DE2259098C3

DE2259098C3 - Schaltungsanordnung zur Potentialsymmetrierung, Überwachung und Begrenzung des höchstzulässigen Isolationsspannungswertes in Konstantstromanlagen

Info

Publication number: DE2259098C3
Application number: DE19722259098
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. Droste; Wilfried Dr.-Ing. Hensel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-12-02
Filing date: 1972-12-02
Publication date: 1975-06-12
Also published as: DE2259098A1; DE2259098B2; NO135115C; FR2209237A1; FR2209237B1; NL156551B; NL7315994A; NO135115B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Potentialsymmetrierung, Überwachung und Begrenzung des hochstzulässigen Isolationsspan-

nungswertes in Konstantstromanlagen mit in bunter Reihe in einer Schleife geschalteten Stromerzeugern und Verbrauchern.

Konstantstromanlagen bieten den Vorteil, daß eine große Anzahl von voneinander unabhängigen Gleich-

ao stromverbrauchern mit großer Summennennleistung von wenigen Generatoren mit kleiner Summennennleistung gespeist werden können. Liegen im Konstantstromkreis wichtige Verbraucher (z. B. Umformer für die Bordnetzversorgung) und weniger wichtige Verbraucher (z. B. Winden), so müssen die weniger wichtigen Verbraucher bei überlastung der Generatoren (d. h. bei zu hoher Generatorspannung) in ihrer Leistungsaufnahme reduziert werden. In vielen Fällen ist auch eine Begrenzung der Leistung von

unwichtigen Verbrauchern beim Überschreiten der Nennisolationsspannung erforderlich.

Eine Konstantstromanlage kann z. B. mit vier Konstantstromgeneratoren und mit vier Verbrauchern ausgerüstet sein. Die Generatoren werden automa-

tisch auf gleiche Leistung geregelt, d. h. ihre Spannungen sind gleich groß. Die Leistungen der Verbraucher werden nach den Bedürfnissen des Prozesses vorgegeben, sie sind daher im allgemeinen nicht gleich und deshalb sind auch ihre Spannungen nicht gleich groß.

Aus der Zeitschrift »Hansa« 105 (1968) Sondernummer November, Seiten 1901 bis 1903 ist der Aufbau der Regelung einer Konstantstromanlage ersichtlich. Die in Reihe geschalteten Generatorerregerwicklungen werden von einem gemeinsamen Thyri-

storgleichrichter in vollgesteuerter Drehstrom-Brükkenschaltung gespeist, dessen Spannung über einen Impulssteuersatz gesteuert wird. Vor dem Impulssteuersatz befindet sich ein Erregerstromregler, der als PI-Regler ausgebildet ist und die Aufgabe hat, den

Erregerstrom für die Generatoren nach Maßgabe eines vorgeschalteten Ankerstromreglers einzustellen. Um die Überlastung einer Maschine zu verhindern, sind zusätzliche Hilfsmaßnahmen erforderlich. So ist neben der eigentlichen Ankerstromregelung eine

Einrichtung zur Überwachung des Erregerstromes der Generatoren und ihrer Spannung vorgesehen. Die Begrenzung des Erregerstromes erfolgt durch einen Eingriff in den Erregerstromregler, der beim Überschreiten eines eingestellten Grenzwertes wirksam wird. In Fällen, in denen auch die Dieseldrehzahl unzulässig ansteigt, muß zusätzlich die Generatorspannung überwacht werden. Dies erfolgt mittels einer Diodenschaltung, die durch eine laufende Messung der einzelnen Generatorspannungen die größte dieser Spannungen erfaßt und einem weiteren PI-Regler zuführt. Mit der Diodenschaltung wird somit ganz allgemein eine Überlast im Konstantstromkreis erfaßt und durch Eingriff in die Erregung aller Stromerzeuger

reduziert. Eine Auswahl und Zurücksteuerung des überlasteten Aggregats ist jedoch auf Grund der Reihenschaltung der Erregerwicklungerj nicht möglich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Konstantstromanlagen mit in bunter Reihe in einer Schleife geschalteten Stromerzeugern und Verbrauchern die Potentiale an allen Schleifenknoten zu symmetrieren und eine Überwachung und Begrenzung des hochstzulässigen Isoiationsspannungswertes bei allen Bctriebszuständen durchzuführen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Stromerzeugern zugeordneten positiven Schleifenknoten über Dioden in Durchlaßrichtung mit einem ersten Anschlußpunkt und die den Verbrauchern zugeordneten negativen Schleifenknoten über Dioden in Sperrichtung mit einem zweiten Anschlußpunkt verbunden sind, daß beide Anschlußpunkte über gleich große Widerstände an Erde liegen und daß die Stromerzeuger und Verbraucher in Abhängigkeit von den durch die Dioden fließenden Strömen im Sinne einer Begrenzung des Knotenpunktpotentials beeinflußbar sind.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß eine selbsttätige Symmetrierung der Knotenpunktspotentiale ei nes Konstantstromkieises mit technisch wenig aufwendigen Mitteln erreicht wird. Ferner bildet die Schaltungsanordnung die Voraussetzung Für die Überwachung der Knotenpunktpotentiale. Werden vorgegebene Maximalwerte der Isolationsspannungcn überschritten, werden durch begrenzende Eingriffe in die vorhandenen Regeleinrichtungen der Stromerzeuger und Verbraucher unzulässig hohe Spannungen vermieden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind von den Diodenströmen Signale abgeleitet, die zur Alarmgabe und zur selbsttätigen Beeinflussung der Stromerzeuger und Verbraucher dienen.

Bei einer Konstantstromanlage, bei der zwischen zwei Stromerzeugern mehrere Verbraucher in Reihe liegen und durch Rückleistung von Verbrauchern die den Verbrauchern zugeordneten Sch'.eifenknoten ein höheres positives Potential erreichi η können als die den Stromerzeugern zugeordneten Schleifenknoten, sind zweckmäßig zusätzliche Dioden in Durchlaßrichtung zwischen den den Verbrauchern zugeordneten Schleifenknoten und dem ersten Anschlußpunkt angeordnet. Bei einer Konstantstromanlage, bei der durch Rückleistung von Generatoren die den Generatoren zugeordneten Schleifenknoten ein höheres negatives Potential erreichen können als die den Verbrauchern zugeordneten Schleifenknoten, sind dagegen zusätzliche Dioden in Sperrichtung zwischen den den Generatoren zugeordneten Schleifenknoten und dem zweiten Anschlußpunkt angeordnet. Die zusätzlichen Dioden können zusammen mit den zugehörigen Dioden zur gemeinsamen Stromerfassung zusammengeschaltet sein, so daß eine Alarmgabe und Eingriffe in die Regelung einfacher getätigt werden können. Zur Begrenzung der Knotenpunktspotentiale sind in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Stromerzeuger und Verbraucher in Abhängigkeit von den Diodenströmen derart beeinflußbar, daß bei Überschreiten einstellbarer Grenzwerte des positiven Knotenpunktpotentials die Spannung des vor dem betreffenden Schleifenknoten liegenden Stromerzeugers verkleinert und bei Überschreiten einstellbarer Grenzwerte des negativen Knotenpunktpotentials die Spannung des vor dem betreffenden Schleifenknoten liegenden Verbrauchers verkleinert wird. Wenn zwischen zwei Stromerzeugern mehrere Verbraucher in Reihe liegen, sind die Stromerzeuger in Abhängigkeit S von den Diodenströmen derart beeinflußbar, daß bei Überschreiten einstellbarer Grenzwerte des positiven Knotenpunktpotentials an Schleifenknoten hinter Verbrauchern die Spannung des davorliegenden Stromerzeugers verkleinert wird, »o In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. la eine Konstantstromanlage mit einem Dioden-Widerstands-Netzwerk,

Fig. Ib eine grafische Darstellung der Potential- *5 differenzen zwischen den Schleifenknoten für einen beispielsweise gewählten Belastungsfall,

Fig. 2 einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Konstantstromanlage und

F i g. 3 einen Teil einer Konstantstromanlage mit ao zwei hintereinander angeordneten Verbrauchern.

In Fig. la ist als Beispiel eine Konstantstromanlage mit vier Konstantstromgeneratoren G₁, G₂, G₃, G₄ und mit vier Verbrauchern M₁, M₇, M,, M₄ dargestellt. Stromerzeuger und Verbraucher in einer Schleife sind in bunter Reihe angeordnet. An den Schleifenknoten 1.1, 1.2, 2.2, 2.3, 3.3, 3.4, 4.4, 4.1 ist ein Diodenwiderstandsnetzwerk angeschlossen. Die den Stromerzeugern zugeordneten Schleifenknoten 1.1, 2.2, 3.3, 4.4 sind über Dioden in Durchlaßrichtung mit einem ersten Anschlußpunkt 1 und die den Verbrauchern zugeordneten Schleifenknoten 1.2, 2.3, 3.4, 4.1 über Dioden m Sperrichtung mit einem zweiten Anschlußpunkt 2 verbunden. Beide Anschlußpunkte liegen über gleich große Widerstände R₁ und R, an Erde.

Die Konstantstromgeneratoren werden automatisch auf gleiche Leistung geregelt, das heißt: ihre Spannungen u<,,, m_C2, m_G3, u_O4 sind gleich groß. Die Verbraucherleistungen werden nach den Bedürfnissen des Arbeitsprozesses vorgegeben, sind im allgemeinen also nicht gleich groß. Daher sind auch die Verbraucherspannungen m_mi, u_M2, u_m„ u_M4 nicht gleich groß.

Fig. Ib zeigt für einen willkürlich gewählten BeIastungsfall die graphisch addierten Potentialdifferenzen zwischen den Schleifenknoten der Konstantstromanlage sowie die höchstzulässige Isolationsspannung m_u . Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß die größte Differenz zwischen den Knoten 3.3 und 3.4 auftritt und somit über dem Verbraucher M3 liegt. Das angeschaltete Diodenwiderstandsnetzwerk wählt durch die in den Schleifenknoten angeschlossenen Dioden in allen Betriebszuständen aus den positiven und negativen Potentialen diejenigen mit den höchsten Beträgen aus und symmetriert diese mit Hilfe der Widerstände A₁ und R₁ gegenüber Erde. Der über die Widerstände R, und R₂ ständig fließende Strom ist der größten vorkommenden Potentialdifferenz proportional. Dieser Strom fließt dem Anschlußpunkt 1 stets nur über eine einzige Diode von einem einzigen Schleifenknoten zu. Der vom Anschlußpunkt 2 abfließende Strom wird ebenfalls nur durch eine einzige der Dioden in einen Schleifenknoten der Konstantstromschleife zurückfließen. 65 Aus Fig. la ist ersichtlich, daß in Reihe zu den Dioden des Netzwerkes Meßwertgeber zur Strommessung angeordnet sind. Gemäß Fig. Ib weist der Schleifenknoten 3.3 das größte positive Potential und

der Schleifenknoten 3.4 das größte negative Potential auf. Die hierdurch hervorgerufenen Diodenströme l_u , und I₀₂ können zur Alarmmeldung bei Überschreiten vorgegebener Potentialwerte und zum automatischen Reduzieren der Spannungen bei Fehlern in der Konstantstromschleife benutzt werden.

Im Erdschlußfall oder bei merklicher Verminderung des Isolationswiderstandes fließt ein Strom über die Verbindung des Schleifenknotens zwischen den Widerständen W₁ und R₂ und der Erde. Die Größe dieses Stromes ist abhängig von der Minderung des Isolationswiderstandes und kann in an sich bekannter Weise zur Überwachung des Isolationswiderstandes der Gesamtanlage verwendet werden.

Fig. 2 zeigt einen Teil der Konstantstromanlage der Fig. 1. Der Verbraucher M₂ gibt Rückleistung in den Konstantstromkreis ab. Das bedeutet, daß seine Spannung in gleicher Richtung liegt wie die Spannung der Stromerzeuger. Der Schleifenknoten 2.3 der Fig. 2 hat dadurch höheres Potential als der Knoten 2.2, wie aus der zugehörenden graphischen Darstellung hervorgeht. Da der Schleifenknoten 2.3 jedoch nicht auf positive Spannung gegen Erde abgefragt wird, hat er keinen Einfluß auf die Symmetrierung. In die Symmetrierungsschaltung geht jedoch der Schleifenknoten 3.3 ein, der ein noch höheres Potential als der Knoten 2.3 hat. Die Schaltung arbeitet also richtig. Selbst unter der Voraussetzung, daß der Stromerzeuger G₃ abgeschaltet ist, bleibt die richtige Funktion erhalten, da der Schleifenknoten 3.3 dann das gleiche Potential haben muß wie der Knoten 2.3.

Liegen zwischen zwei Stromerzeugern mehrere Verbraucher (z. B. Af₂, und M₂₂ in Fi g. 3) und gibt z. B. der erste Verbraucher - Zählweise in Stromrichtung vorausgesetzt - Rückleistung ab, so entstehen die in Fig. 3 gezeigten Potentialverhältnisse. Der Schleifenknoten 2.22 hat höheres Potential als alle anderen Schleifenknoten. In diesem Fall muß eine zusätzliche Diode zwischen dem Schleifenknotcn 2.22 und, dem Anschlußpunkt 1 angeordnet werden. Für die Alarmgabe und gegebenenfalls für Eingriffe in die Regelung genügt es in den meisten Fällen, die Stromsumme der den Schleifenknoten 2.21 und 2.22 zugeordneten Dioden zu messen, da zwischen diesen Knoten nicht unterschieden werden muß.

Wenn in einer Konstantstromanlage wichtige Verbraucher, beispielsweise Bordnetzumformer, und weniger wichtige Verbraucher, z.B. Windenantriebe, liegen, müssen die weniger wichtigen Verbraucher bei Überlastung der Stromerzeuger, also bei zu hoher Generatorspannung, in ihrer Leistungsaufnahme reduziert werden. Es bleiben alle Drehmomente erhalten, nur die Drehzahlen müssen gesenkt werden. Bezüglich eines Windenantriebes würde eine Drehzahlab-

S Senkung bedeuten, daß das volle Moment erhalten bleibt und damit der Zug der Winde und daß lediglich die Seilgeschwindigkcit vermindert wird.

Bei ungünstiger Schaltung der Stromerzeuger beispielsweise wenn mehrere hintereinanderliegendc

ίο Generatoren abgeschaltet sind, kann die Nennisolationsspannung überschritten werden. Damit nun die Nennbetriebsspannung der Anlage nicht nach diesen selten vorkommenden hohen Werten dimensioniert werden muß, werden die aus den Diodenströmen her-

is geleiteten Signale benutzt, um die Knotenpunktpotentiale an den Stromerzeugern und den Verbrauchern zu begrenzen.

Gemäß Fig. la werden alle Schleifenknoten 1.1. 2.2, 3.3, 4.4 hinter den Stromerzeugern auf Übcr-

ao schreitung der zulässigen positiven Grenzspannung gegen Erde überwacht. Bei Überschreiten einstellba rer Grenzwerte wird durch Eingriff in die Regelung die Spannung des vor dem Schleifenknotcn liegender Stromerzeugers verkleinert. Eine Überschreitung dei

»5 betriebsmäßigen zulässigen Isolationsbeanspruchung ist somit vermieden. Im Falle, daß die positiver Grenzwerte bei sehr umfangreichen Konstantstromanlagen mit vielen Generatoren und Motoren in Reihe an mehr als einem Schleifenknoten überschritten werden, erstreckt sich die Spannungsbegrenzung durch Eingriff in die Regelung auf mehrere Generatoren.

Alle Schleifenknoten 1.2, 2.3, 3.4, 4.1 hinter den Verbrauchern werden gemäß der Fig. la auf Über-

schreiten der zulässigen negativen Grenzspannung gegen Erde überwacht. Bei Erreichen einstellbarer Grenzwerte wird durch Eingriff in die Regelung des vor dem Schleifenknoten liegenden Verbrauchers die Spannung verkleinert und eine Überschreitung des

zulässigen Isolationsspannungswertes vermieden. Bei Anordnung von wichtigen und unwichtigen Verbrauchern in der Konstantstromschleife darf die Spannungsverminderung natürlich nur auf die unwichtigen Verbraucher wirken.

Wenn durch Rückleistung von Verbrauchern ar Schleifenknoten hinter Verbrauchern (Fig. 3) eir einstellbarer Grenzwert des positiven Knotenpunktpotentials überschritten wird, erfolgt durch Eingrifl in die Regelung eine Verkleinerung der Spannung de?

so davorliegenden Stromerzeugers.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Potentialsymmetrierung, Überwachung und Begrenzung de? höchstzulässigen Isolationsspannungswertes in Konstantstromanlagen mit in bunter Reihe in einer Schleife geschalteten Stromerzeugern und Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß die den Stromerzeugern zugeordneten positiven Schleifenknoten (Ll, 2,2,3.3, 4.4) yber Dioden in Durchlaßrichtung mit einem ersten Anschlußpunkt (!) und die den Verbrauchern zugeordneten negativen Schleifenknoten (1.2,2.3, 3.4, 4.1) über Dioden in Sperrichtung mit einem zweiten Anschlußpunkt (2) Verbunden sind, daß beide Anschlußpunkte (1, 2) über gleich große Widerstände (R₁, R,) an Erde liegen und daß die Stromerzeuger und Verbraucher in Abhängigkeit von den durch die Dioden fließenden Strömen ('oi< '02)^im Sinne einer Begrenzung des Knotenpunktpotentials beeinflußbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Diodenströmen Signale abgeleitet sind, die zur Alarmgabe und zur selbsttätigen Beeinflussung der Stromerzeuger und Verbraucher dienen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch i oder 2, bei der zwischen zwei Stromerzeugern mehrere Verbraucher in Reihe liegen und durch Ruckleistung von Verbrauchern die den Verbrauchern zugeordneten Schleifenknoten ein höheres positives Potential erreichen können als die den Stromerzeugern zugeordneten Schleifenknoten, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Dioden in Durchlaßrichtung zwischen den den Verbrauchern zugeordneten Schleifenknoten (2.22) und dem ersten Anschlußpunkt (1) angeordnet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der durch Rückleistung von Generatoren die den Generatoren zugeordneten Schleifenknoten ein höheres negatives Potential erreichen können als die den Verbrauchern zugeordneten Schleifcnknoten, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Dioden in Sperrichtung zwischen den den Generatoren zugeordneten Schleifenknoten und dem zweiten Anschlußpunkt (2) angeordnet sind.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Dioden zusammen mit den zugehörigen Dioden zur gemeinsamen Stromerfassung zusammengeschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerzeuger und die Verbraucher in Abhängigkeit von den Diodenströmen derart beeinflußbar sind, daß bei Überschreiten einstellbarer Grenzwerte des positiven Knotenpunktpotentials die Spannung des vor dem betreffenden Schleifenknoten liegenden Stromerzeugers verkleinert und bei Überschreitung einstellbarer Grenzwerte des negativen Knotenpunktpotentials die Spannung des vor dem betreffenden Schleifenknoten liegenden Verbrauchers verkleinert wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei der zwischen zwei Stromerzeugern mehrere Verbraucher in Reihe liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerzeuger in Abhängigkeit von den Diodenströmen derart beeinflußbar sind, daß bei Überschreiten einstellbarer Grenzwerte des positiven Knotenpunktpotentials an Schleifenknoten hinter Verbrauchern die Spannung des davorliegenden Stromerzeugers verkleinert wird.