Einrichtung zur Erfassung des Polradwinkels einer Synchronmaschine
Generatoren, die Hochspannungsnetze speisen, müssen oftmals mit verhältnismässig schwacher Erregung arbeiten, weil ein beträchtlicher Teil der be nötigten Blindleistung von der Kapazität der Leitungen erzeugt wird. Der Polradwinkel, das heisst der Winkel zwischen der Polrad-EMK und der Klemmenspannung bzw. die Winkelabweichung des Polrades zwischen Leerlauf und Belastung der Maschine, wird dementsprechend gross. Die Generatoren befinden sich praktisch an der Grenze der Stabilität, so dass bereits kleine Störungen ein Aussertrittfallen bedingen können. Um dies zu verhindern, lassen sich in bekannter Weise auf der Generatorwelle Hilfsgeneratoren, stroboskopische Messanordnungen usw. vorsehen, die eine Erfassung und Beeinflussung des Polradwinkels ermöglichen.
Die Nachteile des Bekannten bestehen darin, dass zusätzlicher Raum auf der Generatorwelle nötig wird und die Einrichtungen darüber hinaus teuer und umständlich sind.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche die Messung einer der Maschinenphasenspannung, einer dem Maschinenwirkstrom sowie einer dem Maschinenblindstrom proportionalen Grösse ermöglichen und dass die vorgenannten drei Grössen zur Beeinflussung eines Zusatzgerätes zum Erfassen des Polradwinkels dienen.
Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass man mit rein statischen, keiner Abnützung unterworfenen, einfachen Elementen arbeiten kann, die sich an ohnehin vorhandene Strom-und Spannungswandler leicht anschliessen lassen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch wiedergegeben.
Während die Fig. 1, 2, 9 und 11 die der Erfindung entsprechenden Schaltungen zeigen, dienen die Fig. 3 bis 8 sowie Fig. 10 zur Erläuterung der Wirkungsweise.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Synchronmaschine bezeichnet, an deren Phasen R, S, T zwei sowohl pri mär-als auch sekundärseitig in Reihe geschaltete Spannungswandler 2, 2'liegen. Die beiden äusseren Klemmen dieser Spannungswandler führen über einen Widerstand 3 zu den Teilwicklungen 4a und 5a von Zwischenstromwandlern 4 und 5. Weiterhin ist die gemeinsame Sekundärklemme der Spannungswandler 2, 2'mit zwei. in Reihe geschalteten Teilwicklungen 6a, 7a der Zwischenstromwandler 6 und 7 verbunden, welche ausserdem über eine Parallelschaltung, bestehend aus dem Kondensator 8 und dem Widerstand 9, mit einer äusseren Sekundärklemme der Spannungswandler in Verbindung stehen.
Die Zwischenstromwandler 4, 5, 6 und 7 weisen je eine zweite primäre Teilwicklung 4b, 5b, 6b, 7b auf, die von einem in der Phase S liegenden Stromwandler 10 gespeist werden, wobei in diesem Stromkreis noch ein Doppelpotentiometer 11 vorgesehen ist. Die Sekundärwick- lungen 4c, 5c, der Zwischenstromwandler 4, 5 sind an Gleichrichterbrücken 12 und 13 gelegt, deren Gleichstromklemmen miteinander verbunden sind und zu einem Zusatzgerät 14 führen. Entsprechend werden auch die Sekundärwicklungen 6c, 7c der Zwischenstromwandler 6 und 7 an Gleichrichterbrükken 15, 16 angeschlossen, deren Gleichstromklemmen ebenfalls mit dem Zusatzgerät 14 in Verbindung stehen.
Letzteres ist schliesslich noch an eine Gleichrich terbrücke 17 gelegt, welche über Widerstände 18, 19 mit der gemeinsamen und einer äusseren Sekundär- klemme der Spannungswandler 2, 2'verbunden wird.
Fig. 2 entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Gleiche Teile sind dementsprechend mit denselben Bezugszeichen versehen. In die Verbindungsleitungen einer äusseren und der gemeinsamen Sekundärklemme der Spannungswandler 2, 2' mit den Teilwicklungen der Zwischenstromwandler sind nunmehr jedoch Potentiometer 21, 24 eingeschaltet. Diese Potentiometer werden von Stromwandlern 20, 23 gespeist, die wiederum an Stromwandler 10, 22 angeschlossen sind. Im Hinblick auf die bestehenden Potentialverhältnisse bei Erdnung der Hauptwandler werden die Wandler 20 und 23 erforderlich.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles des Erfindungsgegenstandes sei zunächst Fig. 3 betrachtet. Dort ist das Polrad der Synchronmaschine 1 mit la, eine Phasenwicklung des Stators mit lb, die Rotorlängs- achse mit d und die Querachse mit q bezeichnet.
Ausserdem wurde die Spannung U, der Strom J und der Polradwinkel 8 eingetragen. Erregt man die StÏnderphase lb mit einem Wechselstrom, so lassen sich die für verschiedene Stellungen des Polrades geltenden Maschinenreaktanzen bestimmen. Es ist zu erkennen, dass für 8 = 0 der Maximalwert x, l vorhanden ist, da der grösste magnetische Leitwert dann besteht, wenn die Längsachse d mit der Wicklungsachse zusammenfällt. Der kleinste Leitwert und damit die kleinste Reaktanz x, l treten bei ? = 90¯ auf. Maschinen mit ausgeprägten Polen besitzen ein x,, von un gefähr 0, 6 xl, bei Vollpolmaschinen beträgt x,, un- gefähr 0, 9Àxd.
Fig. 4 gibt ein Zeigerdiagramm der Synchronmaschine unter Zugrundelegung der in Fig. 3 gewählten Bezeichnungen wieder. Es lässt sich nachweisen, dass zwischen der Phasenspannung U und der Resultierenden R', welche aus einer der Maschinenphasenspannung U proportionalen Grösse sowie einer dem Maschinenstrom J proportionalen Grösse besteht (wobei letztere gegenüber ihrer tatsächlichen Richtung um 90¯ el phasenverschoben wird), der Polrad- winkel ? auftritt. Gemäss Fig. 4 ist der Strom J, welcher der Spannung U um den Winkel, nacheilts in seine Wirkkomponente J, und seine Blindkomponente Jb zerlegt.
Um b ermitteln zu können, wird die direkt aus dem Zeigerdiagramm ablesbare Beziehung tg?=JwÀxq?(U+JbÀxq) ben tzt. Man mu¯ also den Wirkstrom, den Blindstrom und die Spannung U zueinander in Beziehung setzen, um ein ¯ für den Polradwinkel 6 zu erhalten.
Die Bestimmung von Jb geschieht in der Schaltung nach Fig. 1 folgenderma¯en : Die Wandlerteilwicklungen 4a und 5a der Zwischenstromwandler 4 und 5 liegen über den Widerstand 3 an den Phasen T und R des in Fig. 5 dargestellten Dreiphasensystems. Ausserdem speist der in der Phase S angeordnete Stromwandler 10 die Teilwicklungen 4b und 5b. Im Zwischenstromwandler 4 unterstützen sich die Durchflutungen der Teilwicklungen 4a und 4b, so dass auf der Sekundärseite 4c die Grösse Ua = U'+ J (Fig. 6) wirksam ist. Im Zwischenstromwandler 5 sind hingegen die Durchflutungen der Teilwicklungen 5a und 5b einander entgegengerichtet.
Folglich tritt im Sekundärkreis 5c die Grösse Ub =U'-J auf. Im Zusatzgerät 14 ist dann infolge der Zusammenschaltung der Gleichrichterbrücken 12 und 13 die Differenz U, = U,, vorhanden. Unter Zugrundelegung von Fig. 6 ergibt eine einfache Rechnung die Beziehung : Ua-Ub=4ÀU'ÀJÀsin γ/(Ua + Ut,).
Wählt man nun U'wesentlich grösser als J, SO kann für L, @+Ub ungefÏhr zweimal U'gesetzt werden. Damit vereinfacht sich die Formel zu : Ua-Ub=2ÀJÀsinγ.
An den Gleichstromklemmen der Brücken 12 und 13 ist also eine die Richtung von U'aufweisende Stromkomponente abgreifbar (Fig. 6). Da U'und die Phasenspannung S senkrecht aufeinanderstehen, stellt die genannte Stromkomponente den Blindstrom Jb dar.
Auf analoge Weise lässt sich der Wirkstrom J,, mit Hilfe der Zwischenstromwandler 6 und 7 bestimmen.
Gemäss Fig. 1 wird hierbei als Spannung t//die Spannung zwischen den Phasen R und S benützt.
Man würde dann eine Stromkomponente erhalten, welche die Richtung dieser verketteten Spannung hätte. Um einen Strom J\,. in Phase mit der Spannung S zu erzielen, muss eine Richtungsverschiebung vorgenommen werden, was durch das Parallelschaltglied 8, 9 möglich ist. Schliesslich wird dem Zusatzgerät 14 auch noch eine der Spannung proportionale Grösse über den Gleichrichter 17 zugeführt, so dass sämtliche Kennwerte, welche den Lastwinkel bestimmen, erfasst sind. Die in den einzelnen Stromkreisen angeordneten Widerstände und Potentiometer erlauben es in einfachster Weise, die Beziehung
Jb = - U/xq + Jw?ctg? zu erfüllen. Die letztgenannte Formel ergibt sich unmittelbar aus der oben angeschriebenen Gleichung für tgò.
Die bisherigen Betrachtungen hatten zur Voraussetzung, dass die Spannung an den Klemmen der Synchronmaschine starr ist. Trifft dies nicht zu, so müssen die Reaktanzen zwischen den Generatorklemmen und dem Netzpunkt, an welchem die Spannung als starr angesehen werden kann, ebenfalls be rücksichtigt werden. Zur Spannung U kommt also noch die Grösse/- hinzu (Fig. 7). Für die Stabilität der Maschine ist der Winkel zwischen U"und R', das heisst ci + d'massgebend. d'kann nun nicht einfach durch die Addition von x zu x berücksichtigt werden, da (3" (Fig. 7) einen anderen Wert besitzt als b'.
Fügt man hingegen, wie es bei der Einrichtung nach Fig. 2 mit Hilfe der Zusatzpotentiometer 21, 24 geschieht, zum Potential S die Komponente J. 1. r24 (wobei JT der Strom der Phase T, r24 der jeweilige Widerstand des Potentiometers 24 ist) und zum Potential T die Grösse-JS r21 hinzu (Fig. 8), so lässt sich V berück- sichtigen.
Gemäss Fig. 9 führen die Gleichrichter 15 und 16, welche an die Sekundärwicklungen 6c, 7c der Zwischenstromwandler 6 und 7 angeschlossen sind, zu einer weiteren Gleichrichterbrücke 25, die schliesslich mit dem Zusatzgerät 14 verbunden wird. Auf diese Weise lässt sich der Einfluss der Wirkkomponente des Stromes unabhängig von ihrer Richtung halten, das heisst unabhängig davon, ob die Synchronmaschine als Motor oder Generator arbeitet.
Das Zusatzgerät 14, das beispielsweise ein Relais, ein Transduktor, ein Transistor oder dergleichen ist, kann sowohl mit einem Regler für die Erregung der Synchronmaschine als auch mit einem Regler der Antriebsmaschine zusammenarbeiten, und zwar entweder im Sinne einer Regelung des Polradwinkels oder aber auch im Sinne einer Begrenzung des Winkelhöchstwertes, um ein Aussertrittfallen zu vermeiden.
Unter bestimmten Bedingungen kann es zweckmässig sein, der Funktion J, = f (Jb) eine gekrümmte Kennlinie, etwa gemäss Fig. 10, zugrunde zu legen.
Ein solcher Kurvenverlauf lässt sich beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 11 gezeigten Anordnung erreichen.
Dort sind wieder mit 15 und 16 die Gleichrichterbrücken bezeichnet, welche eine dem Wirkstrom proportionale Komponente liefern, während die Brücke 25 die Richtungsunabhängigkeit des Wirkstromes vom Generator-oder Motorbetrieb gewährleistet. Das Zusatzgerät 14 ist an den einen Pol eines Potentiometers 26 angeschlossen, das von der Gleichspannung U, gespeist wird.
Die aus dem Zusatzgerät 14 und einem Widerstand 27 bestehende Reihenschaltung führt über Gleichrichter 28, 29 und Widerstände 30, 31 sowie ein Element 32, welches mit dem Zusatzgerät 14 gekoppelt ist, zu Abgriffen des Potentiometers 26. Wenn gemäss Fig. 1 oder 2 die Gleichrichterbrücken 15, 16 direkt mit dem Zusatzgerät 14 in Verbindung stehen, so gilt auf Grund der Beziehung Ji, =--+/-ctgf3beispielsweise bei Motorbetrieb Xq ein Funktionsverlauf entsprechend der Strecke AB (Fig. 10).
Verwendet man hingegen die Schaltung nach Fig. 11, so wird in dem Augenblick, in welchem die Spannung an der Reihenschaltung 14, 27 die Spannung U1 übersteigt, ein Teil des Wirkstromes J . vom Zusatzgerät 14 abgezweigt, und der Zusammenhang zwischen J\V und Jb ist dann durch die Strecke BC gegeben.
Schliesslich kann man mit Hilfe einer Gegenkopplung zwischen 14 und 32 die Strecke CD einstellen.
Infolge der Verwendung der Gleichrichterbrücke 25 lässt sich bei Generatorbetrieb der Kurvenzug A, B', C, D'erzielen. Es ist selbstverständlich, dass durch Anordnung weiterer, mit der Reihenschaltung 14, 27 in Verbindung stehenden Abzweigungen die Kurvenstücke der gekrümmten Funktion beliebig klein gehalten werden können. Weiterhin lässt sich auch das Element 32 in Form einer verstärkenden Kopplung verwenden.