Anordnung bei einer schleifringlos erregten Synchronmaschine zur Überwachung des Stromes in den Strompfaden
Bei einer schleifringlosen Erregung einer Synchronmaschine handelt es sich um eine Anordnung, bei welcher der zur Speisung des Läuferfeldes notwendige Gleichstrom in Form von Wechselstrom in einem Wechselstromgenerator erzeugt wird, dessen Anker sich auf der Läuferwelle befindet oder ein Teil derselben ist. Ein ebenfalls auf der Welle montierter mitrotierender Gleichrichter besorgt die Umformung des Wechselstromes in Gleichstrom. Es handelt sich also um ein elektrisch in sich abgeschlossenes rotierendes System, welches die Speisung des Feldes mit Gleichstrom ohne Schleifringe und Kommutator ermöglicht.
Der mitrotierende Gleichrichter besteht aus Halb leiter-Gleichrichterelementen, welche je nach gewählter Schaltungsart zu m Gruppen zusammengefasst werden, wobei wiederum jede Gruppe in eine Anzahl n an gleicher Spannung liegender paralleler Strompfade aufgeteilt ist. Zum Schutz gegen inneren Kurzschluss ist den Gleichrichterelementen in Serie pro Strompfad eine Sicherung vorgeschaltet. Im allgemeinen wird die Anzahl n paralleler Strompfade pro Gruppe so gewählt, dass bei Defekt einer oder mehrerer Sicherungen die verbleibenden Strompfade hinsichtlich der Gleichrichterelemente nicht überlastet sind.
Gegebenenfalls wird man, speziell bei grossen Turbogeneratoren, bis zu einem gewissen Grade eine vorübergehende Leistungsreduktion durchführen, damit man bei Überschreiten der Anzahl zulässiger Sicherungsdefekte pro Schaltgruppe für Nennbetrieb nicht gezwungen ist, eine plötzliche Abschaltung vornehmen zu müssen.
Voraussetzung für diese wünschenswerte Betriebsweise ist eine Überwachungseinrichtung, die es erlaubt, jederzeit über den augenblicklichen Betriebszustand des Gleichrichters zu informieren. Es stellt sich ferner für die überwachungseinrichtung die Forderung einer kontaktlos arbeitenden automatischen Anzeige. Darüber hinaus sollen Befehle zur Leistungs- reduktion oder Abschaltung gegeben werden können.
Es sind verschiedene Anordnungen bekannt geworden, die die Überwachung eines rotierenden Gleichrichters zum Gegenstand haben.
Eine bekannt gewordene Anordnung benützt die während der Sperrphase des Gleichrichters an den Klemmen einer defekten Sicherung anstehende Sperrspannung zur Magnetisierung eines Induktors, wobei die Sicherungen pro Schaltgruppe zusammengefasst ein Signal induzieren, dessen Amplitude ein Mass für die Anzahl defekter Sicherungen darstellt. Hierbei können aber Pendelungen Fehlanzeigen verursachen.
Auch wird vorgeschlagen, mittels dieser Spannungen Einzelinduktoren zu magnetisieren. Dieses System vermag nicht zu befriedigen, da Fälle möglich sind, bei denen trotz Unterbruch des Strompfades keine Sperrspannung an den Klemmen der Sicherung anliegt, z.B. bei Leitungsunterbruch im Strompfad oder bei Ausbrennen eines Gleichrichterelementes. Ausserdem ist das gesamte rotorseitige Messystem galvanisch nicht vom Erregerkreis getrennt, was unter Berücksichtigung der grossen Beschleunigungskräfte die Gefahren eines Isolationsdefektes auf dem Rotor in ungerechtfertigt hohem Masse vergrössert.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Anordnung zur schleifringlosen Erregung einer Synchronmaschine die einzelnen mit Sicherungen versehenen Strompfade der mitrotierenden Gleichrichter kontaktlos zu überwachen.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung bei einer schleifringlos erregten Synchronmaschine zur Überwachung des Stromes in den Strompfaden der mitumlaufenden Erreger-Gleichrichter von m Gruppen mit je n parallelen Strompfaden und mit Mitteln zur Erzeugung von Signalen, welche an der Läuferwelle induktiv und ortsfest abgenommen werden und nach Zahl und Lage eventuell auftretender Gleichrichterdefekte die Signale in einem Auswertegerät ausgewertet werden, wobei am Umfang eines auf der Läuferwelle mitdrehenden Trägerkörpers entsprechend den m n Strompfaden m n magnetisierbare Kerne angebracht sind.
Die Erfindung besteht darin, dass im ungestörten Zustand die Magnetisierung jedes Kernes durch den Strom des zugehörigen Strompfades erfolgt, wobei auf einem ersten Umfangskreis diesen Kernen gegenüber n stationäre Abnahmespulen teilungsgleich so angeordnet sind, dass ihre maximale Induzierung im Bereich der maximalen Magnetisierung der Kerne erfolgt, und dass auf einem zweiten Umfangskreis auf dem Trägerkörper ein induzierender Eisenkern und über diesem Umfangskreis m gleichverteilte feststehende Abnahmespulen angeordnet sind und dass die feststehenden Spulen über den beiden Umfangskreisen mit je einem Eingang zu einem UND-Gatter von m n Auswertekanälen des Auswertegerätes verbunden sind.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden:
Fig. 1 zeigt eine Halbleitergleichrichterschaltung.
Die Fig. 2 zeigt die Anordnung zur Überwachung.
Die Fig. 3, 4, 5, 6 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Magnetisierkerne.
Dem Ausführungsbeispiel ist ein Erregergleichrichtersystem in Dreiphasensternschaltung für eine schleifringlos erregte Synchronmaschine zugrunde gelegt.
In Fig. 1 sind 1 die mitrotierenden, dreiphasig angeordneten, induzierten Wicklungen einer Induktionsmaschine, welche mit dem Läufer der Synchronmaschine mitdreht. Die Statorwicklung der Induktionsmaschine wirkt als Gleichstromerregerwicklung. Der umlaufende Erregergleichrichter weist somit m = 3 Schaltgruppen (ABC) auf. Jede Schaltgruppe weist n = 4 Strompfade auf (a1, a2, a3, a4 ; b1...,cl).
Jeder Strompfad weist zwei in Serie geschaltete Halbleitergleichrichter 2 und eine Sicherung 3 auf. Im ganzen sind m - n = 12 Strompfade vorhanden.
In der Fig. 2 sind die Mittel zur Erzeugung von Signalen dargestellt, welche induktiv von der Läuferwelle abgenommen und ortsfest ausgewertet werden.
Dazu ist jedem Strompfad ein magnetisierbarer Eisenkern 5 zugeordnet. Sämtliche m n Kerne sind ent lang einem Umfangskreis auf einem Trägerkörper 8 gleichmässig verteilt angeordnet. Im ungestörten Zu- stand, also bei normalem Betrieb, erfolgt eine Magnetisierung jedes Kernes durch den Strom im zugehörigen Strompfad. Den rotierenden Kernen 5 gegenüber sind n stationäre magnetisierbare Kerne mit Abnahmespulen angeordnet. Sie haben gleiche Teilung wie die Teilung der Kerne auf dem Trägerkörper. Die Abnahmespulen 11... 14 liegen auf dem ersten Umfangskreis 8a und sind mit den rotierenden Kernen 5 über den Luftspalt derart magnetisch koppelbar, dass sie durch Drehen in Umfangsrichtung in den Bereich der maximalen Induzierung der Kerne 5 gleicher Phasengruppe m gebracht werden.
In diesem Bereich werden in den Abnahmespulen 11... 14 infolge der Rotation der Kerne 5 Spannungsimpulse induziert.
Wenn also z.B. die Phasengruppe A gerade stromführend ist, die zugehörigen Magnetkerne 5 auf den Polbogenpunkten a 1, a 2, a 3, a 4 im ungestörte Zustand alle maximal magnetisiert sind und die Abnahmespulen 11, 12, 13, 14 in diesem Zeitmoment tA den Polbogenpunkten genau gegenüberstehen, wird in allen Abnahmespulen 11... 14 gleichzeitig ein auswertbarer Impuls induziert.
Auf einem zweiten Umfangskreis 8 b ist auf dem Trägerkörper 8 ein induzierender Eisenkern 14 angebracht. Dieser Eisenkem kann ein Permanentmagnet sein, der das nötige Magnetfeld erzeugt. An dessen Stelle kann auch der Kern der Abnahmespule mit Gleichstrom vormagnetisiert sein, so dass beim Vorbeilaufen des Eisenkerns 15 in der Abnahmespule ebenfalls eine Spannung induziert wird. Diesem Eisenkern gegenüber sind m = 3 über dem Umfang gleich verteilte, stationäre, mit Eisenkernen versehene, Abnahmespulen R1, R2, R5 angeordnet. Der Kern 15 steht dem Kern der Spule R1 gerade in dem Zeitmoment gegenüber, in welchem in allen Abnahmespulen 11 bis 14 durch die Kerne al... a4 gleichzeitig ein Impuls induziert wird.
In entsprechender Weise werden im Leitbereich der Phasengruppen B und C zu äquidistanten Zeitintervallen t3 und tc die jeweils den entsprechenden Gruppen zugehörigen Kerne 5 in allen Abnahmespulen 11-14 und den korrespondierenden Spulen R2 und R5 gleichzeitig Impulse induziert.
Die Abnahmespulen 11 bis 14 sowie die Abnahmespulen R1 bis R5 sind auf das Auswertegerät geschaltet. Dieses enthält Auswertekanäle a 11 bis a 14, b 11 bis b 14, c 11 bis c 14, zusammengefasst in m = 3 Gruppen (Ao Bo Co) zu je n = 4 Auswertekanälen.
Jede Abnahmespule 11... 14 ist auf je den einen Eingang eines UND-Gatters in jedem Auswertekanal geschaltet. Je eine der Abnahmespulen R1... R3 sind auf je die anderen Eingänge der UND-Gatter je einer Gruppe Ao, Bo, Co geschaltet. An die Ausgänge jedes Auswertekanals sind Anzeigelampen L angeschlossen.
In den Eingangsleitungen zu den Auswertekanälen a 11... C 14 sind Impulswandler (A/C-Wandler) 21 eingebaut, welche die Impulse der Abnahmespulen in rechteckige Impulse für den Eingang in die UND Gatter umwandeln. Den Aufbau eines Auswertekanals (z.B. a11) wie er für jeden Strompfad vorhanden ist, zeigt Fig. 3. Die jeweils von den Abnahmespulen (11... 14) bzw. ...... R3) kommenden Eingangsleitungen gelangen auf je einen A/C-Wandler 21, mit welchen die für die Gatter 22 notwendige Amplituden- und Impulsform erhalten wird. Aus der Menge der in den Abnahmekernen 11... 14 induzierten Impulse, die an allen Kanälen am UND-Gatter 22 entstehen, werden jene auf dem monostabilen Multivibrator 23 mit einstellbarer Abfallverzögerung durchgelassen, die mit dem Referenzimpuls, z.B. von R1 zeitlich zusammenfallen.
Das ist dann der Fall, wenn auf Grund der mechanischen Zuordnung, z.B. die Kerne der Strompfade also4 den Abnahmespulenkernen 11... 14 genau gegenüberliegen, wie in Fig. 2 gezeigt. Dem Multivibrator folgt je eine Anzeigelampe (24). Der Multivibrator 23 dient als Verzögerungsglied mit einstellbarer Verzögerung. Dadurch sollen Fehlanzeigen durch fremde kurzzeitige Störimpulse oder durch transiente Vorgänge im Hauptgenerator verhindert werden. Eine Verzögerungszeit von ca. 2 Sekunden ist zweckmässig.
Die Wirkungsweise ist folgende:
Bei normalem Betrieb, also bei nicht durchgebrannten Sicherungen, führen die Schaltgruppen A, B, C abwechselnd während eines Zeitintervalles von einem Bruchteil einer Periode einen positiven Gleich richterstrom. Wenn z.B. gerade die Gruppe A vollen Strom führt, befindet sich der induzierendeMagnet 15 gerade der Spule R1 gegenüber. Sämtliche UND-Gatter der Gruppe Ao sind infolgedessen auf Stromdurchlass geschaltet. Dasselbe trifft auch in entsprechender Weise für die Gruppen Bo und CO zu. Sämtliche Anzeigelampen 23 leuchten.
Ist eine der Sicherungen durchgebrannt, z.B. die Sicherung des Strompfades a,, dann wird im zugehörigen Kern kein Magnetfeld erzeugt und in der Abnahrnespule 13 wird in diesem Moment keine Spannung induziert, während der zugehörige Referenzimpuls in R1 aber auftritt. Die zu gellörigen Kanäle a 13, b 13, c 13, sind also gesperrt, auch dann, wenn von der Spule R1 der jeweils zweite Eingang der UND-Gatter der Gruppe Ao Spannung erhält. Die zugehörige Anzeigelampe bleibt dunkel und zeigt damit an, dass die rotierende Sicherung im Strompfad a3 defekt ist und durch eine neue ersetzt werden muss.
Es kann ein weiteres Gatter (25) angeschlossen sein zur Ausführung von Warnsignalen. Durch eine weitere, nicht näher dargestellte Vorrichtung (26) kann die Synchronmaschine beeinflusst werden. Es kann ein Abschalten vorgenommen oder eine Leistungsreduktion der Synchronmaschine eingeleitet werden.
Der Aufbau der magnetisierbaren Kerne kann gemäss der Figuren 3 und 4 erfolgen. Auf dem mitrotierenden Trägerkörper 1 sind U-förmige Magnetkerne 2 eingelegt, wofür am Umfang radiale Schlitze 3 vorgesehen und in die die Schenkel des Magnetkernes eingelegt sind. Die eingelegten Magnetkerne weisen an ihrem Mittelstück Nasen 2b auf. Über diese erfolgt die Festklemmung der Kerne am Trägerkörper, indem diese Nasen gegen den Innenrand lb des Trägerkörpers gedrückt werden, mittels eines Keilkörpers 4. Der Keilkörper wird durch eine Schraube 5 angezogen, wobei gleichzeitig auch der benachbarte Kern festgeklemmt wird. 6 ist der Stromleiter des Strompfades, durch den der Magnetkern magnetisiert wird.
Den Schenkelenden 2a stehen entsprechende ortsfeste Magnete 22 von gleicher Form gegenüber. Auf diesen Magneten sind die Abnahmespulen 11 bis 14 gemäss der Fig. 2 angebracht.
Die Abnahmespulen auf den beiden Umfangskreisen sind zweckmässig auf konzentrisch zur Wellenachse liegenden Ringen angebracht. Diese Ringe sind in Umfangsrichtung verstellbar und ermöglichen es, die Abnahmespulen in den Bereich der maximalen Magnetisierung zu bringen. Bei den Magneten auf dem Umfangskreis 8a kann wegen des nur kleinen, mit Magneten bedeckten, Bogens auch nur ein Ringsegment verwendet werden.
Die in diesen Spulen induzierte Impulsspannung weist eine ausgeprägte, positive und negative Spannungshalbwelle auf. Dies stellt an den AC-Wandler 21 in den Eingangsleitungen zu den Auswertekanälen besondere Anforderungen um daraus positive Impulse für den Eingang an die UND-Gatter zu erhalten.
Für die Auswertung in den Auswertekanälen kann es wünschenswert sein, schon in den Abnahmespulen Impulse zu erhalten, deren positive Halbwelle hoch und schmal ist, während die negativen Halbwellen klein und breit sind, so dass diese direkt dem UND Gatter zugeführt werden können. Die Fig. 5 und 6 zeigen magnetisierende Kerne, die eine solche Spannungskurve ergeben und die Form von Polplatten haben.
Auf dem Trägerkörper 1 (abgewickelt dargestellt) sind die Polplatten 2 befestigt, deren Enden 2a sich gegenseitig mit einem bestimmten Abstand a gegen überstehen und so ein Luftspalt entsteht, in dessen Bereich sich ein magnetisches Streufeld ausbildet. Die Befestigung auf dem Trägerkörper erfolgt mit versenkten Schrauben 3 unter Zwischenlage von Distanzstücken 4. Unmittelbar unter jedem Luftspalt 2a/2a liegt ein Leiter 5, der den Strom eines Strompfades führt. Es sind m n Luftspalte bzw. Stromleiter vorhanden. Die jeweilige Rückführung jedes Leiters (5a) erfolgt in der Mitte zwischen den Luftspalten und zwischen zwei zusammengehörenden Abstützungen 4.
Ortsfest ist der prismatische Abnahmekern 6 mit der Abnahmespule 7 angeordnet. Die Breite des Kernes an der Stirnfläche, also an der Eintrittsstelle des magnetischen Feldes entspricht ungefähr der Luftspaltbreite a. Zur Verbesserung der magnetischen Verhältnisse, also zur Verringerung des magnetischen Widerstandes vom Kern nach den Polplatten weist der Abnahmekern beidseitig Eisen-Rückschlüsse 6a auf, welche bis in die Nähe der Polplatten reichen. Dabei verringert sich der Luftspalt nach der Mitte hin. Das Verhältnis Abnahmekernbreite a zur Polplattenteilung t richtet sich nach der erforderlichen relativen Impulsbreite und liegt im vorliegenden Fall zweckmässig bei etwa 1:10.
Die Anordnung der Abnahmespulen nach Fig. 5 und 6 ermöglicht es, gleichgerichtete Impulse zu erzeu- gen. Die Polplatten und die Abstützungen sind einfach Konstruktionselemente und können zudem sehr robust ausgeführt werden. Sie vermögen deshalb zusätzliche Zentrifugalkräfte aufzunehmen, so dass sie gleichzeitig zur Befestigung des Stromleiters dienen können. Es können ebene Polplatten verwendet werden und brauchen, wenigstens bei einer grösseren Zahl von Luftspalten, der Krümmung des Trägerkörpers nicht angepasst zu werden,
Die Rückführung des Leiters 5a kann, statt wieder durch das Magnetsystem, zunächst radial nach innen verlaufen und direkt an den einen Pol der Sicherung angeschlossen werden. Vorstehende Spulenköpfekön- nen dadurch vermieden werden.
Mit Hilfe der synchronen Abtastung wird es möglich, die einzelnen Strompfade eines umlaufenden Erregergleichrichters vollkommen automatisch und selektiv zu überwachen, wobei im Störungsfall der ausgefallene Strompfad nach Schaltgruppe und Lage innerhalb der Schaltgruppe exakt angezeigt wird.
Für die Überwachung des Betriebes kann es notwendig sein, dass bei einer Verringerung der Erregung z.B. bei Unterschreiten der Erregung bei Leerlauf um 20%, die Überwachungsanlage ausgeschaltet wird, damit nicht ein Sicherungsdefekt vorgetäuscht wird. Da hierfür die direkte Messung des Erregerstromes nicht möglich ist, wird ersatzweise der damit etwa proportionale Felderregerstrom zugezogen. Zu diesem Zweck ist im Erregerstromkreis der Erregermaschine ein Minimalstromrelais eingeschaltet, dessen Betätigungskontakt beim Ansprechen eine Unterbrechung beim Auswertegerät bewirkt. Dazu kann der Schaltkontakt des Relais beim Auswertegerät zwischen dem Multivibrator 23 und der Anzeigelampe 24 eingeschaltet werden. Es kann auch der Speisestromkreis des Auswertegerätes unterbrochen werden.
Das Einschalten erfolgt zweckmässig mit einer zeitlichen Verzögerung um allfällige, betriebsmässig auftretende plötzliche kurzzeitige Senkungen des Erregerstromes nicht wirksam werden zu lassen.
Es ist zweckmässig, die rotierenden bzw. stationären Kerne (2 bzw. 22) mit unterschiedlicher Länge in der Richtung der Rotorachse auszuführen, derart, dass, wenn sich der Rotor infolge Temperaturdehnung verlängert, die einander gegenüberstehenden Polflächen in ihrer wirksamen Grösse unverändert bleiben. Dazu ist jeweils die Abmessung der einen Polfläche gegenüber der anderen Polfläche in der Achsrichtung um den Betrag der Wärmedehnung verschieden.