DE2737541A1

DE2737541A1 - Dynamoelektrische maschine mit einrichtungen zum schnellen erregungsabbau und verfahren zum schnellen erregungsabbau bei buerstenlosen erregermaschinen

Info

Publication number: DE2737541A1
Application number: DE19772737541
Authority: DE
Inventors: Dale I Gorden
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-08-20
Filing date: 1977-08-19
Publication date: 1978-02-23
Also published as: SE7709386L; JPS5325814A; SE427977B; FR2362519A1; US4152636A; FR2362519B1; BE857995A; IT1192190B; CA1097738A; MX4205E; CH620799A5; ES461765A1; GB1591330A; JPS5895200U; JPS5894903U

Description

Dynamoelektrische Maschine mit Einrichtungen zum schnellen Frregungsabbau und Verfahren zum schnellen Erregungsabbau bei liürstenlosen Frregermaschinen

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Synchronmaschine mit einer Statorankerwicklung und einer Rotorhauptfeldwicklung, einer Wechselstrom-Erregermaschine, deren Stator eine Feldwicklung und deren Rotor eine Mchrphasenankerwicklung trägt, und mit einer Gleichrichteranordnung in Brückenschaltung, die von der Mehrphasenankerwicklung mit einem Erregerwechselstrom beaufschlagt wird und einen Erregergleichstrom an die Rotorhauptfeldwicklung abgibt, und insbe sondere betrifft die Erfindung Einrichtungen und ein Verfahren zum schnellen Erregungsabbau bei einem bürstenlosen Erregersystem für Synchronmaschinen.

Bürstenlose Erregersysteme sind weit verbreitet für die Gleichstromversorgung zur Felderregung von dynamoelektrischen Synchronmaschinen,

Fs/mü

insbesondere

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ORIGINAL INSPECTED

insbesondere großen Wechselstromgeneratoren. Derartige bürstenlose Erregersysteme umfassen eine Wechselstrom-Erregermaschine mit einer stationären Feldanordnung und einem rotierenden Anker. Auf der Welle zusammen mit dem rotierenden Anker ist eine Gleichrichteranordnung vorgesehen, die mit diesem umläuft und den Erregergleichstrom liefert. Ausganges eitig ist die Gleichrichteranordnung an die Rotorhauptfeldwicklung des Generators angeschlossen, die sich ebenfalls mit dem Rotor der Erregermaschine und der Gleichrichteranordnung dreht. Auf diese Weise kann für das Erregersystem auf Gleitkontakte verzichtet werden.

Bei herkömmlichen Anordnungen unifaßt der Haupterreger bzw. die Wechselstroni-Erregcrmasc-hine für den Synchrongenerator einen Wechselstromgenerator, (Ii¹H-SLLi Anker auf derselben Welle wie die Rotorhauptfeld wicklung der Synchronmaschine angeordnet ist und eine Statorfeldwicklung hat, dir mit Gleichstrom errri.it wird, so daß durch das damit verbundene Magnetfeld eine Spannung in dem im.laufenden Anker der Erregermaschine induziert wird. Die Oleuhritromveiv-jorgung für die Erregermaschine wird von einer Piloterregermaschino geliefert, die einen Permanentmagneten als Rotor hat und von der Antriebsmaschine des Generators mit angetrieben wird, so daß in einer Ringankerwicklung die für die Erregung der Haupterregermaschine notwendige Erregungsenergie anfällt. Dor stationären Ringankerwicklung ist eine Gleichrichterschaltung nachgeordnet, die aus dem erhaltenen Wechselstromsignal ein Gleichstromsignal zur Erregung der Haupterregermaschine über deren Statorfeldwicklung ableitet.

Durch die Verwendung umlaufender Gleichrichteranordnungen wurde sowohl der Wirkungsgrad als auch die Zuverlässigkeit verbessert, was sich in einem geringeren Wartungsbedarf sowie in einem geringeren Verschleiß ausdrückt, der üblicherweise an den Schleifringen, den Schleifbürsten und

den

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den Kommutatoren auftritt. Derartige bürstenlose Erregersysteme sind bekannt (US-PS 3 549 919, 3 705 331). Dabei werden für jede Wechselstromphase Halbleiterdioden in Parallelschaltung zur Gleichrichtung benutzt, wobei die Dioden einzeln über in Serie geschaltete Sicherungen geschützt sind, damit ein Kurzschluß in den Dioden nicht zu einem Kurzschluß zwischen der Erregerankerwicklung und der Rotorhauptfeldwickliing des Generators führt. Es ist auch bereits bekannt (US-PS 3 341 328, 3 G71 850), steuerbare Gleichrichter wie z. D. Thyristoren anstelle herkömmlicher Dioden für die Gleichrichteranordnung des bürstenlosen Erregersystems zu verwenden. Thyristoren haben sich besonders für die umlautende Gleichriehteranordnung als geeignet erwiesen, da sie verhältnismäßig unempfindlich gegen Schwingungen und extreme Teniporaturänderungen sowie Beschleunigungskräfte sind. Ferner läßt sich mit derartigen steuerbaren Gleichrichtern eine verhältnismäßig feinfühlige Regelung tor Erregung erzielen, so daß ein extrtMi. großer Uoreich dos Erregerstromes sowohl fin· ck-n IU I rieb bei einer forcierten Erregung al« auch bei einem Betrieb mit Gogenerreimng zur Vt■» Γ·ι-gung steht, was auch als Betrieb mit schnellem Erregungsabbau bekannt ist.

Bei herkömmlichen Erregeranordnungen ist es unter Verwendung von Thyristoren üblich, die Steuerung der Erregung so auszulegen, daß die Ankerwicklung des Frregers kontinuierlich in der Nähe der nominalen Spitzenspannung arbeitet, wobei die Spitzenspannung durch die maximale Nennspannung der sich drehenden Gleichrichteranordnung bestimmt wird. Um die Erregung zu ändern, werden die Zündsignale für die Thyristoren bzw. steuerbaren Gleichrichter nur während der positiven Teile der mehrphasigen Ankerwechselspannungen angelegt, um dadurch die Erregung der Rotorhauptfeldwicklung des Generators zu steuern. Dieses bürstentose Erregersystem hat für bestimmte Anwendungs fälle zweifelsohne Vorteile, jedoch ergeben sich ernsthafte Probleme, die sich aus der diesem System

eigenen

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eigenen Betriebsweise ableiten. Da z. B. die steuerbaren Gleichrichter oder Thyristoren kontinuierlich in der Nähe der nominalen Spitzenspannung betrieben werden, müssen sie zur Erregungssteuerung nit verminderter Nennleistung arbeiten. Die Größe des Erregers muß also auf einen kontinuierlichen Betrieb bei der normalen Spitzenspannung ausgelegt werden, was auch eine größere Leiterdimensionierung mit sich bringt. Es ist auch mit einer größeren Leistung des Kühlsyslems zu rechnen, um dieses an die Temperaturverhältnisse aufgrund vergrößerter mechanischer und elektrischer Verluste anzupassen. Steuerbare Gleichrichter ermöglichen eine bessere Regelung der Erregung, verglichen mit herkömmlichen Dioden. Jedoch werden derartige steuerbare Gleichrichter, wie bereits bekannt, bei einer verhältnismäßig hohen Spitzenspannung geschaltet, was hohe Nennleistungen erfordert. Auch sind zusätzliche Komponenten notwendig, um einen schnellen Erregungsabbau mäglich zu machen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, die bei der Verwendung von steuerbaren Gleichrichtern im bürstenlosen Erregersystem einen schnellen Erregungsabbau mit einfachen Mitteln möglich machen.

Diese Aufgabe wird für eine dynamoelektrische Synchronmaschine der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gleichrichteranordnung aus einer Vielzahl von steuerbaren Gleichrichtern besteht, die im eingeschalteten Zustand den gleichgerichteten Erregerstrom zur Rotorhauptfeldwicklung übertragen, daß Regeleinrichtungen ein Regelsignal in Abhängigkeit von bestimmten Lastbedingungen der Synchronmaschine liefern, daß Steuereinrichtungen in Abhängigkeit von bestimmten Funktionen des Regelsignals die steuerbaren Gleichrichter derart ansteuern, daß die Gleichrichter einerseits während der Startphase, dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung im voll leitenden Zustand bleiben, wobei die Gleichrichter nur während der positiven Halbwelle der Erreger-

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Wechselspannungen leitend gemacht werden, und daß andererseits die Gleichrichter beim Auftreten von vorgegebenen i'berlastbedingungen im leitenden Zustand gehalten werden, wobei die Gleichrichter nur während der negativen Halbwelle der Erregerspannungen leitend gemacht werden, um einen schnellen Erregungsabbau zu bewirken.

Ferner sieht die Erfindung zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren vor, das für die Rotorhauptfeldwicklung einer dynamoelektrischen Synchronmaschine, wobei ein mehrphasiger in der sich drehenden Rotorankerwicklung einer· Wechselstrom-Erregermaschine induzierte Wechselstrom durch eine Vielzahl in einer Brückenschaltung angeordneten steuerbaren Gleichrichtern gleichgerichtet wird,vorsieht, daß diesteuerbaren Gleichrichter derart angesteuert werden, daß sie den Erregerstrom von der Dreiiihasenwicklung zur Rotorhauptfeldwicklung übertragen, wobei die Gleichrichter einerseits während der Startphase dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung im wesentlichen im voll leitenden Zustand während der positiven Halbwelle der Erregerwechselspannungenvon den entsprechenden Phasenwicklungen gehalten werden, und daß die steuerbaren Gleichrichter andererseits beim Auftreten von vorgegebenen Überlastbedingungen in einen leitenden Zustand gesteuert werden, wobei die Gleichrichter nur während der negativen Halbwelle der Erregerspannungen leitend gemacht werden, um einen schnellen Erregungsabbau für die Rotorhauptfeldwicklung der Synchronmaschine zu bewirken.

Durch die Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise er reicht, daß die Mehrphasenwicklung des Ankers der Erregermaschine auf einem Spannungsniveau arbeitet, das der ausgangsseitigen Nennspannung entspricht und wesentlich unter der nominalen Spitzenspannung der Erregermaschine liegt. Die Steuerelektroden der steuerbaren Gleichrichter bzw. Thyristoren werden nur bei verhältnismäßig niederen

Spannungs-

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Spannungspunkten bzw. verhältnismäßig niederen Spannungswerten der negativen Halbwelle der Erregerwechselspannungen gezündet, um einen schnellen Erregungsabbau zu bewirken und werden im voll leitenden Betrieb während der positiven Halbwelle der Erregerspannungen gehalten. Auf diese Weise können steuerbare Gleichrichter mit einer geringei'en Nennleistung Verwendung finden und ferner kann auf zusätzliche Komponenten für den schnellen Erregungsabbau im wesentlichen verziehtet werden.

Mit den steuerbaren Gleichrichtern sind Steuereinrichtungen verbunden, die auf bestimmte Funktionen der Lastbedingungen der Synchronmaschine ansprechen und durch entspi echende Steuerung der Gleichrichter beim Nennlastbetrieb und beim Betrieb mit einer forcierten Erregung, wenn ein i'berlastbetrieb auftritt, für eine normale Erregung sorgen, wogegen ein schneller Erreiiimgsabbau bewirkt wird, wenn ernsthafte Fehler auftreten. Die steuerbaren Gleichrichter werden in einem voll leitenden Zustand behalten, wobei die Gleiehrichterelemente nur während der positiven Halbwolle der fcirreger^pannung, während der Startpha.se dem Xennlaslbetrieb und boitn ljl>er-iWnnlastbotrieb bei einer forcierten leitend gemacht werden.

Die steuerbaren Gleichrichter werden in einem leitenden Zustand gehalten, wobei die Gleichrichterelemente nur während der negativen Halbwelle der Erregorwr.chselspannung leitend gemacht werden, wenn beim Auftreten bestimmter Überlastbedingungen ein schneller Erregungsabbau erzielt werden soll. Durch die Zündung der Gleichrichter nur während tier negativen Halbwelle der Erregerwechselspannung wird die Polarität der an die Rotorhauptfeldwicklung angelegten Erregergleichspannung umgekehrt, womit der schnelle Erregungsabbau ausgelöst wird. Dieser Erregungsabbau erfolgt in einer wesentlich kürzeren Zeit, verglichen mit dem konventionell üblichen Kurzschließen der Rotorhaupt -

feld

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feldwicklung bei derartigen Überlastbedingungen. Durch den Betrieb der Erregerankerwicklung bei einem Spannungsniveau, das der ausgangsseiligen Nennspannung entspricht im Gegensatz zu einem Niveau in der Nähe der nominalen Spitzenspannung, sind die Leistungsanforderungen an die Thyristoren geringer und ferner kann die Größe der Erregermaschine reduziert werden, was entsprechend zu einer Verringerung des Kupferanteils und damit zu einer erheblichen Kostenverringerung führt. Da ferner die Thyristoren sowohl während der positiven Halbwelle als auch während der negativen Halbwolle mit forcierter Erregung, welche vorn Magnetfeld der Piloterregermaschine stammt, voll leitend betrieben werden, ergibt sich kein verminderter Leistungsbetrieb für die Erregungssteuerung, wie dies bei herkömmlichen Systemen der Fall ist, die nah der nominalen Spitzenspannung arbeiten. Somit läßt sich auch die Nennleistung der Thyristoren verringern.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sieh auch a us der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiol.es in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen: Fig. I das Prinzipschaltbild eines Synchrongenerators mit

einem bürstenlosen Erregersystem;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Gleichstronisättigungs-

kurve für die Haupterregung des Synchrongenerators gemäß Fig. I, aus der die Zone der Basiserregung und der Übererregung hervorgeht.

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Wechselspannungs-

schwingung, wie sie durch die Mehrphasenankerwicklung des Erregers geliefert wird.

Fig. 4

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Fig. 4 eine graphische Darstellung des Bereichs der

Übererregung und des Bereichs des schnellen Erregungsabbaus der gesteuerten Gleichrichter gemäß Fig.l;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Wirkungsweise

der steuerbaren Gleichrichteranordnung gemäß Fig. 1 im voll ausgesteuerten Betrieb;

Fig. G eine graphische Darstellung der Wirkungsweise einer

bekannten Gleichrichteranordnung, gemäß welcher diese mit vermirri erter Nennleistung zur Erregungssteuerung betrieben werden;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Wirkungsweise der Gleichrichteranordnung im Synchrongenerator gemäß Fig. 1 im Betrieb für einen schnellen Erregungsabbau;

Fig. 8 eine graphische Darstellung für den Abfall des Statorstromes in der Statorankerwicklung gemäß Fig. 1 während des schnellen Erregungsabbaus.

In Fig. 1 ist eine dynamoelektrische Synchronmaschine 10 dargestellt in Form eines turbinengetriebenen Synchrongenerators, der über ein bürstenloses Frregersystem 12 erregt wird und eine Wechselstrom Erregermaschine 14 sowie eine rotierende Gleichrichteranordnung 16 umfaßt, welche auf einer gemeinsamen Welle mit einer Antriebsmaschine 20 angeordnet ist. Die Wechselstrom-Erregermaschine 14 hat eine Statorfeldwicklung 22 und eine Rotorankerwicklung 24, die als Dreiphasenwicklung aufgebaut und in Schlitzen des Kernes 25 auf der Welle 18 eingelegt ist und sich daher mit der Rotorhauptfeldwicklung

der Synchron -

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der Synchronmaschine 10 dreht. Die Dreiphasenwicklung 25 ist mit der rotierenden Gleichrichteranordnung 16 verbunden, die seinerseits aus einer Vielzahl von steuei*baren Gleichrichtern und Sicherungen 30 besteht, die in herkömmlicher Weise in Brückenschaltung ange-

ordi.cit sind, um einen Gleichstrom für die Erregung der Rotorhauptfeldwicklung 26 zu liefern. Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform die Gleichrichteranordnung mit der Rotorhauptfeldvvicklung umläuft, können die Gleichrichter 28 und die Sicherungen 30 auch stationär angeordnet sein. In einem solchen Fall wird dann der von der Dreiphasenwicklung 25 gelieferte Strom über Schleifringe oder andere Schleifkontakte angelegt. Entsprechend kann dann der von den Gleichrichtern aljücyebene Strom an die Rotorhauptfeldwicklung 2(5 über Schleifkontakte /.uueführt werden. Dieser durch die Rotorhauptfelduiekluug fließende Frregergleichstrom erzeugt ein magnetisches Feld, <!ίη einen Induktions .strom innerhalb der S'atorankerwicklung 32 des Stators ^O erzeugt, wenn das Erreger.sysiem von der Antriebsmaschine 'IU in Drehung versel zt wird.

Die Felderregung für die Wechselstrom-Erregermasrhine 14 liefert eine Piloterregermaschine 34 mit einem Permanentmagnetfeld 36, die ebenfalls mechanisch mit der Welle 18 der Antriebsmaschine 20 verbunden ist. Durch die Drehung der Welle 18 dreht sich das Permanentmagnetfeld innerhalb einer Ringankerwicklung 38, in der das Permanentmagnetfeld in herkömmlicher Weise einen Wechselstrom induziert. Die Ausgangsklemmen der Ringankerwicklung 38 der Pilot erreger maschine sind mit einem Regler 40 verbunden, der den mehrphasigen Erregerwechselstrom von der Ringankerwicklung in einen Erregergleichstrom umwandelt, der an die Statorfeldwicklung 22 angelegt wird. Der Regler 40 kann von herkömmlicher Bauart sein und hängt von einem Spannungssignal 42 eines Spannungstransformators 48 und von einem Stromsignal 44 eines Stromtransformators 46 ab, die beide mit

der

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der Statorankerwicklung 32 verbunden sind.

Der Regler 40 erzeugt ferner ein Regelsignal 50, das grundsätzlich proportional einer bestimmten Ausgangsleistung des Synchrongenerators ist. Dieses Regelsignal 50 kann eine beliebige Funktion der Spannung und des Stromes in der Statorankerwicklung 32 sein, jedoch besteht das Regelsignal 50 aus zwei Komponenten, wovon die erste Komponente dein Betrieb des Synchrongenerators 10 während der Anlaufphase, bei Nennlastbedingungen oder sich ändernden Lastbedingungen während eines Betriebs mit Übererregung entspricht. Bei irgendeiner dieser Betriebsbedingungen veranlaßt das Regelsignal 50 eine Torsteuerstufe 55, aufeinanderfolgende Paare der steuerbaren Gleichrichter 28 über ihre Steuerelektrode zu zünden, womit die Gleichrichteranordnung in den voll leitenden /.!!.stand gesteuert wird, wobei jedoch die steuerbaren Gleichrichter 28 nur \> ährend der positiven Halbwelle der von der Dreiphasenwicklung 25 aus anliegenden Wechselspannung leitend gemacht werden. Im voll eingeschalteten Hi trieb während der positiven Halbwelle arbeiten die Gleichrichter 21) wie liiM-ki)nmili(-he nicht steuerbare Gleichrichter. Die Wirkungsweise der Wt-chselstrom-Erregermaschine 14 in Verbindung mit der Gleichrichteranordnung 16 wird unter diesen Bedingungen in den Fig. 3 und 5 dargestellt. In Fig. 3 sind die drei gegeneinander verschobenen Phasen der an die Gleichrichteranordnung angelegten Erregerspannung gezeigt. In Fig. 5 ist mit 0 der Kommutationswinkel, d.h. die Zeitdauer dargestellt, welche zur Umschaltung von einer auf die andere Phase erforderlich ist. Dieser Kommutationswinkel ist für den Betrieb steuerbarer Gleichrichter eigentümlich und darf nicht mit der fremdgesteuerten Kommutation verwechselt werden, wenn die Leitfähigkeit durch eine größere Zeitdauer verzögert wird, um, wie im Stand der Technik, die Erregung zu steuern.

Die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Schwingungsformen der Gleichrichteranordnung 16 sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Gemäß Fig. 3 be

steht

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-yf-

steht die an die Gleichrichter angelegte Spannung aus drei in der Regel symmetrisch sinusförmigen Spannungsschwingiingen, die gegeneinander phasenverschoben sind, mit einem beliebigen positiven und negativen Amplitudenwert E . Aus Fig. 4 kann man entnehmen, daß die forcierte Erregung über die Gleichrichteranordming 16 in einem weiten Bereich des positiven Ausgangsstromes und dcv Ausgangsspannung mit einem maximalen Wert K variiert undvvelcherin der Hegel der Amplitude der Fingangsspannung an der Gleichrichteranordnung 16 entspricht. Für den schnellen Erregungsabbau hat der Bereich grundsätzlich dieselben Grenzwerte, jedoch ist die Polarität der von der Gleichrichteranordnung abgegebenen Ausgangsspannung umgekehrt.

In Fig. 2 ist die Gleichstromsättigungskurve 70 für die Wechselstr oin-Erregsrmaschine 14 dargestellt. Der Arbeitspunkt Λ entspricht der ausgangsseitigen Nennspannung und einer lOOfoigen Basiserregung durch die Piloterregermaschine 34. Der Arbeitspunkt B entspricht der nominalen Spannungsspitze, welche durch die maximale Spannungscharakteristik der steuerbaren Gleichrichter in der Gleichrichteranordnung 16 bestimmt wird. Der Teil der Gleichstroinsättigungskurve zwischen dein Arbeitspunkt A und dem Arbeitspunkt Π repräsentiert den Übergangsbetrieb der Wechselstrom-Erregermaschine 14 während der forcierten Erregung in Abhängigkeit von Belastungen, die über das Niveau der Basiserregung ansteigen.

Die Ansteuerung der Steuerelektroden 52 der steuerbaren Gleichrichter 28 erfolgt über Schleifringe.

Unter normalen Betriebsbedingungen, d. h. wenn die Statorankerwicklung 32 Leistung an die Nennlast abgibt, arbeiten die Gleichrichter 28 im voll ausgetasteten Betrieb, bis ein Signal empfangen wird, das einen schnellen Erregungsabbau für die Synchronmaschine fordert. Gemäß

Fig. 2

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Fig. 2 entspricht dieser Betrieb den Verhältnissen im Arbeite punkt A auf der Gleichstromsättigungskurve 70. In Abhängigkeit von sich ändernden Lastbedingungen arbeitet jedoch die Wechselstrom-Erregermaschine 14 längs eines Bereichs der Gleichstromsättigungskurve 70 zwischen den Arbeitspunkten A und B infolge der forcierten Erregung aufgrund der im Permanentmagnetfeld 36 gespeicherten Energie. Beim Auftreten der zweiten Komponente des Regelsignal 50, welches von dem Regler 40 erzeugt wird und einen ernsthaften Kurzschluß oder irgendwelche andere ungewöhnliche Lastbedingungen für die Synchronmaschine 10 andeutet, werden die steuerbaren Gleichrichter IV, von der Torsi euerstufe 55 aus über die Signal Übertragungsleitungen Π!) derart angesteuert, daß sie nur während der negativen Halbwelle dor Erregerspannungen gemäß den Fig. 3 leitend werden., womit eine Polaritätsumkehr an den Klemmen 35 und 35' der Rotorhauptfeldwicklung ^(ί bewirkt wird. Dies wird durch Zünden aufeinanderfolgender Paare der steuerbaren Gleichrichter in der in Fig. 7 gezeigten Weise erreicht. Vorzugsweise findet die Zündung etwa 20 vor den Punkten statt, bei Ionen die verketteten Ankerspannungen auf die negative Seite der Nullachse dor Wollenformen übergehen. Es ist festzustellen, daß nach Beendigung dos ersten Teils des Steuersignals 50 die steuerbaren Gleichrichter während der negativen Halbwellen der Ankerspannungen leitend bleiben, da ein starker Strom durch die Feldwicklung 2f> fließt, was darauf beruht, daß deren Induktanz die steuerbaren Gleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt hält. Daher fließt weiter Strom durch die Feldwicklung 26 in Richtung nach unten, betrachtet gemäß Fig. 1. Wenn sich jedoch die negative verkettete Spannung erhöht, sinkt der durch die Wicklung 26 fließende resultierende Strom, was eine Polaritätsumkehr der Spannung an der Wicklung nach der folgenden Gleichung bewirkt: V = L di/dt. Während dieses Erregungsabbaus wird der Erregerstrom längs der Gleichstromsättigungskurve 70 zwischen den Punkten A und C auf Null abgebaut, so daß entsprechend auch der Erregerstrom durch die Statorankerwicklung 32 rasch auf Null gebracht wird. Dieser Betrieb wird als schneller Erregungsabbau

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gungsabbau bezeichnet und ist in Fig. 8 durch den grundsätzlichen Verlauf der Kurve 80 bildlich erläutert. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß die für den schnellen Erregungsabbau benötigte Zeit nicht so kurz ist, als dies mit einem statischen Erregungsabbau möglich ist, der durch die Beaufschlagung der Rotorhauptfeldwicklung 26 mit einer Spannung umgekehrter Polarität über Schleifringe von einer externen Spannungsquelle aus möglich ist. Dieser statische Erregungsabbau wird durch die Kurve 82 in Fig. 8 angedeutet. Der schnelle Erregungsabbau gemäß der Erfindung ist jedoch noch wesentlich rascher und günstiger als der Erregungsabbau in konventioneller Weise, indem nämlich die Rotorhauptfeldwicklung 26 lediglich kurzgeschlossen und keine Gegenspannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird. Dieser konventionelle Betrieb mit einem Kurzschluß der Rotorhauptfeldwicklung wird durch die Kurve 84 gemäß Fig. 8 illustriert.

Während des Betriebs des schnellen Erregungsabbaus ändert sich die Schwingungsform der von der Rotorankerwicklung 24 gelieferten Spannung von einer grundsätzlich in Fig. 5 dargestellten Schwingungsform in die der Darstellung gemäß Fig. 7 . Wenn die Zündung der steuerbaren Gleichrichter 28 während der negativen Halbwellen der Ankerspannungen fortgesetzt wird, fällt der durch die Feldwicklung 26 fließende Strom und infolgedessen der Statorstrom im Turbinengenerator gemäß der Kurve 80 in Fig. 8 auf Null ab.

Die momentane Umkehr der Steuerphase für die steuerbaren Gleichrichter während des schnellen Erregungsabbaus bringt eine Anzahl von Vorteilen. Zunächst ist für die steuerbaren Gleichrichter 28 kein verminderter Nennleistungsbetrieb erforderlich, um eine Erregungskontrolle vornehmen zu können, da die Schwingungsform während des normalen Lastbetriebs dieselbe ist wie bei herkömmlichen Dioden. Die Erregung wird durch die in dem elektromagnetischen Feld der Permanentmagnetfeldanordnung gespeicherte Energie bewirkt. Auch die kurzzeitige Ansteuerung der Gleichrichter während ungewöhnlichen Lastbedingungen ist weiiger ernst. Die Tatsache,

daß die

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daß die Wechselstrom-Erregermaschine 14 nicht kontinuierlich bei der nominalen Spitzenspannung arbeitet, bringt wesentlich geringere Verluste für die Erregermaschine mit sich. Die Größe der Wechselstrom-Erregermaschine 14 und des bürstenlosen Erregersystems 12 kann verringert werden, da diese Teile auf einem Nennspannungsniveau arbeiten, das wesentlich niederer als die nominale Spitzenspannung ist, was für herkömmliche Anordnungen nicht zutrifft. Daraus ergibt sich auch ein geringerer Bedarf an Kupfer für die drei Phasenwicklungen 25.

Unter diesen Steuerbedingungen behält die Wechselstrom-Erregermaschine 14 ihre Fähigkeit, auf rasch ändernde Lastbedingungen schnell zu reagieren. Dies ergibt sich aus dem Permanentmagnetfeld der Piloterregermaschine, das genügend forcierende Leistung an das Haupterregerfeld liefern kann, um das erforderlich schnelle Ansprechen zu erreichen. Die Ansprechgeschwindigkeit einer solchen Anordnung ist direkt proportional zur Stärke des Magnetfeldes der Piloterregermaschine, das seinerseits wieder direkt proportional der Masse der Permanentmagnetfeldanor'dnung 36 ist. Das heißt, daß für eine vorher festgelegte Größe der Ansprechgeschwindigkeit durch die Piloterregermaschine genügend Reserveleistung zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird die Basiserregung und die forcierte Erregung der Wechselstrom Erregermaschine durch die Piloterregermas chine geliefert, wobei die Torsteuerstufe 55 die steuerbaren Gleichrichter 28 während der positiven Halbwelle der Erregerspannungen voll in den leitenden Zustand steuert und damit eine Nennausgangsspannung bewirkt, um das Ausgangssignal des Synchrongenerators den sich ändernden Lastbedingungen anzupassen. Die Piloterregermaschine arbeitet auf dem nominalen Leistungsniveau, um die Basiserregung für die Nennspannung zu liefern. Für den Betriebszustand der forcierten Erregung ist die Piloterregermaschine so ausgelegt, daß sie das Zweieinhalbfache der Basiserregung liefern kann, wenn der Synchrongenerator auf Lastver-

änderungen

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änderungen anspricht. Damit ist für die Ansprechzeit solcher Anordnungen, bei denen die steuerbaren Gleichrichter sowohl bei der positiven Halbwelle als auch bei der negativen Halbwelle, und zwar einerseits im Nennbetrieb und andererseits im forcierten Betrieb oder für die schnelle Erregungsabschaltung voll leitend sind, kein Kompromiß notwendig. Außerdem werden die charakteristischen Schalteigenschaften der steuerbaren Gleichrichter 28 besser als bei bekannten Anordnungen ausgenutzt, da auf Nennspannungsniveau im Gegensatz zu dem nominalen Spitzenspannungsniveau gearbeitet wird.

Unter dem vorstehend benutzten Begriff Koniniutationswinkel 0 ist die Strom Übernahme oder Kommutierung bei Thyristoren zu verstehen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

M. Jüvnr

^y

'Dynamoelektrische Synchronmaschine mit einer Statorankerwicklung und einer Rotorhauptfeldwicklung, einer Wechselst rom-Erregermaschine, deren Stator eine Feldwicklung und deren Rotor eine Mehrphascnankerwicklung trägt, und mit einer Gleichrichteranordnung in Krückenschaltung, die von der Mehrphasenankerwicklung mit einem Errogerwechselstrom beaufschlagt wird und einen Erregergleichstrom an die Rotorhauptfeldwicklung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteranordnung (16) aus einer Vielzahl von steuerbaren Gleichrichtern (28) besteht, die im eingeschalteten Zustand den gleichgerichteten Erregerstrom zur Rotorhauptfeldwicklung (26) übertragen, daß Regeleinrichtungen (40) ein Regelsignal (50) in Abhängigkeit von bestimmten Lastbedingungen der Synchronmaschine liefern, daß Steuereinrichtungen (55) in Abhängigkeit von bestimmten Funktionen des Regelsignals ¹^e steuerbaren Gleichrichter (28) derart ansteuern, daß die Gleichrichter einerseits während der Startphase, dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung im voll leitenden Zustand bleiben, wobei die Gleichrichter nur während der positiven Halbwelle der Erregerwechselspannungen leitend gemacht werden, und daß andererseits die Gleichrichter beim Auftreten von vorgegebenen Überla.3tbedingungen im leitenden Zustand gehalten werden, wobei die Gleichrichter nur während der negativen Halbwelle der Erreger-

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spannungen leitend gemacht werden, um einen schnellen Erregungsabbau zu bewirken.
2. Dynamoelektrische Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Piloterregermaschiiu; (.'M) mit einer Ankerwicklung (33) und einem Permanentmagneten als Rotor (3(5) vorhanden ist, daß mit der Ankerwicklung (38) der Piloterrc-germaschine (24) verbundene Einrichtungen vorhanden sind, die den abgegriffenen Wechselstrom in einen Gleichstrom zur Erregung der Statorfeldwicklimg (22) umwandeln, und daß der Rotor der dynamoelektrischen Synchronmaschine sowie die Gleichrichteranordnung (16), der Rotor der Wechselstrom-Erregermaschine (14) und der Permanentmagnet (3(5) der Pilot erregermaschine (34) mechanisch gekoppelt sind und sich gemeinsam drehen.
3. Verfahren zur Erzeugung einer Gleichstromerreguriu lur die Rotorhauptfeldwicklung einer dynamoelektrischen Synchronmaschine, wobei ein mehrphasiger in der sich drehenden Rotorankerwickhmu einer Wechselstrom-Erregermaschine induzierte Wechselstrom durch eine Vielzahl in einer Brückenschaltung angeordneten steuerbaren Gleichrichtern gleichgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Gleichrichter (28) derart angesteuert werden, daß sie den Erregerstrom von der Dreiphasenwicklung (25) zur Rotorhauptfeldwicklung (26) übertragen, wobei die Gleichrichter einerseits während der Startphase» dem Nennlastbetrieb und beim Über-Nennlastbetrieb bei einer forcierten Erregung im wesentlichen im voll leitenden Zustand während der positiven Halbwelle der Erregerwechselspannungen von den entsprechenden Phasenwicklungen gehalten werden, und daß die steuerbaren Gleichrichter andererseits beim Auftreten von vorgegebenen Uberlastbedingungen in einen leitenden Zustand gesteuert werden, wobei die Gleichrichter nur während

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der negativen Halbwelle der Erregerspsnnungen leitend gemacht werden, um einen schnellen Erregungsabbau für die Rotorhauptfeldwicklung (26) der Synchronmaschine (10) zu bewirken.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Gleichrichter (28) nur bei einem niederen Spannungspunkt der positiven oder negativen Halbwelle der zugeordneten Phasen der Erregerwechselspannungen von den Mehrphasenwicklungen (25) leitend gemacht werden, wodurch die durch die Umschaltung ausgelöste Phasenvorschiebung auf ein Minimum reduziert wird, und daß die steuerbaren Gleichrichter (28) im leitenden Zustand für im wesentlichen die gesamte positive oder gesamte negative Halbwelle gehalten werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom für den Nennlastbctrieb und für den Uetrieb bei wechselnden Lastbedingungen, die den Nennlastbetrieb übersteigen, von der l^Jil ^erregeranordnung mit dem Permanentmagnetfeld geliefert wird, wobei die steuerbaren Gleichrichter (28) in den voll leitenden Zustand nur wälirend der positiven Halbwelle der Erregerspannungen gesteuert werden, daß die Erregerleistung für den Betrieb zum schnellen Erregungsabbau ebenfalls von der Piloterregeranordnung mit dem Permanentmagnetfeld (34, 36) geliefert wird, wobei die steuerbaren Gleichrichter (28) nur während der negativen Halbwellen der Erregerspannungen leitend gemacht werden, so daß die Polarität der von der Gleichrichteranordnung gelieferten Erregerspannung bezüglich der Polarität umgekehrt wird, welche von der Gleichrichteranordnung aus während des Nennlastbetriebs und während des Über-Nennlastbetriebs bei einer forcierten Erregung wirksam ist, und daß die Energie für den schnellen Erregungsabbau von der elektromagnetischen, in der Permanentfeldanordnung gespeicherten Energie zur Verfügung gestellt wird, wenn sie ihre Umwandlung in den Erregungsgleichstrom während der negativen Polaritätsverhältnisse erfährt.

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