DE2531354C2 - Einrichtung zur Überwachung der Stabilität und des Synchronismus einer Synchronmaschine - Google Patents
Einrichtung zur Überwachung der Stabilität und des Synchronismus einer SynchronmaschineInfo
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- H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
- H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
- H02H7/0805—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for synchronous motors
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
- G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation
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Description
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein mit dem Rotor der Maschine verbundener Taktgeber (2) vorgesehen ist, der über
ein einstellbares Zeitglied (16) mit dem Abfrageschalter (9) in Steuerverbindung steht.
3. Einrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteschaltung (13) wenigstens einen Grenzwertschalter (132, 133) mit einem von
der Netzspannungsamplitude gleichsinnig abhängigen Grenzwert (K1 bzw. K2) aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (13) wenigstens
ein Differenzierglied (135) mit nachgeordnetem Grenzwertschalter (137) aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (13) wenigstens
einen Schlupffrequenzzähler (139) aufweist
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (13) wenigstens
eine Filterschaltung (140) zur Isolierung einer Netzfrequenzkomponente des Ausgangssignals des
Abfrageschalters (9) aufweist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Filterschaltung nachgeordnetes
Zeitglied (141) vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (13) wenigstens
eine Filterschaltung (143) zur Isolierung einer einem Mehrfachen, insbesondere dem Zweifachen der
Netzfrequenz entsprechenden Frequenzkomponente des Ausgangssignals des Abfrageschalters (9)
aufweist.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der Stabilität und des Synchronismus einer
Synchronmaschine.
Die Arbeitsweise von Synchronmaschinen wird im wesentlichen durch die Relativstellung zwischen der
magnetischen Achse des Erregersystems, im allgemeinen des als Polrad ausgebildeten Rotors, einerseits und
dem in einer Mehrphasenwicklung, im allgemeinen der Ständerwicklung, erzeugten Drehfeldvektor andererseits
bestimmt. Im Synchronlauf ist der entsprechende Relativwinkel — Lastwinkel oder Polradwinkel — auf
einen begrenzten Bereich beschränkt, während bei Verlust des Synchronismus eine laufende Änderung dss
Relativwinkels entsprechend einer Schlupffrequenz auftritt Das Drehmoment einer Synchronmaschine
hängt bis zu einem Maximalwert gleichsinnig vom Polradwinkel ab, um dann mit steigendem Winkel
wieder abzufallen, woraus sich entsprechende Grenzen für einen stabilen Betrieb der Maschine orgeben. Im
Betrieb ist daher in erster Linie eine Überwachung des Polradwinkels auf Annäherung an die Stabilitätsgrenzen
sowie eine Überwachung auf eingetretenen
Synchronismusverlust (Außertrittfallen) bzw. eine Überwachung auf annäherndes oder vollständiges Erreichen
des Synchronismus beim Hochlaufen oder Anfahren der Maschine erforderlich.
Aus der FR-PS 13 49 133 ist eine Einrichtung bekannt
zur Überwachung- und Regelung des synchronen Laufs einer Synchronmaschine. Mittels Logikbausteinen wird
aus einem der Phasenströme und einer verketteten Phasenspannung des die Synchronmaschine mit Energie
versorgenden Drehstromnetzes der Leistungsfaktor bestimmt und einem Grenzwertvergleich unterzogen.
Eine Grenzwertüberschreitung löst korrigierende Steuerfunktionen aus.
Aus der DE-PS 19 41312 ist ein Verfahren zur
Steuerung oder Regelung von Asynchronmaschinen, insbesondere umrichtergespeisten, bekannt, deren
Ständerstrom in Abhängigkeit von zwei feldachsenbezogenen elektrischen Größen gebracht ist, von welchen
die eine nur die Größe einer parallel und die andere nur die Größe einer senkrecht zur momentanen Drehfeldachse
liegenden Komponente des Ständerstromvektors beeinflußt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Überwachungseinrichtung, welche die oben genannten
Funktionen mit geringem Bauaufwand, sicherer Wirkungsweise und weitgehend ohne Verwendung beweglicher
Schaltungselemente zu verwirklichen gestattet. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe, kennzeichnet
sich durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Die Wirkungsweise dieser Einrichtung beruht darauf, daß von den netzseitigen Mehrphasenspannungen der
Maschine eine Drehfeld-Nachbildung abgeleitet wird, und zwar in Gestalt der gegeneinander zeitlich und
räumlich versetzten, sinusförmigen Spannungsverläufe in den Ankerleitern des Drehfeldbildners, wobei aus
diesen Zeitverläufen jeweils aufeinanderfolgend für kurze Zeitintervalle Abschnitte ausgetastet und zu einer
resultierenden Ausgangsspannung eines Abfrageschalters zusammengesetzt werden. Diese Spannung oder
ein entsprechendes andersartiges Ausgangssignal des Abfrageschalters ist für konstanten Polradwinkel
ebenfalls konstant und ändert sich mit dem Polradwinkel in sinusförmiger Abhängigkeit. Die Ausgangsspannung
des Abfrageschalters ermöglicht also sowohl eine Darstellung und Grenzwertüberwachung des Polrad-
winkeis wie auch durch Erfassung der Nulldurchgänge oder Perioden bzw. Halbperioden der Ausgangsspannung
eine Erfassung von asynchronenBetriebszuständen. Der Drehfeldbildner kann dabei sehr einfach und
ausschließlich mit ruhenden Elementen aufgebaut werden, beispielsweise in Gestalt eines Magnetringes
mit einer an das Netz angeschlossenen Mehrphasenwicklung und einem koaxial dazu angeordneten Anker
mit einer gleichmäßig veneüten Stabwicklung. Die gegenseitige Stellung dieser Teile kann fest gewählt
werden, wobei die Einstellung einer Bezugsphasenlage zwischen Rotor und Drehfeld auf elektrischem Wege
durch die synchrone Fortschaltung des Abfrageschalters erreichbar ist
Die Erfindung wird weiter anhand der in den ^
Zeichnungen schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt
F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Überwachungseinrichtung mit ihren Anschlüssen an die zu überwachende
Synchronmaschine,
Fig.2A ein Zeitdiagramm zur Wirkungsweise der
Überwachungseinrichtung im Synchronlauf der Maschine,
F i g. 2B ein entsprechendes Zeitdiagramm für Abweichungen vom Synchronismus,
F i g. 3A und 3B den Aufbau einer Auswerteschaltung mit korrespondierend bezeichneten Verbindungsanschlüssen
I und II,
F i g. 4 ein Zeitdiagramm ähnlich F i g. 3A, jedoch für eine andere Arbeitseinstellung des Abfrageschalters, j0
und
Fig.5 einen Teil einer Auswerteschaltung für eine
Abfrageschaltereinstellung gemäß F i g. 4.
Nach F i g. 1 ist eine Synchronmaschine 1 — ein Generator oder ein Motor — Mit ihrer Ständeiwicklung
an ein Drehstromnetz R, S, ^angeschlossen. Der Rotor la der Synchronmaschine ist mechanisch mit einem
elektrischen Taktgeber 2 gekuppelt, dessen Ausgang 2a für jede Rotordrehung über eine Polteilung der
Ständerwicklung der Synchronmaschine eine feste Anzahl von Taktimpulsen liefert.
Mit den netzseitigen Anschlüssen der Synchronmaschine ist über einen Spannungswandler 3 ein
Drehfeldbildner 4 verbunden, und zwar mit entsprechenden Anschlüssen einer Drehstromwicklung 5 eines
ringförmigen Drehfeldinduktors 6. Mit dem Drehfeldinduktor ist magnetisch ein Anker 7 gedoppelt, der eine
Mehrzahl von über die — hier einzige — Polteilung verteilt angeordneten Leitern 8 aufweist. Die Ankerleiter
weisen eine Mehrzahl von ebenfalls über die Polteilung verteilten Anschüssen auf, deren jeder mit
einem zugehörigen Eingang eines zyklisch arbeitenden Abfrageschal'ers 9 verbunden ist. Im Beispielsfall ist für
jeden Ankerleiter ein entsprechender Eingang des Abfrageschalters vorgesehen. 5-,
Der Abfrageschaltir 9 umfaßt ein zyklisch arbeitendes
Schieberegister 10 oder einen entsprechenden Ringzähler oder dergleichen sowie eine der Leiter- bzw.
Anschlußzahl des Ankers entsprechende Anzahl von zur Übertragung stetig veränderlicher Signalamplituden
befähigten UND-Gattern 11, deren jedes einen Eingang des Abfragesehalters bildet. Die Ausgänge
dieser UND-Gatter sind über ein ODER-Gatter 12 zusammengefaßt, welches den Ausgang des Abfrageschalters
bildet und eine nachfolgende Auswerteschaltung 13 mit einer Schaltvorrichtung 14 — beispielsweise
zum Abschalten der Synchronmaschine bei Außeririttfallen
— ansteuert. Für im einzelnen noch zu erläuternde Überwachungsaufgaben wird zwei Eingängen
der Auswerteschaltung jeweils eine Bezugsspannung zugeführt, die über einen Gleichrichter 15 von der
Netzspannung abgeleitet wird. Diese Spannungen dienen, wie nachstehend noch erläutert, in der
Auswerteschaltung als Grenzwerte K\ bzw. K2.
Die zyklische Fortschaltung des Schieberegisters 10 und damit des Abfrageschallers erfolgt vom Ausgang 2a
des Taktgebers 2 über ein Impuls-Verzögerungsglied 16 mit einstellbarer Verzögerungszeit die Damit kann die
relative Phasenlage des Abfragevorganges bezüglich der Rotordrehung eingestellt werden.
In Fig.2A sind einige der aufeinanderfolgenden,
jeweils entsprechend dem Ankerwicklungsschritt gegeneinander phasenverschobenen Leiterspannungen
des Ankers über der Zeit angedeutet Innerhalb einer jeden Periode wird aus jeder dieser Leiterspannungen
durch den Abfrageschalter ein Abschnut entsprechend dem Abfrageintervall Γ ausgetastet und zwar mit einer
Phasenlage entsprechend dem am Verzögerungsglied 16 einstellbaren Verzögerungsintervall dt„ gegenüber
einem Bezugszeitpunkt f«* der bezüglich der Rotordrehung
bestimmt ist und damit im Fail des hier angenommenen Synchronismus auch eine feste Phasenlage
bezüglich der Perioden der Leiterspannungen Jes Drehfeldbildners aufweist. Im dargestellten Fall ist der
Einfachheit halber angenommen, daß to mit dem
Nulldurchgang der betreffenden Leiterspannung zusammenfällt
Demzufolge haben auch die ausgetasteten Intervalle T jeweils die gleiche Phasenlage bezüglich der
Leiterspannungen. Die Ausgangsspannung des Abfrageschalters entspricht somit — abgesehen von den
geringfügigen und leicht zu glättenden Schwankungen infolge der endlichen Dauer der Abfrageintervalle —
einem konstanten Wert Ko. Wann sich die relative Lage des Rotors der Synchronmaschine gegenüber dem
resultierenden Drehfeldvektor der Ständerwicklung und damit auch gegenüber demjenigen des Drehfeldbildners
4 in der einen oder anderen Richtung ändert, so nimmt die Ausgangsspannung des Abfrageschalters zu
oder pb, so daß sich eine Abbildung des Lastwinkels durch die Ausgangsspannung des Abfrageschalters
ergibt.
In Fig.2A sind zwei Grenzwerte Kt und K2 -?ür den
Lastwinkel angedeutet, die zur Stabilitätsüberwachung herangezogen werden können.
In Fig.2B sind wiederum einige Leiterspannungen angedeutet, jedoch der Übersichtlichkeit halber Leiterspannungen
Uk Ui und Un mit gegenseitigem Abstand
von einigen Wicklungsschritten. Für den hier angenommenen Schlupfzustand ergeben sich für die einzelnen
Leiterspannungen verschobene Bezugszeitpunkte toi, tOi
und ton entsprechend der sich ändernden Relativlage zwischen Rotor und resultierendem Drehfeld. Es
ergeben sich also für die gleiche Verzögerunijszeit dto
sinusförmige Schwankungen der Ausgangsspannung des Abfrageschalters, wie dies durch die strichlierte
Linie in Fig. 2B angedeutet ist. Die Frequenz dieser
Ausgangsspannung entspricht der jeweiligen Schlupffrequenz der Synchronmaschine.
Die in Fig.3A und 3B angedeutete Auswerteschaltung
wird mit der Ausgangsspannung des Abfrageschalters vom ODER-Gatter 12 angesteuert und umfaßt
folgende Überwachungseinheiten:
Ein bipolares und mi' seinem Nullpunkt zweckmäßig auf den Ausgangswert K0 kompensiertes Anzeigeinstrument
131 erlaubt die unmittelbare Beobachtung dps
jeweiligen Lastwinkels der Synchronmaschine. Die Annäherung des letzteren an die Stabilita' tsgrenzen wird
durch zwei Grenzwertschalter 132 und 133 mit den bereits erwähnten, über entsprechende Eingänge
einstellbaren Grenzwerten K] bzw. K2 überwacht.
Durch Veränderung der relativen Phasenlage des Abfrageschalters zum Maschinenrotor, z. B. durch
Veränderung von (Jt0, können andere Werte für K0
eingestellt werden, insbesondere auch der Wert Null. Die Grenzwertschalter mit ihren Grenzwerten sind
dann entsprechend anzupassen. Um Unabhängigkeit von Ne'.zspannungsschwankungen zu erreichen, sind die
Grenzwerte ACi und K2 — wie in Fig. I angedeutet —
unabhängig von ihrer Einstellbarkeit durch Speisung vom Gleichrichter 15 automatisch proportional oder
wenigstens gleichsinnig veränderlich zur Netzspannung eingerichtet.
Zur Überwachung auf Verlust der Erregung im
C\enpratorhptriph Ul pin u/pitprpr GrCnZWCrt^chslief
134 vorgesehen, der bei Abfall der Ausgangsspannung des Drehfeldbildners unter einem Grenzwert Ki
einspricht.
Eine frühzeitige Vorwarnung für die Gefahr des Außertrittfallens wird durch Differenzierung der in
einem Siebglied 130 geglätteten Ausgangsspannung des Drehfeldbildners mittels Differenziergliedes 135 und
Grenzwertüberwachung des in einem Vollweggleichrichter 136 gleichgerichteten Differenzialsignals mittels
eines Grenzwertschalters 137 mit einstellbarem Grenzwert Ka erreicht. Diese Überwachung spricht auf rasche
Änderungen des Lastwinkels an. die mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Außertrittfallen führen.
Eine selektive Überwachung auf Verlust des Synchronismus, d. h. unabhängig von etwaigen extremen, aber
langsamen Ausschlägen des Lastwinkels, wird durch Zählen der Nulldurchgänge oder der Halbperioden der
Ausgangsspannung des Drehfeldbildners erreicht, beispielsweise gemäß F i g. 3B mittels eines über Einweggleichrichter
138 angesteuerten Zählers 139. der bei Erreichen einer vorgegebenen Zählgrenze ein Alarmsignal
abgibt.
Weiterhin ist ein Losbrechschutz für den Betrieb als asynchron anlaufende Synchronmaschine vorgesehen.
Hierzu wird in einem auf die Netzfrequenz abgestimmten Bandpaß 140 die entsprechende Frequenzkomponente
der Ausgangsspannung des Drehfeldbildners isoliert und über ein Zeitglied 141, beispielsweise einen
Integrator, zur Steuerung eines Grenzwertschalters 142 mit Grenzwert Kj verwendet. Da eine netzfrequente
Komponente der Ausgangsspannung im wesentlichen nur bei Stillstand vorhanden ist, bedeutet die Überschreitung
des Grenzwertes AT5 die Überschreitung
eines vorgegebenen Stillstand-Zeiteintervalls.
Durch Frequenzfilterung der Ausgangsspannung des Drehfeldbildners läßt sich weiterhin das Vorhandensein
einer gegenläufigen Drehfeldkomponente überwachen,
·, die einer Frcqucnzkomponcntc von doppelter Nctzfrcqiienz
entspricht. Dazu ist gemäß Fig. 3B ein auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmter Bandpaß 143 mit
nachfolgendem Grenzwertschalter 144 und Grenzwert Ki, vorgesehen. Diese Überwachung kann insbesondere
in für eine Drehfeldrichtungskontrolle vor dem Einschalten
der Maschine dienen, was beispielsweise für den reversiblen Betrieb von Pumpspeicherwerken von
Bedeutung ist.
Anzumerken ist noch, daß eine selbsttätige, Netz-
Anzumerken ist noch, daß eine selbsttätige, Netz-
:i spannungsabhängige Grenzwertanpassung, wie sie für
Ki und K2 angedeutet ist. gegebenenfalls auch für
andere Überwachungseinheiten angewendet werden kann.
In F i σ Δ. Ut tWr Aiitupnoccniinniino Hpc rVphfpMhilrl- o· - ■-· ■ ο σ — r —.. σ — — —. ·. — ......
><> ners für Synchronbetrieb ähnlich F i g. 3A, jedoch für
eine nullpunktsymmetrische Einstellung den Polradwinkel Null angedeutet. Dies ergibt in einer Auswerteschaltung
gemäß F i g. 5 neben der Möglichkeit einer unmittelbar nullpunktsymmetrischen Grenzwertüber-
_>-, wachung des Last- bzw. Polradwinkels mittels zweier
Grenzwertschalter 148 und 149 mit zugehörigen Grenzwerten K\ bzw. K'2 mit über ein ODER-Gatter
150 anr steuerten! Anzeigeorgan 151 die Möglichkeit
einer Augenblickskontrolle der jeweiligen Phasenlage
jo des Rotors bezüglich des Drehfeldvektors über zwei
gegensinnig gepolte Einweggleichrichter 152 und 153 mit gesondert zugehörigen Anreigeorganen 154 bzw.
155. Diese Anordnung ermöglicht insbesondere das polaritätsrichtige Einschalten der Erregung bei asynchron
hochlaufenden Synchronmaschinen. Die für das Einschalten außerdem erforderliche geringe Schlüpfung
kann unmittelbar durch Beobachtung der Folgefrequenz der beiden Anzeigeorgane 154, 155, gegebenenfalls
auch durch ein entsprechend dimensioniertes, nicht gesondert dargestelltes Differenzierglied überwacht
werden.
Die Ausgänge der verschiedenen Überwachungseinheiten der in Fig.3A und 3B dargestellten Auswerteschaltung
sind über ODER-Gatter 145 und 146 sowie 147 zu einem einheitlichen Alarm- oder Abschaltausgang
A zusammengefaßt. Es versteht sich jedoch, daß die einzelnen Überwachungseinheiten gegebenenfalls
auch für sich oder in Teilkombinationen sinnvoll anwendbar sind. Entsprechendes gilt auch für die
Überwachungseinheiten der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform einer Auswerteschaltung.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Einrichtung zur Überwachung der Stabilität und
des Synchronismus einer Synchronmaschine, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) ein Drehfeldinduktor (6) ist mit einer Mehrphasenwicklung (5) an die entsprechend mehrphasige
Netzspannung der Synchronmaschine angeschlossen; es ist ein magnetisch mit dem Drehfeldinduktor gekoppelter Anker (7) vorgesehen,
der eine Mehrzahl von längs wenigstens einer Polteilung der Mehrphasenwicklung (5)
des Drehfeldinduktors (6) verteilt angeordneten Leitern (8) aufweist und zusammen mit dem ,5
Induktor (6) einen Drehfeldbildner (4) darstellt;
b) es ist ein zyklisch sowie synchron mit der Rotordrehung der Synchronmaschine fortschaltender
Abfrageschalter (9) mit einer Mehrzahl von Eingängen vorgesehen, die mit einer entsprechenden Anzahl von über wenigstens
eine Poiteiiung verteilt angeordneten Anschlüssen der Ankerleiter (8) verbunden sind und von
denen jeweils einer zu einem Ausgang des Abfrageschalters (9) durchgeschaltet ist;
c) an den Ausgang des Abfrageschalters (9) ist eine Auswerteschaltui?? (13) für die Erfassung
und gegebenenfalls für einen Grenzwertvergleich wenigstens einer von der Relativstellung
zwischen Rotor und Drehfeld der Synchronmaschine abhängigen Betriebsgröße angeschlossen.
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---|---|---|---|
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE3003709A1 (de) * | 1980-02-01 | 1981-08-06 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Messeinrichtung zur erfassung der pollage und des schlupfes einer synchronmaschine |
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FR1349133A (fr) * | 1962-02-15 | 1964-01-17 | Westinghouse Electric Corp | Système de mesure de facteur de puissance |
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1976
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SE411648B (sv) | 1980-01-21 |
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CH586475A5 (de) | 1977-03-31 |
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