DE1808108B2 - EXCITATION ARRANGEMENT FOR A BRUSHLESS SYNCHRONOUS RATOR - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Erregeranordnung für einen bürstenlosen Synchrongenerator, der über rotierende Gleichrichter von einer Erregermaschine mit zwei getrennten Erregerwicklungen erregt ist, von denen die eine von einem an den Ständerkreis des Synchrongenerators angeschlossenen Regler und die andere über Gleichrichter von einem im Ständerkreis' angeordneten Stützstromwandler gespeist ist. Bei einer aus der USA.-Patentschrift 2 858 502 bekanntgewordenen Erregeranordnung : dieser Art erhält der nur von der.Spannung im Ständerkreis abhängige Regler im Kurzschlußfall keine Energie. . ■.. ■ , :The invention relates to an excitation arrangement for a brushless synchronous generator, the via rotating rectifiers from an excitation machine with two separate excitation windings is excited, one of which is connected by one to the stator circuit of the synchronous generator Regulator and the other is fed via rectifier from a support current transformer arranged in the stator circuit. With one from the USA patent 2 858 502 known exciter arrangement: the only receives this type of voltage in the stator circuit dependent controller no energy in the event of a short circuit. . ■ .. ■,:

Wenn solche Synchrongeneratoren auf eine Sammelschiene mit mehreren Verbrauchern arbeiten sollen, müssen sie kurzzeitig einen Dauerkurzschlußstrom führen können, der etwa den dreifachen Nennstrom beträgt, um eine selektive Abschaltung des fehlerhaften Netzteiles zu ermöglichen. Im Kurzschlußfall ist als Versorgungsspannung für den Regler lediglich die Oberwellenspannung an den Anzapfungen der Ständerwicklung vorhanden. Diese Oberwellerispannung ist im allgemeinen nicht ausreichend, um einen Dauerkurzschlußstrom der erforderlichen Höhe für das selektive Abschalten zu erzeugen. Es ist aber auch nicht möglich, im Hinblick auf die Erzeugung eines ausreichenden Kurzschlußstromcs die Ständerwicklung des Synchrongenerators bei größeren Maschinen in der erforderlichen Weise zu bemessen und auszuführen. Aus diesem Grund ist die Anwendung von stützenden Stromwandlern erforderlich, die den Maschinenstrom ausnutzen, um eine zusätzliche Erregung zu bewirken. Dabei ist aber in jedem Fall erforderlich^ daß die Erregerkennlinie des Synchrongenerators bei Nennspannung im ganzen Lastbereich über der Stromwandlerkennlinie liegen muß. Die Stromwandlerkennlinie ihrerseits muß wieder über der KurzschlußerrCgerkennlinie liegen, da durch den Schnittpunkt der beiden Kennlinien der sich einstellende Dauerkurzschlußstrom bestimmt ist. In der Praxis kann die Erregerkennlinic bei Nennspannung und beliebigem cos ψ die Kurzschlußcrregerkennlinie auch schneiden. In diesem Fall ist es erforderlich, daß im Normalbetrieb der von dem Stützstromwandler gelieferte Erregerstromanteil durch eine aufwendige Absetzschaltung im Regler unwirksam gemacht wird. Im Kurzschlußfalle muß dagegen der vom Stützstromwandler gelieferte Erregerstromanteil allein die Erregung des Synchrongenerators sicherstellen. ;If such synchronous generators are to work on a busbar with several consumers, they must be able to briefly carry a short-circuit current that is approximately three times the nominal current in order to enable the faulty power supply to be switched off selectively. In the event of a short circuit, the only supply voltage for the controller is the harmonic voltage at the taps of the stator winding. This harmonic voltage is generally not sufficient to generate a sustained short-circuit current of the required level for selective disconnection. However, it is also not possible to dimension and design the stator winding of the synchronous generator in the required manner in larger machines with a view to generating a sufficient short-circuit current. For this reason, the use of backup current transformers is required, which utilize the machine current to provide additional excitation. In any case, however, it is necessary that the excitation characteristic of the synchronous generator at nominal voltage must lie above the current transformer characteristic in the entire load range. The current transformer characteristic must again be above the short-circuit characteristic, since the continuous short-circuit current that occurs is determined by the intersection of the two characteristics. In practice, the exciter characteristic can also intersect the short-circuit exciter characteristic at nominal voltage and any cos ψ. In this case it is necessary that, during normal operation, the excitation current component supplied by the backup current transformer is rendered ineffective by a complex cut-off circuit in the controller. In the event of a short circuit, on the other hand, the excitation current component supplied by the backup current transformer alone must ensure the excitation of the synchronous generator. ;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erregeranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln ohne aufwendige Absetzschaltungen im Regler die notwendige Erregung im gesamten normalen Lastbereich und auch im Kurzschlußfalle erreicht werden kann.The invention is based on the object of providing an exciter arrangement of the type mentioned at the beginning create, in which the necessary with simple means without complex output circuits in the controller Excitation can be achieved in the entire normal load range and also in the event of a short circuit.

Die Lösung der Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß der Regler außerdem noch an Anzapfungen der Ständerwicklung des Synchrongenerators angeschlossen ist und der Stützstromwandler eine unter der Kurzschlußerregerkcnnlinie liegende Kennlinie aufweist. Beim Gegenstand der Erfindung kann also ohne aufwendige! Absctzschaltungeri unter Verwendung normaler einfacher Regler und unabhängig vom Kennlinienverlauf eine einwandfreie Erregung sichergestellt werden.The object is achieved according to the invention in that the controller is also still on Taps on the stator winding of the synchronous generator is connected and the backup current transformer is one below the short-circuit exciter line has lying characteristic. The subject of the invention can therefore without expensive! Isolation circuitry using normal simple controllers and regardless of the course of the characteristic curve, a flawless one Arousal can be ensured.

In Fig. 1 ist ein Schaltungsbeispicl für den Gegenstand der Erfindung in vereinfachter Weise dargestellt. Der Ständer ST des Synchrongenerators G ist über Primärwicklungen eines Stützstromwandlers SW an die einzelnen Phasen U, V, W angeschlossen. Ein einfacher Regler RE erhält seinen Istwert vom Ständerkreis des Synchrongenerators und seine Versorgungsspannung von Anzapfungen A der Ständer-■■: wicklung ST. Die Polradwicklung P des Synchron-' generators ist in an sich bekannter Weise über.rotierende Gleichrichter RG an die rotierende Drehstromläuferwicklung L einer Erregermaschine EM angeschlossen. Die Erregermaschine EM besitzt zwei gesonderte Erregerwicklungen El und El, von denen die eine, nämlich El, mit der Gleichstromseite eines Gleichrichters GL verbunden ist, der wechselstromseitig an die Sekundärwicklungen des Stützstromwandlers SW angeschlossen ist. Die zweite Erregerwicklung E2 der Erregermaschine ist mit dem Ausgang des Reglers RE verbunden. Die Erregermaschine EM erhält also eine spannungsabhängige und eine zo laststromabhängige, kompoundierende Erregung; wobei sich die beiden Erregeranteile algebraisch addieren. Die für die Reglerversorgung im Normalbetrieb maßgebende Spannung an der Anzapfung A der Ständerwicklung ST ist durch die Nennspannung und das Verhältnis von Anzapfungswindungszahl zu Gcsamtwindungszahl der Ständerwicklung bestimmt. ''■-. In Fig. 1 a Schaltungsbeispicl for the subject of the invention is shown in a simplified manner. The stator ST of the synchronous generator G is connected to the individual phases U, V, W via primary windings of a backup current transformer SW . A simple regulator RE receives its actual value from the stator circuit of the synchronous generator and its supply voltage from taps A of the stator winding ST. The rotor winding P of the synchronous' generator is connected in a manner known per se via.rotating rectifier RG to the rotating three-phase rotor winding L of an exciter EM . The excitation machine EM has two separate excitation windings El and El, one of which, namely El, is connected to the direct current side of a rectifier GL which is connected to the alternating current side to the secondary windings of the backup current transformer SW . The second excitation winding E2 of the excitation machine is connected to the output of the controller RE . The exciter EM thus receives a voltage-dependent and a zo load current-dependent, compounding excitation; whereby the two excitation components add up algebraically. The voltage at the tap A of the stator winding ST, which is decisive for the regulator supply in normal operation, is determined by the nominal voltage and the ratio of the number of tap turns to the total number of turns of the stator winding. '' ■ -.

Bei der Schaltung nach der Erfindung wird auch im gefährlichen dreipoligen Kurzschlußfall, bei dem die Klemmspannung Null ist, die dann immer noch vorhandene Oberwellenspannung an der Anzapfung A zur Erregung ausgenutzt. F i g. 2 zeigt den Verlauf der Oberwellenspannung und in Abhängigkeit vom Verhältnis Kurzschlußstrom zu Nennstrom, und zwar im ganzen Kurzschlußbereich. Diese Kurzschlußspannung erlaubt es, die in Fig: 3 angegebene Wandlerkennlinie WA zu wählen, die stets unterhalb der tiefsten Erregerkennlinie 5, (in diesem Fall für den cos = 1) liegen muß. Als Ordinate ist dabei die Erregerdurchflutung je Pol der Erregermaschine und als Abszisse das Verhältnis des jeweiligen Generatorstromes zum Generatornennstrom aufgetragen. Sie liegt damit auch stets unterhalb der z. B. darüber befindlichen Erregerkennlinie b für den COS^ = O₁S induktiv. Entsprechendes gilt auch für Erregerkennlinien mit anderen cos ψ. Die vom Regler RE über ·. die Erregerwicklung E2 gelieferte Erregung allein wäre nicht ausreichend, um einen geforderten Kurzschlußstrom ζ. B. vom dreifachen Wert des Nennstromes zu erhalten. Es ist deshalb notwendig, den vom Stützstromwandler SW über den Gleichrichter GL an die Erregerwicklung £1 gelieferten Erregungsanteil so zu bemessen, daß die Summe beider im Kurzschlußfalle den geforderten Schnittpunkt mit der Kurzschlußkennlinie K ergibt.In the circuit according to the invention, even in the case of a dangerous three-pole short circuit in which the clamping voltage is zero, the harmonic voltage that is then still present at tap A is used for excitation. F i g. 2 shows the curve of the harmonic voltage and as a function of the ratio of short-circuit current to nominal current, specifically in the entire short-circuit range. This short-circuit voltage allows the converter characteristic WA given in FIG. 3 to be selected, which must always be below the lowest excitation characteristic 5 (in this case for cos = 1). The excitation flow per pole of the exciter is plotted as the ordinate and the ratio of the respective generator current to the nominal generator current is plotted as the abscissa. It is therefore always below the z. B. overlying excitation characteristic b for the COS ^ = O ₁ S inductive. The same applies to excitation characteristics with other cos ψ. The data from the RE controller via ·. the excitation winding E 2 supplied excitation alone would not be sufficient to achieve a required short-circuit current ζ. B. from three times the value of the nominal current. It is therefore necessary to dimension the excitation component supplied by the backup current transformer SW via the rectifier GL to the excitation winding £ 1 so that the sum of the two results in the required intersection with the short-circuit characteristic K in the event of a short circuit.

Die gekrümmte Kennlinie der Kurzschlußspannung gemäß Fig. 2 ergibt die Regelkennlinie/?, die in Verbindung mit der Wandlerkennlinie WA einen stabilen Schnittpunkt mit der Kurzschlußkennlinie K und damit eine Einstellbarkeit des Dauerkurzschlußstromes auch für den Fall ermöglicht, daß die Erregermaschine und die Stützstromwandler ungesättigt sind, d. h. gerade Kennlinien haben.The curved characteristic of the short-circuit voltage according to FIG. 2 results in the control characteristic /? Which, in conjunction with the converter characteristic WA, provides a stable intersection with the short-circuit characteristic K and thus enables the permanent short-circuit current to be adjusted even in the event that the exciter and the backup current converter are unsaturated, ie have straight characteristics.

Die Zusammenhänge der vorgenannten Art sind aus der Fig. 3 zu entnehmen, die zeigt, daß die Reglerkennlinie R und die Wandlerkennlinie WA bestimmte Anteile für die Gesamterregung liefern. In nicht näher dargestellter Weise kann der Anteil des Stützstromwandlers SJf an der Gesamterregung durchThe relationships of the aforementioned type can be seen from FIG. 3, which shows that the regulator characteristic R and the converter characteristic WA supply certain components for the overall excitation. In a manner not shown in detail, the portion of the backup current transformer SJf in the total excitation can through

nicht gezeigte Anzapfungen am Stützstromwandler an den Erregeranteil des Reglers und mit diesem an die erforderliche Gesamterregung angepaßt werden.Taps (not shown) on the backup current transformer to the exciter part of the controller and with it the required total excitation can be adapted.

Werden die beiden Erregerwicklungen El und El gleichmäßig auf alle Pole der Erregermaschine verteilt, so kann es bei raschen Stromänderungen in der lastabhängig erregten Erregerwicklung £1 zu einer Beeinflussung der Erregerwicklung El und damit zu unerwünschten Beanspruchungen der Halbleiter-Bausteine des Reglers RE führen.If the two excitation windings El and El are evenly distributed over all poles of the excitation machine, rapid current changes in the load-dependent excited excitation winding £ 1 can affect the excitation winding El and thus lead to undesirable stresses on the semiconductor components of the controller RE .

Es ist daher zweckmäßig, die beiden Erregerwicklungen weitestgehend zu entkoppeln. Dies wird dadurch erreicht, daß jeder Pol nur eine Erregerspule trägt und immer zwei diametral gegenüberliegende Pole mit dem gleichen Strom beaufschlagt werden. Um die Addition der durch die beiden Erregerströme in den Erregerwicklungen El und El bedingten Einflüsse auf die Ausgangsspannung der Läuferwicklung L zu erhalten,, ist es erforderlich, daß in der Läuferwicklung einer 2p-poligen Erregermaschine jeweils mindestens ρ Spulengruppen in Reihe geschaltet sind. Von den insgesamt 2p Polen der Erregermaschine werden 2P₁ Pole der Erregerwicklung El, die restlichen (2p — 2P₁) Pole der Erregerwicklung El zugeordnet. :;|It is therefore advisable to decouple the two excitation windings as much as possible. This is achieved in that each pole has only one excitation coil and the same current is always applied to two diametrically opposite poles. In order to get the addition of the influences caused by the two excitation currents in the excitation windings El and El on the output voltage of the rotor winding L, it is necessary that at least ρ coil groups are connected in series in the rotor winding of a 2p-pole excitation machine. Of the total of 2p poles of the excitation machine, 2P ₁ poles are assigned to the excitation winding El, the remaining (2p - 2P ₁ ) poles are assigned to the excitation winding El. :; |

Wird die vorstehende Anordnung bei Erregermaschinen mit ungerader Polpaarzahl ρ angewandt, so werden außerdem unerwünschte Rüttelkräfte weitgehend vermieden.If the above arrangement is used for excitation machines with an odd number of pole pairs ρ, this also largely avoids undesirable shaking forces.

Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: S 1. Erregeranordnung für einen bürstenlosenS 1. Exciter arrangement for a brushless Synchrongenerator, der über rotierende Gleichrichter von einer Erregermaschine mit zwei getrennten Erregerwicklungen erregt ist, von denen die eine von einem an den Ständerkreis des Synchrongenerators angeschlossenen Regler und die andere über Gleichrichter von einem im Ständerkreis angeordneten Stützstromwandler gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (RE) außerdem noch an Anzapfungen (A) der Ständerwicklung (ST) des Synchrongenerators (G) angeschlossen ist und der Stützstromwandler (SW) eine unter der Kurzschlußerregerkennlinie liegende Kennlinie aufweist.
\ 2. Erregeranordnung nach Anspruch 1, dadurchSynchronous generator, which is excited via rotating rectifiers from an exciter with two separate excitation windings, one of which is fed by a controller connected to the stator circuit of the synchronous generator and the other is fed via rectifier by a backup current transformer arranged in the stator circuit, characterized in that the controller ( RE) is also connected to taps (A) of the stator winding (ST) of the synchronous generator (G) and the backup current transformer (SW) has a characteristic that is below the short-circuit exciter characteristic.
\ 2. Exciter arrangement according to claim 1, characterized ao gekennzeichnet, daß an diametral gegenüberlie-.': genden Polen der Erregermaschine Spulen der gleichen Erregerwicklung angeordnet sind und die Läuferwicklung so ausgeführt ist, daß wenigstensao marked that at diametrically opposite. ': Lowing poles of the exciter machine coils of the same field winding are arranged and the Rotor winding is designed so that at least • ρ Spulengruppen in Reihe geschaltet sind.• ρ coil groups are connected in series. s5 3. Erregeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermaschine mit ungerader Polpaarzahl ausgeführt ist.s5 3. exciter arrangement according to claim 2, characterized characterized in that the excitation machine is designed with an odd number of pole pairs. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings