DE3730829A1

DE3730829A1 - Ueberlastschutz fuer den erregerkreis einer synchronmaschine

Info

Publication number: DE3730829A1
Application number: DE19873730829
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl Ing Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-09-14
Filing date: 1987-09-14
Publication date: 1989-03-23
Anticipated expiration: 2007-09-15
Also published as: DE3730829C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz für den Erregerkreis einer Synchronmaschine unter Auswertung von Meßgrößen des Ständerkreises (Ständerstrom, Ständerspannung) der Maschine.

Bei den bekannten Überlastschutzeinrichtungen wird der Erregerstrom entweder über einen Shunt bzw. Gleichstromwandler als Gleichstrom erfaßt oder bei einer Drehstrom-Erregerkreis-Einspeisung über Stromwandler ermittelt. Der so erhaltene Meßwert wird einem thermischen Abbild des Erregerkreises zugrundegelegt, das bei Überschreitung der zulässigen Erwärmung ein Warn- oder Auslösesignal abgibt.

Die Erfassung des Gleichstromes setzt einen für die Messung durch Shunt bzw. Gleichstromwandler zugänglichen Gleichstrom- Erregerkreis voraus, was bei Maschinen mit rotierenden Dioden nicht zutrifft. Die Messung des Drehstromes setzt voraus, daß dieser exakt proportional dem Erreger-Gleichstrom ist, was nicht in allen Störungsfällen gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Messung von Größen des Erregerkreises auf einfachere Weise einen einwandfreien Überlastschutz für alle Ausführungen des Erregerkreises von Synchronmaschinen zu schaffen, der nur Ständergrößen benutzt, die auch für die anderen Schutzeinrichtungen benötigt werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Die Erfindung beruht dabei auf dem bekannten Spannungsdiagramm einer Synchronmaschine:

Fig. 1 stellt das allgemeine Spannungs-Diagramm mit unterschiedlichen Längsreaktanzen (X _d ) und Querreaktanzen (X _q ).

Daraus ist entnehmbar die Beziehung

und

ϑ = ∡ (U, U IX _q ) (2)

und der Kenntnis, daß

I _e∼E (3)

gesetzt werden kann.

Darin bedeuten

U = Ständerspannung
I = Ständerstrom
E = Polradspannung
X _d = synchrone Längsreaktanz
X _q = synchrone Querreaktanz
ϕ = Phasenwinkel
ϕ _N = Nennphasenwinkel
ϑ = Polradwinkel
I _e = Erregerstrom

Die Größen X _d und X _q sind bei jeder Maschine bekannt. Die Größen U und I sind einfache zu messende Werte. Der Polradwinkel ϑ kann leicht ermittelt werden durch eine Winkelmessung zwischen U und U IX _d gemäß Gleichung (2). Damit kann nach Gleichung (1) auch die Polradspannung und gemäß der Proportionalität nach Gleichung (3) der Erregerstrom ermittelt werden.

Für die hier vorliegende Aufgabe ist es in den meisten Fällen ausreichend, das vereinfachte Spannungsdiagramm nach Fig. 2 zugrundezulegen. Dieses ergibt sich aus Fig. 1, wenn X _d = X _q.

Bei Synchronmaschinen mit Turboläufer ist diese Bedingung sehr gut erfüllt. Bei Synchronmaschinen mit Schenkelpolläufern ist diese Bedingung für den hier zu betrachtenden Anwendungsfall ebenfalls gut erfüllt, da

1. zur Berücksichtigung des Sättigungseinflusses im überregten Arbeitsbereich der Synchronmaschinen für X _d die gesättigte Längsreaktanz X _dges eingesetzt werden muß und
2. im Phasenwinkelbereich zwischen ϕ _N und ϕ = 90° gesetzt werden darf: X _dges ≈ X _q.

Damit vereinfacht sich die Beziehung (1) zu

E = U I · X _q ∼ I _e (4)

Diese Beziehung (4) kann durch eine Schaltung nach Fig. 3 leicht nachgebildet werden.

Über einen im Stromkreis des Synchrongenerators G angeordneten Stromwandler 1 wird über einen Zwischenwandler 2 der Ständerstrom I gewonnen, aus dem in der Anordnung 3 über einen entsprechend der Maschinenkonstante X _q einstellbaren Widerstand und einer 90°-Winkeldrehung der induktive Spannungsabfall I · X _q gebildet wird. Aus einem Spannungswandler 4 wird über den Zwischenwandler 5 die Ständerspannung U gewonnen und zu dem Spannungsabfall I · X _q rektoriell addiert. Diese geometrische Summe E = U I · X _q wird über einen Zwischenwandler 6 einem thermischen Abbild 7 des Erregerkreises zugeführt. Durch dieses wird nach einer für ein thermisches Abbild üblichen Strom-Zeit-Funktion (z. B. gemäß DIN IEC 255/VDE 0435 Teile 3011) ein nachgeschaltetes Relais 8 betätigt, das mittels seines Kontaktes eine Gefahrmeldung oder Generatorabschaltung vornimmt, wenn die zulässige Grenzerwärmung überschritten wird.

Um auch bei unsymmetrischen Betriebszuständen eine physikalisch richtige Messung zu erhalten, können durch bekannte Drehfeldscheider nach den Rechenregeln für symmetrische Komponenten die Mitkomponenten von Strom und Spannung des Drehstromsystems gewonnen und dann in der oben beschriebenen Weise weiterverarbeitet werden.

In Fig. 4 ist das aus Fig. 2 abgeleitete Maschinendiagramm der Synchronmaschine gezeigt, aus dem deren zulässiger Betriebsbereich hervorgeht. Wird die Grenzkurve a): E<∼I _e< überschritten, so liegt eine Übererregung der Maschine vor.

Die anderen drei Grenzkurven nach Fig. 3 sind:

b) I<; diese Grenzkurve wird durch einen Ständerüberlastschutz erfaßt;
c) (-I · U · cosϕ)<; diese Grenzkurve wird durch einen Rückleistungsschutz erfaßt;
d) ∡(E, U)<; diese Grenzkurve wird durch einen Untererregerschutz erfaßt.

Durch eine Kombination der Messungen von a) bis d) ist es möglich, nur mit den Ständergrößen I und U einen Schutz für die Ausmessung des kompletten Maschinendiagramms zu erhalten.

Claims

1. Überlastschutz für den Erregerkreis einer Synchronmaschine unter Auswertung von Meßgrößen des Ständerkreises (Ständerstrom, Ständerspannung) der Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom (I _e) als proportionale Größe der Polradspannung (E) aus den gemessenen Größen Ständerspannung (U) und Ständerstrom (I) sowie den Maschinen-Kenngrößen der Längsreaktanz X _d und der Querreaktanz X _q ermittelt wird entsprechend der Gleichung wobei der Polradwinkel ϑ aus einer Winkelmessung zwischen U und U IX _q gewonnen wird und die so gewonnene Größe E∼I _e bei Überschreiten eines zulässigen Höchstwertes den Überlastschutz aktiviert.

2. Überlastschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle erfaßte Polradspannung E∼I _e einem thermischen Abbild der Erregerwicklung zur Erfassung der Läufertemperatur zugeführt wird.

3. Überlastschutz nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem thermischen Abbild eine die Umgebungstemperatur berücksichtigende elektrische Zusatzgröße zugeführt wird.

4. Überlastschutz nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung der Sättigung im übererregten Bereich der Synchronmaschine mit der gesättigten Längsreaktanz x _d gesättigt ≈X _q die Gleichung E=U IS _q für die Ermittlung von E∼I _e gilt.

5. Überlastschutz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Grenzkurven des Arbeitsdiagramms der Synchronmaschine für den Strom I, den Polradwinkel ϑ, die Leistung -I · U cosϕ und den Erregerstrom I_e∼E in einer Schutzeinrichtung gemessen bzw. ermittelt und damit das komplette Maschinendiagramm überwacht wird.

6. Überlastschutz nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strom- und Spannungswerte die entsprechenden Mitkomponenten des Drehstromsystems benutzt werden.