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Anordnung zur Schnellentregung von bürstenlosen Synchronmaschinen,
die über umlaufende ungesteuerte Gleichrichter erregt werden erregt werden In zunehmendem
Maß werden Synchronmaschinen, insbesondere Generatoren über umlaufende Gleichrichter
bürstenlos erregt.
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Die Gleichrichter sind dabei an die Läuferwicklung einer Drehstromerregermaschine
synchroner oder asynchroner Bauart angeschlossen, deren Ständerwicklung mit Gleichstrom
oder Drehstrom mit oder ohne einen lastabhängigen Erregerstromanteil gespeist wird.
Auch umlaufende Umspannersind schon dafür verwendet worden (vergl. W.Böning: "Selbsterregte
Synchrongeneratoren mit S-törgrößenauf schaltung" Siemens-Zeitschrift Nr. 43 (1969),
S. 465/472). Man kann mit solchen ungesteuerten, umlaufenden Gleichrichtern das
Feld der Synchronmaschine sehr schnell aufbauen, weil die gleichgerichtete Erregerspannung
in voller Höhe an der Erregerwicklung (Haupterregerwicklung) auftritt Bei der Entregung
kann man dagegen mit ungesteuerten Gleichrichtern keine negativen Spannungen an
die Erregerwicklung anlegen, so daß das Feld nur langsam nach der verhältnismäßig
großen Leerlaufzeitkonstanten der Haupterregerwicklung abklingt. Man kann zwar eine
schnelle Entregung dadurch erreichen, daß man die umlaufenden Gleichrichter als
Thyristoren ausführt, die man für die Entregung in den negativen Spannungsbereich
steuert. Doch erfordert dies einen beträchtlichen Aufwand, weil alle Zweige der
Gleichrichterbrücke mit Thyristoren bestückt und auch die Steuerimpulse auf den
umlaufenden Teil übertragen werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung zeigt nun, wie man trotz Beibehaltung des
ungesteuerten Erregergleichrichters eine schnelle Entregung erreicht, ohne daß Steuerimpulse
auf den umlaufenden
Teil übertragen werden müssen. Dazu ist eine
Anordnung zur Schnellentregun ion bürstenlosen Synchronmaschinen, die über umlaufende
ungesteuerte Gleichrichter und die Läuferwicklung einer mit der Synchronmaschine
gekuppelten und im Ständer erregten Drehstromerregermaschine synchroner oder asynchroner
Bauart erregt werden, gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß mit der Erregerwicklung
der Synchronmaschine ein ebenfalls umlaufender Widerstand in Reihe geschaltet ist,
der jedoch bei normalem Betrieb der Synchronmaschine durch mindestens einen ebenfalls
umlauf enden Thyristor kurzgeschloseen wird, der mit der Läuferwicklung einer zweiten
mit der Synchronmaschine gekuppelten Drehstromerregermaschine von gleicher Bauart
wie die erste in Reihe liegt und durch Erregung dieser zweiten Erregermaschine nach
Entregungder ersten Erregermaschine gelöscht werden kann, so daß der Erregerstrom
der Synchronmaschine über den Widerstand fließen muß.
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Zur Erregerwicklung der Synchronmaschine ist also ein Ohm'scher Widerstand
in Reihe geschaltet, der bei normalem Betrieb durch einen oder mehrere Thyristoren
überbrückt ist.
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Jeder Thyristor ist hierbei jedoch mit der Läuferwicklung (oder deren
Teilen) einer zweiten ebenfalls mit der Synchronmaschine ge-kuppelten Drehstromerregermaschine
in Reihe geschaltet, wobei jedoch dafür gesorgt ist, daß die Durchflutungen dieser
Wicklung normalerweise kein Feld in der Drehstromerregermaschine erzeugen. Die innerhalb
der Maschine vorhandenen Durchflutungen können sich vielmehr schon in der Läuferwicklung
oder in der kurzgeschlossenen Ständerwicklung aufheben. Soll die Synchronmaschine
schnell entregt werden, so wird bei der ersten Drehstromerregermaschine über ihre
Ständererregerwicklung ein Entregungsvorgang und gleichzeitig bei der zweiten Drehstromerregermaschine
über deren Ständererregerwicklung in Erregungsvorgang schnell durchgeführt. Dadurch
wird in der Läuferwicklung dieser zweiten Erregermaschine Wechselstrom erzeugt,
durch den die den Strom der Haupterregerwicklung führenden Thyristoren
gelöscht
werden und auch gelöscht bleiben, weil kein neuer Zündbefehl kommt. Der Strom der
Haupterregerwicklung muß daher über den Reihenwiderstand fließen. Die Zeitkonstante
der Haupterregerwicklung ist dadurch schon erheblich kleiner geworden.
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Man erreicht ein noch schnelleres Abklingen des Haupterregerstromes,
wenn man Dioden gegenparallel zu den Thyristoren vorsieht, über die der in der Läuferwicklung
der zweiten Erregermaschine erzeugte Wechselstrom gleichgerichtet wird.
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Er muß sich nun ebenfalls über den Reihenwiderstand schließen, so
daß für den Haupterregerstrom in diesem Widerstand nur noch ein kleinerer Querschnitt
zur Verfügung steht. Dies wirkt sich so aus, als ob für den Haupterregerstrom der
Widerstand größer geworden ist. Je nachdem, wie stark man die zweite Erregermaschine
erregt, kann man den Spannungsabfall an dem Reihenwiderstand unabhängig vom Haupterregerstrom
auf einem gewünschten Wert halten und dadurch das Feld der Haupterregerwicklung
sehr schnell abbauen. Der Erregergleichrichter ist dabei spannungslos bis auf den
kleinen Ohm'schen Spannungsabfall, den der abklingende Haupterregerstrom an ihm
hervorruft.
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Wenn man den Zündbefehl fürgie Thyristoren von einem Widerstand parallel
zum Erregergleichrichter herleitet, dann bleibt dieser Zündbefehl aus, wenn bei
der Entregung die erste Erregermaschine und der Gleichrichter spannungslos geworden
sind. Bei erneuter Auferregung der Synchronmaschine werden die beiden Erregermaschinen
in umgekehrter Reihenfolge schnell entregt bzw. erregt, wobei auch die Thyristoren
selbsttätig wieder gezündet und der Reihenwiderstand kurzgeschlossen werden. Man
kann die beiden Erregermaschinen auch als Doppelfeldmaschine ausführen, wobei sich
für den magnetischen Kreis sehr günstige Verhältnisse ergeben, weil die magnetischen
Flüsse in den beiden Maschinen zeitlich nacheinander auftreten.
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Im folgenden sei die Erfindung an Hand der in den Fig.1-4 dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit einer Synchronmaschine 1 mit der Drehstromständerwicklung
2 und der Läufererregerwicklung 3 (Haupterregerwicklung). Diese wird-von der Drehstromerregermaschine
4 synchroner Bauart mit der Ständererregerwicklung 5 und der Drehstromläuferwicklung
6 über den umlaufenden Erregergleichrichter 7 erregt. Weiterhin ist eine zweite
Drehstromerregermaschine 8 ebenfalls synchroner Bauart mit der Ständererregerwicklung
9 und der Läuferwicklung 10 vor handen. Die Läuferwicklung 10 ist als einphasige
Wechselstromwicklung mit einer Mittelanzapfung 11 ausgeführt. An jedes Wicklungsende
ist je ein Thyristor 12,13 in der Durchlaßrichtung für den Strom der Haupterregerwicklung
3 angeschlossen, und gegenparallel zu jedem Thyristor liegt je eine Diode 14,15.
Zwischen der Mittelanzapfung 11 und den Thyristoren 12,13 befindet sich der Reihenwiderstand
16. Die Steuerelektroden deübeiden Thyristoren 12,13 sind miteinander verbunden
und gemeinsam an die Zener-Diode 17 angeschlossen, die über einen großen Widerstand
18 und eine Sperrzelle 19 parallel zum Erregergleichrichter 7 liegt. Die umlauf
enden Teile, die keine leitenden Verbindungen mit den feststehenden Teilen aufweisen,
sind in Fig. 1 durch das gestrichelte Rechteck 20 eingeschlossen. Es sind dies die
Teile 3,6,7,10, 11,12,13,14,15,16,17,18 und 19.
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l Die Anordnung nach Fig. 1 wirkt folgendermaßen: Für die Auferregung
der Synchronmaschine T wird die Erregerwicklung 5 der Drehstromerregermaschine 4
mit Gleichstrom gespeist. Die Erregermaschine 8 bleibt unerregt. Die gleichgerichtete
Spannung der Läuferwicklung 6 hat einen Strom in dem Widerstand 18 und eine konstante
Durchbruchspannung an der Zener-Diode 17 zur Folge. Die Spannung an der Zener-Diode
macht die beiden Thyristoren 12,13 durchlässig, so daß in der Haupterregerwicklung
3 ein Strom zustande kommt, der über
die Mittelanzapfung 11 und
zu gleichen Teilen über die beiden Hälften der Läuferwicklung 10 und die beiden
Thyristoren 12,13 zurück zum Gleichrichter 7 fließt. Weil die Durchflutungen in
den beiden Hälften der Wicklung10 entgegengesetzt gleich sind, kann in der Erregermaschine
8 kein Feld entstehen.
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Soll nun die Synchronmaschine 1 entregt werden, so wird zunächst die
Erregermaschine 4 entregt. Da die Zeitkonstante der Haupterregerwicklung 3 auf alle
Fälle größer istAls die der Erregerwicklung 5, bricht die Spannung in der Wicklung
6 und am Gleichrichter 7 früher zusammen als das Feld in der Synchronmaschine 1
und deren Erregerstrom, der sich nunmehr über alle Dioden des Gleichrichters 7 schließt.
Die Spannung an diesem Gleichrichter entspricht nur noch dem kleinen Ohm'schen Spannungsabfall
in Durchlaßrichtung. Selbst wenn der Strom in der Läuferwicklung 6 noch nicht ganz
abgeklungen sein sollte; so ist er doch erheblich kleiner als der über den Gleichrichter
7 abklingend-e Strom der Erregerwicklung 3. Erst wenn der von der Wicklung 6 gelieferte
und gleichgerichtete Strom wieder größer wäre als der ab-' klingende Strom der Erregerwicklung
3, würde am Gleichrichter 7 wieder eine treibende Spannung auftreten, die den Strom
in der Erregerwicklung 3 aufrecht zu halten oder wieder zu steigern suchte. Am Gleichrichter
7 bleibt demnach nur der kleine Spannungsabfall in Durchlaßrichtung bestehen, der
außerdem entgegengesetzte Richtung wie vorher die treibende Spannung hat. Infolge
der Sperrzelle 19 bleibt der Widerstand 18 stromlos und die Steuerelektroden der
Thyristoren 12,13 bleiben ohne Zündbefehl.
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Da jedoch der Strom der Erregerwicklung 3 nach wie vor über die Thyristoren
12,13 weiterfließt, muß er gelöscht werden.
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Zu diesem Zweck wird jetzt die Erregerwicklung 9 der zweiten Erregermaschine
8 mit Strom gespeist. Infolgedessen entsteht in der Läuferwicklung 10 ein Wechselstrom
(durch einen gestrichelten
Pfeil angedeutet), der innerhalb je
einer Halbschwingung nacheinander die Thyristoren 12,13 löscht, so daß der Strom
der Erregerwicklung 3 nunmehr über den Widerstand 16 fließen muß, wodurch die Zeitkonstante
der Wicklung 3 erheblich verringert wird.
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Man kann aber den Abbau der Feldenergie in der Wicklung noch weiter
beschleunigen, indem man die Erregung in der Erregerwicklung 9 bestehen läßt oder
sogar noch steigert, so daß sich der über die Dioden 14,15 gleichgerichtete Strom
der Wicklung 10 zusätzlich über den Widerstand 16 schließen muß, wodurch der Spannungsabfall
an diesem Widerstand konstant gehalten oder sogar noch gesteiergert werden kann.
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Dies wirkt sich auf die Erregerwicklung 3 so aus, als ob mitabklingendem
Erregerstrom ihre Zeitkonstante immer kleiner wird. Bei entsprechender Bemessung
der Erregermaschine 8 kann man das Feld in der Synchronmaschine 1 mit der gleichen
Deckenspannung herunterfahren, mit der es hochgefahren wurde.
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Während der ganzen Zeit bleiben die Thyristoren 12,13 gesperrt, weil
ihre Steuerelektroden kein Zündpotential gegen-Ueber ihren Kathoden aufweisen. Erst
wenn die Erregermaschine 8 entregt und die Erregermaschine 4 erregt wird, tritt
am Gleichrichter 7 wieder eine treibende Spannung auf, die über den Widerstand 18
und die Zener-Diode 17, die beiden Thyristoren 12,13 zündet, so daß der Widerstand
16 kurzgeschlossen ist. Wie man daraus erkennt, vollzieht sich die Steuerung der
beiden Thyristoren 12,13 vollkommen selbsttätig, lediglich durch Verlegungder Erregung
von der Erregerwicklung 5 zur Wicklung 9, eine zusätzliche Steuerung der Thyristoren
von außen ist nicht erforderlich.
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Wie bereits erwähnt wurde, kann man die beiden Drehstromerregermaschinen
4 und 8 zu einer sogenannten Doppelfeldmaschine vereinigen, wobei die Wicklungen
der Maschine 4, z.B. vierpolig und die der Maschine 8 achtpolig ausgeführt werden,
so daß sie sich gegenseitig nicht beeinflussen. Der gemeinsame magnetische Kreis
wird stets nur vom F1ß einer
Maschine beansprucht, weil die eine
Maschine spannungslos ist, wenn die andere Spannung führt und umgekehrt. AuBerdem
tritt der Vorgang der Entregung nur verhältusmäßig selten gegenüber dem normalen
Betrieb mit erreger Synchronmaschine auf, so daß sich günstige Bedingungen für die
Bemessung der Erregermaschine 8 und der Dioden 14,15 ergeben.
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Auch die beiden Thyristoren 12,13 sind günstig beansprucht, weil sie
nur den halben Erregerstrom der Wicklung 3 führen, desgleichen die beiden Teile
der Wicklung 10.
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In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Läuferwicklung 10 der Erregermaschine 8 ist hierbei dreiphasig ausgeführt, und
der Mittelanzapfung 11 in Fig. 1 entspricht hier der Sternpunkt der Wicklung 10.
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Es liegt demnach eine dreiphasige Mittelpunktschaltung vor und dementsprechend
sind für die dritte Phase noch der Thyristor 21 und die Diode 22 hinzugekommen.
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Die Steuerelektroden der Thyristoren 12,13,21 werden gemeinsam von
der Zener-Diode 17 gesteuert. Wenn die drei Thyristoren Strom führen, ist die Summendurchflutung
der drei Läuferphasen Null. Jeder der drei Läuferwicklungsstränge und der drei Thyristoren
12,13,21 führt hierbei nur ein Drittel des Stroms der Haupterregerwicklung 3, so
daß die Bemessungsbedingungen recht günstig sind. Im übrigen wirkt die Anordnung
genauso wie die nach Fig. 1. Bei spannungsloser Maschine 4 und erregter Maschine
8 werden die Thyristoren 12,13,21 nacheinander gelöscht und über den Widerstand
16 schließen sich der Strom der Haupterregerwicklung 3 und der von den Dioden 14,
15,22 gleichgerichtete zusätzliche Strom der Läuferwicklung 10.
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Fig. 3 zeigt schließlich noch ein Ausführungsbeispiel mit nur einem
umlaufenden Thyristor 12 für den vollen Erregerstrom. Hierbei ist jedoch bei normalem
Betrieb die Durchflutung der linken Hälfte der Läuferwicklung voll wirksam und muß
durch eine Gegendurchflutung in der Ständerwicklung 9
aufgehoben
werden, die zu diesem Zweck dreiphapsig ausgeführt ist und durch den Schalter 23
kurzgeschlossen wird.
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Für den Entregungsvorgang wird die Erregermaschine 4 entregt, der
Schalter 23 geöffnet und die Wicklung 9 mit Gleichstrom (oderauch mit Drehstrom)
gespeist, wodurch wiederum der Thyristor 12 gelöscht und über die Dioden 14,15 ein
zusätzlicher Gleichstrom über den Widerstand 16 getrieben wird.
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An sich ist es gleichgültig, wie die Erregerwicklungen 5 und 9 gespeist
werden, man kann dafür sowohl Gleichstrom, als auch Drehstrom verwenden. Es muß
nur dafür gesorgt werden, daß sie zeitlich nacheinander erregt bzw. entregt werden.
Man kann aber auch die bekannte Schaltung zur lastabhängigen Erregung mit eingeprägten
Strömen, sowohl für die Erregung, als auch für die Entregung verwenden. Eine solche
Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt.
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Dem Stromwandler 24 werden in bekannter Weise über die Drosselspule
25 ein lastunabhängiger und über die Synchronmaschine 1 ein lastabhängiger Strom
zugeführt. Die geometrische Summe der beiden Ströme kann dann entweder über den
Schalter 26 und den Gleichrichter 27 der ErregerWicklung 5 der Erregermaschine 4
oder über den Schalter 28 und den Gleichrichter 29 der Erregerwicklung 9 der Erregermaschine
8, zugeführt werden.
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Der uebergang von Erregung auf Entregung vollzieht sich in der Weise,
daß bei eingelegtem Schalter 26 (Erregung) auch der Schalter 28 (Entregung) eingelegt
wird. Der Summenstrom des Stromwandlers sucht sich dann auf beide Erregerwicklungen
5 und 9 entsprechend deren statischen und dynamischen Widerständen zu verteilen.
Wird jetzt der Schalter 26 geöffnet, so wird die En-tregung über die Erregermaschine
8 voll wirksam. Soll wieder auf Erregung übergegangen werden, so wird erst der Schalter
26 geschlossen und dann 28 geöffnet.
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Die Anzapfungen am Wandler 24 kann man für die Erregerwicklungen 5
und 9 verschieden wählen je nach den in diesen Wicklungen gewünschten Durchflutungen.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 erhält z.B. die Wicklung 9 einen größeren Strom
als die Wicklung 5. Die Widerstände 30 und 31 sorgen für schnellen Feldabbau in
den Erregerwicklungen 5 und 9, wenn die zugehörigen Schalter 26 und 28 geöffnet
werden. Der Kondensator 32 ist in bekannter Weise auf Resonanz mit der Drosselspule
25 abgestimmt und ;;erleichtert die Auf erregung aus der Remanenz.
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Ferner kann in bekannter Weise einem Zweig des Gleichrichters 27 ein
Thyristor 33 gegenparallel geschaltet werden, der durch den Regler 34 gesteuert
wird, so daß dadurch die Spannung feingeregelt werden kann (Thyripart-Regelung).
In gleicher Weise kann dies auch bei der zweiten Erregermaschine für die Entregung
geschehen. Statt mit Gleichstrom können die beiden Erregerwicklungen 5 und 9 bei
dreiphasiger Ausführung auch mit Drehstrom gespeist werden.
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Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, daß
die Erregung über die ungesteuerten Dioden für den normalen Betrieb wirksam bleibt,
auch wenn die Thyristoren für die Entregung aus irgend einem Grund schadhaft werden.
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In der Regel verlieren sie dann ihre Sperrfähigkeit und bleiben dauernd
leitend, so daß der Strom der Haupterregerwicklung ungehindert über sie weiter flißen
kann. Es entfällt dann nur die Möglichkeit zur Schnellentregung. Werden jedoch bei
bekannten Schaltungen für die Erregung Thyristoren verwendet, die zugleich auch
der Entregung dienen, so muß beim Schadhaftwerden der Thyristoren die ganze Maschine
außer Betrieb genommen werden. Die Betriebssicherheit der Anordnung gemäß der Erfindung
ist daher sehr groß.
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9 Ansprüche 4 Figuren