DE2716206C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für eine bürstenlose Synchronmaschine gegen einen, insbesondere aufgrund des Durchlegierens von mindestens einem Stromrichterventil ver­ ursachten, Kurzschluß in einem rotierenden Erregergleichrichter, welcher die Erregerwicklung der Synchronmaschine speist und mit der dreiphasigen Sekundärwicklung einer Wechselstrom-Erreger­ maschine mit feststehender, aus einem Wechselstromnetz speis­ barer Primärwicklung verbunden ist.

Der Gegenstand des Hauptpatentes mit dem Aktenzeichen P 26 22 309 geht von einer Schutzeinrichtung aus, bei der ein Auftreten von Überspannungen im rotierenden Teil der Syn­ chronmaschine automatisch erfaßt und dadurch ein Kurzschluß an der Erregerwicklung automatisch ausgelöst wird. Bei dieser Schutzeinrichtung wird ein Meldesignal, das eine Überspannung oder den Kurzschluß anzeigt, außerhalb des rotierenden Teils der Synchronmaschine zur Verfügung gestellt. Ein solches Melde­ signal ist erwünscht, wenn infolge der Störung Schalthandlun­ gen eingeleitet werden sollen, z. B. wenn ein Abschalten des Ankerstroms der Synchronmaschine oder ein Abschalten des Primär­ stroms der Erregermaschine bewirkt werden soll. Ein solches Meldesignal ist aber auch dann erwünscht, wenn die Störung optisch oder akustisch angezeigt werden soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfidung ist es, die eingangs genann­ te Schutzeinrichtung so auszubilden, daß außerhalb des rotie­ renden Teils der Synchronmaschine insbesondere beim Durchlegie­ ren eines oder mehrerer der Ventile des Erregergleichrichters ein entsprechendes Meldesignal zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die im Hauptpatent mit dem Aktenzeichen P 26 22 309 beschrie­ bene Schutzeinrichtung auch zur Feststellung des Durchlegierens eines oder mehrerer der im Läufer vorhandenen, i. a. ungesteuer­ ten Ventile (Dioden) des Erregergleichrichters herangezogen werden kann, ohne daß zusätzliche Maßnahmen konstruktiver oder elektrischer Art getroffen werden müssen. Die für die Fest­ stellung erforderlichen elektrischen Größen stehen mit der Messung von Primärwechselstrom und Primärwechselspannung sowie nach der angegebenen Verknüpfung mit den beiden Proportionali­ tätskonstanten bereits zur Verfügung, so daß das besagte Meß­ signal entweder eine Aussage über das Durchlegieren oder das Anspre­ chen des Überspannungsschutzes beinhaltet. Die erfindungsge­ mäße Schutzeinrichtung ist also nicht zur Feststellung des Ansprechens des im Läufer eingebauten Überspannungsschutzes, sondern auch zur Feststellung des Durchlegierens eines Ventils im Erregerkreis geeignet. - Sie kann insbesondere auch bei einer Synchronmaschine eingesetzt werden, die nicht mit einem Über­ spannungsschutz für die Erregerwicklung oder den Erregergleich­ richter ausgerüstet ist.

Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann mit besonderem Vor­ teil bei einem bürstenlosen Stromrichtermotor eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung für eine bür­ stenlose Synchronmaschine, bei der ein Meldesignal beim Durch­ legieren eines Ventils des Erregergleichrichters abgegeben wird, und

Fig. 2 ein Spannungs-Strom-Diagramm für Normalbetrieb sowie für gestörten Betrieb bei einem durchlegierten Ventil.

Nach Fig. 1 ist ein Umrichter 2 eingangsseitig an ein Dreh­ stromnetz mit den Phasenleitern R, S, T angeschlossen. Die Zündimpulse für den Umrichter 2 liefert ein Steuersatz 3 nach Maßgabe eines Steuersignals q. An den Ausgang des Umrichters 2 ist die Ständerwicklung 4 einer bürstenlosen Synchronmaschine 5 angeschlossen. Die Erregerwicklung der Synchronmaschine 5 ist mit 6 bezeichnet.

Die Erregerwicklung 6 ist über einen Erregergleichrichter 7 mit ungesteuerten Ventilen 8 in Drehstrom-Brückenschaltung an die dreiphasige Sekundärwicklung 9 einer Asynchron-Erregerma­ schine 10 angeschlossen. Die einphasige oder wie hier dreipha­ sige Primärwicklung 11 der Asynchron-Erregermaschine 10 wird über ein Stellglied 12 aus einem Drehstromnetz mit den Phasen­ leitern U, V, W eingespeist. Als Stellglied 12 kann insbesondere ein Drehstromsteller vorgesehen sein, der mit Thyristoren aus­ gerüstet ist. Das Stellglied 12 wird durch ein Steuergerät 13 mit Steuerimpulsen versorgt. Das Steuergerät 13 wird seiner­ seits von einem Steuersignal p beaufschlagt. Dieses Steuersi­ gnal p kann von einem (nicht gezeigten) Stromregler geliefert werden, dessen Vergleicher ein Strom-Istwert und ein Strom- Sollwert vorgegeben sind. Ein solcher Stromregelkreis kann zweckmäßigerweise zur Regelung des Primärstroms I ₁ der Erreger­ maschine 10 vorgesehen sein.

Zum rotierenden Teil 15 der Synchronmaschine 5 kann außer den Bauelementen 6 bis 9 auch eine Schutzeinrichtung gegen Über­ spannungen an der Erregerwicklung 6 gehören. Diese Schutzein­ richtung umfaßt ein steuerbares kontaktloses Schaltelement 16, das parallel zur Erregerwicklung 6 angeordnet ist, und eine Spannungsüberwachungsschaltung 17. Als Schaltelement 16 kann insbesondere ein Thyristor oder eine Reihenschaltung von Thy­ ristoren herangezogen werden. Die Spannungsüberwachungsschal­ tung 17 gibt dann, wenn die Spannung an der Erregerwicklung 6 einen fest eingestellten Wert überschritten hat, automatisch einen Schaltbefehl an das Schaltelement 16, wodurch das Schalt­ element 16 geschlossen und der Erregergleichrichter 7 kurzge­ schlossen wird. Die Spannungsüberwachungsschaltung 17 ist in üblicher Weise ausgebildet, z. B. nach der deutschen Auslege­ schrift 15 63 329. Sie kann insbesondere Zenerdioden oder ande­ re spannungsempfindliche Bauelemente enthalten. Bei Auftreten einer Überspannung an der Erregerwicklung 6 wird somit die Er­ regerwicklung 6 mittels des kontaktlosen Schaltelements 16 kurzgeschlossen, so daß ihr vom Erregergleichrichter 7 kein Erregerstrom mehr zugeführt werden kann. Infolgedessen kann die Synchronmaschine 5 kein Drehmoment mehr abgeben. Sie wird stillgesetzt. - Eine solche Schutzeinrichtung ist für die Funk­ tion der im folgenden beschriebenen Schutzeinrichtung für den Fall des Durchlegierens entbehrlich.

Weiter ist eine Schutzeinrichtung vorhanden, die so ausgebildet ist, daß beim Durchlegieren eines Ventils 8 des Erregergleich­ richters 7 außerhalb des rotierenden Teils 15 der Synchronma­ schine 5 ein entsprechendes Meldesignal z zur Verfügung steht. Dazu ist ein Spannungsvergleichsglied 20 vorgesehen, das die an seinem ersten Eingang liegende erste Eingangsspannung kU ₁ mit der am zweiten Eingang liegenden zweiten Eingangsspannung cI ₁ betragsmäßig vergleicht. Das Meldesignal z zeigt an, welche der beiden Eigangsspannungen kU ₁, cI ₁ die größere ist.

Die erste Eingangsspannung kU ₁ ist proportional zur Primärwech­ selspannung U ₁ der Erregermaschine 10. Die Proportionalitäts­ konstante ist mit k bezeichnet. Die zweite Eingangsspannung cI ₁ ist dem Primärwechselstrom I ₁ der Erregermaschine 10 proportio­ nal. Die zweite Proportionalitätskonstante ist mit c bezeichnet. Die beiden Proportionalitätskonstanten k und c sind so gewählt und aufeinander abgestimmt, daß die zweite Eingangsspannung cI ₁ im ungestörten Normalbetrieb der Synchronmaschine 5 betragsmä­ ßig unter und bei mindestens einem durchlegierten Ventil 8 betragsmäßig über der ersten Eingangsspannung kU ₁ liegt. Das wird später noch anhand von Fig. 2 verdeutlicht werden.

Zur Bildung der ersten Eingangsspannung kU ₁ ist nach Fig. 1 eine Meßeinrichtung vorgesehen. Diese umfaßt einen Transforma­ tor 21, dessen Primärwicklung zwischen zwei Zuleitungen zur Primärwicklung 11 der Erregermaschine 10 geschaltet ist. An der Primärwicklung des Transformators 21 liegt somit die Primär­ wechselspannung U ₁. Die Sekundärwicklung des Transformators 21 ist an einen ersten Gleichrichter 22 angeschlossen. Dieser be­ steht aus vier Dioden in Brückenschaltung. An seinem Ausgang, an dem als Bürde ein Lastwiderstand 23 und ein Glättungskonden­ sator 28 liegen, wird die erste Eingangsspannung kU ₁ des Span­ nungsvergleichsgliedes 20 abgegriffen. Das Untersetzungsverhält­ nis des Transformators 21 bestimmt neben den Spannungsabfällen die Größe der ersten Proportionalitätskonstanten k. Bei Verwen­ dung eines üblichen Halbleiter-Operationsverstärkers im Span­ nungsvergleichsglied 20 wird das Untersetzungsverhältnis ins­ besondere so gewählt, daß die erste Eingangsspannung kU ₁ maxi­ mal einen Wert von 15 V annehmen kann.

Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 kann auch so vorge­ gangen werden, daß als erste Eingangsspannung kU ₁ des Spannungs­ vergleichsgliedes 20 das Steuersignal p des Stellgliedes 12 verwendet wird. Dadurch lassen sich die Bauelemente 21, 22 und 23 einsparen.

Zur Bildung der zweiten Eingangsspannung cI ₁ des Spannungsver­ gleichsgliedes 20 ist ebenfalls eine Meßeinrichtung vorgesehen. Diese umfaßt einen Stromwandler 24, der in einer Zuleitung zur Primärwicklung 11 angeordnet ist, und einen ihm nachgeschalte­ ten zweiten Gleichrichter 25. Am Ausgang des zweiten Gleich­ richters 25, an dem ein Glättungskondensator 29 und als Bürde ein Lastwiderstand 26 angeschlossen sind, wird die zweite Ein­ gangsspannung cI ₁ abgegriffen. Die Proportionalitätskonstante c wird im wesentlichen durch die Wahl der Windungszahl des Strom­ wandlers 24 festgelegt.

Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 kann bei dreiphasiger Primärwicklung die Meßeinrichtung zur Ermittlung der zweiten Eingangsspannung cI ₁ auch drei Stromwandler umfassen, von denen je einer in einer Zuleitung zur Primärwicklung 11 der Erreger­ maschine 10 angeordnet ist. Diesen Stromwandlern, die sekundär­ seitig in Stern geschaltet werden, ist ein Gleichrichter mit Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung nachgeschaltet, dessen Ausgang an einen Lastwiderstand angeschlossen ist.

Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 kann weiterhin - so­ fern ein Stromregelkreis für den Primärstrom I ₁ an der Primär­ wicklung 11 vorgesehen ist - so vorgegangen werden, daß als zweite Eingangsspannung cI ₁ der Strom-Sollwert oder der Strom- Istwert dieses dann ohnehin vorhandenen Stromkreises ver­ wendet wird.

Zur Erläuterung der Festlegung der Proportionalitätskonstanten k und c und der Funktion der Schutzeinrichtung wird im folgen­ den die Fig. 2 betrachtet.

In Fig. 2 sind als durchgezogene Geraden vier Kennlinien der Erregermaschine 10 dargestellt. Die beiden oberen Kennlinien beziehen sich auf den ungestörten Normalbetrieb I, und zwar bei den Drehzahlen n = 0 und n = n _n , wobei n _n die Nenndrehzahl be­ deutet. Zwischendrehzahlen entsprechen (nicht gezeigten) Gera­ den zwischen den beiden Grenz-Kennlinien. Die beiden unteren durchgezogenen Kennlinien beziehen sich auf den gestörten Be­ trieb II, wenn mindestens ein Ventil 8 durchlegiert ist, d. h. seine Sperrfähigkeit verloren hat. Es ist jeweils die Abhängig­ keit der Primärwechselspannung U ₁ von dem Primärwechselstrom I ₁ dargestellt, wobei die Primärwechselspannung U ₁ noch mit der Proportionalitätskonstante k ₁ < 1 multipliziert ist. Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß zwischen den Kennlien im Normal­ betrieb I und den Kennlinien für den gestörten Betrieb II ein größerer Abstand klafft. In diesem Zwischenbereich muß - durch geeignete Wahl der Proportionalitätskonstanten k und c - die gestrichelt eingezeichnete Schutzkennlinie U ₁ = cI ₁ liegen.

Aus einer Betrachtung der beiden oberen und der beiden unteren Kennlinien ergibt sich, daß die Eingangsimpedanz der Erreger­ maschine 10 bei durchlegiertem Ventil 8 (gestörter Betrieb II), wenn die Schutzeinrichtung angesprochen hat, wesentlich kleiner ist als im Normalbetrieb I. Bei Durchlegieren eines Ventils 8 kann ein sehr hoher Kurzschlußstrom auf dem Wege von einer sekundärseitigen Teilwicklung über das defekte Ventil 8 in dessen Sperrichtung, über ein benachbartes Ventil 8 und eine weitere sekundärseitige Teilwicklung fließen. Dieser Kurzschluß­ strom kann zur Zerstörung des besagten benachbarten Ventils und/oder einer Teilwicklung führen. Ein solcher Kurzschluß­ strom führt dazu, daß entweder bei konstant gehaltener Primär­ wechselspannung U ₁ der Primärwechselstrom I ₁ ansteigt oder bei konstant gehaltenem Primärwechselstrom I ₁ die Primärwechsel­ spannung U ₁ absinkt. Somit liefern die Primärwechselspannung U ₁ und der Primärwechselstrom I ₁ eine eindeutige Aussage dar­ über, ob der Normalbetrieb I oder gestörter Betrieb II vorliegt.

Wird im übrigen die Synchronmaschine 5 vom Stellglied 12 her mit Hilfe eines Stromregelkreises mit konstantem Erregerstrom betrieben (dann ist auch der Primärstrom I₁ etwa konstant), liefert allein schon die Primärwechselspannung U ₁ ein eindeu­ tiges Kriterium dafür, ob die Schutzeinrichtung auf Durchlegie­ ren angesprochen hat oder nicht. Dies ist jedoch nicht mehr der Fall, wenn der Primärwechselstrom I ₁ innerhalb eines grö­ ßeren Bereiches verändert wird, z. B. in Abhängigkeit von der Belastung. Hierbei können sich dann die Spannungsbereiche für ungestörten Normalbetrieb I und gestörten Betrieb II überlap­ pen. Aus diesem Grunde ist es notwendig, bei der Schutzeinrich­ tung nicht nur die Primärwechselspannung U ₁, sondern auch den Primärwechselstrom I ₁ zu verwerten.

Es soll noch einmal hervorgehoben werden, daß die Schutzkenn­ linie U _s = cI ₁ durch Wahl der beiden Proportionalitätskonstan­ ten k und c so einzustellen ist, daß sie zwischen den Kennli­ nien kU ₁ = F(I₁) für ungestörten Normalbetrieb I und gestörten Betrieb II verläuft. Die Einstellung kann durch Wahl geeigne­ ter Untersetzungsverhältnisse, Vorwiderstände, Windungszahlen o. ä. elektrisch oder mechanisch erfolgen.

Das Spannungsvergleichsglied 20 kann beispielsweise so aufge­ baut sein, daß es ein Meldesignal z = 1 liefert, wenn kU ₁ < cI ₁ ist, wenn Normalbetrieb I vorliegt, und daß es ein Meldesignal z = 0 abgibt, wenn kU ₁ < cI ₁ ist.

Claims (5)

1. Schutzeinrichtung für eine bürstenlose Synchronmaschine gegen einen, insbesondere aufgrund des Durchlegierens von mindestens einem Stromrichterventil verursachten, Kurzschluß in einem rotierenden Erregergleichrichter, welcher die Erregerwicklung der Synchronmaschine speist und mit der dreiphasigen Sekundär­ wicklung einer Wechselstrom-Erregermaschine mit feststehender, aus einem Wechselstromnetz speisbarer Primärwicklung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur ortsfesten Abgabe eines Meldesignals (z) über das Auftreten des Kurzschlusses ein Spannungsvergleichsglied (20) vorgesehen ist, dem am einen Eingang eine der Primärwechselspannung (U ₁) der Erregermaschine (10) über eine erste Proportionalitätskonstante (k) proportionale erste Eingangsspannung (kU ₁) und dem am anderen Eingang eine dem Primärwechselstrom (I ₁) der Erreger­ maschine (10) über eine zweite Proportionalitätskonstante (c) proportionale zweite Eingangsspannung (cI ₁) vorgegeben ist, wo­ bei die beiden Proportionalitätskonstanten (k, c) so gewählt sind, daß die zweite Eingangsspannung (cI ₁) im Normalbetrieb (I) der Synchronmaschine (5) betragsmäßig unter und bei kurz­ geschlossener Erregerwicklung (6) betragsmäßig über der ersten Eingangsspannung (kU ₁) liegt, und daß das Meldesignal (z) am Ausgang des Spannungsvergleichsgliedes (20) abgegriffen ist.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der ersten Eingangsspannung (kU ₁) des Spannungsvergleichsgliedes (20) eine Meßeinrichtung vorgesehen ist, die einen primärsei­ tig an die Primärwicklung (11) der Erregermaschine (10) angeschlossenen Transformator (21), dessen Untersetzungs­ verhältnis im wesentlichen die erste Proportionalitäts­ konstante (k) festlegt, und einen sekundärseitig an den Transformator (21) angeschlossenen ersten Gleichrichter (22) umfaßt (Fig. 1).

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der zwei­ ten Eingangsspannung (cI ₁) des Spannungsvergleichsgliedes (20) eine Meßeinrichtung vorgesehen ist, die einen mit der Primärwicklung (11) der Erregermaschine (10) in Reihe geschalteten Stromwandler (24), dessen Windungszahl im wesentlichen die zweite Proportionalitätskonstante (c) festlegt, und einen dem Stromwandler (24) nachgeschalte­ ten zweiten Gleichrichter (25) umfaßt (Fig. 1).

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 3 mit einer dreiphasigen Primärwicklung der Erregermaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung drei Stromwandler, von denen je einer in einer Zuleitung zur Primärwicklung (11) angeordnet ist, und einen den Stromwandlern nachgeschalteten Gleichrichter mit Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung umfaßt.

5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Stell­ glied, das die Primärwicklung der Erregermaschine speist und das von einem Steuersignal steuerbar ist, welches wiederum von einem Stromregler geliefert wird, dessen Vergleicher ein Strom-Istwert und ein Strom-Sollwert vor­ gegeben sind, dadurch gekennzeich­ net, daß als zweite Eingangsspannung (cI ₁) der Strom- Istwert des Stromreglers vorgesehen ist.