstand (16) mit den zusammengeschalteten Kathoden der Dioden (8) der positiven Hälfte der Hilfsgleichrienteranordnung verbunden sind, dass zwischen die zusammengeschalteten Anoden der Dioden (8) der negativen Hilfsgleichrichter-Hälfte und die diesen Dioden zugewandte Klemme des Hilfswider« Standes (9) ein Serie-Parallel-Netzwerk geschaltet ist, das folgende Elemente aufweist:

a) einen ersten, in Durchlassrichtung geschalteten Thyristor (18) in Serie zwischen HilfsWiderstand (9) und Dioden (8) der negativen Hilfsgleichrichter-Hälfte,

b) einen zur Anoden-Kathoden-Strecke dieses Thyristors (l8) parallelen Zweig, bestehend aus der Serienschaltung eines ebenfalls in Durchlassrichtung gepolten zweiten Thyristors (19), eines Widerstandes (17) und einer in Sperriehtung gepolten ersten Diode (22),

c) eine zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstandes (17) mit der ersten Diode (22) und der Steuerelektrode des ersten Thyristors (18) liegende erste Zenerdiode (20),

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d) eine zweite Zenerdiode (21) zwischen der Anode und der Steuerelektrode des zweiten Thyristors (19),

und dass beim Synchronisieren die Erregung der Erregermaschine so gewählt wird, dass die Erregermaschinenspannung grosser als die Zenerspannung (Up₀) der ersten Zenerdiode (20) und kleiner el's die Summe (U₂₀ + U_?1) der Zenerspannungen der ersten und der zweiten (21) Zenerdiode ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstandes (17) mit der ersten Diode (22) und dem negativen Pol der· Gleichrichterbrücke eine in Durchlassrichtung gepolte zweite Diode (23) liegt.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

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