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Schutzeinrichtung für eine bürstenlose Synchronmaschine
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(Zusatz zur Patentanmeldung P 26 22 309.6-32 - VPA 76 P 3091 BRD)
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für eine bürstenlose Synchronmaschine
gegen Überspannungen an der Erregerwicklung, die an einen rotierenden Erregergleichrichter
angeschlossen ist, der aus einer Erregermaschine gespeist ist, wobei die Erregerwicklung
bei Auftreten von Überspannungen mittels eines kontaktlosen Schaltelements kurzschließbar
ist, wobei ein SpannungsverglPichsglied vorgesehen ist, dem am einen Eingang eine
der Primärspannung der Erregermaschine über eine erste Proportionalitätskonstante
proportionale erste Eingangsspannung und dem am anderen Eingang eine dem Primärstrom
der Erregermaschine über eine zweite Proportionalitätskonstante proportionale zweite
Eingangsspannung vorgegeben ist, wobei die beiden Proportionalitätskonstanten so
gewählt sind, daß die zweite Eingangs spannung im Normalbetrieb der Synchronmaschine
betragsmäßig unter und bei kurzgeschlossener Erregerwicklung betragsmäßig über der
ersten Eingangsspannung liegt, und wobei am Ausgang des Spannungsvergleichsgliedes
ein Meldesignal abgegriffen ist, nach Patent ... (Patentanmeldung P 26 22 309.6-32).
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Der Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 26 22 309.6-32 geht von
einer Schutzeinrichtung aus, bei der ein Auftreten
Von Uberspannungen
im rotierenden Teil der Synchronmaschine automatisch erfaßt und dadurch ein Kurzschluß
an der Erregerwicklung automatisch ausgelöst wird. Bei dieser Schutzeinrichtung
wird ein Meldesignal, das eine Überspannung oder den EursschluB anzeigt, außerhalb
des rotierenden Teils der Synchronmaschine zur Verfügung gestellt. Ein solches Meldesignal
ist erwünscht, wenn infolge der Störung Schaithandlungen eingeleitet werden sollen,
z.B. wenn ein Abschalten des Ankerstroms der Synchronmaschine oder ein Abschalten
des Primärstroms der Erregermaschine bewirkt werden soll. Ein solches Meldesignal
ist aber auch dann erwünscht wenn die Störung optisch oder akustisch angezeigt werden
soll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Schutzeinrichtung
so auszubilden, daß außerhalb des rotierenden Teils der Synchronmaschine beim Durchlegieren
eines oder mehrerer der Ventile des Erregergleichrichters ein entsprechendes Meldesignal
zur VerfUgung steht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schutzeinrichtung
zur Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion des Erregergleichrichters vorgesehen
ist, wobei ein kontaktloses Schaltelement zum Kurzschließen der Erregerwicklung
bei Auftreten von Überspannungen entbehrlich ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die in der
älteren Anmeldung P 26 22 309.6-32 beschriebene Schutzeinrichtung auch zur Feststellung
des Durchlegierens eines oder mehrerer der im Läufer vorhandenen, i.a. ungesteuerten
Ventile (Dioden) des Erregergleichrichters herangezogen werden kann, ohne daß zusätzliche
Maßnahmen konstruktiver oder elektriether Art getroffen werden mEssen. Die für die
Feststellung erforderlichen elektrischen Größen stehen mit der Messung von Priuärweobselstrom
und Primärwechselapannung sowie nach der angegebenen Yerknllpfung mit den beiden
Proportionalitätskontasten bereits zur Verfügung, so daß das besagte Meßsignal
entweder
eine Aussage über das Durchlegieren oder das Ansprechen des uberspannungsschutzes
beinhaltet. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ist also nicht nur zur Feststellung
des Ansprechens des im Läufer eingebauten Uberspannungsschutzes, sondern auch zur
Feststellung des Durchlegierens eines Ventils im Erregerkreis geeignet.-Sie kann
insbesondere auch bei einer Synchronmaschine eingesetzt werden, die nicht mit einem
Überspannungsschutz für die Erregerwicklung oder den Erregergleichrichter ausgerüstet
ist.
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Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann mit besonderem Vorteil
bei einem bürstenlosen Stromrichtermotor eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von
zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung
für eine bürstenlose Synchronmaschine, bei der ein Meldesignal beim Durchlegieren
eines Ventils des Erregergleichrichters abgegeben wird, und Figur 2 ein Spannungs-Strom-Diagramm
für Normalbetrieb sowie für gestörten Betrieb bei einem durchlegierten Ventil.
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Nach Figur 1 ist ein Umrichter 2 eingangsseitig an ein Drehstromnetz
mit den Phasenleitern R, S, T angeschlossen. Die Zündimpulse für den Umrichter 2
liefert ein Steuersatz 3 nach Maßgabe eines Steuersignals q. An den Ausgang des
Umrichters 2 ist die Ständerwicklung 4 einer bürstenlosen Synchronmaschine 5 angeschlossen.
Die Erregerwicklung der Synchronmaschine 5 ist mit 6 bezeichnet.
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Die Erregerwicklung 6 ist über einen Erregergleichrichter 7 mit ungesteuerten
Ventilen 8 in Drehstrom-BrUckenschaltung an die dreiphasige Sekundärwicklung 9 einer
Asynchron-Erregermaschine 10 angeschlossen. Die einphasige oder wie hier dreiphasige
Primärwicklung 11 der Asynchron-Erregermaschine 10 wird
Ueber ein
Stellglied 12 aus einem Drehstromnetz mit den Phasenleitern U, V, W gespeist. Als
Stellglied 12 kann insbesondere ein Drehstromsteller vorgesehen sein, der mit Thyristoren
ausgerUstet ist. Das Stellglied 12 wird durch ein Steuergerät 13 mit Steuerimpulsen
versorgt. Das Steuergerät 13 wird seinerseits von einem Steuersignal p beaufschlagt.
Dieses Steuersignal p kann von einem (nicht gezeigten) Stromregler geliefert werden,
dessen Vergleicher ein Strom-Istwert und ein Strom-Sollwert vorgegeben sind. Ein
solcher Stromregelkreis kann zweckMäßigerweise zur Regelung des Primärstroms I1
der Erregermaschine 10 vorgesehen sein.
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Zum rotierenden Teil 15 der Synchronmaschine 5 kann außer den Bauelementen
6 bis 9 auch eine Schutzeinrichtung gegen Überspannungen an der Erregerwicklung
6 gehören. Diese Schutzeinrichtung umfaßt ein steuerbares kontaktloses Schaltelement
16, das parallel zur Erregerwicklung 6 angeordnet ist, und eine SpannungsUberwachungsschaltung
17. Als Schaltelement 16 kann insbesondere ein Thyristor oder eine Reihenschaltung
von Thyristoren herangezogen werden. Die SpannungsUberwachungsschaltung 17 gibt
dann, wenn die Spannung an der Erregerwicklung 6 einen fest eingestellten Wert Uberschritten
hat, automatisch einen Schaltbefehl an das Schaltelement 16, wodurch das Schaltelement
16 geschlossen und der Erregergleichrichter 7 kurzgeschlossen wird. Die Spannupgsüberwachungsschaltung
17 ist in Ublicher Weise ausgebildet, z.B. nach der deutschen Auslegeschrift 1 563
329. Sie kann insbesondere Zenerdioden oder andere spannungsempfindliche Bauelemente
enthalten. Bei Auftreten einer Überspannung an der Erregerwicklung 6 wird somit
die Erregerwicklung 6 mittels des kontaktlosen Schaltelements 16 kurzgeschlossen,
so daß ihr vom Erregergleichrichter 7 kein Erregerstrom mehr zugeführt werden kann.
Infolgedessen kann die Synchronmaschine 5 kein Drehmoment mehr abgeben. Sie wird
stillgesetzt .- Eine solche Schutzeinrichtung ist für die Funktion der im folgenden
beschriebenen Schutzeinrichtung für den Fall des Durchlegierens entbehrlich.
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Weiter ist eine Schutzeinrichtung vorhanden, die so ausgebildet ist,
daß beim Durchlegieren eines Ventils 8 des Erregergleichrichters 7 außerhalb des
rotierenden Teils 15 der Synchronmaschine 5 ein entsprechendes Meldesignal z zur
Verfügung steht.
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Dazu ist ein Spannungsvergleichsglied 20 vorgesehen, das die an seinem
ersten Eingang liegende erste Eingangsspannung kU1 mit der am zweiten Eingang liegenden
zweiten Eingangsspannung cI1 betragsmäßig vergleicht. Das Meldesignal z zeigt an,
welche der beiden Eingangsspannungen kU1, cI1 die größere ist.
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Die erste Eingangsspannung kU1 ist proportional zur Primärwechsel
spannung U1 der Erregermaschine 10. Die Proportionalitätskonstante ist mit k bezeichnet.
Die zweite Eingangsspannung cI1 ist dem Primärwechselstrom I1 der Erregermaschine
10 proportional. Die zweite Proportionalitätskonstante ist mit c bezeichnet.
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Die beiden Proportionalitätskonstanten k und c sind so gewählt und
aufeinander abgestimmt, daß die zweite Eingangsspannung cI1 im ungestörten Normalbetrieb
der Synchronmaschine 5 betragsmäßig unter und bei mindestens einem durchlegierten
Ventil 8 betragsmäßig über der eraten Eingangsspannung kU1 liegt. Das wird später
noch anhand von Figur 2 verdeutlicht werden.
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Zur Bildung der ersten Eingangsspannung kU1 ist nach Figur 1 eine
Meßeinrichtung vorgesehen. Diese umfaßt einen Transformator 21, dessen Primärwicklung
zwischen zwei Zuleitungen zur Primärwicklung 11 der Erregermaschine 10 geschaltet
ist. An der Primärwicklung des Transformators 21 liegt somit die Primärwechselspannung
U1. Die Sekundärwicklung des Transformators 21 ist an einen ersten Gleichrichter
22 angeschlossen. Dieser besteht aus vier Dioden in Brückenschaltung. An seinem
Ausgang, an dem als Bürde ein Lastwiderstand 23 und ein Glättungskondensator 28
liegen, wird die erste Eingangsspannung kU1 des Spannungsvergleichsgliedes 20 abgegriffen.
Das Untersetzungsverhältnis des Transformators 21 bestimmt neben den Spannungsabfällen
die Größe der ersten Proportionalitätskonstanten k. Bei Verwendung eines üblichen
Halbleiter-Operationsverstärkers im Span-
nungavergleichsglied 20
wird das Untersetzungsverhältnis insbesondere so gewählt, daß die erste Eingangsspannung
kU1 maximal einen Wert von 15V annehmen kann.
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Abweichend von der Darstellung in Figur 1 kann auch so vorgeganges
werden, daß als erste Eingangsspannung kU1 des Spannungsvergleichsgliedes 20 das
Steuersignal p des Stellgliedes 12 verwendet wird. Dadurch lassen sich die Bauelemente
21, 22 und 23 einsparen.
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Zur Bildung der zweiten Eingangs spannung cI1 des Spannungsvergleichsgliedes
20 ist ebenfalls eine Meßeinrichtung vorgesehen.
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Diese umfaßt einen Stromwandler 24, der in einer Zuleitung zur Primärwicklung
11 angeordnet ist, und einen ihm nachgeschalteten zweiten Gleichrichter 25. Am Ausgang
des zweiten Gleichrichters 25, an dem ein Glättungskondensator 29 und als Bürde
ein Lastwiderstand 26 angeschlossen sind, wird die zweite Eingangsspannung cI1 abgegriffen.
Die Proportionalitätskonstante c wird im wesentlichen durch die Wahl der Windungszahl
des Stromwandlers 24 festgelegt.
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Abweichend von der Darstellung in Figur 1 kann bei dreiphasiger Primärwicklung
die Meßeinrichtung zur Ermittlung der zweiten Gingangsspannung cI1 auch drei Stromwandler
umfassen, von denen Je einer in einer Zuleitung zur Primärwicklung 11 der Erregermaschine
10 angeordnet ist. Diesen Stromwandlern, die sekundärseitig in Stern geschaltet
werden, ist ein Gleichrichter mit Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung nachgeschaltet,
dessen Ausgang an einen Lastwiderstand angeschlossen ist.
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Abweichend von der Darstellung in Figur 1 kann weiterhin - sofern
ein Stromregelkreis für den Primärstrom I1 an der Primärwicklung 11 vorgesehen ist
- so vorgegangen werden, daß als zweite Eingangsspannung cIr der Strom-Sollwert
oder der Strom-Istwert dieses dann ohnehin vorhandenen Stromregelkreises verwendet
wird.
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Zur Erläuterung der Festlegung der Proportionalitätskonstanten k und
c und der Funktion der Schutzeinrichtung wird im folgenden die Figur 2 betrachtet.
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In Figur 2 sind als durchgezogene Geraden vier Kennlinien der Erregermaschine
10 dargestellt. Die beiden oberen Kennlinien beziehen sich auf den ungestörten Normalbetrieb
I, und zwar bei den Drehzahlen n = 0 und n = nn, wobei nn die Nenndrehzahl bedeutet.
Zwischendrehzahlen entsprechen (nicht gezeigten) Geraden zwischen den beiden Grenz-Kennlinien.
Die beiden unteren durchgezogenen Kennlinien beziehen sich auf den gestörten Betrieb
II, wenn mindestens ein Ventil 8 durchlegiert ist, d.h.
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seine Sperrfähigkeit verloren hat. Es ist jeweils die Abhängigkeit
der Primärwechseispannung U1 von dem Primärwechselstrom I1 dargestellt, wobei die
Primärwechselspannung U1 noch mit der Proportionalitätskonstante kl 1 multipliziert
ist. Aus Figur 2 ist zu entnehmen, daß zwischen den Kennlinien im Normalbetrieb
I und den Kennlinien für den gestörten Betrieb II ein größerer Abstand klafft. In
diesem Zwischenbereich muß - durch geeignete Wahl der Proportionalitätskonstanten
k und c - die gestrichelt eingezeichnete Schutzkennlinie U5 = cI1 liegen.
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Aus einer Betrachtung der beiden oberen und der beiden unteren Kennlinien
ergibt sich, daß die Eingangsimpedanz der Erregermaschine 10 bei durchlegiertem
Ventil 8 (gestörter Betrieb II), wenn die Schutzeinrichtung angesprochen hat, wesentlich
kleiner ist als im Normalbetrieb I. Bei Durchlegieren eines Ventils 8 kann ein sehr
hoher Kurzschlußstrom auf dem Wege von einer sekundärseitigen Teilwicklung über
das defekte Ventil 8 in dessen Sperrichtung, über ein benachbartes Ventil 8 und
eine weitere sekundärseitige Teilwicklung fließen. Dieser Kurzschlußstrom kann zur
Zerstörung des besagten benachbarten Ventils und/oder einer Teilwicklung führen.
Ein solcher Kurzschlußstrom fahrt dazu, daß entweder bei konstant gehaltener Primärwechselspannung
U1 der Primärwechselatrom I1 ansteigt oder bei konstant gehaltenem Primärwechselstrom
I1 die Primärwechselspannung U1 absinkt. Somit liefern die Primärwechselapannung
U1
und der Primärwechselstrom I1 eine eindeutige Aussage dar-Uber, ob Normalbetrieb
I oder gestörter Betrieb II vorliegt.
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Wird im Ubrigen die Synchronmaschine 5 vom Stellglied 12 her mit Hilfe
eines Stromregelkreises mit konstantem Erregerstrom betrieben (dann ist auch der
Primärstrom I1 etwa konstant), liefert allein schon die Primärwechselspannung Ui
ein eindeutiges Kriterium dafUr, ob die Schutzeinrichtung auf Durchlegieren angesprochen
hat oder nicht. Dies ist jedoch nicht mehr der Fall, wenn der Primärwechselstrom
I1 innerhalb eines grö-Seren Bereiches verändert wird, z.B. in Abhängigkeit von
der Belastung. Hierbei können sich dann die Spannungsbereiche für ungestörten Normalbetrieb
I und gestörten Betrieb II überlappen. Aus diesem Grunde ist es notwendig, bei der
Schutzeinrichtung nicht nur die Primärwechselspannung U1, sondern auch den Primärweohselstrom
I1 zu verwerten.
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Es eoll noch einmal hervorgehoben werden, daß die Schutzkennlinie
U5 = c11 durch Wahl der beiden Proportionalitätskonstanten k und c so einzustellen
ist, daß sie zwischen den Kennlinien kU1 = f(11) für ungestörten Normalbetrieb I
und gestörten Betrieb II verläuft. Die Einstellung kann durch Wahl geeigneter Untersetzungsverhältnisse,
Vorwiderstände, Windungszahlen o.ä. elektrisch oder mechanisch erfolgen.
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Das Spannungsvergleichsglied 20 kann beispielsweise so aufgebaut sein,
daß es ein Meldesignal z = 1 liefert, wenn kU1 >c11 ist, wenn Normalbetrieb I
vorliegt, und daß es ein Meldesignal s = 0 abgibt, wenn kU1<c11 ist.
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1 Patentanspruch 2 Figuren