DE2312121A1

DE2312121A1 - Wechselstrom-generatoranlage

Info

Publication number: DE2312121A1
Application number: DE2312121A
Authority: DE
Inventors: Thayer L Dillman; William H South
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-03-16
Filing date: 1973-03-10
Publication date: 1973-09-27
Also published as: US3705331A; CH565475A5; GB1416910A; FR2175975A1; BE796784A; SE377242B; JPS496407A; ES412164A1; CA999926A; IT982515B; FR2175975B1

Description

DlPL-(NG. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

.Düsseldorf, 8. März 1973

39,948
7307

Westinghouse Electric Corp.
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Wechse Is tr oia-Gener ator anl age

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wechselstrom-Generatoranlage und speziell auf ein bürstenloses Erregersystem für Wechselstromgeneratoren.

Die Verwendung von bürstenlosen Erregermaschinen ist bekannt. Wenn bei den bekannten Erregersystemen für Wechselstromgeneratoren ein Fehler auftritt, findet keine Fernanzeige oder optische Anzeige eines solchen sich entwickelnden Fehlers statt. Bei den verschiedenen bekannten Arten von Erregermaschinen können aus einer Reihe von Gründen schwere Fehler auftreten und die Stabilität der gesamten Anlage gefährden, wenn diese nicht sofort abgeschaltet wird.

Eine bekannte Erregermaschinen-Bauart besteht aus einer bürsten-•losen Erregermaschine, deren Wechselstrom-Ankerwicklung zusammen mit einer Gleichrichteranordnung auf einer gemeinsamen Welle ro-

309839/0429

Telefon (O211) 32 08 58 Telegramme Custopat

tiert, um so der Erregerwic klung des Generators den Feldstrom ohne Schleifringe oder Bürsten unmittelbar zuzuführen. Normalerweise sind dabei für jede Wechselstrom-Phase mehrere Halbleiterdioden parallelgeschaltet. Bei.den bekannten Erregersystemen hatte dabei jede Diode ein eigenes, mit ihr in Reihe geschaltetes Sicherungselement, um einen unmittelbaren Kurzschluß zwischen dem Anker der Erregermaschine und der Feldwicklung des Generators aufgrund eines Kurzschlusses in der Diode zu vermeiden, was bei Halbleiterdioden vorkommen kann. Bürstenlose Erregersysteme sind in der US-PS 3 371 235 beschrieben. Es ist ersichtlich, daß die Anordnung einer Sicherung in Reihe mit jeder Diode aufwendig seih kann, und zwar sowohl wegen der Bauelemente selbst als auch wegen der zusätzlichen rotierenden Masse. Derartige Sicherungen schalten eine einzelne kurzgeschlossene Diode vollständig ab und bieten keinen Schutz gegen vor den Sicherungen auftretende Fehler, z. B. in der Ankerwicklung der Erregermaschine. Wenn ein Fehler der letztgenannten Art auftritt - allerdings besteht in den derzeit üblichen Anlagen nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit dafür -, kann eine Serstörung der Erregermaschine erfolgen, oder der Spannungsregler versucht stärker zu arbeiten. Bei den derzeit bekannten Spannungsreglern kann es aber vorkommen, daß sie keinen nachdrücklichen Alarm geben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselstrom-Generatoranlage zu schaffen, die keine Sicherungen für die einzelnen Dioden der Erregermaschine benötigt, aber trotzdem gegen auftretende Fehler geschützt ist.

309839/0429

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Wechselstrom-Generatoranlage mit Differentialschutzanordnung für den Erregerkreis, die einen Wechselstromgenerator mit einer Gleichstrom-Feldwicklung und einer damit induktiv verknüpften Wechselstrom-Ankerwicklung sowie eine mit der Feldwicklung verbundene Erregermaschine mit einer Gleichstrom-Feldwicklung aufweist, dadurch gelöst, daß die Differentialschutzanordnung eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines ersten, ,der Größe der Spannung an der Feldwicklung der Erregermaschine entsprechenden Signals, eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten, der Vektorsumme von Strom und Spannung an der Wechselstrom-Ankerwicklung entsprechenden Signals sowie eine dritte Einrichtung zur Erzeugung eines dritten, der Differenz zwischen den Größen des ersten und des zweiten Signals entsprechenden Signals aufweist.

Zweckmäßigerweise wird der Verstärkungseffekt in der Erregermaschine durch einen Ohmschen Widerstand kompensiert, der innerhalb der ersten Einrichtung angeordnet ist. Entsprechend kann die Synchron-Reaktanz des Generators durch einen weiteren Ohmschen " Widerstand kompensiert werden, der parallel zur zweiten Einrichtung geschaltet ist. Diese beiden Ohmschen Widerstände können verstellbar sein, so daß man eine einzige Differentialschutz-Anordnung erhält, die an die verschiedensten Maschinen-Charakteristiken angepaßt werden kann.

Vorzugsweise enthält die dritte, dem Vergleich des ersten Signals mit dem zweiten dienende Einrichtung ein Zeitverzögerungsglied, um sicherzustellen, daß nur dann ein Fehler angezeigt wird, wenn

309839/0429

die erforderliche Mindestdifferenz zwischen den beiden Signalen eine vorgegebene Mindestzeit lang anhält.

Die erfindungsgemäße Differential-Schutzschaltung kann zwar zusammen mit jeder Erregermaschinen-Bauart verwendet werden, eignet sich aber insbesondere für bürstenlose Erregersysterne. Bei solchen Erregersystemen ermöglicht die Erfindung die Verwendung von Dioden ohne mit diesen in Reihe geschaltete Sicherungen. Es besteht dabei Verlaß darauf, daß die Differentialschutz-Anordnung erforderlichenfalls ein Fehlersignal abgibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert, in der schematisch eine Schaltung einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.

In der Zeichnung ist eine Wechselstrom-Generatoranlage dargestellt, die einen Wechselstromgenerator mit einer Generator-Feldwicklung 10 für Gleichstrom und einer Generator-Ankerwicklung 12 für Wechselstrom (im vorliegenden Fall als Dreiphasenwicklung dargestellt) aufweist. Generator-Feldwicklung 10 und Generator-Ankerwicklung 12 sind induktiv miteinander verknüpft. Mit der Generator-Feldwicklung 10 ist zur Erzeugung einer Gleichstrom-Erregung eine Erregermaschine 13 verbunden. Wenngleich die verschiedensten Arten von Erregermaschinen benutzt werden können, wird beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ein bürstenloses Erregersystem vorausgesetzt, bei dem ein Erregermaschinen-Anker 14, eine rotierende Gleichrichteranordnung 16 und die Generator-Feldwicklung IO Teile

309839/0429

einer gemeinsam rotierenden Einheit 18 sind. Die Erregermaschine 13 hat weiterhin eine Gleichstrom-Feldwicklung 20, die Teil des Ständers ist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel erhält der Erregermaschinen-Anker 14 sein Feld von einer Hilfserregermaschine, die ihrerseits als Felderzeuger einen zur gemeinsam rotierenden Einheit 18 gehörenden Permanentmagneten 22 enthält, der magnetisch mit einem zum Ständer gehörenden feststehenden Hilfserregermaschinen-Anker 24 gekoppelt ist. Der Hilserregermaschinen-Anker 24 versorgt einen Spannungsregler 26 mit Spannung. Der Spannungsregler 26 kann eine der bekannten Bauarten haben und dient dazu, der Erregermaschinen-Feldwicklung 20 eine geregelte Gleichspannung zuzuführen.

Die Ausgangsspannung des Erregermaschinen-Ankers 14 wird der rotierenden Gleichrichteranordnung 16 zugeführt, die zur Gleichrichtung jeder Halbwelle des Wechselstroms jeder Phase jeweils mindestens eine Diode 28 aufweist. Entsprechend der bekannten Praxis können zu jeder Diode 28 ein Überspannungs-Sperrkondensator 30 und ein Widerstand 32 parallelgeschaltet sein.

Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung enthält weiterhin erfindungsgemäß eine Differentialschutz-Anordnung 34. Die Differentialschutz-Anordnung 34 enthält eine erste Einrichtung 36, die ein erstes Signal erzeugt, welches der Größe der Spannung an der Erregermaschinen-Feldwicklung 20 entspricht. Dieses erste Signal kann entweder, wie dargestellt,dadurch gewonnen werden, daß Leitungen 37 und 39 parallel zur Erregermaschinen-Feldwicklung 20

309839/0429

angeschlossen werden, oder aber dadurch, daß der Strom durch einen niedrigen, mit der Erregermaschinen-Feldwicklung 20 in Reihe geschalteten Widerstand gemessen wird. Zur Erregermaschinen-Feldwicklung 20 ist über die Leitungen 37 und 39 ein verstellbares Potentiometer 41 parallelgeschaltet, das zur Kompensation der Verstärkung der Erregermaschine dient.

Weiterhin ist eine zweite Einrichtung 38 vorgesehen, die ein zweites Signal erzeugt, welches der Vektorsumme von Strom und Spannung in einer Phase der Generator-Ankerwicklung 12 entspricht. Zu diesem Zweck wird einerseits ein Spannungswandler 40 verwendet, der eine Spannung abgibt, die der Größe der Spannung in der Generator-Ankerwicklung 12 entspricht. Andererseits ist ein Stromwandler 42 zum Erfassen des Stromes in einer Ankerzuleitung 43 vorgesehen, der ein Spannungssignal abgibt, das diesem Strom entspricht. Die Sekundärwicklungen der beiden Wandler sind in einem Verbindungspunkt 44 miteinander verbunden, so daß sie ein vektoriell addiertes, dem von der ersten Einrichtung 36 abgegebenen Signal entgegengerichtetes Signal abgeben. Zum Stromwandler 42 ist ein Widerstand 46 parallelgeschaltet, der verstellbar sein kann und zur Kompensation der Synchron-Reaktanz des Generators dient.

Die Wandler 40 und 42 geben über Leitungen 48 und 49 ein Wechselspahnungssignal ab, das durch eine Gleichrichterbrücke 50 gleichgerichtet wird. Der Gleichrichterbrücke 50 ist vorzugsweise ein Glättungskondensator ^rJ2 nachgeschaltet, der vor der Stelle liegt,

309839/0429

wo die Kombination mit dem Gleichspannungssignal erfolgt, das der Erregermaschinen-Feldwicklung 20 entnommen wird.

Die Signale für die Differentialschutz-Anordnung 34 sind die gleichen, wie sie normalerweise für den Spannungsregler 26 abgenommen werden, so daß für die Differentialschutz-Anordnung 34 und den Spannungsregler 26 dieselben Signalgeber benutzt werden können.

Im Ergebnis wird durch die bisher beschriebene Kombination auf Leitungen 54 und 55, die von der Mittelanzapfung des Potentiometers 41 in der ersten Einrichtung 36 bzw. von dem einen Anschluß des Glättungskondensators 52 ausgehen, ein Signal erzeugt, das der Differenz zwischen den beiden von der ersten Einrichtung und der zweiten Einrichtung 3& erzeugten Signale entspricht.

Ein Differential-Relais 56 spricht auf das Differenzsignal an, wenn dieses eine ausreichende Größe hat. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dem Differential-Relais 56 eine zweite Gleichrichterbrücke 58 vorgeschaltet, die von den Leitungen 54 und 55 gespeist wird. Die Gleichrichterbrücke 58 gewährleistet die Betriebsfähigkeit des Systems ohne Rücksicht auf die Polarität des gemessenen Differenzsignals. Das Relais 56 besitzt eine Spule 59, die über einen mit ihr in Reihe geschalteten Transistor 60 an einen Punkt 61 mit Referenzpotential angeschlossen ist. Mit der Basis des Transistors 60 ist eine Zenerdiode 62 verbunden. Zwischen Eingang der Spule 59 und dem Punkt 61 sind ein Widerstand 64 und ein Kondensator 66 geschaltet, um eine vorbestimmte Zeit-

309839/0429

— Q —

verzögerung zu erzeugen, damit sichergestellt ist, daß die Differentialschutz-Anordnung 34 für kurze Einschwingvorgänge unempfindlich ist, die eine so begrenzte Dauer haben, daß sie vernachlässigt werden können. Die Kathode der Zenerdiode 62 ist an einen Punkt zwischen Widerstand 64 und Kondensator 66 angeschlossen. Daraus ergibt sich, daß sich an der Kathode der Zenerdiode in der Zeitkonstante des aus Widerstand 64 und Kondensator 66 bestehenden Verzögerungsgliedes eine Spannung aufbauen kann. Erst wenn die Zenjzterdiode 62 durchbricht, wird der Transistor 60 durchgeschaltet und stellt eine leitende Verbindung durch die Spule 59 des Relais 56 her. In diesem Falle werden Kontakte 68 des Relais 56 geschlossen, wodurch ein Fehleranzeige-Signal erzeugt wird, welches dazu benutzt werden kann, die Erregermaschine abzuschalten oder in anderer Weise dem Bedienungspersonal das Vorliegen eines Fehlers anzuzeigen. Die Abschalt- bzw. Fehleranzeige-Vorrichtung ist mit 70 bezeichnet. Zur Ansteuerung des Relais 56 können auch andere bekannte Schaltungsanordnungen verwendet werden.

Die Differentialschutz-Anordnung 34 stellt eine Einrichtung zur ständigen überwachung des Zustandes von Erregermaschinen-Anker 14 und rotierender Gleichrichteranordnung 16 von bürstenlosen Erregermaschinen dar. Wenngleich die Differentialschutz-Anordnung 34 im Zusammenhang mit anderen Arten von Erregermaschinen verwendet werden kann, ist die dargestellte Anwendung besonders vorteilhaft, da sie einen Betrieb ohne mit jeder Diode 28 in Reihe geschaltete Sicherungen ermöglicht. Dementsprechend sind bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die Dioden 28 ohne Sicherungen unmittelbar zwischen Erregermaschinen-Anker 14 und Generator-Feldwick^

30983970429

lung 10 geschaltet. Die Kosten für die Sicherungen sowie die Zuverlässigkeit der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Dioden rechtfertigen es, das Risiko einzugehen, daß die Maschine infolge eines Diodendefekts abgeschaltet wird. Bei den bekannten bürstenlosen Erregermaschinen trennte eine Sicherung eine einzelne defekte Diode von mehreren parallelgeschalteten Dioden ab, so daß die Maschine in Betrieb bleiben konnte. Allerdings war zum Ersetzen von Sicherungen eine periodische Wartung erforderlich.

Bei der beschriebenen Schaltung ist der Effekt der Sättigung von Erregermaschine und Generator außer Betracht gelassen worden. Normalerweise dürfte es sich erübrigen, diesen Effekt in Betracht zu ziehen, da die Sättigungskurven durch gerade Linien, d. h. durch lineare Schaltelemente angenähert werden können. Es ist jedoch denkbar, daß es bei manchen Anlagen erforderlich ist, durch Einfügung von nicht-linearen Schaltelementen die nicht-lineare Sättigung der Maschine auszugleichen und dadurch eine größere Empfindlichkeit zu erzielen. Solche nicht-lineare Schaltelemente könnten in Reihe mit den Ausgängen von Potentiometer 41 und/oder Glattungskondensator 52 geschaltet werden. Ein nicht-lineares Schaltelement in Form einer Zenerdiode könnte in ähnlicher Weise benutzt werden, wie die Zenerdiode in der US-PS 3 590 277 verwendet wird.

Patentansprüche:

309839/0429

Claims

Patentansprüche t

( l.yWechselstrom-Generatoranlage mit Differentialschutz-Anordnung für den Erregerkreis, die einen Wechselstromgenerator mit einer Gleichstrom-Feldwicklung und einerdamit induktiv verknüpften Wechselstrom-Ankerwicklung sowie eine mit der Feldwicklung verbundene Erregermaschine mit einer Gleichstrom-Feldwicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialschutz-Anordnung (34) eine erste Einrichtung (36) zur Erzeugung eines ersten, der Größe der Spannung an der Feldwicklung (20) der Erregermaschine (13) entsprechenden Signals, eine zweite Einrichtung (38) zur Erzeugung eines zweiten, der

Vektorsumme von Strom und Spannung an der Wechselstrom-Ankerwicklung (12) entsprechenden Signals sowie eine dritte Einrichtung zur Erzeugung eines dritten, der Differenz zwischen den Größen des ersten und des zweiten Signals entsprechenden Signals aufweist.
2. Generatoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (36) einen ersten Ohmschen Widerstand von einer zur Kompensation der Verstärkung der Erregermaschine geeigneten Größe enthält und daß die zweite Einrichtung (38) einen zweiten Ohmschen Widerstand (46) von einer zur Kompensation der Synchron-Reaktanz des Generators geeigneten Größe enthält, wobei sowohl das erste als auch das zweite Signal Gleichströme sind.

30983 9/0429
3. Generatoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung eine auf ein Mindestniveau der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal in Form der Erzeugung einer Fehleranzeige ansprechende Teileinrichtung sowie ein Zeitverzögerungsglied enthält, um das Ansprechen der Teileinrichtung auf Fälle zu beschränken, in denen das Mindestniveau eine vorgegebene Mindestzeit lang anhält.
4. Generatoranlage nach einem der Ansprüche 1-3, die ein bürstenloses Erregersystem mit einer Erregermaschine und einer rotierenden, mit der Generator-Feldwicklung verbundenen Gleichrichteranordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialschutz-Anordnung (34) derart angeschlossen ist, daß sie Fehler im Erregersystem durch Vergleich der von der Feldwicklung (20) der Erregermaschine und von der Ankerwicklung

(12) des Generators abgeleiteten Signale erfaßt und anzeigt.
5. Generatoranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Gleichrichteranordnung (16) mindestens eine unmittelbar zwischen Ankerwicklung der Erregermaschine und Feldwicklung (10) des Generators geschaltete Halbleiterdiode (28) aufweist.
6. Generatoranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode (28) mit den Wicklungen ohne Sicherung unmittelbar verbunden ist.

BL/me 5

309839/0429

Leerseite