DE3621780A1

DE3621780A1 - Elektrische bremsvorrichtung fuer einen generator mit buerstenlosem erregersystem

Info

Publication number: DE3621780A1
Application number: DE19863621780
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-06-03
Filing date: 1986-06-28
Publication date: 1988-01-28
Also published as: CH670925A5; US4720666A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Bremsvorrichtung für einen Generator mit bürstenlosem Erregersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Bremsvorrichtung dient zum Anhalten eines bürstenlosen Generators, indem dieser einer elektrischen Bremswirkung (dynamischen Bremswirkung) ausgesetzt wird.

Bei dem Generator mit bürstenlosem Erregersystem, bei dem der Feldstrom der Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit folgend abfällt, verringert sich die innere induzierte Spannung quadratisch mit der Drehzahl, wobei sich der Kurzschlußstrom verkleinert. Deshalb ist eine elektrische Bremsvorrichtung bisher aus Gründen der Effektivität nicht angewendet worden.

Eine elektrische Bremsvorrichtung schließt die Generatorschaltung kurz, womit ein Kurzschlußstrom von ca. der Höhe des Nennstromes fließt. Dadurch wird im Generator eine Bremsleistung von I²R erzeugt. Ein sich langsam drehender Generator in einem Wasserkraftwerk od. dgl. besitzt aufgrund seiner sich drehenden Teile eine größere Rotationsenergie, so daß die mechanische Bremse, bei der Bremsbacken verwendet werden, eine große Verlustwärme erzeugt. Dies führt zu Wartungsproblemen der mechanischen Bremse, da die Bremsbacken stark verschleißen. Außerdem hat diese Bremse nur eine geringe Bremswirkung. Daher ist man dazu übergegangen, im Normalfall eine elektrische Bremse und nur beim Abbremsen im Falle eines Nothalts die mechanische Bremse zu verwenden.

In Fig. 1 ist eine bekannte elektrische Bremsvorrichtung für einen herkömmlichen Generator mit Thyristor- Erregersystem dargestellt. Der dargestellte Generator 1 weist eine Feldwicklung 1 A auf. Zum Ausschalten der elektrischen Bremse ist ein Unterbrecherschalter 2 vorgesehen. Mit 3 ist ein Schaltungsunterbrecher für den Generator 1, mit 4 ein Haupttransformator, mit 5 ein Meßtransformator und mit 6 ein Erregertransformator bezeichnet. Ein automatischer Spannungsregler 7 (ASR), eine Zündschaltung 8 (GIG: Gate-Impuls-Generator) und eine Thyristor-Brückenschaltung 9 sind ebenso vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Feldschaltungsunterbrecher 10, ein Dämpfungswiderstand 11 (Feldentladewiderstand), ein Schalter 11 A, der geschlossen ist, wenn der Feldschaltungsunterbrecher 10 auf (ausgeschaltet) ist, ein Schalter 12 für die Anfangserregung und die elektrische Bremswirkung und eine Diodenbrückenschaltung 13 für die Anfangserregung und die elektrische Bremswirkung vorgesehen.

Auf einen Anhaltebefehl hin werden der Schaltungsunterbrecher 3 für den Generator 1 und den Feldschaltungsunterbrecher 10 ausgeschaltet sowie der Schalter 11 A eingeschaltet, um den Feldstrom in der Feldwicklung 1 A des Generators 1 abzuerregen, so daß der Unterbrecher 2 für die elektrische Bremsvorrichtung geschlossen ist, wenn nur eine Restspannung als Generatorspannung ansteht. Dann ist der Schalter 12 für die elektrische Bremsvorrichtung eingeschaltet, damit die Feldwicklung 1 A des Generators 1 durch einen über die Diodenbrückenschaltung 13 durch die Feldwicklung 1 A fließenden Kurzschlußstrom mit ungefähr der Größe des Nennstromes des Generators erregt wird. Dadurch wird der Generator 1 der elektrischen Bremswirkung ausgesetzt.

Der während des elektrischen Bremsvorganges fließende Strom I ist durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei S der Schlupf, V die Generatorspannung, R der Ankerwiderstand und xd die synchrone Reaktanz ist.

Das herkömmliche Thyristor-Erregersystem speist die Erregerquelle auch dann, wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit des Generators verringert, wodurch der durch die obige Gleichung ausgedrückte Strom fortwährend fließt. Folglich bleibt die elektrische Bremswirkung bis zum Anhalten des Generators wirksam, weshalb bis jetzt derartige Systeme verwendet wurden.

In Fig. 2 ist eine elektrische Bremsschaltung für einen herkömmlichen Generator mit bürstenlosem Erregersystem dargestellt. Mit 1 A ist eine Erregerwicklung für den Generator 1 bezeichnet. Die Schaltung beinhaltet darüber hinaus einen Schaltungsunterbrecher 3 für den Generator, einen Haupttransformator 4, einen Potentialtransformator 5, einen Erregertransformator 6, einen automatischen Spannungsregler 7 (ASR), eine Zündschaltung (GIG) 8, eine Gleichrichterschaltung 9 mit einer Thyristorbrücke, einen Feldschaltungsunterbrecher 10, einen direkt mit dem Generator 1 verbundenen bürstenlosen AC-Erreger 14 (AC-Generator), einen Drehstromgleichrichter 15 einen Anfangserregerschalter 16, eine Rückwärtsstrom-Sperrdiode 17, einen einstellbaren Widerstand 18 und eine Batterie 19.

Dieser Generator mit bürstenlosem Erregersystem benötigt keine Schleifringe oder Bürsten und hat somit den Vorteil der vereinfachten Wartung, weshalb er weitverbreitet ist. Da jedoch der bürstenlose AC-Erreger 14 direkt mit dem Generator 1 verbunden ist, verringert sich mit abnehmender Rotationsgeschwindigkeit des Generators 1 die Erregerkapazität des Erregers 14, was dazu führt, daß keine elektrische Bremswirkung erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Bremsvorrichtung für einen Generator zu schaffen, die aus einer Schaltung besteht, welche auch auf den Generator mit bürstenlosem Erregersystem eine elektrische Bremswirkung ausübt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die elektrische Bremsvorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung ist derart ausgebildet, daß durch eine Gleichrichterschaltung, die einen Feldstrom auf den bürstenlosen Erreger des Generators gibt, stets an den Erreger eine Erregerspannung angelegt wird, während der Generator läuft. Hierdurch wird es möglich, die elektrische Bremsvorrichtung auch für den bürstenlosen Erregerstromgenerator anzuwenden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer bekannten elektrischen Bremsvorrichtung für einen herkömmlichen Thyristor-Erregerstromgenerator,

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm einer bekannten elektrischen Bremsvorrichtung für einen herkömmlichen bürstenlosen Erregerstromgenerator,

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm der erfindungsgemäßen elektrischen Bremsvorrichtung für einen bürstenlosen Erregerstromgenerator und

Fig. 4 zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der elektrischen Bremsvorrichtung nach Fig. 3 eine graphische Darstellung der Anhaltecharakteristik des Generators.

Das in Fig. 3 dargestellte Schaltungsdiagramm besteht aus einem Generator 1 mit seiner Feldwicklung 1 A, einem Unterbrecherschalter 2 für die elektrische Bremse, einem Generatorschaltungsunterbrecher 3, einem Haupttransformator 4, einem Meßtransformator 5, einem Erregertransformator 6, einem automatischen Spannungsregler 7 (ASR), einer Zündschaltung 8 (GIG: Gate- Impuls-Generator), einer Gleichrichterschaltung 9 mit einer Thyristorbrücke, einem Feldschaltungsunterbrecher 10, einem bürstenlosen AC-Erreger 14 (AC-Generator ACG), der direkt mit dem Generator 1 gekoppelt ist, einem Drehstromgleichrichter 15, einer Umschaltschaltung 20 zum Umschalten des Generators 1 von seinem normalen Betriebszustand auf den Auffangserregungs- oder elektrischen Bremszustand, einer Zündwinkel- Steuerschaltung 21 für die Anfangserregung oder die elektrische Bremsung und einer Detektionsschaltung 22 zur Erfassung der Tourenzahl des Generators 1.

Die in Fig. 3 dargestellte elektrische Bremsvorrichtung unterscheidet sich von der herkömmlichen nach Fig. 1 darin, daß der Schalter 2 für die elektrische Bremse so vorgesehen ist, daß der Erregertransformator 6 zwischen dem Generatorschaltungsunterbrecher 3 und dem Haupttransformator 4 angeschlossen ist. Dadurch wird im normalen Zustand Spannung vom Spannungsnetz aus durch den Haupttransformator 4 und den Erregertransformator 6 an die Gleichrichterschaltung 9, die eine Thyristorbrücke aufweist, angelegt. Ein zweiter Unterschied besteht darin, daß die Anfangserregerschaltung weggelassen worden ist und für die Anfangserregung die normale Erregerschaltung verwendet wird. Im Unterschied zu der Schaltung nach Fig. 1 dient bei der Schaltung nach Fig. 3 die Erregerschaltung der Anfangserregung oder der elektrischen Bremsung, so daß dann über die Umschaltschaltung 20 und die Zündwinkel-Steuerschaltung 21 der Zündwinkelsteuerung dient.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Vorrichtung erläutert. Wenn der Generator 1 mit einer (nicht dargestellten) Energiequelle verbunden ist und auf seine Nenndrehzahl gebracht wird, wird der Feldschaltungsunterbrecher 10 geschlossen. Die Gleichrichterschaltung 9 mit der Thyristorbrücke wird derart gesteuert, daß die Generatorspannung aufgrund der Zündwinkel- Steuerschaltung 21, der Umschaltschaltung 20 und der Zündschaltung 8 einen für die Anfangserregung geeigneten Zündwinkel aufweist, wodurch sich eine Spannung aufbaut. Wenn anschließend die Spannung, die Phase und die Frequenz mit den entsprechenden Größen des Spannungsnetzes übereinstimmen, wird der Generatorschaltungsunterbrecher 3 geschlossen. Daran anschließend wird die Umschaltschaltung 20 auf den ASR 7 umgeschaltet, womit mit der Energieerzeugung begonnen wird.

Nachfolgend wird die elektrische Bremswirkung erläutert. Durch den Anhaltebefehl werden der Generatorschaltungsunterbrecher 3 und der Feldschaltungsunterbrecher 10 ausgeschaltet, und wenn die Klemmenspannung des Generators 1 auf die Restspannung gefallen ist, wird der Unterbrecherschalter 2 für die elektrische Bremse eingeschaltet. Die Umschaltschaltung 20 wird von dem ASR 7 auf die Zündwinkel-Steuerschaltung 21 umgeschaltet, wodurch die Zündwinkel-Steuerschaltung 21 mit der Zündschaltung 8 verbunden ist, die auf einen für die elektrische Bremsung geeigneten Zündwinkel eingestellt ist. Der Feldschaltungsunterbrecher 10 ist eingeschaltet (geschlossen), und in dem Generator 1 fließt durch den Unterbrecherschalter 2 für die elektrische Bremse ein Kurzschlußstrom, wodurch die elektrische Bremswirkung ausgeübt wird. Hierbei wird der Gleichrichterschaltung 9 Erregerenergie stets von dem Spannungsnetz über den Haupttransformator 4 und den Erregertransformator 6 zugeführt, auch wenn die Generatoranschlußklemmen kurzgeschlossen sind oder die Umdrehungsgeschwindigkeit abfällt. Dadurch kann stets Energie für die Erregung aufgebracht werden, wodurch die elektrische Bremswirkung erzielt wird. Bei einem derartigen Schaltungsaufbau jedoch verringert sich die durch den bürstenlosen Erreger 14 erzeugte Energie, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit abfällt, wodurch sich die elektrische Bremswirkung verringert. Daher weist die Vorrichtung nach Fig. 3 die Detektionsschaltung 22 zur Erfassung der Tourenzahl des Generators 1 auf, so daß der Verringerung der Generatorumdrehungsgeschwindigkeit folgend die Zündwinkel- Steuerschaltung 21 gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt dabei derart, daß der Feldstrom I _f umgekehrt proportional zur Tourenzahl des Generators 1 ist, d. h. bei abfallender Tourenzahl des Generators 1 ansteigt, womit die elektrische Bremswirkung gefördert wird.

Die Wirkungsweise der elektrischen Bremsvorrichtung gemäß Fig. 3 auf die Anhaltecharakteristik des Generators ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei ist in Fig. 4 auf der Ordinate die Umdrehungszahl (P.U.-Wert) und auf der Abszisse die vom Anhaltebefehl ab verstrichene Zeit in Sekunden aufgetragen. Die Kurve A stellt die natürliche Geschwindigkeitsabfallcharakteristik dar. Kurve B repräsentiert die Charakteristik, wenn der Generator 1 von dem Zeitpunkt ab, zu dem seine Umdrehungsgeschwindigkeit 20% derjenigen beim Auslösen des Anhaltebefehles erreicht hat, einer herkömmlichen mechanischen Bremswirkung ausgesetzt wird. Kurve C stellt die Anhaltecharakteristik bei einem Generator dar, der von dem Zeitpunkt ab, zu dem seine Umdrehungsgeschwindigkeit 50% derjenigen beim Auslösen des Anhaltebefehles erreicht hat, einer mit der erfindungsgemäßen elektrischen Bremsvorrichtung erzeugten elektrischen Bremswirkung ausgesetzt wird, wobei der Erregerstrom konstant gehalten wird. Schließlich stellt die Kurve D die Anhaltecharakteristik eines Generators dar, der von dem Zeitpunkt ab, zu dem seine Umdrehungsgeschwindigkeit 50% von derjenigen beim Auslösen des Anhaltebefehls erreicht hat, einer durch die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung erzeugten elektrischen Bremswirkung ausgesetzt wird, wobei der Erregerstrom I _f dreimal so stark ansteigt, was die Umdrehungsgeschwindigkeit des Generators abfällt. Die Wirkungsweise der elektrischen Bremsvorrichtung wird durch die in Fig. 4 dargestellten Kurven bestätigt.

Als Alternative zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Gleichrichterschaltung 9 auch mit einer unabhängigen Energiequelle od. dgl. verbunden sein, die eine permanente Energieversorgung garantiert, wodurch der gleiche Effekt wie bei dem obigen Ausführungsbeispiel erzielt wird.

Wie oben beschrieben, kann die elektrische Bremsvorrichtung auch wirkungsvoll für bürstenlose Erregerstromgeneratoren angewandt werden, die bisher mit einer derartigen Bremsvorrichtung wegen deren Ineffektivität nicht versehen worden sind.

Claims

1. Elektrische Bremsvorrichtung für einen Generator mit bürstenlosem Erregersystem, gekennzeichnet durch

- einen Schalter (2) zum Kurzschließen des Ausganges des Generators (1) und
- eine Gleichrichterschaltung (9), die derart ausgebildet ist, daß zumindest während des Laufens des Generators (1) eine Erregerspannung an der Gleichrichterschaltung (9) ansteht, und die einen Feldstrom (I _f ) für den bürstenlosen Erreger (14) liefert, wodurch bei durch den Schalter (2) kurzgeschlossenem Ausgang des Generators (1) eine dynamische Bremswirkung (elektrische Bremswirkung) auf den Generator (1) ausgeübt wird.

2. Elektrische Bremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspannung von dem Spannungsnetz geliefert wird.

3. Elektrische Bremsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Gleichrichterschaltung (9) als Bremsstrom auf den Generator (1) gegebene Feldstrom (I _f ) (Spannung) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Generators (1) gesteuert ist, wodurch auf den Generator (1) die dynamische Bremswirkung (elektrische Bremswirkung) ausgeübt wird, um den Generator (1) anzuhalten.

4. Elektrische Bremsvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

- eine Detektionsschaltung (22) zur Erfassung der Drehzahl des Generators (1) und
- eine Zündwinkel-Steuerschaltung (21) für die Gleichrichterschaltung (9), wobei bei durch den Schalter (2) kurzgeschlossenem Ausgang des Generators (1) der Feldstrom (I _f ) durch die Zündwinkel-Steuerschaltung (21) umgekehrt proportional zu der durch die Detektionsschaltung (22) erfaßten Drehzahl des Generators (1) ansteigt.