Schutz- und Überwachungseinrichtung an einem rotierenden Gleichrichteraggregat einer elektrischen
Maschine
Es sind rotierende Gleichrichteraggregate zur Erregung der umlaufenden Feldwicklungen von elektrischen Maschinen, insbesondere Synchronmaschinen bekannt, bei welchen den einzelnen Dioden oder den an ein und derselben Phasenleitung angeschlossenen, zueinander parallel geschalteten Dioden jeweils Sicherungen vorgeschaltet sind. Diese Sicherungen ermöglichen bei Durchschlag der Dioden, wenn diese zu mehreren parallel geschaltet sind, eine Abschaltung der kranken Gleichrichterzweige. Es ist üblich, bei derartigen Erregeranordnungen für grössere Leistungen mehr Dioden mit zugehörigen Sicherungen parallel zu schalten, als für den Erregerstrom unter Berücksichtigung der Überregungs- fähigkeit erforderlich ist.
Eine solche Anordnung ermöglicht ohne weiteres, dass bei Ausfall beispielsweise einer einen Gleichrichterzweig bildenden Diodenstromleitung oder einer sehr kleinen Anzahl letzterer im Normalfall das Abstellen des Maschinensatzes, beispielsweise eines Turbogeneratorsatzes grosser Leistung, nicht erforderlich ist. Jedoch muss unter Umständen beim Ausfall eines oder mehrerer Gleichrichterzweige innerhalb der an dieselbe Phasenleitung angeschlossenen Diodenstrom-Leitungsgruppe infolge Abschaltung durch die Sicherungen der Maschinensatz mit verringerter Leistung betrieben und insbesondere die für den Fall von Kurzschlüssen vorgesehene Stosserregung ausser Kraft gesetzt werden, weil sich sonst die Gefahr ergeben würde, dass eine Überlastung in den übrigen Gleichrichterzweigen eintritt.
Unter diesen umständen besteht ein grosses Bedürfnis, die Zahl der betriebsfähigen Gleichrichterzweige genau zu überwachen und die ausgefallenen Gleichrichterzweige festzustellen, sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit hiervon den Erregerstrom zu begrenzen.
An sich sind Überwachungseinrichtungen für rotierende Gleicbrichteraggregate mit den Dioden vorgeschalteten Sicherungen bekannt, bei denen der Ausfall der Sicherungen stroboskopisch unter Anwendung von den Ausfall anzeigenden Kennmeldern der Sicherungen überwacht werden kann.
Es ist weiterhin bekannt, den den Diodenstrom führenden Leitungen ortsfeste, über den Umfang der die Dioden tragenden Räder (Gleichrichterträgerräder) verteilte Empfängerspulen zuzuordnen. Hierbei ist insbesondere die Anordnung derart getroffen, dass in einer Kupplungshälfte durch Herausdrehen von Nuten und Ausarbeiten von Schlitzen ein Polkranz hergestellt ist, dessen Polzähne durch den innerhalb Stromleitungsbolzen zur Erregerwicklung fliessenden Strom der Gleichrichter erregt werden, derart, dass in einem den Polkranz umgebenden Jochsystem mit Spulen dem Gleichrichterstrom proportionale Spannungen induziert werden. Diese Anordnung dient zur Messung des Erreger Stromes. Es ist mit ihr jedoch nicht möglich, aus der Vielzahl der Dioden die ausgefallenen ihrer Anzahl und ihrer Phasenzugehörigkeit nach zu erfassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine die vorerwähnten Nachteile vermeidende Schutz und Überwachungseinrichtung zu schaffen, bei der auf induktivem Wege der Ausfall von Dioden infolge Abschaltung durch Sicherungen eine Anzeige bzw. ein Warnsignal auslöst.
Gegenstand der Erfindung ist nunmehr eine Schutzund Überwachungseinrichtung an einem rotierenden Gleichrichteraggregat einer elektrischen Maschine, wobei von einer umlaufenden Wechsel- oder Drehstromankerwicklung einer Erregermaschine der elektrischen Maschine den mit dieser Ankerwicklung umlaufenden, als Gleichrichterelemente dienenden Dioden Wechselstrom zugeleitet ist, der, über die mit elektrischen Sicherungen versehenen Diodenstromleitungen geführt, als Gleichstrom der Feldwicklung der elektrischen Maschine zugeleitet wird, wobei einer jeden der Diodenstromleitungen eines von mehreren ortsfesten, über den Umfang von mindestens einem die Dioden tragenden Gleichrichterträgerrad verteilten induktiven Abfrageorganen zugeordnet ist.
Die Erfindung besteht hierbei darin, dass die induktiven Abfrageorgane, die den als Diodenstrom-Leitungsgruppe an ein und demselben Phasenleitung angeschlossenen Diodenstromleitungen zugeordnet sind, eine Gruppe induktiver Abfrageorgane bilden, die beim Vorbeilaufen der einzelnen parallel liegenden Diodenstromleitungen gleichzeitig erregt werden, wobei jedes der dabei in jeder der induktiven Abfrageorgane der betreffenden Abfrageorgangruppe induzierten Ausgangssignale den einen der Eingänge je eines der jeder der Diodenstromleitungen zugehörigen elektronischen Steuerelemente zugeführt wird, welch letztere innerhalb je einer Steuerelementgruppe gleichfalls je einer Diodenstrom-Leitungsgruppe zugeordnet sind, wogegen an jeden anderen Eingang dieser elektronischen Steuerelemente Synchionisierimpulse periodisch zu solchen Zeitpunkten zugeführt werden,
dass bei jedem Umlauf des rotierenden Gleichrichteraggregates durch jedes der elektronischen Steuerelemente der betreffenden Steuerelementgruppe nur ein Signal, und zwar das Signal durchgelassen wird, das in jenem induktiven Abfrageorgan induziert worden ist, das derselben Diodenstromleitung zugeordnet ist wie das jeweils durchlassende elektronische Steuerelement, und dass die Ausgangssignale der elektronischen Steuerelemente jeder der Steuerelementgruppen zu Anzeigevorrichtungen geführt sind, welche zur Ermittlung einer gestörten Diodenstrom-Leitungsgruppe und/oder zur Ermittlung der Anzahl der unterbrochenen Diodenstromleitungen pro zugehöriger Diodenstrom-Leitungsgruppe dienen.
Eine Anordnung, bei der den über den Umfang eines Gleichrichterrades verteilt angeordneten Reihenschaltungen aus Dioden und Sicherungen der Wechselstrom von der Wechselstromerregermaschine über Wechselstromsegmente, welche mit den Phasenleitungen der Erregermaschine verbunden sind, phasenweise zeitlich verschoben zugeführt wird, veranschaulicht Fig. 1 in einem Prinzipschaltbild. In dieser Fig. bedeuten U-V-W je drei Phasenringsegmente der Gleichrichterträgerräder I und II, - im folgenden vereinfachend als Gleichrichterräder bezeichnet - denen von der Wech seistromerregermaschine (in der Fig. nicht dargestellt) die Wechselspannung bzw. der Wechselstrom zugeführt wird. d sind mehrere in Parallelschaltung an die Phasenringsegmente U-V-W angeschlossene Dioden.
Die Phasenringsegmente U,V,W ihrerseits sind an die entsprechenden Phasenleitungen der Haupterregermaschine angeschlossen, weshalb letztere vereinfachend gleichfalls mit U,V,W im folgenden bezeichnet werden. r (+) bzw. r (-) sind Sammelringe für die Gleichstromableitung. Zwischen den Dioden d und den Phasenringsegmenten U,V,W sind jeweils einzelne Sicherungselemente eingeschaltet. Wie in der Fig. angedeutet ist, sind nahe den einzelnen Zuleitungen zwischen den Pha senringsegmenten U-V-W und den Dioden d im Bereiche des Gleichrichterrades, vorzugsweise mit radialem Abgriff, ortsfeste induktive Abfrageorgane angeordnet, in denen bei Rotation der Gleichrichterräder eine Spannung induziert wird, wenn ein geschlossener Stromkreis über die intakte Sicherung vorhanden ist. Fig. 1 gilt für Drehstrombrückenschaltung.
Jedoch könnte auch eine andere Schaltung, z. B. Stern- oder Doppelstern schaltung, vorhanden sein.
Betrachtet man nun die Arbeitsverhältnisse innerhalb der Gleichrichterräder - die Betrachtung kann zur Vereinfachung im folgenden zunächst auf nur ein Rad beschränkt werden - so ergibt sich, dass bei einer Umlauffrequenz fR des Rades mit dem darauf angeordneten Phasensegmenten bei einer Drehstromfrequenz fS der Wechselstromerregermaschine auf dem rotierenden System eine am Umfang wechselnde Stromverteilung eintritt, die je nach der Zuordnung der Phasenleitungen der Haupterregermaschine zu den Phasenringsegmenten entweder in Drehrichtung des Rades vorauseilt oder sich entgegen der Drehrichtung des Rades bewegt.
Diese umlaufende Stromverteilung wird nun bei der erfindungsgemässen Einrichtung ausgenutzt, indem die durch die magnetische Wirkung in den induktiven Abfrageorganen induzierten Spannungen mittels elektronischer Steuerelemente selektiv Anzeigevorrichtungen zugeführt werden. Es empfiehlt sich hierbei ein solcher Anschluss der Phasenleitungen, dass ein zur Drehrichtung des Gleichrichterrades gegensinniger Umlauf der Stromverteilung in den Diodenstromleitungen vorhanden ist, weil sich hierbei eine geringere Relativgeschwindigkeit des Feldes gegenüber der ruhenden Umgebung und den induktiven Abfrageorganen ergibt und die Zusatzverluste kleiner gehalten werden.
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden.
Fig. 2 der Zeichnung gibt schematisch die Schaltung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäss ausgebildeten Schutz- und Üb erwachungs einrichtung für ein rotierendes Gleichrichteraggregat, dessen Schaltung im Prinzip in Fig. 1 angedeutet ist, wieder.
Fig. 3 der Zeichnung gibt eine etwas abgeänderte Ausführungsform wieder, die sich bezüglich der Impuls steuerung für die elektronischen Steuerelemente unterscheidet.
Fig. 4 zeigt zur Veranschaulichung der Wirkungsweise in Abhängigkeit von dem auf der Ordinatenachse aufgetragenen Raddrehwinkel ip bzw. dem auf der Abszissenachse aufgetragenen zeitabhängigen Winkel co t für die unter dem Winkel no angeordneten induktiven Abfrageorgane die durch Induktion zum jeweiligen Zeitpunkt wirksamen Stromführungsbereiche der den Phasenleitungen U-V-W zugeordneten Diodenstromleitungen.
Fig. 5 veranschaulicht die mehrfache Ausnutzung der induktiven Abfrageorgane für die den verschiedenen Phasenleitungen U-V-W zugeordneten Diodenstrom-Leitungsgruppen bzw. Diodenstromleitungen.
Fig. 6 veranschaulicht eine weitere Ausgestaltung mit Einwirkung der Anzeigevorrichtungen auf eine Steuereinrichtung zur Beeinflussung des Erregerstromes.
Fig. 7 bezieht sich auf eine Verbesserung der induktiven Abfrageorgane durch magnetische Rückschlüsse.
In der ein Ausführungsbeispiel veranschaulichenden Fig. 2 bedeuten Um1 - UmÄ eine innerhalb der Abfrageorgangruppe Ue angeordnete Anzahl von als Empfängerspulen ausgebildeten induktiven Abfrageorganen, die den als eine Diodenstromleitungsgruppe an ein und derselben Phasenleitung angeschlossenen Diodenstromleitungen zugeordnet sind. Dabei ist jeder Diodenstromleitung bzw. jeder Sicherung je ein induktives Abfrageorgan zugeordnet. In analoger Weise sind den an die anderen Phasenleitungen V bzw. W angeschlossenen Diodenstromleitungen die gleichfalls als Empfängerspulen ausgebildeten induktiven Abfrageorgane Vml VmA bzw. Wml - WmA als Abfrageorgangruppen Ve bzw. We zugeordnet.
Die induktiven Abfrageorgane sind an die Eingänge einer der Abfrageorgananzahl entsprechenden Anzahl von elektronischen Steuerelementen 2 angeschlossen, welch letztere innerhalb je einer Steuerelementgruppe Us, Vs, Ws gleichfalls je einer Diodenstrom-Leitungsgruppe zugeordnet sind. Die induktiven Abfrageorgane je einer Abfrageorgangruppe Ue bzw. Ve bzw.
We werden nun beim Vorbeilaufen der einzelnen parallel liegenden Diodenstromleitungen gleichzeitig erregt, wobei jedes der dabei in jeder der induktiven Abfrageorgane der betreffenden Abfrageorgangruppe induzierten Ausgangssignale den einen der Eingänge je eines der Steuerelemente 2 zugeführt wird, wogegen an jeden anderen Eingang dieser Steuerelemente Synehronisierimpulse von einem Steuerwerk 5 periodisch zu solchen Zeitpunkten zugeführt werden, dass bei jedem Umlauf des rotierenden Gleichrichteraggregates durch jedes der Steuerelemente 2 der betreffenden Steuerelementgruppe nur ein, und zwar das Signal durchgelassen wird, das in jenem induktiven Abfrageorgan induziert worden ist, das derselben Diodenstromleitung zugeordnet ist wie das jeweils durchlassende Steuerelement.
Die Ausgangssignale der Steuerelemente jeder der Steuerelementgruppen Us, Vs, Ws sind zu Anzeigevorrichtungen geführt, welche zur Ermittlung einer gestörten Diodenstrom-Leitungsgruppe und/oder zur Ermittlung der Anzahl der unterbrochenen Diodenstromleitungen pro zugehöriger Diodenstrom-Leitungsgruppe dienen. Die elektronischen Steuerelemente 2 können eine beliebige Ausbildung besitzen, also beispielsweise können Elektronenröhren, Thyristoren oder Transistoren Anwendung finden. Als induktive Abfrageorgane dienen, wie erwähnt, Empfängerspulen, weshalb im folgenden die induktiven Abfrageorgane als Empfängerspulen bezeichnet werden.
Jedoch versteht es sich, dass anstelle von Empfängerspulen Hallgeneratoren verwendet werden können, die gegenüber den umlaufenden Diodenstromleitungen so angeordnet sind, dass beim Vorbeilaufen stromführender Diodenstromleitungen mittels der Hallgeneratoren entsprechende Impulse erzeugbar sind.
Im einzelnen sind die Steuerelemente 2 ausgangsseitig mit einem Und-Gatter 3 an sich bekannter Ausbildung verbunden. Dieses Und-Gatter liefert ausgangsseitig dann ein Signal, wenn alle Eingänge des Gatters bei ungestörtem Betriebe der zugehörigen Diodenstrom Leitungsgruppe je Umdrehung ein Signal empfangen haben. Beim Ausbleiben des Signals wird in einer Gruppen-Anzeigevorrichtung 4 eine Anzeige, z. B. ein Licht-Warnsignal oder eine Hupe, ausgelöst. Um auf jeden Fall eine innerhalb jeder Empfängerspulengruppe gleichzeitige Impulszuleitung von den Empfängerspulen Uml-UmA usw. zu den Und-Gattern 3 zu ermöglichen, werden zwischen den Steuerelementen 2 und den Und Gattern 3 noch die Impulsdauer verlängernde Elemente oder Speicherstufen 2a eingeschaltet.
Hierbei können beispielsweise sogenannte rückgekoppelte Zeitkipper Anwendung finden, die ein Signal von einer Mindestdauer in ein von der Zeitdauter des Eingangssignals unabhängiges verlängertes Ausgangssignal verwandeln, das von selbst wieder verschwindet. Die Steuerelemente 2 sind so bemessen, dass sie die den Und-Gattern 3 zugeleiteten Stromimpulse auf eine maximale vorzugebende Grösse beschränken. Die rückgekoppelten Zeikipper können entfallen, wenn die Impulsspannungen annähernd sinusförmigen Verlauf haben und die Öffnungszeitdauer der Steuerelemente passend gewählt wird.
Die einzelnen Impulsspannungen der Empfängerspulen Um1 - Um werden im übrigen einer gemeinsamen Einzelanzeigevorrichtung 4a zugeführt, die eine der Anzahl der Empfängerspulen bzw. Diodenanzahl entsprechende Anzahl von Schauzeichen, Lampen oder dergleichen enthält. Selbstverständlich können auch unabhängige selbständige Anzeigevorrichtungen vorhanden sein.
Die gleiche Schaltung ist für die den Diodenstromleitungen der anderen Diodenstromleitungsgruppen zugeordneten Empfängerspulen Vmi - VmÄ und Wm WmS der Empfängerspulengruppen Ve, We nebst zugehörigen Steuerelementgruppen Vs, Ws, Zeitkippern 2, Und-Gattern 3 und Anzeigevorrichtungen 4, 4a innerhalb des Rades I vorgesehen. Die Schaltung des anderen Gleichrichterrades II ist sinngemäss.
Die Steuerung der Steuerelemente 2 übernimmt, wie erwähnt, das Steuerwerk 5. Dieses Steuerwerk ist grundsätzlich so ausgebildet, dass es bei einer Schaltung gemäss Fig. 2 zur Steuerung der Steuerelemente der beiden Radhälften I und II dient.
Das Steuerwerk ist im Beispiel der Fig. 2 einem elektrischen Impulszählwerk nachgeschaltet. Durch Impulsleitungen 51 bzw. 52 wird für die beiden Räder (+Rad I und Rad II) der Zählbeginnimpuls erteilt. Die Zählimpulse sind vorteilhafterweise von der von der Umlaufdrehzahl abhängigen Oberwellenfrequenz im Strom der Haupterregermaschine abgeleitet. 7 bedeutet die Zuleitung für die Zählimpulse mit einem die Oberwellenfrequenz durchlassenden Siebfilter 7a. Bei 150 Hz Speisefrequenz ergibt sich im Erregerstromkreis eine Oberwellenfrequenz von 900 Hz. Eine solche Zählfrequenz ermöglicht durch weitere Massnahmen, wie beispielsweise Einschaltung eines Brückengleichrichters 6, eine Impulsfrequenz von 1800 Hz. Damit dient das Impulszählwerk einer sehr genauen Steuerung der Steuerelemente.
Durch das Steuerwerk sind nun nacheinander in den beiden Gleichrichterrädern I und II die Diodenstromleitungen radweise einzeln und gruppenweise überprüfbar. Das Steuerwerk gibt nacheinander für eine gewisse Impulszeit die Steuerelemente der Diodenstrom Leitungsgruppen zunächst des Rades I und anschliessend des Rades II frei, derart, dass während jedes Umlaufs der Gleichrichterräder zunächst die von den Diodenströmen der Dioden des einen Rades induzierten Impulsspannungen durch die Steuerelemente durchgelassen werden und danach in gleicher Weise die Impulsspannungen, die von den Diodenströmen der Dioden des anderen Gleichrichterrades induziert werden.
Anstelle eines nach dem Zählprinzip arbeitenden Steuerwerkes, welches mit einer von der Ankerspannung der Wechselstromerregermaschine abhängigen Zählspannung höherer Frequenz arbeitet, könnte zur Steuerelementsteuerung z. B. auch ein Kollektorschaltwerk vorgesehen sein, das abhängig von der Drehbewegung der Gleichrichterräder angetrieben ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 erfolgt die Umsteuerung der Steuerelemente 2 mittels einer dem Gleichrichterrad zugeordneten induktiven Impulssteuereinrichtung 20. Hierzu ist an dem umlaufenden Gleichrichterrad ein Magnet 26 angebracht, der in am Umfang des rotierenden Gleichrichterrades ruhend gegen über der Laufbahn des Magneten 26 angeordneten Steuerspulen 27, 28 und 29 Spannungsimpulse induziert, die über Steuerimpulsgleichrichter 25 den gesteuerten Steuerelementen 2 als Steuerimpulse zur taktweisen Öffnung der Stromtore 2 - wie bereits erläutert - zu- geführt werden. Die Anzeigevorrichtungen sind wiederum mit 4, 4a, die Empfängerspulen mit Um1 - Um, Vml - Vmi und Wml - WmÄ, die Empfängerspulengruppen mit We, Ve, Ue, Und-Gatter mit 3 und Zeitkipper mit 2a bezeichnet.
Unter Umständen kann noch eine Zwischenverstärkung und Impulsformung vorgesehen sein. Bezüglich der Anordnung der Steuerelemente und der als Impulsformer verwendeten Elemente, d. h. der rückgekoppelten Zeitkipper 2a, der Und-Gatter 3 mit den an das Gatter angeschlossenen Anzeigeeinrichtungen 4, 4a unterscheidet sich im übrigen das in Fig. 3 wiedergegebene Ausführungsbeispiel nicht von dem in Fig. 2 wiedergegebenen. Fig. 3 zeigt nur die Überwachung für ein Gleichrichterrad. Bei Anordnungen mit beispielsweise zwei Rädern (z. B.
+Rad und Rad bei Drehstrombrückenschaltung) würde grundsätzlich in dem zweiten Rad die Schaltung eine analoge Ausbildung zu derjenigen nach Fig. 3 besitzen. Die Steuerungen für die beiden Räder I und II sind in diesem Falle völlig getrennt und unabhängig voneinander.
War bei der Erläuterung der Fig. 2 davon ausgegangen, dass eine der Anzahl der Diodenstromleitungen entsprechende Anzahl von Empfängerspulen Uml Umi, Vml - VmZ und Wml - WmA vorhanden ist, so kann eine Vereinfachung infolge Verringerung der Anzahl der den umlaufenden Diodenstromleitungen zugeordneten Empfängerspulen dadurch erreicht werden, dass, wie es Fig. 4, 5 zeigen, an einzelne der Empfängerspulen (ml' bis mol 5') nicht nur Steuerelemente (2' bzw. 2" bzw. 2"') einer Steuerelementgruppe (Vs' bzw.
Ws' bzw. Us') angeschlossen sind, sondern auch Steuerelemente (2"' und/oder 2" und/oder 2') anderer Steuerelementgruppen, und dass die Empfängerspulen in solcher Winkellage und Verteilung gegenüber den rotierenden Diodenstromleitungen des bzw. der Gleichrichterräder angeordnet sind, dass in einzelnen der Empfängerspulen während eines Umlaufs der rotierenden Diodenstromleitungen mehrmals Impulsspannungen induziert werden, die beim Vorbeilaufen von Diodenstromleitungen entstehen, die an unterschiedliche Phasenleitungen angeschlossen sind.
Fig. 4 zeigt für ein Gleichrichterrad mit 10 an dieselbe Phasenleitung parallel angeschlossenen Diodenstromleitungen je Diodenstrom-Leitungsgruppe - wo- bei eine dreiphasige Wechselstrommaschine verwendet ist, in den Diodenstrom-Leitungen die Stromverteilung entgegengesetzt zu der Drehrichtung umläuft und eine Wellenfrequenz von 50 Hz (+) und eine Erreger-Speisefrequenz von 150 Hz (-) zugrundegelegt ist - aufgetragen über dem Drehwinkel von 360 bzw. der a > t-Achse während eines Radumlaufs die zeitliche und räumliche Aufeinanderfolge der bandförmigen Stromführungsbereiche der Diodenstrom-Leitungsgruppen.
Innerhalb der mit verstärkten Linien ausgezogenen Gesamtbereiche U, V und W, entsprechend den Phasenleitungen U V - W, sind über dem zeitabhängigen Drehwinkel ot die zugehörigen räumlichen Winkel w für die einzelnen Empfängerspulen Uml - UmlO usw. mit geringer Strichstärke eingetragen. Die überlappenden Kommutierungszonen innerhalb der Stromführungsbereiche sind durch gestrichelte Begrenzungslinien abgegrenzt. Wie durch die strichpunktiert angedeutete Gerade G parallel zur Abszissenachse veranschaulicht ist, kann eine Empfängerspule, die beispielsweise unter einem Winkel W von 30 angeordnet ist, wiederholt bei einer Radumdrehung zur Impulsgabe in Abhängigkeit von Strömen der von verschiedenen Phasenleitungen gespeisten Diodenstromleitungen benutzt werden.
Die prinzipielle Schaltung für die Mehrfachausnutzung ein und derselben Empfängerspule veranschaulicht beispielsweise Fig. 5. Hiernach kann man mit insgesamt 15 Empfängerspulen ml' - m15' bei einem Dreiphasensystem auskommen, bei welchem je Phasenleitung zehn parallel geschaltete Diodenstromleitungen vorhanden sind. Wie es die Fig. erkennen lässt, werden die Empfängerspulen m6' - m10' dreifach, die Empfängerspulen m3'-mS', mll' und m12' zweifach und die Empfängerspulen ml', m2' sowie m13'-m15' einfach ausgenutzt, um jeweils 10 Steuerelementen 2t' bis 2in', 21" bis 210" und 21"' bis 210"' der Steuerelementgruppen Vs', Ws' und Us' die Impulsspannungen zuführen zu können.
In Fig. 3 der Zeichnung sind die Umfangsbereiche, in denen eine einfache, zweifache und dreifache Ausnutzung der Empfängerspulen möglich ist, aus der Überdeckung der Kreisbögen a, b bzw. c ersichtlich, wobei diese Kreisbögen den erforderlichen Arbeitsbereich der Empfängerspulen für die Impuls aufnahme bzw. Überwachung der an die Phasenleitungen U-V-W angeschlossenen Diodenstromleitungen bedeuten. In Fig. 3 bedeutet ferner a den Ansteuerwinkel (Winkel zwischen Magnet 26 und Anfang des Phasenringsegmentes U). ss nyle, nys, sind die Abstände der Steuergeber 27, 28, 29 untereinander.
Durch die beschriebene Mehrfachausnutzung der Empfängerspulen lässt sich eine wesentliche Verminderung der Empfängerspulenanzahl im Vergleich zu der Anzahl der je Diodenstrom-Leitungsgruppe vorhandenen Diodenstromleitungen erzielen. Allgemein lässt sich die Mindestzahl der Empfängerspulen nach der Formel n = 2 (3 R + sin 2As) wenn A > 3 die Zahl der parallelen Diodenstromleitungen je Phasenstrang oder -hälfte darstellt, errechnen.
Die beschriebene Schutz- und Überwachungseinrichtung kann noch dadurch weiter ausgestaltet werden, dass bei Ausfall des Impulses einer Empfängerspule, wenn durch die Gruppen-Anzeigevorrichtung 4 ein Warnsignal gegeben ist, eine Umschaltung in dem zugehörigen Und Gatter derart vorgenommen wird, dass von dem Und Gatter erneut ein Impuls zur Erzeugung eines Warnsignals abgegeben wird, wenn innerhalb der verringerten Anzahl der stromführenden Diodenstromleitungen ein Ausfall einer weiteren Diodenstromleitung durch Abschaltung der zugehörigen Sicherung erfolgt.
In einer einfachen Form kann diese Umschaltung des Und-Gatters so erfolgen, dass im Eingangskreis für jede Impulsspannung ein Unterbrechungskontakt angeordnet wird, der beim Quittieren einer Ausfallmeldung betätigt wird. Dadurch liefert das Und-Gatter für die verbliebenen Stromkreise wieder das dem ungestörten Betrieb entsprechende Ausgangssignal. Erst beim erneuten Ausfall einer zum selben Und-Gatter gehöri gen weiteren Sicherung erfolgt eine weitere Meldung, die auf die gleiche Weise quittiert werden kann.
Eine weitere zweckmässige Weiterbildung besteht darin, dass abhängig von der Zahl der in einer Diodenstrom-Leitungsgruppe ausgefallenen Dioden bzw. Sicherungen in den Spannungsreglerkreis der Synchronmaschine eingegriffen wird, in dem entsprechend dem Ausfall einer bestimmten Diodenstromleitungsanzahl die Stosserregung beeinflusst bzw. ausser Kraft gesetzt wird, um die verbleibenden Dioden nicht zu überlasten. Dies wird - wie in Fig. 6 veranschaulicht - dadurch erreicht, dass zusätzlich zu den Schaltungen nach Fig. 2 und 3 zwischen den impulsverlängernden Elementen 2a und den Und-Gattern 3 Quittungsschalter q angeschlossen sind, die ausser Unterbrecherkontakten zum Quittieren der Fehlermeldungen noch je eine Schliesskontaktstrekke bl bis bi aufweisen.
Diese Schliesskontaktstrecken dienen zum Überbrücken von Vorwiderständen rl bis r eines Schaltrelais E, das die Steuerung für die Stosserregung beeinflusst. Der Vorwiderstand ist so unterteilt, dass beim Ausfall einer bestimmten Diodenstromleitungsanzahl das Schaltrelais E anspricht, da eine entsprechende Zahl von Vorwiderständen beim Quittieren überbrückt und so die Ansprechspannung des Schaltrelais erreicht wird.
Selbstverständlich kann dieser Eingriff in den Spannungsreglerkreis in beliebig vielen Stufen, abhängig von der Zahl der ausgefallenen Diodenstromleitungen, vorgenommen werden. Ausserdem kann der Eingriff in den Spannungs-Reglerkreis statt durch die dargestellte Steuereinrichtung z. B. abhängig von einem der Zahl der ausgefallenen Diodenstromleitungen proportionalen Ausgangssignal einer Registriereinrichtung vorgenommen werden, so dass auch ohne vorheriges Quittieren einer Fehlermeldung der Spannungs-Reglerkreis beeinflusst wird. Es kann in manchen Fällen Vorteile bieten, zur Erzeugung verstärkter Impulse für die Empfängerspulen m Blech- oder Ferritjoche j vorzusehen, die im feststehenden und/oder rotierenden Teil des rotierenden Gleichrichteraggregates angeordnet sind. Eine derartige Anordnung ist schematisch in Fig. 7 gezeigt.
Protection and monitoring device on a rotating rectifier unit of an electrical
machine
Rotating rectifier units for exciting the rotating field windings of electrical machines, in particular synchronous machines, are known in which fuses are connected upstream of the individual diodes or the diodes connected in parallel to one and the same phase line. If the diodes break down and several are connected in parallel, these fuses enable the diseased rectifier branches to be switched off. With such excitation arrangements, it is common to connect more diodes with associated fuses in parallel for greater powers than is necessary for the excitation current taking into account the overexcitation capability.
Such an arrangement easily makes it possible that if a diode current line forming a rectifier branch fails, for example, or a very small number of the latter, it is normally not necessary to shut down the machine set, for example a high-power turbo generator set. However, in the event of failure of one or more rectifier branches within the diode current line group connected to the same phase line, the machine set may have to be operated with reduced power as a result of being switched off by the fuses and, in particular, the shock excitation provided for the case of short circuits must be disabled, because otherwise the danger would arise would result in an overload in the remaining rectifier branches.
Under these circumstances, there is a great need to precisely monitor the number of operational rectifier branches and to determine which rectifier branches have failed and, if necessary, to limit the excitation current as a function thereof.
Monitoring devices for rotating equipotential units with fuses connected upstream of the diodes are known, in which the failure of the fuses can be stroboscopically monitored using the identification indicators of the fuses that indicate the failure.
It is also known to assign stationary receiver coils distributed over the circumference of the wheels carrying the diodes (rectifier carrier wheels) to the lines carrying the diode current. In particular, the arrangement is such that a pole ring is produced in one coupling half by unscrewing grooves and working out slots, the pole teeth of which are excited by the current of the rectifier flowing inside the power line bolt to the exciter winding, so that in a yoke system surrounding the pole ring with Coils proportional voltages are induced to the rectifier current. This arrangement is used to measure the excitation current. However, it is not possible with it to detect the number and phase of the failed ones from the large number of diodes.
The invention is based on the object of creating a protection and monitoring device which avoids the aforementioned disadvantages and in which the failure of diodes as a result of switching off by fuses triggers a display or a warning signal by inductive means.
The subject of the invention is now a protection and monitoring device on a rotating rectifier unit of an electrical machine, whereby alternating current is fed from a rotating AC or three-phase armature winding of an exciter of the electrical machine to the armature winding rotating with this armature winding and serving as rectifier elements, which is supplied via the electrical fuses provided diode power lines, is fed as direct current to the field winding of the electrical machine, each of the diode power lines being assigned one of several stationary inductive interrogators distributed over the circumference of at least one rectifier carrier wheel carrying the diodes.
The invention consists in that the inductive interrogation organs, which are assigned to the diode current lines connected as a diode current line group to one and the same phase line, form a group of inductive interrogation organs, which are excited at the same time as the individual parallel diode current lines pass, each of the in each of the inductive interrogation organs of the respective interrogation group induced output signals to one of the inputs of one of the electronic control elements belonging to each of the diode current lines, which latter are also assigned to a diode current line group within each control element group, whereas synchionizing pulses are periodically applied to every other input of these electronic control elements are supplied at such times,
that with each revolution of the rotating rectifier unit through each of the electronic control elements of the respective control element group, only one signal is allowed to pass through, namely the signal that has been induced in that inductive interrogation element that is assigned to the same diode current line as the respective passing electronic control element, and that the Output signals of the electronic control elements of each of the control element groups are fed to display devices which are used to determine a faulty diode current line group and / or to determine the number of interrupted diode current lines per associated diode current line group.
An arrangement in which the series connections of diodes and fuses are distributed over the circumference of a rectifier wheel and the alternating current from the alternating current exciter is fed in a phase-shifted manner via alternating current segments which are connected to the phase lines of the exciter, illustrated in FIG. 1 in a schematic diagram. In this Fig. U-V-W mean three phase ring segments of the rectifier carrier wheels I and II - hereinafter referred to as rectifier wheels for simplicity - which are supplied by the Wech seistromerregermaschine (not shown in the figure), the AC voltage or the AC current. d are several diodes connected in parallel to the phase ring segments U-V-W.
The phase ring segments U, V, W in turn are connected to the corresponding phase lines of the main exciter, which is why the latter are also referred to as U, V, W in the following for the sake of simplicity. r (+) and r (-) are collecting rings for direct current discharge. Individual fuse elements are connected between the diodes d and the phase ring segments U, V, W. As indicated in the figure, fixed inductive interrogation elements are arranged near the individual leads between the Pha senringsegmenten UVW and the diodes d in the area of the rectifier wheel, preferably with radial tap, in which a voltage is induced when the rectifier wheels rotate a closed circuit is present via the intact fuse. Fig. 1 applies to a three-phase bridge circuit.
However, another circuit, e.g. B. star or double star circuit, be available.
If one now considers the working conditions within the rectifier wheels - for the sake of simplicity, the consideration can initially be limited to only one wheel in the following - it results that with a rotational frequency fR of the wheel with the phase segments arranged on it, with a three-phase frequency fS of the alternating current exciter on the rotating system a current distribution that changes on the circumference occurs, which, depending on the assignment of the phase lines of the main exciter to the phase ring segments, either leads in the direction of rotation of the wheel or moves against the direction of rotation of the wheel.
This circulating current distribution is now used in the device according to the invention in that the voltages induced in the inductive interrogation elements by the magnetic effect are selectively supplied to display devices by means of electronic control elements. It is recommended that the phase lines are connected in such a way that the current distribution in the diode current lines rotates in the opposite direction to the direction of rotation of the rectifier wheel, because this results in a lower relative speed of the field compared to the stationary environment and the inductive interrogation elements and the additional losses are kept smaller.
Exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail below.
Fig. 2 of the drawing schematically shows the circuit of an embodiment of an inventive protection and monitoring device for a rotating rectifier, the circuit of which is indicated in principle in Fig. 1, again.
Fig. 3 of the drawing shows a slightly modified embodiment again, which differs in terms of the pulse control for the electronic controls.
4 shows the mode of operation as a function of the wheel rotation angle ip plotted on the ordinate axis or the time-dependent angle co t plotted on the abscissa axis for the inductive interrogation elements arranged at the angle no, the current-carrying areas of the phase lines UVW that are effective by induction at the respective point in time assigned diode power lines.
5 illustrates the multiple use of the inductive interrogation elements for the diode current line groups or diode current lines assigned to the various phase lines U-V-W.
6 illustrates a further embodiment with the action of the display devices on a control device for influencing the excitation current.
Fig. 7 relates to an improvement of the inductive interrogation members by magnetic conclusions.
In FIG. 2, which illustrates an exemplary embodiment, Um1-UmÄ denote a number of inductive interrogation elements, which are arranged as receiver coils and are arranged within the group of interrogators Ue and assigned to the diode current lines connected to one and the same phase line as a diode current line group. Each diode power line or each fuse is assigned an inductive interrogator. In an analogous manner, the diode current lines connected to the other phase lines V and W are assigned the inductive interrogation organs Vml, VmA and Wml-WmA, which are likewise designed as receiver coils, as interrogation organ groups Ve and We.
The inductive interrogation organs are connected to the inputs of a number of electronic control elements 2 corresponding to the number of interrogation organs, the latter being assigned to a respective diode current line group within each control element group Us, Vs, Ws. The inductive interrogation organs each have an interrogation organ group Ue or Ve or
We are now excited at the same time as the individual parallel diode current lines run past, with each of the output signals induced in each of the inductive interrogation organs of the respective interrogation organ group being fed to one of the inputs of one of the control elements 2, whereas synchronization pulses from a control unit are sent to every other input of these control elements 5 are fed periodically at such times that with each revolution of the rotating rectifier unit through each of the control elements 2 of the control element group in question, only one signal is allowed through, namely the signal that has been induced in that inductive interrogator that is assigned to the same diode current line as the respective permeable control.
The output signals of the control elements of each of the control element groups Us, Vs, Ws are fed to display devices which are used to determine a faulty diode current line group and / or to determine the number of interrupted diode current lines per associated diode current line group. The electronic control elements 2 can have any design, so for example electron tubes, thyristors or transistors can be used. As mentioned, receiver coils are used as inductive interrogation elements, which is why the inductive interrogation elements are referred to below as receiver coils.
However, it goes without saying that instead of receiver coils, Hall generators can be used which are arranged opposite the circumferential diode current lines so that corresponding pulses can be generated by means of the Hall generators when current-carrying diode current lines pass.
In detail, the control elements 2 are connected on the output side to an AND gate 3 of known design. This AND gate then delivers a signal on the output side when all the inputs of the gate have received a signal per revolution with undisturbed operation of the associated diode current line group. If the signal is absent, a display, e.g. B. a light warning signal or a horn triggered. In order to enable a simultaneous pulse feed within each receiver coil group from the receiver coils Uml-UmA etc. to the AND gates 3, elements or storage stages 2a which extend the pulse duration are switched on between the control elements 2 and the And gates 3.
For example, so-called feedback time tippers can be used here, which convert a signal of a minimum duration into an extended output signal that is independent of the duration of the input signal and that disappears again by itself. The control elements 2 are dimensioned in such a way that they limit the current pulses fed to the AND gates 3 to a maximum size to be specified. The back-coupled Zeikipper can be omitted if the pulse voltages have an approximately sinusoidal curve and the opening time of the control elements is selected appropriately.
The individual pulse voltages of the receiver coils Um1-Um are also fed to a common individual display device 4a which contains a number of indicators, lamps or the like corresponding to the number of receiver coils or number of diodes. It goes without saying that there can also be independent stand-alone display devices.
The same circuit is provided for the receiver coils Vmi - VmÄ and Wm WmS of the receiver coil groups Ve, We and associated control element groups Vs, Ws, time tippers 2, AND gates 3 and display devices 4, 4a inside the wheel I, which are assigned to the diode current lines of the other diode current line groups. The circuit of the other rectifier wheel II is analogous.
The control of the control elements 2 takes over, as mentioned, the control unit 5. This control unit is basically designed so that it is used in a circuit according to FIG. 2 to control the control elements of the two wheel halves I and II.
In the example of FIG. 2, the control unit is connected downstream of an electrical pulse counter. The start of counting pulse is issued for the two wheels (+ wheel I and wheel II) through pulse lines 51 and 52, respectively. The counting pulses are advantageously derived from the harmonic frequency, which is dependent on the rotational speed, in the current of the main exciter. 7 denotes the feed line for the counting pulses with a screen filter 7a that allows the harmonic frequency to pass through. At 150 Hz supply frequency, the excitation circuit has a harmonic frequency of 900 Hz. Such a counting frequency enables a pulse frequency of 1800 Hz through further measures, such as switching on a bridge rectifier 6. The pulse counter is used for very precise control of the control elements.
By means of the control unit, the diode current lines in the two rectifier wheels I and II can now be checked individually and in groups, wheel by wheel. The control unit sequentially releases the control elements of the diode current line groups for a certain pulse time, first of wheel I and then of wheel II, in such a way that during each revolution of the rectifier wheels, the pulse voltages induced by the diode currents of the diodes of one wheel are passed through the control elements and then in the same way the pulse voltages that are induced by the diode currents of the diodes of the other rectifier wheel.
Instead of a control unit working according to the counting principle, which works with a higher frequency counting voltage dependent on the armature voltage of the AC machine, the control element control z. B. a collector switching mechanism can be provided, which is driven depending on the rotational movement of the rectifier wheels.
In the embodiment according to FIG. 3, the control elements 2 are reversed by means of an inductive pulse control device 20 assigned to the rectifier wheel. For this purpose, a magnet 26 is attached to the rotating rectifier wheel, which is located in control coils 27 on the circumference of the rotating rectifier wheel, resting against the track of the magnet 26 , 28 and 29 induced voltage pulses which, via control pulse rectifiers 25, are fed to the controlled control elements 2 as control pulses for the cyclical opening of the current gates 2 - as already explained. The display devices are in turn denoted by 4, 4a, the receiver coils with Um1 - Um, Vml - Vmi and Wml - WmÄ, the receiver coil groups with We, Ve, Ue, And gates with 3 and time tipper with 2a.
Under certain circumstances, intermediate amplification and pulse shaping can also be provided. Regarding the arrangement of the control elements and the elements used as pulse shapers, i. H. the feedback time tipper 2a, the AND gate 3 with the display devices 4, 4a connected to the gate, otherwise, the embodiment shown in FIG. 3 does not differ from that shown in FIG. Fig. 3 shows only the monitoring for one rectifier wheel. In the case of arrangements with, for example, two wheels (e.g.
+ Wheel and wheel with three-phase bridge circuit), the circuit in the second wheel would basically have a design analogous to that of FIG. 3. The controls for the two wheels I and II are completely separate and independent of one another in this case.
If in the explanation of FIG. 2 it was assumed that a number of receiver coils Uml Umi, Vml - VmZ and Wml - WmA corresponding to the number of diode current lines is present, a simplification can thereby be achieved by reducing the number of receiver coils assigned to the circulating diode current lines that, as shown in FIGS. 4, 5, not only control elements (2 'or 2 "or 2"') of a control element group (Vs' or 2 ") are connected to individual of the receiver coils (ml 'to mol 5').
Ws 'or Us') are connected, but also control elements (2 "'and / or 2" and / or 2') of other control element groups, and that the receiver coils are arranged in such an angular position and distribution relative to the rotating diode current lines of the rectifier wheel or wheels are that in individual of the receiver coils during one revolution of the rotating diode power lines, pulse voltages are induced several times, which occur when diode power lines that are connected to different phase lines pass by.
Fig. 4 shows for a rectifier wheel with 10 diode current lines connected in parallel to the same phase line per diode current line group - whereby a three-phase alternating current machine is used, the current distribution in the diode current lines runs in the opposite direction to the direction of rotation and a wave frequency of 50 Hz (+) and an excitation supply frequency of 150 Hz (-) is used - plotted against the angle of rotation of 360 or the a> t axis during a wheel revolution, the temporal and spatial sequence of the band-shaped current-carrying areas of the diode current line groups.
Within the total areas U, V and W drawn with reinforced lines, corresponding to the phase lines U V - W, the associated spatial angles w for the individual receiver coils Uml - UmlO etc. are plotted with thin lines over the time-dependent angle of rotation ot. The overlapping commutation zones within the current carrying areas are delimited by dashed boundary lines. As illustrated by the dash-dotted straight line G parallel to the abscissa axis, a receiver coil, which is arranged, for example, at an angle W of 30, can be used repeatedly during one wheel rotation to generate pulses depending on the currents of the diode current lines fed by different phase lines.
The basic circuit for multiple use of one and the same receiver coil is illustrated, for example, in FIG. 5. According to this, a total of 15 receiver coils ml'-m15 'can be used in a three-phase system in which ten parallel-connected diode current lines are present for each phase line. As the figure shows, the receiver coils m6 '- m10' are used three times, the receiver coils m3'-mS ', mll' and m12 'are used twice and the receiver coils ml', m2 'and m13'-m15' are simply used to 10 control elements 2t 'to 2in', 21 "to 210" and 21 "'to 210"' of the control element groups Vs', Ws' and Us' to be able to supply the pulse voltages.
In Fig. 3 of the drawing, the circumferential areas in which a single, double and triple utilization of the receiver coils is possible, from the overlap of the arcs a, b and c can be seen, these arcs respectively the required working range of the receiver coils for the pulse recording Monitoring of the diode current lines connected to the phase lines UVW mean. In Fig. 3, a also denotes the control angle (angle between magnet 26 and the beginning of the phase ring segment U). ss nyle, nys, are the distances between the controllers 27, 28, 29.
As a result of the multiple utilization of the receiver coils described, a significant reduction in the number of receiver coils can be achieved in comparison to the number of diode current lines present per diode current line group. In general, the minimum number of receiver coils can be calculated using the formula n = 2 (3 R + sin 2As) if A> 3 represents the number of parallel diode current lines per phase strand or half.
The protection and monitoring device described can be further developed in that if the pulse of a receiver coil fails, when a warning signal is given by the group display device 4, a switchover in the associated AND gate is carried out in such a way that the AND gate again a pulse for generating a warning signal is emitted if, within the reduced number of current-carrying diode current lines, a further diode current line fails by switching off the associated fuse.
In a simple form, this switching of the AND gate can take place in such a way that an interrupt contact is arranged in the input circuit for each pulse voltage, which is actuated when a failure message is acknowledged. As a result, the AND gate supplies the output signal corresponding to undisturbed operation for the remaining circuits. Only when another fuse that belongs to the same AND gate fails is another message sent, which can be acknowledged in the same way.
Another useful development is that, depending on the number of failed diodes or fuses in a diode current line group, the voltage regulator circuit of the synchronous machine is intervened in, in which the surge excitation is influenced or disabled in accordance with the failure of a certain number of diode current lines not to overload the remaining diodes. This is achieved - as illustrated in FIG. 6 - in that, in addition to the circuits according to FIGS. 2 and 3, between the pulse-lengthening elements 2a and the AND gates 3, acknowledgment switches q are connected which, in addition to interrupter contacts for acknowledging the error messages, each have one Have closing contact path bl to bi.
These closing contact sections are used to bridge series resistors rl to r of a switching relay E, which influences the control for the shock excitation. The series resistor is subdivided so that if a certain number of diode current lines fails, the switching relay E responds, since a corresponding number of series resistors is bridged when acknowledging and the response voltage of the switching relay is achieved.
Of course, this intervention in the voltage regulator circuit can be carried out in any number of stages, depending on the number of failed diode current lines. In addition, the intervention in the voltage regulator circuit instead of the illustrated control device z. B. depending on an output signal of a registration device proportional to the number of failed diode current lines, so that the voltage regulator circuit is influenced even without prior acknowledgment of an error message. In some cases it can be advantageous to provide sheet metal or ferrite yokes j in order to generate amplified pulses for the receiver coils, which are arranged in the stationary and / or rotating part of the rotating rectifier unit. Such an arrangement is shown schematically in FIG.