SE500682C2

SE500682C2 - Method and apparatus for demagnetizing brushless synchronous generators

Info

Publication number: SE500682C2
Application number: SE9201039A
Authority: SE
Inventors: Claes Ivarsson
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1992-04-02
Publication date: 1994-08-08
Also published as: SE9201039D0; WO1993020614A1; EP0634065A1; SE9201039L

Abstract

In a synchronous generator of brushless type where the field winding (2) of the rotor of the main device is fed via a co-rotating rectifier (8) from the rotor windings (4) in the rotor to a supply device on the same shaft, a damping resistance is put into the excitation current circuit, connected in parallel with a turn-off thyristor (10). With de-coupling of the excitation, the thyristor (10) is turned off by means of a turn-off pulse transmitted by means of a slip-ring arrangement (11, 12).

Description

10 15 20 25 30 35 ÜÛ 682 Un 2 fältlindningsströmmen till noll genom att påverka matarmaski- nens fältlindningsström, så att det levererande ankarets EMK blir noll. Emellertid kvarstår då den magnetiska energin i synkrongeneratorns fältlindning och hindrar ett snabbt ned- regleringsförlopp. Om synkronmaskinens belastande linje då är svagt belastad, med väsentligen kapacitiv last, kan till och med spänningen momentant stiga, vilket kan vara en stor nackdel. En särskilt för säkerhetssystemen betänklig spän- ningsstegring kan onödigtvis utlösa felkorrektioner. 10 15 20 25 30 35 ÜÛ 682 Un 2 the field winding current to zero by affecting the feed machine field winding current, so that the EMF of the delivering anchor becomes zero. However, then the magnetic energy remains in the field winding of the synchronous generator and prevents a rapid regulatory process. If the load line of the synchronous machine then is weakly loaded, with substantially capacitive load, can even with the tension momentarily rising, which can be a big one disadvantage. A particularly worrying tension for security systems increase can unnecessarily trigger error corrections.

Borstlösa synkrongeneratorer har hittills använts i begränsad utsträckning för vattenkraftsgeneratorer, speciellt för stora sådana, men föga för turbogeneratorer. Bakgrunden till att de fått en förhållandevis begränsad tillämpning trots uppenbara fördelar har att göra med de nämnda välkända problemen vid nedreglering av synkrongeneratorns statorspänning, vilka kan lösas väsentligt enklare vid borstmatade synkrongeneratorer, eftersom man då kan montera fasta regleranordningar. Kända och använda lösningar innefattar inkoppling i serie av ett dämpmotstånd, polvändning av fältlindningens strömkälla för motströmsinkoppling och s.k. vibrationsregulatorer. På senare tid har styrda tyristorströmriktare komit till användning, vilka tillåter smidig reglering och invertering.Brushless synchronous generators have so far been used in limited extent for hydropower generators, especially for large ones such, but little for turbogenerators. The background to that they received a relatively limited application despite obvious advantages have to do with the mentioned well known problems at down-regulation of the stator voltage of the synchronous generator, which can solved much easier with brush-fed synchronous generators, since it is then possible to mount fixed control devices. Known and solutions used include connection in series of one attenuation resistance, pole reversal of the field winding current source for countercurrent connection and so-called vibration regulators. On later time, controlled thyristor inverters have come into use, which allow smooth regulation and inversion.

Om man bortser från alla praktiska hänsyn finns det ingenting som hindrar att dylika anordningar av känd typ och som vid "borstmatade" synkrongeneratorer är allmänt förekommande, monteras på den roterande axeln, så att man även vid borst- lösa maskiner får en reglering av i princip känd typ. Emel- lertid måste man i så fall anordna en kontinuerlig och säker tillförsel av styrsignaler till den roterande styrutrust- ningen, antingen via släpringar eller trådlöst. Uppenbarligen blir detta komplicerat redan vid måttliga varvtal. Vid högre varvtal, t.ex. för ångturbingeneratorer, tillkommer den ytterligare svårigheten att montera styrutrustning roterande och utsatt för stora centrifugalkrafter. Med hänsyn till att kraven på störningsfrihet i generatorerna i elnät är särdeles höga har man därför med all rätt tvekat att införa dylika komplicerade och i princip störningsbenägna utrustningar, och 10 15 20 25 30 35 Tj CU 682 LH 3 såvitt känt har därför alla dylika konstruktioner stannat på papperet eller möjligen lett till prototyp.If one disregards all practical considerations, there is nothing which prevents such devices of known type and which at "brush-fed" synchronous generators are common, mounted on the rotating shaft, so that even when brushing loose machines get a regulation of basically known type. Emel- however, in that case a continuous and safe one must be provided supply of control signals to the rotating control equipment either via slip rings or wirelessly. Obviously this becomes complicated even at moderate speeds. At higher speed, e.g. for steam turbine generators, it is added additional difficulty in mounting control equipment rotary and exposed to large centrifugal forces. Considering the requirements for freedom from interference in the generators in the electricity grid are special high, they have therefore rightly hesitated to introduce such complex and in principle disruptive equipment, and 10 15 20 25 30 35 Tj CU 682 LH 3 as far as is known, therefore, all such constructions have stopped the paper or possibly led to the prototype.

Ett exempel på en tidigare känd avmagnetiseringsanordning, sådan som avses i ingressen till krav 1 resp krav 6, åter- finnes i DE-OS-1.763.299. Ett släckmotstånd serieinkopplat i magnetiseringskretsen är vid drift shuntat av en första tyristor, vilken medelst en släckkoppling kan släckas, så att magnetiseringsströmmen kan dämpas genom motståndet. Släck- kopplingen innefattar en hjälplindning, som är inkopplingsbar genom tändning av en andra tyristor för att göra den första tyristorn strömlös under en halvperiod, så att den slocknar.An example of a previously known demagnetization device, as referred to in the preamble to claim 1 and claim 6, respectively, can be found in DE-OS-1,763,299. An extinguishing resistor connected in series in during operation, the excitation circuit is shunted by a first thyristor, which by means of an extinguishing coupling can be extinguished, so that the excitation current can be attenuated by the resistor. Extinguishing the coupling comprises an auxiliary winding which can be connected by igniting a second thyristor to make the first the thyristor is de-energized for half a period, so that it goes out.

Under nästa halvperiod blir den andra tyristorn strömlös och slocknar i sin tur, varefter magnetiseringsströmmen är hän- visad till släckmotståndet. En allvarlig nackdel med denna konstruktion är behovet av en ganska stor extralindning i huvudmataren, som dessutom under en del av släckförloppet måste genomgås av huvudmaskinens hela fältström. Så vitt känt har denna konstruktion ej fått någon utbredning, vilket är förklarligt.During the next half period, the second thyristor becomes de-energized and goes out in turn, after which the excitation current is shown to the extinguishing resistance. A serious disadvantage of this construction is the need for a fairly large extra winding in the main feeder, which also during part of the extinguishing process must be traversed by the entire field current of the main machine. So far known this construction has not become widespread, which is explicable.

Vid för rotorns fältlindningsmatning borstlösa synkrongene- ratorer av modern typ kvarstår likväl problemet med magneti- seringsenergin i huvudmaskinens fältlindning, innebärande att det i representativa fall kan ta storleksordningen 5 sekunder att få ned utspänningen till hälften, och att vid obelastad linje (kapacitiv belastning) en spänningsstegring dessutom kan uppstå under förloppet.In the case of rotorless field supply for the rotor winding supply, modern type, however, the problem of magnetism remains the field winding of the main engine, meaning that in representative cases it may take the order of 5 seconds to reduce the output voltage to half, and that when unloaded line (capacitive load) a voltage increase in addition can occur during the process.

Det är därför ett syfte enligt uppfinningen att åstadkomma en praktisk, föga kostsam lösning av det uppfinningsmässiga problemet att vid spänningsneddragning av en synkrongenerator av borstlös typ med huvudmaskinens fältmatning via en axel- monterad likriktare från ett medroterande ankare till en matarmaskin öka elimineringshastigheten av magnetiserings- energin. Detta och andra syften uppnås enligt uppfinningen genom ett sätt och en anordning som företer de i den känne- tecknande delen av krav 1, respektive krav 6 angivna särdra- gen. 10 15 20 25 30 35 (JÜ C.) (__-J Û\ _) 2 4 Enligt uppfinningen förutses att tyristorns släckning skall ske genom en strömpuls, som företrädesvis tillföres via borstar även om trådlös överföring är möjlig. Likväl måste generatorn anses borstlös, eftersom inga sådana borstar föreligger, vilka överför annat än signalströmar. Även tidigare kända borstlösa synkrongeneratorer är försedda med borstar för signalöverföring för övervakning, t ex för jord- felsskydd. Uppfinningens borstar kan därmed lämpligen anord- nas på gemensam borstbrygga tillsammans med andra signalöver- förande borstar, för kontakt med en släpringsuppsättning.It is therefore an object of the invention to provide one practical, inexpensive solution of the inventive the problem that in case of voltage reduction of a synchronous generator brushless type with the main machine's field feed via a shaft mounted rectifier from a co-rotating anchor to a feeder increase the elimination rate of excitation the energy. This and other objects are achieved according to the invention by a method and device which presents those of the the distinctive part of claim 1 and claim 6, respectively. Gene. 10 15 20 25 30 35 (JÜ C.) (__- J Û \ _) 2 4 According to the invention, it is envisaged that the thyristor will be extinguished occur through a current pulse, which is preferably applied via brushes even if wireless transmission is possible. Still must the generator is considered brushless, as no such brushes which transmit other than signal currents. Also prior art brushless synchronous generators are equipped with brushes for signal transmission for monitoring, eg for ground error protection. The brushes of the invention can thus suitably be arranged on a common brush bridge together with other signal transmissions leading brushes, for contact with a slip ring set.

Det kan påpekas att borstar för magnetiseringsström vid icke borstlösa synkrongeneratorer kan överföra storleksordningen 100-1 000 A vid 100-1 000 V, beroende på maskinstorlek.It can be pointed out that brushes for excitation current at non brushless synchronous generators can transfer the order of magnitude 100-1 000 A at 100-1 000 V, depending on machine size.

Styrströmmar för tyristorer av släckbar typ rör sig vid dylika magnetiseringsströmmar om storleksordningen 1-5 A vid spänningar om enstaka volt. Uppfinningsföremålet kallas därför med rätta för borstlöst.Control currents for extinguishable type thyristors move such excitation currents of the order of 1-5 A at voltages about single volts. The object of the invention is called therefore rightly too brushless.

Genom uppfinningen kan neddragningstiden kraftigt minskas genom att den effektiva tidskonstanten i fältkretsen minskas med en faktor typiskt = 5. Därigenom minskas risken för spän- ningsstegring som vid t ex 400 kV-nät kan ha betänkliga följder även vid måttliga belopp, t ex 10 %.Through the invention, the pull-down time can be greatly reduced by reducing the effective time constant in the field circuit with a factor typically = 5. This reduces the risk of increase, which in the case of, for example, 400 kV networks may be questionable consequences even in moderate amounts, eg 10%.

Uppfinningen skall nu beskrivas utifrån ett icke begränsande exempel, åskådliggjort i ritningarna.The invention will now be described on the basis of a non-limiting one example, illustrated in the drawings.

Fig 1 visar ett schematiskt kopplingsschema av en borstlös synkrongenerator utrustad enligt uppfinningens princip. Fig 2 visar en generatorrotor på sama axel som en rotor till en matarmaskin.Fig. 1 shows a schematic wiring diagram of a brushless synchronous generator equipped according to the principle of the invention. Fig. 2 shows a generator rotor on the same axis as a rotor to one feeder.

Vad Fig 1 visar är schematiskt en synkrongenerator, med lindningar på själva huvudmaskinen och på den på samma axel (ej visad i Fig 1) monterade matarmaskinen. Huvudmaskinen har en trefasig arbetslindning 1 på sin stator och en magnetise- ringslindning 2 för likström på sin rotor. Matarmaskinen 3 har en trefaslindning 4 på sin rotor och en magnetiserings- lindning 5 med anslutningar 6 och 7 på sin stator. Det som i 10 15 20 25 30 35 .l 5-“0 682 5 Fig 1 visas mellan generatorns magnetiseringslindning 2 och matarmaskinens trefaslindning 4 är sålunda monterat på en roterbar axel.What Fig. 1 shows is schematically a synchronous generator, with windings on the main machine itself and on it on the same shaft (not shown in Fig. 1) mounted the feeder. The main machine has a three-phase working winding 1 on its stator and a magnetizing winding 2 for direct current on its rotor. The feeder 3 has a three-phase winding 4 on its rotor and a magnetizing winding 5 with connections 6 and 7 on its stator. That which in 10 15 20 25 30 35 .l 5- “0 682 5 Fig. 1 is shown between the magnetizing winding 2 of the generator and the three-phase winding 4 of the feeder is thus mounted on one rotatable shaft.

En med halvledardioder på konventionellt sätt bestyckad sexpulslikriktare 8 är ansluten till trefaslindningen 4 och avger därmed en likström till magnetiseringslindningen 2, vid normal drift via en tänd tyristor 10, som är släckbar, före- trädesvis en GTO-tyristor. Parallellt med tyristorn 10 är inkopplat ett dämpningsmotstånd 9. För styrning via dess styrelektrod av tyristorn 10, som alltså sitter monterad vid det roterbara systemet i synkrongeneratorn, finns en släp- ringsanordning ll med släpring på axeln och borste på en borstbrygga. En annan liknande släpringsanordning möjliggör förbindelse med tyristorns 10 anod och kan samtidigt eventu- ellt fullgöra andra, här ej beskrivna funktioner, t ex som signal- eller skyddsjord för mätsystem.One equipped with semiconductor diodes in a conventional way six-pulse rectifier 8 is connected to the three-phase winding 4 and thus emits a direct current to the excitation winding 2, at normal operation via a switchable thyristor 10, which is extinguished, thirdly a GTO thyristor. In parallel with the thyristor 10 is connected to a damping resistor 9. For control via its control electrode of the thyristor 10, which is thus mounted at the rotatable system in the synchronous generator, there is a ring device ll with slip ring on the shaft and brush on a brush bridge. Another similar slip ring device enables connection to the anode of the thyristor 10 and can at the same time or perform other functions not described here, such as signal or protective earth for measuring systems.

Under det förlopp när maskinen startas för infasning bör tyristorn 10 tändas genom en tändpuls, t ex via anslutningar- na 13 och 14 och släpringsanordningarna ll och 12. Tyristorn 10 kommer därefter att vara ledande så länge magnetiserings- ström ledes till magnetiseringslindningen 2. Det är också möjligt att anordna så att tyristorn 10 tänds genom att spänningen över motståndet 9, som uppstår när magnetiserings- ström börjar levereras, bringas att påverka tyristorn (ej visat). För tyristorns 10 släckning erfordras då vid avmagne- tisering att denna inverkan kompenseras genom att en släck- signal då under hela förloppet levereras via släpringsanord- ningarna. Fackmannen inser att detta kan ordnas på flera olika sätt. ' Den uppfinningsmässiga anordningen medför inte några nämn- värda säkerhetsproblem. Om tyristorn 10 blir obrukbar, sker sådant i stort sett alltid i form av att tyristorn blir kortsluten och därmed ostyrbar, medförande att sättet enligt uppfinningen inte längre kan tillämpas. Detta utgör inte något katastrofförlopp. 10 15 20 25 30 35 682 556 6 Den normala styrningen av maskinen under drift sker på för fackmannen välbekant sätt via matarmaskinens 3 stillastående magnetiseringslindning 5, som matas med en varierbar likström från en källa 15.During the process when the machine is started for phasing should the thyristor 10 is ignited by an ignition pulse, e.g. 13 and 14 and the slip ring devices 11 and 12. The thyristor 10 will then be conductive as long as the excitation current is conducted to the excitation winding 2. It is also possible to arrange so that the thyristor 10 is lit by the voltage across the resistor 9, which occurs when the excitation power begins to be delivered, is caused to affect the thyristor (no shown). The switch-off of the thyristor 10 is then required at that this effect is offset by an extinguishing signal is then delivered throughout the process via slip ring devices. the ings. Those skilled in the art will appreciate that this can be arranged upon several different ways. ' The inventive device does not involve any worthy security issues. If the thyristor 10 becomes unusable, it happens such is almost always in the form of the thyristor becoming short-circuited and thus uncontrollable, causing the method according to the invention can no longer be applied. This does not constitute any catastrophic course. 10 15 20 25 30 35 682 556 6 The normal control of the machine during operation takes place on for skilled in the art via the stationary 3 of the feeder 3 excitation winding 5, which is supplied with a variable direct current from a source 15.

När man emellertid vill snabbt nedbringa magnetiseringsström- men i fältlindningen 2, är det enligt uppfinningen otill- räckligt att minska spänningen från matarmaskinen 3, eftersom strömmen i fältlindningen 2 med sin höga impedans fortsätter sitt kretslopp genom likriktaren 8. Vid kapacitiv last kan detta till och med innebära en tillfällig spänningsökning på synkronmaskinen.However, when one wants to rapidly reduce the excitation current but in the field winding 2, according to the invention it is sufficient to reduce the voltage from the feeder 3, since the current in the field winding 2 with its high impedance continues its circuit through the rectifier 8. At capacitive load can this even means a temporary increase in voltage of the synchronous machine.

För att minska dessa effekter och göra nedgången av magneti- seringsströmmen snabbare inkopplas därför enligt uppfinningen motståndet 9, därigenom att en släckpuls tillföres via an- slutningarna 13 och 14.To reduce these effects and reduce the magnetic field the heating current is therefore switched on faster according to the invention resistor 9, in that a quench pulse is applied via the conclusions 13 and 14.

Genom en alltför snabb dämpning kan överspänningar i vissa fall komma att uppträda över fältlindningen, medförande genomslag. För att bemästra detta och ändå få en optimerad dämpning kan det i vissa fall vara lämpligt att montera flera motstånd, som inkopplas genom släckning av var sin tyristor (ej visat i figurerna). Man kan då inställa neddragningsför- loppet så att dämpningen till en början är begränsad till vad fältlindningen tål, för att så småningom ökas under det fortsatta förloppet.Due to too fast attenuation, overvoltages can occur in some cases may occur over the field winding, entailing breakthrough. To master this and still get one optimized damping, it may in some cases be appropriate to mount several resistors, which are switched on by switching off each of the thyristors (not shown in the figures). You can then set the reduction the race so that the damping is initially limited to what the field winding withstands, to eventually increase below it continue the process.

Det är lämpligt att utföra dämpningsmotståndet så att impe- dansen eller dämpningsmotstånden blir möjligast rent resis- tiv, i regel genom känd bifilarlindning.It is appropriate to make the damping resistor so that the dance or damping resistances are as purely resis- tive, usually by known bifilar winding.

GTO-tyristorer ("Gate Turn 0ff") är kommersiellt tillgängliga komponenter, och tillämpliga data är tillgängliga hos till- verkarna, varför det för fackmannen är känt hur själva till- och avslagningen av tyristorn 10 skall tillgå. Den styrkrets som skall anslutas till anslutningarna 13 och 14 behöver därför ej närmare förklaras. 10 “I Ü (Å OI) BJ 5 7 Fig. 2 visar schematiskt de roterande delarna i en synkronge- nerator, med en axel 20, på vilken sitter en rotor 21 för själva generatorn och en rotor 22 för synkrongeneratorns matarmaskin. På axeln 20 finnes vidare släpringar 23, avsedda för övervakning samt också för att släcka den i Fig. 1 visade tyristorn 10. Lindningarna 4 enligt Fig. 1 är placerade i rotorn 22, medan lindningarna 2 är placerade i rotorn 21.GTO thyristors ("Gate Turn 0ff") are commercially available components, and applicable data are available from the manufacturers, which is why it is known to those skilled in the art how to and turning off the thyristor 10 should be available. The control circuit to be connected to connections 13 and 14 need therefore not explained in more detail. 10 "IN Ü (Oh OI) BJ 5 7 Fig. 2 schematically shows the rotating parts in a synchronous generator, with a shaft 20, on which sits a rotor 21 for the generator itself and a rotor 22 for the synchronous generator feeder. On the shaft 20 there are further slip rings 23, intended for monitoring and also for extinguishing the one shown in Fig. 1 thyristor 10. The windings 4 according to Fig. 1 are located in the rotor 22, while the windings 2 are located in the rotor 21.

Motståndet 9 och tyristorn 10 kan lämpligen placeras antingen vid huvudmaskinens rotor 21, t ex som vid 24, eller vid matarmaskinens rotor 22, som 24'. I det senare fallet kan dessa komponenter lämpligen monteras samman med likriktarmed- len 8 till en dynamiskt välbalanserad och mot centrifugal- krafter hållfast enhet.The resistor 9 and the thyristor 10 can be conveniently placed either at the rotor 21 of the main machine, for example as at 24, or at the rotor 22 of the feeder machine, which is 24 '. In the latter case can these components are suitably assembled together with rectifier 8 to a dynamically well-balanced and centrifugal forces durable unit.

Claims

10 15 20 25 30 C ﬁ CJ CD O \ OD NJ Patent Claims

A method for demagnetizing a brushless synchronous generator, the field winding (2) of which is arranged in its rotor (22) rotatable on a shaft and is supplied with direct current from a co-rotating rectifier (8) connected to a rotor (22) co-rotating with the generator to a feeding machine (3), the field winding (5) of the stator being fed from an adjustable current source (15), wherein in series with the field winding (2) of the synchronous generator an attenuation resistor is connected in parallel with a thyristor and means for extinguishing it, characterized by that a controlled extinguishable thyristor (10) is used as the thyristor, which is provided with a control electrode to which, when demagnetized from the outside, a quenching pulse is applied to extinguish the thyristor (10), so that the current passing through the field winding forced to pass through the damping resistor.

2. A method according to claim 1, characterized in that the control electrode of the thyristor (10) is connected to a slip ring (II) mounted on said shaft which is in contact with a brush.

3. A method according to claim 1, characterized in that the attenuation resistor is dimensioned so that the circuit of the field winding (2) at the connection of the attenuation resistor (9) obtains a substantially reduced time constant, preferably by a factor of about 5.

4. A method according to claim 1, characterized in that the damping resistor and the thyristor are mounted on the rotor of the feeder.

5. A method according to claim 1, characterized in that the damping resistor and the thyristor are mounted on the rotor of the synchronous machine. 10 15 20 25 SÛÛ 682 9

A brushless synchronous generator comprising a feed machine mounted on its shaft (20), the field winding (2) of the synchronous generator being arranged on its rotor (21) rotatable on the shaft while the rotor (22) of the feeding machine has windings (4) connected via a co-rotating rectifier (8) to the field winding (2) of the synchronous generator, a damping resistor being connected in series between the rectifier (8) and the synchronous generator (2), and a thyristor parallel thereto, and means for switching off the thyristor, characterized in that the thyristor is a extinguishable thyristor (10), the control electrode of which is connected to a slip ring (11) mounted on the shaft, against which a brush can be connected to a current source arranged for igniting and extinguishing the thyristor.

A brushless synchronous generator according to claim 6, characterized in that the damping resistor is arranged at. connection reduce the effective time constant for the circuit in which the field winding (2) is included, and preferably by a factor of approximately S.

A brushless synchronous generator according to claim 6, characterized in that the damping resistor and the thyristor are mounted at the rotor (22) of the feed machine.

A brushless synchronous generator according to claim 6, characterized in that the damping resistor and the thyristor are mounted at the rotor (21) of the synchronous machine.