DE1144835B - Arrangement for monitoring the excitation winding heating of synchronous machines - Google Patents

Description

Anordnung zur Überwachung der Erregerwieklungserwärmung von Synchronmaschinen Bei Synchronmaschinen ist bekanntlich die Wärmebeanspruchung des Polrades weit höher als diejenige der Statorwicklung. Die daraus entspringenden Schwierigkeiten bezüglich eines wirksamen Überlastungsschutzes werden noch größer, wenn die Felderregung zeitweise über den Nennbetrag erhöht wird, wie das bei Phasenschiebem in der Regel der Fall ist. Für den Betrieb von Synchronmaschinen als Phasenschieber ist charakteristisch, daß eine Regelvorrichtung die Felderregung dem mehr oder weniger großen Blindleistungsbedarf anpaßt. Bei sehr hohem Blindleistungsbedarf wird die Erregung weit über den Nennbetrag erhöht, was im allgemeinen zulässig ist, da die Blindleistungsspitzen meist nur von kurzer Dauer sind. Arrangement for monitoring the excitation warming of synchronous machines In synchronous machines, the thermal stress on the pole wheel is known to be much higher than that of the stator winding. The resulting difficulties regarding effective overload protection will be even greater if the field excitation intermittently is increased above the nominal amount, as is usually the case with phase shifters is. The operation of synchronous machines as phase shifter is characteristic of that a control device the field excitation to the more or less large reactive power requirement adapts. If the reactive power requirement is very high, the excitation is well above the nominal value increased, which is generally permissible, since the reactive power peaks mostly only are of short duration.

Jedoch besteht hierbei die Gefahr, daß die thermische Belastung des Polrades Werte erreicht, die zu einer Gefährdung der Erregerwicklung führen. Es müssen deshalb Überwachungsvorrichtungen vorgesehen werden, welche die Wicklungstemperatur messen und temperaturvermindernd in die Regelung eingreifen.However, there is a risk that the thermal load of the Pole wheel reaches values that put the field winding at risk. It therefore monitoring devices must be provided, which the winding temperature measure and intervene in the control to reduce the temperature.

Es sind Überwachungseinrichtungen bekannt, bei denen die Erwärmung des Polrades durch die Widerstandsbestimmung der Erregerwicklung ermittelt wird. There are monitoring devices known in which the heating of the pole wheel is determined by determining the resistance of the field winding.

Um die äußeren Einflüsse auszuschalten, ist es hier erforderlich, den Betrieb der Synchronmaschinen während der Messung zu unterbrechen. In einer anderen bekannten Anordnung werden zur Bestimmung der Wicklungstemperatur Widerstandsdrähte auf das Polrad aufgebracht, deren Widerstand über getrennte Schleifringe und Bürsten gemessen wird. An Stelle von Widerstandsdrähten sind auch Widerstandsclemente vorgeschlagen worden, deren Einbau einfacher ist und die nur an einigen Stellen der Wicklung eingebaut werden müssen. Eine weitere Möglichkeit, die Wicklungstemperatur einer Maschine während des Betriebes zu messen, bietet das Thermoelement. Die geringen Thermospannungen werden jedoch durch die schwer faßbaren tlbergangswiderstände an den Schleifringen und Bürsten trotz ausgesuchtem Kontaktmaterial in unkontrollierbarer Weise beeinflußt. Die Meßgenauigkeit wird durch solche Einflüsse erheblich beeinträchtigt. Schließlich ist ein Temperaturmeßgerät bekannt, bei dem außerhalb des Polrades ein Thermorelais durch eine Wärmequelle erhitzt wird, deren Heizstrom über einen Stromwandler von dem Erregerkreis abgezweigt wird. Das Thermorelais ist so ausgebildet, daß der Verlauf des Erwärmungsvorganges demjenigen der Erregerwicklung entspricht. Die bekannten tZberwachungsanordnungen haben die Nachteile, entweder nicht während des Betriebes eingesetzt werden zu können oder zu aufwendig oder zu ungenau zu sein.In order to eliminate the external influences, it is necessary here, to interrupt the operation of the synchronous machines during the measurement. In a Another known arrangement is for determining the winding temperature of resistance wires applied to the pole wheel, its resistance via separate slip rings and brushes is measured. Instead of resistance wires, resistance elements are also proposed which are easier to install and which are only installed in a few places on the winding Need to become. Another possibility, the winding temperature of a machine The thermocouple offers measurements during operation. The low thermal voltages are, however, caused by the difficult-to-measure transition resistances on the slip rings and brushing is influenced in an uncontrollable manner despite the selected contact material. The measuring accuracy is considerably impaired by such influences. In the end a temperature measuring device is known in which a thermal relay is located outside the pole wheel is heated by a heat source, whose heating current is via a current transformer of is branched off from the excitation circuit. The thermal relay is designed so that the course the heating process corresponds to that of the field winding. The known Monitoring arrangements have the disadvantages, either not during operation to be able to be used or to be too expensive or too imprecise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturüberwachungseinrichtung so zu gestalten, daß ohne zusätzlichen Aufwand am Polrad der Meßvorgang während des Betriebes durchgeführt werden kann. Hierbei sind insbesondere die Schwierigkeiten zu überwinden, die mit den laufenden Erregerstromänderungen infolge der ständig wirksamen Blindleistungsregelung und den dadurch erzeugten hohen induktiven Wicklungsspannungen verbunden sind. Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Überwachung der Erregerwicklungserwärmung von Synehronmaschinen, deren Felderregung durch Blindleistungsregler einer laufenden Änderung unterworfen ist, mit einer Einrichtung zur Quotientenbildung der Wicklungsspannung und des Erregerstromes und besteht darin, daß zwecks Bildung des Mittelwertes der laufenden Erregungsänderungen ein Verzögerungsglied vorgesehen ist, dessen Zeitkonstante größer als die mittlere Periodendauer der laufenden Erregungsänderungen, aber kleiner als die Erwärmungszeitkonstante der Erregerwicklung ist. The invention is based on the object of a temperature monitoring device to design so that the measuring process during without additional effort on the pole wheel of the operation can be carried out. Here are the difficulties in particular to overcome that with the ongoing excitation current changes as a result of the constant effective reactive power control and the resulting high inductive winding voltages are connected. The invention relates to an arrangement for monitoring the Excitation winding heating of Synehron machines, their field excitation by reactive power controller is subject to constant change, with a device for the formation of quotients the winding voltage and the excitation current and consists in that for the purpose of formation a delay element is provided for the mean value of the current changes in excitation whose time constant is greater than the mean period of the current changes in excitation, but is smaller than the heating time constant of the field winding.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen f Überwachungsanordnung dargestellt. Dem Erfindungsgedanken liegt die Tatsache zugrunde, daß die von der Blindleistungsregelung herrührenden Erregerstromänderungen im Mittel eine höhere Frequenz aufweisen als die wesentlich langsameren Erwärmungsschwankungen der Erregerwicklung. Gemäß der Erfindung ist der Meßeinrichtung ein Mittelwertbildner für die Wicklungsspannung und den Erregerstrom vorgeschaltet, die bei geeignet bemessener Zeitkonstante imstande ist, die fortlaufenden störenden Änderungen der Meßgrößen in der Meßeinrichtung zu unterdrücken. Das Verhältnis aus den verbleibenden Mittelwerten der Wicklungsspannung und des Erregerstromes unterliegt nur noch dem Einfluß der Wicklungstemperatur. Die so gewonnenen Mittelwerte von Strom und Spannung können im Quotientenbildner unmittelbar zur Bestimmung des Wicklungswiderstandes und damit zur Wicklungstemperatur herangezogen werden. Man kann die erfindungsgemäße Temperaturmeßeinrichtung als ein Filter auffassen, das die an sich unregelmäßigen und relativ kurzperiodischen Erregungsschwankungen nach Art eines Tiefpaßfilters unterdrückt, während die langperiodischen Änderungen der Wicklungserwärmung ungehindert durchgelassen werden. Der Frequenzgang eines derartigen Filters, der im vorliegenden Fall zweckmäßiger durch die Größe der Zeitkonstante gekennzeichnet wird, ist im Hinblick auf die Erwärmungszeitkonstante und auf die mittlere Periodendauer der Erregerschwankungen so gewählt, daß der verbleibende Meßfehler infolge der nicht völlig unterdrückten geringen Restschwankungen ein Minimum wird. In the drawing is an embodiment of the invention f Monitoring arrangement shown. The idea of the invention is based on the fact that the excitation current changes resulting from the reactive power control are on average have a higher frequency than the much slower heating fluctuations the excitation winding. According to the invention, the measuring device is an averaging device connected upstream for the winding voltage and the excitation current, which are suitably dimensioned Time constant is able to keep the continuous disruptive changes to suppress the measured variables in the measuring device. The ratio of the remaining Mean values of the winding voltage and the excitation current are only subject to this Influence of the winding temperature. The mean values of current and voltage obtained in this way can directly determine the winding resistance in the quotient generator and can therefore be used for the winding temperature. You can use the invention To understand the temperature measuring device as a filter, which per se are irregular and relatively short-period excitation fluctuations in the manner of a low-pass filter suppressed, while the long-period changes in winding heating unhindered be let through. The frequency response of such a filter, which in the present If it is more appropriately characterized by the size of the time constant, it is im With regard to the heating time constant and the mean period of the Excitation fluctuations chosen so that the remaining measurement error as a result of not completely suppressed small residual fluctuations becomes a minimum.

Zur Durchführung des Erfindungsgedankens würde es an sich genügen, die Strom- und Spannungsmessung unter Verwendung eines einfachen RC-Gliedes vorzunehmen. Im Hinblick auf die günstigeren Bemessungs-und Belastungsbedingungen ist es jedoch zweckmäßig, als Verzögerungsglied eine beschaltete Verstärkerstufe, vorzugsweise eine Transistorstufe, zu verwenden, deren Zeitkonstante durch eine mit RC-Gliedern bestückte Rückführung festgelegt ist. In der Anordnung gemäß der Zeichnung wird die Erregungswicklung 2 der Synchronmaschine 1 über einen nicht dargestellten Blindleistungsregler von einer Stromquelle 3 gespeist. Die an den Schleifringen abgenommene Wicklungsspannung wird einem Spannungsteiler 4, 5 zugeführt. Der Abgriff des Spannungsteilers ist über den Widerstand 6 mit dem Steuerkreis der Verstärkerstufe 7 verbunden. Die Verstärkerstufe enthält einen Rückführkreis, der im wesentlichen aus einem Kondensator 8 und einem Parallelwiderstand 9 besteht. In order to carry out the idea of the invention, it would be sufficient in itself, to measure the current and voltage using a simple RC element. With regard to the more favorable design and loading conditions, however, it is expedient, a wired amplifier stage as the delay element, preferably a transistor stage to use, whose time constant is replaced by one with RC elements equipped return is set. In the arrangement according to the drawing the excitation winding 2 of the synchronous machine 1 via a reactive power regulator, not shown fed by a power source 3. The winding tension taken from the slip rings is fed to a voltage divider 4, 5. The tap of the voltage divider is Connected to the control circuit of the amplifier stage 7 via the resistor 6. The amplifier stage contains a feedback circuit, which essentially consists of a capacitor 8 and a Parallel resistor 9 exists.

Infolge dieses Rückführkreises wird eine am Verstärkereingang auftretende Spannungsänderung erst nach Ablauf einer bestimmten Zeit an die Ausgangsklemme 10 weitergeleitet. Diese Verzögerungszeit ist ausschließlich durch die Zeitkonstante des RC-Gliedes 8, 9 festgelegt. Belastungsänderungen an der Klemme 10 haben auf Grund der verwendeten Verstärkerstufe keinen Einfluß auf diese Verzögerungszeit.As a result of this feedback loop, a signal is generated at the amplifier input Voltage change at output terminal 10 only after a certain time has elapsed forwarded. This delay time is only due to the time constant of the RC element 8, 9. Changes in load on terminal 10 have Because of the amplifier stage used, this has no effect on this delay time.

Der Übergangswiderstand an den Polradschleifringen ist bekanntlich keine konstante Größe, sondern ändert sich gemäß einer Potenzfunktion mit dem darüberfließenden Strom. Die Widerstandsfunktion kann in erster Näherung durch die Reihenschaltung einer konstanten Gegenspannung mit einem Festwiderstand dargestellt werden und muß bei der Messung des Wicklungswiderstandes berücksichtigt werden. Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß in den Sekundärkreis eines Stromwandlers 11 ein Funktionsgenerator 12 eingeschaltet wird, der die vorerwähnte Widerstands abhängigkeit nachbildet. Die am Ausgang des Funktionsgenerators 12 verfügbare Größe wird von der am Spannungsteiler abgegriffenen Größe durch Bildung einer Stromdifferenz abgezogen. Die am Verstärkereingang anstehende Steuerspannung entspricht somit ausschließlich der reinen Wicklungsspannung. The transition resistance on the flywheel slip rings is known no constant quantity, but changes according to a power function with the overflowing Current. The resistance function can be approximated by the series connection a constant counter voltage with a fixed resistor and must be taken into account when measuring the winding resistance. this happens according to the invention in that a current transformer 11 in the secondary circuit Function generator 12 is turned on, the dependency on the aforementioned resistance replicates. The size available at the output of the function generator 12 is from subtracted from the variable tapped at the voltage divider by forming a current difference. The control voltage present at the amplifier input therefore corresponds exclusively the pure winding voltage.

In der Zeichnung ist von der erfindungsgemäßen Anordnung lediglich der Spannungspfad dargestellt. In the drawing is only of the arrangement according to the invention the voltage path is shown.

Der für die Messung des Erregerstromes notwendige Pfad entspricht demjenigen der Spannung vollständig mit der Ausnahme, daß der Korrektionskreis mit dem Funktionsgenerator für die Nachbildung des Schleifringwiderstandes entfällt. Die an der Klemme 10 des Spannungspfades bzw. der entsprechenden Klemme des Strompfades verfügbaren Spannungen bzw. Ströme werden einem an sich bekannten Quotientenbildner zugeführt, dessen Ausgangsgröße unmittelbar als Maß für die Wicklungstemperatur verwendet werden kann.The path required for measuring the excitation current corresponds that of the tension completely with the exception that the correction circle with the function generator for simulating the slip ring resistance is not required. The one at terminal 10 of the voltage path or the corresponding terminal of the current path Available voltages or currents become a quotient generator known per se supplied, the output variable directly as a measure of the winding temperature can be used.

Bei der technischen Ausführung der erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ist die Berücksichtigung möglicher Erdschlüsse in der Erregerwicklung von Bedeutung. Zu diesem Zweck ist in der Anordnung gemäß der Zeichnung der eine Pol des Spannungsteilers 4, 5 über eine Sicherung 14 geerdet. Die Sicherung kann in bekannter Weise einen Schalter zur Abschaltung entweder der Synchronmaschine oder nur der Meßanordnung dienen. An Stelle dieser Sicherung können auch andere an sich bekannte Schaltungsmaßnahmen zur Überwachung von Erdschlüssen angewendet werden, bei denen eine Abschaltung nicht erfolgt. In the technical implementation of the monitoring arrangement according to the invention the consideration of possible earth faults in the field winding is important. For this purpose, one pole of the voltage divider is in the arrangement according to the drawing 4, 5 grounded via a fuse 14. The backup can in a known manner a Switch to switch off either the synchronous machine or just the measuring arrangement to serve. Instead of this fuse, other circuit measures known per se can also be used can be used to monitor earth faults that cannot be switched off he follows.

Um die Meßanordnung insbesondere aber den Transistorverstärker gegen plötzliche hohe Spannungsstöße zu schützen, kann eine Spannungsbegrenzungseinrichtung vorgesehen werden, die im Ausführungsbeispiel aus dem Widerstand 6 und einer Zehnerdiode 15 besteht. Auch hier sind andere an sich bekannte Spannungsbegrenzungseinrichtungen anwendbar. To the measuring arrangement in particular but the transistor amplifier against A voltage limiting device can protect against sudden high voltage surges are provided, which in the exemplary embodiment consists of the resistor 6 and a Zener diode 15 exists. Here, too, there are other voltage limiting devices known per se applicable.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, die laufenden Änderungen der Polraderwärmung ohne Unterbrechung des Betriebes und bei fortwährendem Reglereingriff zu messen und zu überwachen. With the arrangement according to the invention, it is possible to keep the current Changes in the heating of the pole wheel without interrupting operation and with continuous Measure and monitor controller intervention.

Der Überwachungsvorgang wird auch beim Eintritt eventueller Erdschlüsse nicht behindert, was die Wirksamkeit der Überwachung erheblich steigert. Der von den Regleränderungen herrührende Meßfehler kann allein durch die Bemessung der Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes auf ein Minimum herabgesetzt werden. Er liegt im allgemeinen unter 1 0/o des Meßwertes.The monitoring process is also carried out if any earth faults occur does not interfere, which significantly increases the effectiveness of the monitoring. The from Measurement errors resulting from controller changes can only be caused by the measurement of the time constant of the delay element can be reduced to a minimum. He lies in general below 1 0 / o of the measured value.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Meßprinzips ist nicht auf die Überwachung der Polraderwärmung von Synchronmaschinen beschränkt, sondern kann überall dort mit Vorteil eingesetzt werden, wo unter ähnlich gelagerten Schwierigkeiten eine laufende Überwachung von Anlageteilen vorzunehmen ist. The application of the measuring principle according to the invention is not to the Monitoring of the magnet wheel heating of synchronous machines is limited, but can be used anywhere can be used to advantage where there are similar difficulties continuous monitoring of parts of the system is to be carried out.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Anordnung zur Überwachung der Erregerwicklungserwärmung von Synchronmaschinen, insbesondere von Phasenschiebern, deren Felderregung durch Blindleistungsregler einer laufenden Änderung unterworfen ist, mit einer Einrichtung zur Quotientenbildung der Wicklungsspannung und des Erregerstromes, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Bildung des Mittelwertes der laufenden Erregungsänderungen ein Verzögerungsglied vorgesehen ist, dessen Zeitkonstante größer als die Zeitkonstante des Erregerstromes, aber kleiner als die Erwärmungszeitkonstante der Erregerwicklung ist. PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for monitoring the excitation winding heating of synchronous machines, in particular phase shifters, whose field excitation is carried out Reactive power controller is subject to constant change, with a device for the formation of the quotient of the winding voltage and the excitation current, characterized in that, that for the purpose of forming the mean value of the current changes in excitation, a delay element is provided whose time constant is greater than the time constant of the excitation current, but is smaller than the heating time constant of the field winding. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsglied eine Verstärkerstufe mit einer verzögernd wirkenden Rückführung oder mit einem vorgeschalteten RC-Glied vorgesehen ist. 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that as a delay element one Amplifier stage with a retarding feedback or is provided with an upstream RC element. 3. Anordnung nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für die Wicklungsspannung als auch für den Erregerstrom Verzögerungsglieder vorgesehen sind. 3. Arrangement according to claim 2, characterized in that both for the winding voltage and delay elements for the excitation current are provided are. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß zur Berücksichtigung des stromabhängigen Übergangswiderstandes an den Pokadschleifringen ein Funktionsgenerator vorgesehen ist, dessen den Schleifringspannungsabfail darstellende Ausgangsgröße von der Eingangsgröße der Verstärkerstufe abgezogen wird. 4. Arrangement according to claim 3, characterized in that for consideration of current-dependent contact resistance on the Pokad slip rings, a function generator is provided whose output variable representing the slip ring voltage drop is subtracted from the input variable of the amplifier stage. 5. Anordnung nach Anspruch4, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungsmittel zur Berücksichtigung von Erdschlüssen in der Erregerwicklung vorgesehen sind 5. Arrangement according to claim 4, characterized in that switching means are provided to take account of earth faults in the field winding