DE909475C - Einrichtung zur Erregung von Synchronmaschinen aus dem Drehstromnetz - Google Patents

Einrichtung zur Erregung von Synchronmaschinen aus dem Drehstromnetz

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DE909475C
DE909475C DES15086D DES0015086D DE909475C DE 909475 C DE909475 C DE 909475C DE S15086 D DES15086 D DE S15086D DE S0015086 D DES0015086 D DE S0015086D DE 909475 C DE909475 C DE 909475C
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DE
Germany
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switching
phase
current
contact
magnetization
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Expired
Application number
DES15086D
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Oskar Schmutz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of DE909475C publication Critical patent/DE909475C/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/36Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

  • Einrichtung zur Erregung von Synchronmaschinen aus dem Drehstromnetz Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Entnahme des Erregerstromes für eine Synchronmaschine aus dem Drehstromnetz unter Zuhilfenahme von Gleichrichtern. Es ist bereits der Vorschlag gemacht worden, als Gleichrichter für diesen Zweck einen Kontaktgleichrichter zu verwenden und diesen zum Zweck der Verbesserung der Kommutierung mit sogenannten Schaltdrosseln auszurüsten. Unter Schaltdrosseln sind dabei Drosselspulen zu verstehen, die mit den Schaltkontakten in Reihe liegen und eine solche Magnetisierungskennlinie besitzen, daß sie bereits bei einem ganz geringen Bruchteil des Normalstromes sprunghaft ihren Sättigungszustand erreichen und dabei die vorher vorhandene beträchtliche Induktivität bis auf einen ganz kleinen Rest verlieren. Diese Schaltdrosseln haben die Wirkung, daß die Stromänderungsgeschwindigkeit der Kontaktströme in der Nähe des Nulldurchganges stark herabgesetzt wird, so daß ein längeres Zeitintervall zur Verfügung steht, um den Kontakt der abzulösenden Phase funkenlos, d. h. mit sehr kleinem Strom, zu öffnen.
  • Man kann die Schaltdrosseln in bezug auf den Kontaktgleichrichter, dessen bewegliche Kontakte zweckmäßig unmittelbar auf der Synchronmaschinenwelle angeordnet werden, so schalten, daß sie in Stromzweigen liegen, die nur bereits gleichgerichteten Strom führen. Dann werden sie also immer nur in einer Richtung von Strom durchflossen und auch nur in einer Richtung magnetisiert. Man kann jedoch die Schaltdrosseln auch so legen, daß sie in beiden Richtungen von Strom durchflossen werden, was den Vorteil hat, daß die Schaltdrosseln besser ausgenutzt werden. Auf eine solche Schaltung bezieht sich die Erfindung. Sie hat zur Aufgabe, bestimmte Schwierigkeiten, die sich aus dem Betriebsverhalten der Synchronmaschine ergeben und die mit der wechselnden Magnetisierung der Schaltdrosseln zusammenhängen, zu überwinden.
  • Worin diese Schwierigkeiten bestehen, möge im folgenden näher auseinandergesetzt werden. Zu diesem Zweck soll zunächst betrachtet werden, wie der Kommutierungsvorgang unter dem Einfluß der Schaltdrosseln normalerweise abläuft. In Fig. I bedeuten u und v die Spannungskurven zweier aufeinanderfolgender Phasen, und es möge angenommen werden, daß zum Zweck der übergabe der Stromführung von der Phase u an die Phase v der Schaltkontakt der Phase v im Zeitpunkt t0 geschlossen werde. Die Öffnung des Kontaktes der Phase u möge dagegen erst im Zeitpunkt t3 erfolgen, so daß eine Kontaktüberlappungszeit ü vorhanden ist. Der Gleichstrom ist mit Jg bezeichnet, er möge vollständig geglättet sein. Links von dem Zeitpunkt t0 entspricht der Gleichstrom dem Strom iu der Phase u, rechts von dem Zeitpunkt t3 dagegen dem Strom iv.
  • Da im Augenblick des Zuschaltens der Folgephase v der Strom iv noch gleich Null ist, so ist die zugehörige Schaltdrossel noch ungesättigt, so daß der Anstieg von iv und der entsprechende Abfall von iu nur ganz langsam vor sich geht. Im Punkt t1 erreicht die Schaltdrossel der Phase v ihren Sättigungsstrom is, wodurch ihre Induktivität fast völlig verschwindet, so daß nunmehr die Änderungsgeschwindigkeit der Ströme nur noch durch die übrigen Induktivitäten des Stromkreises begrenzt ist. Sie ist infolgedessen sehr groß, so daß nach einem ganz kurzen, hier übertrieben lang dargestellten Zeitintervall im Zeitpunkt t2 nunmehr der Strom iu auf die Sättigungsgrenze abgeklungen ist. Infolge der Entsättigung der Schaltdrossel der Phase u kommt nun wieder ein Zeitraum mit langsamer Stromänderung, innerhalb dessen der Üffnungszeitpunkt des Kontaktes der Phase u liegen muß. Die Öffnung erfolgt in dem dargestellten Beispiel in einem Zeitpunkt t3, in dem der Strom i bereits die Nullinie unterschritten hat.
  • Nach einiger Zeit wiederholt sich das beschriebene Spiel, nur daß jetzt die Phase v die abzulösende Phase ist, so daß nunmehr die dieser Phase zugeordnete Schaltdrossel in gleicher Weise wie vorher die Schaltdrossel der Phase u von höheren Strömen herkommend ihre Sättigungsgrenze unterschreitet und wieder entmagnetisiert wird. Jede Schaltdrossel durchläuft also nacheinander die beiden durch die Stromkurven iu und iv dargestellten Zustandsänderungen. Da die Schaltdrossel aber außerdem voraussetzungsgemäß auch noch mit wechselnder Richtung von Strom durchflossen werden soll, so schließt sich nach erfolgter Entmagnetisierung ein Vorgang an, der genau so verläuft wie der vorher beschriebene, nur daß jetzt die Magnetisierung der Drossel mit umgekehrtem Vorzeichen erfolgt. Während des Zeitraumes der geringen Stromänderung, im folgenden kurz als Stufe bezeichnet, wird nahezu die gesamte in dem Stromkreis wirksaure Spannung von der Schaltdrossel mittels einer induktiven Gegenspannung aufgenommen. Diese induktive Gegenspannung setzt eine Flußänderung in der Schaltdrossel voraus, die nach höheren Werten hin durch den Sättigungsfluß begrenzt ist. Die Stufe entspricht je nach ihrer Länge einem größeren oder kleineren Spannungszeitintegral, das in Fig. I durch die entsprechende Fläche f1 bzw. f2 zwischen den Spannungskurven dargestellt wird. Jedem Spannungszeitintegral entspricht wiederum eine ganz bestimmte Zu- oder Abnahme des Flusses in der Schaltdrossel, so daß die Länge der Stufe durch drei Größen, nämlich durch die während der Stufe wirksame mittlere Spannungsdifferenz, durch den Magnetisierungszustand der Schaltdrossel beim Beginn der Stufe und durch die Größe des Sättigungsflusses, gegeben ist.
  • Die Schaltdrossel wird sich nun, wenn der Strom gleich Null ist, im allgemeinen nicht in völlig entmagnetisiertem Zustand befinden, sondern es wird wegen der Remanenz immer noch ein kleiner Fluß vorhanden sein. In Fig. 2, wo die Magnetisierungskurve einer Schaltdrossel in Form der bekannten Hysteresisschleife wiedergegeben ist, möge diese Restmagnetisierung dem Punkt A entsprechen. Die Länge der Stufe beim Einschalten entsprechend der Fläche f1 in Fig. I ist also gegeben durch die Differenz zwischen dem positiven Sättigungsfluß und dem remanenten Fluß entsprechend dem Punkt A. Die Magnetisierung der Drossel erfolgt annähernd längs des Kurvenastes a der Hysteresisschleife. Wird nun die Schaltdrossel bei der Ablösung der betreffenden Phase wieder entmagnetisiert, so wird sich ein neuer Zustand der Restmagnetisierung einstellen, der mit dem Ausgangszustand entsprechend dem Punkt A im allgemeinen nicht übereinstimmen wird. Wie groß die übrigbleibende Restmagnetisierung ist, hängt von dem Öffnungszeitpunkt t3 des zugehörigen Kontaktes ab, da durch diesen ja die Fläche f2 und damit die gesamte Flußänderung bei der Entmagnetisierung, ausgehend von dem Sättigungsfluß, begrenzt ist. Bei dem nächsten Stromübergabevorgang besitzt also die Drossel eine andere Restvormagnetisierung, was zu Kommutierungsschwierigkeiten führt, wenn die Magnetisierung der Drossel nunmehr mit umgekehrtem Vorzeichen erfolgen muß. Aus Symmetriegründen ist ein stationärer Zustand nur dann erreichbar, wenn die Punkte A und B, von denen die Magnetisierung der Schaltdrossel in den beiden verschiedenen Richtungen ausgeht, symmetrisch zur Nullinie liegen, wie das in Fig. 2 ,dargestellt ist. Die Drossel müßte also in diesem Fall, nachdem sie, vom Punkt A ausgehend, längs .des Kurvenastes a. bis in .den Sättigungszustand gebracht wurde, über den Kurvenast b wieder so entmagnetisiert werden, daß ihr magnetischer Zustand im Öffnungszeitpunkt des Kontaktes dem Punkt B entspricht. In diesem Falle müßte also, wie das auch in Fig. i wiedergegeben ist, der Öffnungszeitpunkt t3 so liegen, daß der Strom des abzulösenden Kontaktes bereits einen kleinen negativen Wert erreicht hat. Die Fläche f2 würde dann etwas größer sein müssen als die Fläche f1.
  • Wenn man annimmt, daß die speisende Wechselspannung konstant bleibt, so ließe sich durch geeignete Wahl der Kontaktüberlappung ü dieser Zustand wohl aufrechterhalten. Schwankt aber die Wechselspannung oder wird die Synchronlage der Schaltzeitpunkte in bezug auf die Spannungshalbwellen verschoben, so wird das gegenseitige Verhältnis der Fläche f1 und f2 geändert, so daß die Symmetrie der Punkte A und B gestört wird. Es ergibt sich dann bei wechselnder Magnetisierung der Schaltdrosseln ein unstabiler Zustand, der leicht dazu führen kann, daß der Ausgangszustand der Drossel eine bei dem gegebenen Ausschaltzeitpunkt zur funkenfreien Kommutierung hinreichende Stufenlänge ausschließt. Mit Schwankungen der Wechselspannung muß aber ebenso wie mit Änderungen der Synchronlage der Schaltzeitpunkte immer gerechnet werden. Letztere kann beispielsweise zum Zweck der Regelung notwendig werden. Sind die Kontakte unmittelbar mit der Synchronmaschine gekuppelt, so werden auch Drehmomentänderungen der Synchronmaschine eine Änderung der Synchronlage der Kontakte zur Folge haben. Man könnte an sich die für den stabilen Betrieb notwendigen Verhältnisse dadurch wiederherstellen, daß man die Überlappungszeit entsprechend ändert. Dies ist jedoch aus konstruktiven Gründen nicht ohne weiteres möglich, so daß man mit einer festen Überlappungszeit rechnen muß.
  • Um trotzdem bei wechselnder Magnetisierung der Schaltdrosseln in jedem Fall stabile Verhältnisse zu erzielen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Schaltdrosseln jeweils vor dem Schließungszeitpunkt des zugehörigen Stromzweiges bis zum Knie ihrer Magnetisierungskurve vorzumagnetisieren oder, mit anderen Worten, dafür zu sorgen, daß der Ausgangszustand der Drossel immer bereits der gesättigte Zustand ist. Dann fällt naturgemäß die Anfangsstufe zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 praktisch fort, und es beginnt in dem Augenblick des Zuschaltens bereits die rasche Stromänderung. Der Strom in der Folgephase setzt also praktisch im Augenblick des Schließungszeitpunktes ein. Für die Funkenfreiheit der Kommutierung macht dies nichts aus, da ja hierfür, wie oben gezeigt, lediglich die Ausschaltstufe maßgebend ist. Wird aber gemäß der Erfindung die Drossel künstlich vor Beginn des Kommutierungsvorganges immer wieder in den Zustand der Sättigung geführt, so ist es völlig gleichgültig, welchen Restmagnetismus sie nach Beendigung jedes Magnetisierungszyklus beibehält. Es muß nur dafür gesorgt sein, daß die sich aus den Abmessungen der Drossel ergebende maximale Flußänderung mit Sicherheit eine hinreichend große Stufe bei der Abschaltung gewährleistet.
  • Zur Hervorrufung des zur Vormagnetisierung nötigen Stromes können Widerstände verwendet werden, die die Kontakteinrichtung überbrücken und für die Spannungsquelle und die damit in Reihe geschalteten Drosseln einen geschlossenen Stromkreis bilden. Dann fließt in der Drossel bereits vor dem eigentlichen Kontaktschluß ein Strom, der durch die Wahl der Widerstände so bemessen werden kann, daß er die Drossel bis zum Knie der Magnetisierungskurve vorerregt. Man kann aber auch die Drosseln mit besonderen Vormagnetisierungswicklungen ausrüsten und diese in geeigneter Weise erregen.
  • Ein Ausführungsbeispiel für die letztgenannte Möglichkeit zeigt Fig. 3. Die Ständerwicklungen 2 der Synchronmaschine I speisen das Netz U, V, W. Die Schaltung ist so ausgeführt, daß eine Kompoundierung der Synchronmaschine erreicht wird. Zu diesem Zweck wird dem Netz zunächst über den Transformator 5 eine Spannungskomponente entnommen, der noch eine zweite stromabhängige Spannungskomponente hinzugefügt wird. Diese zweite Komponente wird den Sekundärwicklungen der in Reihe mit dem Netz geschalteten Drosselspulen 4 entnommen. Die Sekundärwicklungen der Drossel 4 sind mit den entsprechenden Sekundärwicklungen des Transformators 5 in Reihe geschaltet. Der Transformator 5 ist sekundärseitig in Zickzack geschaltet, damit sich die vom Transformator 5 und die von der Drossel 4 gelieferten Spannungen unter einem günstigsten Winkel zusammensetzen, bei dem eine große Unabhängigkeit der Generatorspannung von cos 9 der Generatorbelastung auftritt.
  • Der Gleichrichter selbst, der mit 9 bezeichnet ist, besteht aus einem kommutatorähnlichen Körper mit vier umlaufenden Kontaktsegmenten, die paarweise diametral miteinander verbunden und über die Schleifringe Io an die Erregerwicklung 3 der Synchronmaschine I angeschlossen sind. Die Schleifringe können fortfallen, wenn die Möglichkeit besteht, die Verbindungsleitungen zu der Erregerwicklung etwa durch die hohle Welle der Synchronmaschine hindurchzuführen. Die Ausführung des Kommutatorkörpers mit vier Kontaktstücken entspricht einer vierpoligen Ausgestaltung der Synchronmaschine. Auf dem Kommutatorkörper schleifen sechs Bürsten, die an die freien Wicklungsenden der einzelnen Phasen des Speisekreises u, v, w bzw. x, v, z angeschlossen sind.
  • In Reihe mit den Bürsten u, v, w liegen die Schaltdrosseln 6. Jede dieser Schaltdrosseln besitzt eine Vormagnetisierungswicklung. Diese Vormagnetisierungswicklungen sind mit 7 bezeichnet. Sie sind so geschaltet, daß jede von ihnen in dem Stromkreis der zeitlich vorangehenden Phase liegt. Der Wicklungssinn der Vormagnetisierungswicklung ist so gewählt, daß die Drossel vor dem Einschaltzeitpunkt in dem gleichen Sinn erregt wird, wie es nachher durch den ihre Arbeitswicklung durchfließenden Strom geschieht. Durch den Schalter 8 können die Schaltdrosseln 6 samt ihren Vormagnetisierungswicklungen 7 überbrückt werden, damit beim Beginn des S:elbsterregungsvorganges der Synchronmaschine der wirksame Widerstand des Erregerkreises möglichst klein gehalten werden kann. Andernfalls könnte nämlich die Induktivität der Schaltdrosseln eine Selbsterregung verhindern. An Stelle des Schalters 8 kann auch ein Schütz verwendet werden, das über ein Relais so lange erregt wird, bis der Erregerstrom genügend angestiegen ist.
  • Die Erfindung bezieht sich zwar in erster Linie auf die Erregung von Synchronmaschinen. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, in denen ganz gleichartige Verhältnisse vorliegen. Auch in diesen Fällen wäre daher die Erfindung mit gutem Erfolg zu verwenden.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Einrichtung zur Erregung von Synchronmaschinen aus dem Drehstromnetz über Kontaktgleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kommutierungsverbesserung dienende Schaltdrosseln, die in wechselnder Richtung von Strom durchflossen sind, jeweils vor dem Schließungszeitpunkt des zugehörigen Stromzweiges bis zum Knie ihrer Magnetisierungskurve vormagnetisiert werden.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hervorrufung des zur Vormagnetisierung nötigen Stromes Widerstände vorgesehen sind, die die Kontakteinrichtung überbrücken.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdrosseln mit Vormagnetisierungswicklungen ausgerüstet sind.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklung jeder Schaltdrossel in den Stromkreis einer anderen Phase; vorzugsweise der vorangehenden Phase, eingeschaltet ist.
DES15086D 1939-01-10 1939-01-10 Einrichtung zur Erregung von Synchronmaschinen aus dem Drehstromnetz Expired DE909475C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2963636A (en) * 1956-10-30 1960-12-06 Leroy Marcellin Method of and device for exciting and regulating alternators

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US2963636A (en) * 1956-10-30 1960-12-06 Leroy Marcellin Method of and device for exciting and regulating alternators

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