DE3730829C2

DE3730829C2 - Überlastschutz für den Erregerkreis einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE3730829C2
Application number: DE19873730829
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl Ing Fischer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1987-09-14
Filing date: 1987-09-14
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2007-09-15
Also published as: DE3730829A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz für den Erregerkreis einer Synchronmaschine unter Auswertung von Meßgrößen des Ständerkreises (Ständerstrom, Ständerspannung) der Maschine (DE 31 35 919 A1).

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

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

Aus der DE 31 35 919 A1 ist eine Kurzschlußdioden-Schutzan ordnung für einen bürstenlosen Wechselstromgenerator bekannt, der eine erregbare Erregerfeldwicklung besitzt. Die Anordnung umfaßt eine Schaltungseinheit zum Abfühlen des Spannungsdif ferentials am Erregerfeld und zum Vereinigen des Spannungs differentials mit einem Genetatorlaststrom. Damit wird ein Ausgangssignal erzeugt, das innerhalb eines vorbestimmbaren Wertebereichs über einem normalen Generatorlaststrombereich abfällt.

Die DE-AS 12 38 092 betrifft eine Anordnung für einen Syn chrongenerator, bei der ausgehend von an den Klemmen des Ge nerators vorhandenen Meßgrößen ein Betriebszustand ermittelt wird. Bei Überschreiten eines Grenzwertes werden Gegenmaß nahmen im Spannungsregler des Synchrongenerators ergriffen. Es handeltz sich dabei um eine spezielle Regelanordnung, die für den konkreten Betriebsfall des Außertrittfallens (auch Untererregung genannt) ausgelegt ist.

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

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

Die Erfindung beruht dabei auf dem bekannten Spannungsdiagramm einer Synchronmaschine:

Fig. 1 stellt das allgemeine Spannungs-Diagramm mit unterschied lichen Längsreaktanzen (X_d) und Querreaktanzen (X_q).

Daraus ist entnehmbar die Beziehung

und der Kenntnis, daß I_e ∼ E gesetzt werden kann (3)

Darin bedeuten
U = Ständerspannung
I = Ständerstrom
E = Polradspannung
X_d = synchrone Längsreaktanz
X_q = synchrone Querreaktanz
ϕ = Phasenwinkel
ϕ_N = Nennphasenwinkel
ϑ = Polradwinkel
I_e = Erregerstrom

Die Größen X_d und X_q sind bei jeder Maschine bekannt. Die Größen U und I sind einfache zu messende Werte. Der Polradwinkel ϑ kann leicht ermittelt werden durch eine Winkelmessung zwischen U und U + IX_d gemäß Gleichung (2). Damit kann nach Gleichung (1) auch die Polradspannung und gemäß der Proportionalität nach Gleichung (3) der Erreger strom ermittelt werden.

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

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

1. zur Berücksichtigung des Sättigungseinflusses im über regten Arbeitsbereich der Synchronmaschinen für X_d die gesättigte Längsreaktanz X_dges eingesetzt werden muß und
2. im Phasenwinkelbereich zwischen ϕ_N und ϕ=90° gesetzt werden darf: X_dges ≈ X_q.

Damit vereinfacht sich die Beziehung (1) zu

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

Über einen im Stromkreis des Synchrongenerators G angeordneten Stromwandler 1 wird über einen Zwischenwandler 2 der Ständer strom I gewonnen, aus dem in der Anordnung 3 über einen ent sprechend der Maschinenkonstante X_q einstellbaren Widerstand und einer 90°-Winkeldrehung der induktive Spannungsabfall I · X_q gebildet wird. Aus einem Spannungswandler 4 wird über den Zwischenwandler 5 die Ständerspannung U gewonnen und zu dem Spannungsabfall I · X_q vektoriell addiert. Diese geometrische Summe E = U + I · X_q wird über einen Zwischenwandler 6 einem thermischen Abbild 7 des Erregerkreises zugeführt. Durch dieses wird nach einer für ein thermisches Abbild üblichen Strom-Zeit-Funktion (z. B. gemäß DIN IEC 255/VDE 0435 Teil 3011, 1984) ein nachgeschaltetes Relais 8 betätigt, das mittels seines Kontaktes eine Gefahrmeldung oder Generatorabschaltung vor nimmt, wenn die zulässige Grenzerwärmung überschritten wird.

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

In Fig. 4 ist das aus Fig. 2 abgeleitete Maschinendiagramm der Synchronmaschine gezeigt, aus dem deren zulässiger Betriebs bereich hervorgeht. Wird die Grenzkurve a): E< ∼ I_e< über schritten, so liegt eine Übererregung der Maschine vor.

Die anderen drei Grenzkurven nach Fig. 3 sind:

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

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

Claims

1. Überlastschutz für den Erregerkreis einer Synchronmaschine, bei der der Erregerstrom I_e als proportionale Größe der Polrad spannung E aus den gemessenen Größen Ständerspannung U und Ständerstrom I sowie den Maschinen-Kenngrößen der Längsreaktanz X_d und der Querreaktanz X_q ent sprechend der Gleichung ermittelt wird,
wobei der Polradwinkel ϑ aus einer Winkelmessung zwischen U und U + IX_q gewonnen wird und die so gewonnene Größe E ∼ I_e bei Überschreiten eines zulässigen Höchstwertes den Überlast schutz aktiviert.

2. Überlastschutz nach Anspruch 1, bei dem die aktuelle erfaßte Polradspannung E ∼ I_e einem thermischen Abbild der Erregerwicklung zur Erfassung der Läufer temperatur zugeführt wird.

3. Überlastschutz nach Anspruch 1 und 2, bei dem dem thermischen Abbild eine die Umgebungstemperatur berück sichtigende elektrische Zusatzgröße zugeführt wird.

4. Überlastschutz nach Anspruch 1 bis 3, bei dem unter Berücksichtigung der Sättigung im übererregten Bereich der Synchronmaschine mit der gesättigten Längsreaktanz X_d gesättigt ≈ X_q die Gleichung E=U + IS_q für die Ermittlung von E ∼ I_e gilt.

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

6. Überlastschutz nach Anspruch 1 bis 5, bei dem als Strom- und Spannungswerte die entsprechenden Mitkompo nenten des Drehstromsystems benutzt werden.