DE2555742A1 - ROTOR EARTH PROTECTION FOR SYNCHRONOUS MACHINES WITHOUT SLIP RINGS - Google Patents

ROTOR EARTH PROTECTION FOR SYNCHRONOUS MACHINES WITHOUT SLIP RINGS

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DE2555742A1
DE2555742A1 DE19752555742 DE2555742A DE2555742A1 DE 2555742 A1 DE2555742 A1 DE 2555742A1 DE 19752555742 DE19752555742 DE 19752555742 DE 2555742 A DE2555742 A DE 2555742A DE 2555742 A1 DE2555742 A1 DE 2555742A1
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  • Synchronous Machinery (AREA)
  • Protection Of Generators And Motors (AREA)

Description

157/75 Me/dh157/75 Me / dh

24.11.7511/24/75

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

Rotor- Erdschlusschutζ für schleifringlose SynchronmaschinenRotor earth fault protection for synchronous machines without slip rings

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erdschlussüberwachung des Polradkreises einer schleifringlosen Synchronmaschine« The invention relates to a device for earth fault monitoring of the pole wheel circuit of a synchronous machine without slip rings.

Die deutsche Auslegeschrift 1 938 222 und die britische Patentschrift 1 068 239 beschreiben Einrichtungen für den Erdschlussschutz, doch funktionieren beide Lösungen nur bei rotierender Maschine und erregtem Wechselstromerreger.The German Auslegeschrift 1 938 222 and the British patent specification 1 068 239 describe devices for earth fault protection, but both solutions only work with rotating Machine and excited ac exciter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor-Erdschlussschutz für schleifringlose Motoren zu schaffen, der sowohl bei drehender und stillstehender als auch bei erregter und unerregter Maschine arbeitet. Ausserdem soll die Wirkungsweise der Ein-The invention is based on the object of a rotor earth fault protection for motors without slip rings, both when rotating and stationary as well as when excited and unexcited Machine works. In addition, the mode of action of the

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richtung von der Kapazität der Rotorwicklung gegen Erde nicht beeinflusst werden.direction of the capacity of the rotor winding to earth not to be influenced.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gelöst durch einen umlaufenden Uebertrager, dessen Rotor mit dem Rotor der Synchronmaschine mechanisch gekuppelt ist, durch auf dem Rotor der Synchronmaschine montierte Elemente zur Detektierung von Erdschlüssen, welche Elemente folgende Schaltteile umfassen:According to the invention, the object is achieved by a circumferential Transmitter, the rotor of which is mechanically coupled to the rotor of the synchronous machine, through on the rotor of the synchronous machine Mounted elements for the detection of earth faults, which elements include the following switching parts:

1. die Serieschaltung aus einer ersten Sicherung, einem ersten Widerstand und einer zweiten Sicherung, die gesamte Serieschaltung parallel zur gleichgerichteten und einseitig geerdeten Spannung an der Rotorwicklung des Drehübertragers1. the series circuit made up of a first fuse, a first resistor and a second fuse, the entire series circuit parallel to the rectified and unilaterally earthed voltage on the rotor winding of the rotary transformer

2. die zwischen dem Verbindungspunkt der ersten, nicht geerdeten Sicherung mit dem ersten Widerstand und einem Ende der Erregerwicklung der Synchronmaschine liegende Serieschaltung aus einem zweiten Widerstand und einer Diode,2. the one between the connection point of the first ungrounded fuse with the first resistor and one end the field winding of the synchronous machine in series with a second resistor and a diode,

und ferner durch ein an der Statoificklung des Drehübertragers angeschlossenes Steuergerät, das die durch den Drehübertrager übertragene Erdschlussinformation auswertet und zur Anzeige bringt und gleichzeitig die zum Betrieb der gesamten Anordnung erforderliche Speisespannung liefert.and also by a on the Statoificklung of the rotary transformer connected control device that evaluates the earth fault information transmitted by the rotary transmitter and displays it brings and at the same time supplies the supply voltage required to operate the entire arrangement.

Die Erfindung sei jetzt anhand der einzigen Figur näher erläutert. Die Pigurteile 1 (Drehübertrager) und 33 (Steuergerät) stimmen genau überein mit den entsprechend bezeichnetenThe invention will now be explained in more detail with reference to the single figure. The parts 1 (rotary transmitter) and 33 (control unit) correspond exactly to those designated accordingly

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- f. 157/75- f. 157/75

Teilen der Figur 7 der älteren Patentanmeldung der Anmelderin Nr. OOO588/75, wo diese Teile ausführlich beschrieben sind. Das in der älteren Anmeldung vorgesehene Schwellwertgerät IH entfällt bei der vorliegenden Anmeldung und ist ersetzt durch Schaltungselemente zur Detektierung von Erdschlüssen. Es sind dies die Widerstände R1 und R2, die Diode D und die Sicherungen S, und Sp. Die schleifringlose Synchronmaschine (Motor oder Generator) ist mit SM bezeichnet; ihr Rotor ist mit dem Rotor des Drehübertragers mechanisch gekuppelt. EM ist die Drehstrom-Erregermaschine, GB die rotierende Gleichrichterbrücke; die Erdschluss-Detektionselemente sind vorzugsweise auf der Tragkonstruktion dieser Gleichrichterbrücke montiert. Weiter ist E die Erregerwicklung der Synchronmaschine und R der bei Motoren vorgesehene Schutzwiderstand. Beim Drehübertrager 1 und Steuergerät 33 sind 59, 60 und 6l Gleichrichter, 6 die Statorwicklung, 11 die Rotorwicklung des Drehübertragers 1, 58 ein Widerstand, dessen Spannungsabfall im Verein mit dem Gleichrichter 60 die Transistorverstärker 56 und 57 steuert. Der Speisetransformator 55 für die gesamte Anordnung weist die Primärwicklung 55a und zwei Sekundärwicklungen 55b und 55c auf; 55b speist über Gleichrichter 59 die Verstärker und Relais, während 55c über Widerstand 58, Drehübertrager 1 und Gleichrichter 61 die Speisespannung für die erdschlussdetektierenden Elemente liefert. 70 und 71 sind Glattungskondensatoren, 72 ist eine Sicherung. Der Basis vorwiderst and des ersten Verstärkers 56 ist mit 73, derParts of Figure 7 of the applicant's earlier patent application No. OOO588 / 75, where these parts are described in detail. The threshold device IH provided in the earlier application is omitted in the present application and is replaced by circuit elements for detecting earth faults. These are the resistors R 1 and R 2 , the diode D and the fuses S, and Sp. The synchronous machine without slip rings (motor or generator) is designated SM; its rotor is mechanically coupled to the rotor of the rotary joint. EM is the three-phase exciter, GB the rotating rectifier bridge; the earth fault detection elements are preferably mounted on the supporting structure of this rectifier bridge. Furthermore, E is the field winding of the synchronous machine and R is the protective resistor provided for motors. In the rotary transmitter 1 and control unit 33, 59, 60 and 61 are rectifiers, 6 the stator winding, 11 the rotor winding of the rotary transmitter 1, 58 a resistor whose voltage drop controls the transistor amplifiers 56 and 57 in conjunction with the rectifier 60. The feed transformer 55 for the entire arrangement has the primary winding 55a and two secondary windings 55b and 55c; 55b feeds the amplifiers and relays via rectifier 59, while 55c supplies the supply voltage for the earth fault detection elements via resistor 58, rotary transmitter 1 and rectifier 61. 70 and 71 are smoothing capacitors, 72 is a fuse. The base resistor and the first amplifier 56 is with 73, the

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zugehörige Basis-Emitterwiderstand mit Ik und die dem letzteren Widerstand parallelgeschaltete Zener-Diode mit 75 benannt. Die entsprechenden Elemente des zweiten Verstärkers 57 sind mit 76, 77 und 78 bezeichnet. Mittels der veränderlichenWiderstände Ik bzw. 77 kann die Einschaltschwelle der Verstärker 56 bzw. 57 eingestellt werden. In den Ausgangskreisen der Verstärker 56 und 57 befinden sich die Relais 56a und 57a. a ist ein Hilfsrelais mit parallelgeschalteter Signallampe L.. 51 und 52 sind Relaiskontakte.associated base-emitter resistor with Ik and the Zener diode connected in parallel with the latter resistor with 75. The corresponding elements of the second amplifier 57 are labeled 76, 77 and 78. The switch-on threshold of the amplifiers 56 and 57 can be set by means of the variable resistors Ik and 77, respectively. Relays 56a and 57a are located in the output circuits of amplifiers 56 and 57. a is an auxiliary relay with signal lamp L connected in parallel. 51 and 52 are relay contacts.

Die Wirkungsweise ist wie folgt: Bei.erdschlussfreiem Polradkreis der Synchronmaschine SM fliesst der Strom I1 = I, entsprechend der Spannung an der Rotorwicklung 11 des Uebertragers 1 und der Grosse des Widerstandes R.. Der diesem Strom entsprechende Strom I in der Statorwicklung 6 des Uebertragers 1 bewirkt am Widerstand 58 einen entsprechenden Spannungsabfall, der über den Gleichrichter 60 den Verstärker 57 derart steuert, dass das Relais 57a erregt wird und dessen Anker anzieht. Damit wird über die Kontakte 52 signalisiert, dass die Einrichtung betriebsbereit und kein Erdschluss vorhanden ist. Tritt an der Stelle A der Erregerwicklung E ein Erdschluss auf, so fliesst durch R- und D auch ein Strom I2, und es ist I- = I1 +Ip. Der in der Statorwicklung 6 des uebertragers 1 fliessende Strom I und der Spannungsabfall am Widerstand 58 werden grosser. Dieser Spannungsabfall steuert nun auch den entsprechend vorein-The mode of operation is as follows: When the pole wheel circuit of the synchronous machine SM is free from earth faults, the current I 1 = I flows according to the voltage on the rotor winding 11 of the transformer 1 and the size of the resistor R .. The current I in the stator winding 6 of the corresponding to this current Transformer 1 causes a corresponding voltage drop across resistor 58, which via rectifier 60 controls amplifier 57 in such a way that relay 57a is excited and its armature picks up. This signals via the contacts 52 that the device is ready for operation and that there is no earth fault. If an earth fault occurs at point A of the excitation winding E, a current I 2 also flows through R- and D, and I- = I 1 + Ip. The current I flowing in the stator winding 6 of the transformer 1 and the voltage drop across the resistor 58 become greater. This voltage drop now also controls the correspondingly pre-set

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gestellten Verstärker 56 so, dass das Relais 56a ebenfalls erregt und dessen Anker angezogen wird. Die Kontakte 51 signalisieren den Erdschluss.set amplifier 56 so that the relay 56a is also energized and its anchor is tightened. The contacts 51 signal the earth fault.

Erscheint der Erdschluss nicht an der Stelle A, sondern irgendwo längs der Erregerwicklung E, z.B. an der Stelle X, so ist die am Widerstand FL· anstehende Spannung gleich der Summe der an der Erregerwicklung E zwischen den Punkten A und X vorhandenen Spannung und der vom Gleichrichter 61 gelieferten Spannung. Ip ist nun wieder grosser als bei Erdschluss an der Stelle A, und auch in diesem Fall wird das Relais 56a erregt und signalisiert über die Kontakte 51 den Erdschluss. Um bei grossen Spannungswerten zwischen den Punkten A und X eine thermische Ueberlastung der Widerstände R, und Rp und des Gleichrichters 61 zu vermeiden, sind die Sicherungen S, und S2 vorgesehen. Erreicht der Strom Ip einen gewissen Wert,so geht zuerst die Sicherung S1 und anschliessend auch die Sicherung Sp durch. Der Strom I, in der Rotorwicklung 11 des Uebertragers 1 wird Null und damit auch, bis auf den Magnetisierungsstrom, der Strom I. Die beiden Transistoren 56 und 57 sperren, und die Relais 56a und 57a fallen ab. Dieser Zustand der beiden Relais signalisiert wiederum einen Erdschluss oder einen Defekt an den Sicherungen. Es könnte der Fall eintreten, dass ein Erdschluss auftritt, anschliessend jedoch aus mechanischen Gründen die Sicherung S2 defekt wird. Um zu verhindern, dass nun die Erd-If the earth fault does not appear at point A, but somewhere along the excitation winding E, e.g. at point X, the voltage across the resistor FL is equal to the sum of the voltage at the excitation winding E between points A and X and that of the Rectifier 61 supplied voltage. Ip is now greater again than in the case of an earth fault at point A, and in this case too the relay 56a is excited and signals the earth fault via the contacts 51. In order to avoid thermal overloading of the resistors R 1 and Rp and the rectifier 61 at high voltage values between the points A and X, the fuses S 1 and S 2 are provided. If the current Ip reaches a certain value, the fuse S 1 first blows and then the fuse Sp too. The current I in the rotor winding 11 of the transformer 1 becomes zero and thus also, except for the magnetizing current, the current I. The two transistors 56 and 57 block, and the relays 56a and 57a drop out. This state of the two relays in turn signals an earth fault or a defect in the fuses. It could be the case that an earth fault occurs, but then fuse S 2 is defective for mechanical reasons. In order to prevent the earth

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schlussanzeige wieder verschwindet, ist der Widerstand FL so dimensioniert, dass der darin fliessende Strom I2 schon allein genügt, um beide Relais zum Ansprechen zu bringen. Es besteht somit folgender Zusammenhang zwischen dem Zustand der Relais 56a und 57a und der Tatsache eines Erdschlusses sowie dem Zustand der Sicherungen:final display disappears again, the resistor FL is dimensioned in such a way that the current I 2 flowing in it alone is sufficient to make both relays respond. There is therefore the following relationship between the status of relays 56a and 57a and the fact of an earth fault and the status of the fuses:

Relaisrelay 56a56a 57a57a Zustand der Feldwicklung und der
SicherungenState of the field winding and the
Fuses abgefallen
angezogen
abgefallenfallen off
dressed
fallen off angezogen
angezogen
abgefallendressed
dressed
fallen off kein Erdschluss, Sicherungen intakt
·. mit
Erdschluss oime oder/Sicherung defeki
Erdschluss und/oder Sicherungen de
fektno earth fault, fuses intact
·. with
Earth fault oime or / fuse defective
Earth fault and / or fuses de
fect

Beim asynchronen Anlauf von Synchronmotoren und asynchronem Lauf von Motoren und Generatoren werden in der Polradwicklung der Synchronmaschine relativ hohe Spannungen induziert. Tritt während eines solchen Betriebszustandes im Polradkreis ein Erdschluss auf, so hat diese Spannung in den Widerständen Rl* R2 und *m Gleicnr*cnter 6l entsprechende Ströme zur Folge. Die Sicherungen S1 und S2 schützen diese Elemente wiederum vor schädlicher Erwärmung. Die Diode D hat dabei die Aufgabe, die Sperrspannung am Gleichrichter 6l zu begrenzen, bis die Sicherungen den Stromkreis unterbrochen haben.When synchronous motors start up and motors and generators run asynchronously, relatively high voltages are induced in the rotor winding of the synchronous machine. If an earth fault occurs in the pole wheel circuit during such an operating state, this voltage results in corresponding currents in the resistors R l * R 2 and * m equi cnr * cnter 61. The fuses S 1 and S 2 in turn protect these elements from harmful heating. The diode D has the task of limiting the reverse voltage at the rectifier 6l until the fuses have interrupted the circuit.

Die vorgeschlagene Einrichtung weist alle vorteilhaften Eigenschaften auf, wie sie auch in der älteren Patentanmeldung Nr.The proposed device has all the advantageous properties on, as it is also in the earlier patent application no.

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OOO588/75 erwähnt sind: Informationsübertragung mittels Stromschritte auf hohem Leistungsniveau, deshalb weitgehend herabgesetzte Empfindlichkeit gegen Störeinflüsse; Informationsübertragung unabhängig von Drehzahl und, speziell im beschriebenen Fall, keine Beeinflussung durch die Kapazitäten und den Strom der Erregerwicklung; da die Einrichtung nach dem Ruhestromprinzip arbeitet, erfolgt bei ihr eine Selbstüberwachung.OOO588 / 75 mentioned are: Information transmission by means of current steps at a high level of performance, therefore largely reduced Sensitivity to interference; Information transfer independent of speed and, especially in the described Case, no influence by the capacities and the current of the excitation winding; because the device is based on the closed-circuit principle works, she is self-monitoring.

In Fig. 7 oben ist als Beispiel die Schaltung der Relaiskontakte 51 und 52 für die Signalisierung von Erdschlüssen und Sicherungsdefekten mittels Signallampe und eines Hilfsrelais für Fernanzeige angegeben. Besteht kein Erdschluss und sind die Sicherungen intakt, so brennt die Lampe L,, und das Relais a ist erregt.In Fig. 7 above is the circuit of the relay contacts as an example 51 and 52 for signaling earth faults and fuse defects by means of a signal lamp and an auxiliary relay for remote display specified. If there is no earth fault and the fuses are intact, the lamp L is on and the relay a is excited.

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Claims (1)

157/75 Patentansprüche / 1. Einrichtung zur Erdschlussüberwachung des Polradkreises einer schleifringlosen Synchronmaschine, gekennzeichnet durch einen umlaufenden Uebertrager (1), dessen Rotor (11) mit dem Rotor der Synchronmaschine mechanisch gekuppelt ist, durch auf dem Rotor der Synchronmaschine montierte Elemente zur Detektierung von Erdschlüssen, welche Elemente folgende Schaltteile umfassen:157/75 Patent claims / 1. Device for earth fault monitoring of the pole wheel circuit of a slip-ringless synchronous machine, characterized by a rotating transformer (1), the rotor (11) of which is mechanically coupled to the rotor of the synchronous machine, by elements mounted on the rotor of the synchronous machine for detecting Earth faults, which elements include the following switching parts: 1. die Serieschaltung aus einer ersten Sicherung (S-), einem ersten Widerstand (R3) und einer zweiten Sicherung (Sp), die gesamte Serieschaltung parallel zur gleichgerichteten (6l) und einseitig geerdeten Spannung an der Rotorwicklung (11) des Drehübertragers (1)1. the series circuit consisting of a first fuse (S-), a first resistor (R 3 ) and a second fuse (Sp), the entire series circuit parallel to the rectified (6l) and unilaterally earthed voltage on the rotor winding (11) of the rotary transformer ( 1) 2. die zwischen dem Verbindungspunkt der ersten Sicherung (S.) mit dem ersten Widerstand (R,) und einem Ende der Erregerwicklung (E) der Synchronmaschine liegende Serieschaltung aus einem zweiten Widerstand (Rp) und einer Diode (D),2. the one between the connection point of the first fuse (S.) with the first resistor (R,) and a At the end of the field winding (E) of the synchronous machine, a series circuit made up of a second resistor (Rp) and a diode (D), und ferner gekennzeichnet durch ein an die Statorwicklung (6) des Drehübertragers (1) angeschlossenes Steuergerät (33), das die durch den Drehübertrager (1) übertragene Erdschluss-and further characterized by a control device (33) connected to the stator winding (6) of the rotary transmitter (1), that the earth fault transmitted by the rotary joint (1) 709821/0208709821/0208 ORIGINALORIGINAL -ST- 157/75 -ST- 157/75 information auswertet und zur Anzeige bringt und gleichzeitig die zum Betrieb der gesamten Anordnung erforderliche Speisespannung liefert.evaluates information and displays it and at the same time provides the information required to operate the entire arrangement Supply voltage supplies. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen im Stromkreis der Statorwicklung (6) des Drehübertragers (1) liegenden und zum Steuergerät (33) gehörenden dritten Widerstand (58), dessen Spannungsabfall über einen Gleichrichter (60) parallel zwei Verstärkerelemente (56, 57) steuert, in deren Ausgangskreis je ein Signalrelais (56a, 57a) liegt.2. Device according to claim 1, characterized by one in the circuit of the stator winding (6) of the rotary transmitter (1) and the control unit (33) belonging third resistor (58), whose voltage drop across a rectifier (60) controls two amplifier elements (56, 57) in parallel, each of which has a signal relay (56a, 57a). 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verstärkerelemente (56, 57) einstellbare Anspruchschwellen haben.3. Device according to claim 2, characterized in that the two amplifier elements (56, 57) are adjustable thresholds to have. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine solche Anspruchschwellen-Einstellung der Verstärker-Elemente (56, 57), dass bei erdschlussfreiem Polradkreis der Synchronmaschine der Spannungsabfall am dritten Widerstand (58) ausreichend ist, um eines der beiden Verstärkerelemente (57) stromführend zu machen, während das andere Verstärkerelement (56) gesperrt ist, und dass bei einem Erdschluss der Erregerwicklung (E) der Synchronmaschine4. Device according to claim 3, characterized by a such a claim threshold setting of the amplifier elements (56, 57) that with a ground fault-free pole wheel circuit of the synchronous machine, the voltage drop across the third resistor (58) is sufficient to control one of the two amplifier elements (57) to make current, while the other amplifier element (56) is blocked, and that with one Earth fault of the field winding (E) of the synchronous machine 709821/0208709821/0208 ORIGINAL JNSPECTiOORIGINAL JNSPECTiO - aer- 157/75- aer- 157/75 der Strom in der Rotorwicklung (11) des Drehübertragers (1) infolge des zusätzlichen Erdstromes (Ip) durch den zweiten Widerstand (Rp) zunimmt und somit auch der Strom in dem durch an die Statorwicklung (6) des Drehübertragers (1) angeschlossenen dritten Widerstand (58) soweit zunimmt, dass der Spannungsabfall an diesem Widerstand jetzt ausreichend ist, um auch das zweite Verstärkerelement (56) leitend zu steuern.the current in the rotor winding (11) of the rotary transmitter (1) as a result of the additional earth current (Ip) through the second resistor (Rp) increases and thus also the current in the by the third resistor (58) connected to the stator winding (6) of the rotary transmitter (1) increases to such an extent that the voltage drop across this resistor is now sufficient to also make the second amplifier element (56) conductive steer. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1J, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand (Rp) so dimensioniert ist, dass der darin nach Erde fliessende Strom (Ip) schon allein genügt, um beide Verstärkerelemente (56, 57) bzw. die in ihren Ausgangskreisen liegenden Relais (56a, 57a) zum Ansprechen zu bringen.5. Device according to one of claims 1 to 1 J, characterized in that the second resistor (Rp) is dimensioned so that the current (Ip) flowing therein to earth is sufficient on its own to power both amplifier elements (56, 57) or to make the relays (56a, 57a) located in their output circuits respond. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge-. kennzeichnet, dass die erdschlussdetektierenden Elemente (S1, S2, R-, Rp, 61, D) auf der Tragkonstruktion der Gleichrichterbrücke (GB) der Synchronmaschine montiert sind.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that. indicates that the earth fault detection elements (S 1 , S 2 , R-, Rp, 61, D) are mounted on the supporting structure of the rectifier bridge (GB) of the synchronous machine. BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.BBC Public Company Brown, Boveri & Cie. 70 9821/020870 9821/0208
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