-
Einrichtung zur Schwingungsentregung von elektrischen Maschinen Es
ist bekannt, bei größeren elektrischen. Maschinen mit Erregermaschine zur Schnellentregung
einen Widerstand (Schwingungswiderstand) mit der Erregei#maschine in Reihe zu legen,
den Nebenschlußregler der Erregermaschine kurzzuschließen und an seiner Stelle entweder
sofort oder nach einer gewissen Zeit einen Ersatzwiderstand bestimmter Größe einzuschalten.
Die Einschaltung des Schwingungswiderstandes bewirkt eine Umpolung der Erregermaschine
und: löst damit eine Schwingungsentregung aus, die durch das Kurzschließen des Nebenschlußreglers
noch beschleunigt wird und zu einem raschen periodischen Vorgang führt, bei dem
die Erregungsrichtung wiederholt-wechselt und der ohne besondere Vorkehrungen nur
allmählich ausklingt. Man hat daher zur Abkürzung dieses periodischen Vorganges
sofort einen Dämpfungswiderstand in den Erregerkreis der Erregermaschine als Ersatz
für den kurzgeschlossenen Nehenschlußreglereingeschaltet oder auch den Zeitpunkt
des Einschattens durch ein Zeitrelais festgelegt. Die' Ansprechzeit desselben entspricht
der Zeit, in welcher die Leerlaufspannung des Generators erstmals auf Null abgesunken
ist. Sie berücksichtigt aber nicht, daß diese Leerlaufspannung je nach den vorausgegangenen
Belastungsverhältnissen bzw. dem bei Beginn der Schwingungsentregung vorliegenden
Erregungszustand
des Generators zu unterschiedlichen Zeiten zu
Null wird und daß das Zeitrelais auch im Falle einer Störung, z. B. bei einem Klemmenkurzschluß
der Maschine, -den richtigen Einschaltzeitpunkt für den Ersatzwiderstand nicht trifft.
-
Es ist auch bekannt, -das Einschalten des Ersatzwiderstandes von einer
einzigen Betriebsgröße, nämlich vom Strom des Polradkreises der zu entregenden Maschine
abhängig zu machen. Aber auch hierbei wird nicht die kürzestmögliche Entregungszeit
erreicht, denn das Einschalten des Ersatzwiderstandes wird dabei vielmehr erst beim
zweiten Richtungswechsel des Polradstromes vorgenommen, also zu einem Zeitpunkt,
in dem die Spannung der zu entregenden Maschine bereits wiedergekehrt ist. Auch
der Nulldurchgang des Polradstromes kann allein nicht als Kriterium für das Einschalten
des Ersatzwiderstandes benutzt wenden, da der Nulldurchgang des Polradstromes und,
der Nulldurchgang der Leerlaufankerspannung zeitlich nicht identisch sind.
-
Durch die Erfindung wird die Beendigung des Entregungsv organfies
durch Einschalten des Ersatzwiderstandes dem jeweils vorliegenden Betriebszustand
der Maschine angepaß,t und in jedem Falbe die kürzestmögliche Entregungszeit mit
einfachen Mitteln erreicht. Es ist daher gleichgültig, ob der beim Einleiten der
Entregung vorhanden gewesene Betriebszustand der Maschine einem Leerlauf, irgendeiner
Belastung oder einer Störung, z. B. einem Teil- oder vollständigen mehrphasigen
Klemmenkurzschluß, entsprochen .hat.
-
Die Erfindung besteht darin, @daß das Einschalten des Ersatzwiderstandes
selbsttätig und, angepaßt an den jeweils zuletzt vorhanden gewesenen Betriebszustahd,
durch Schaltmittel erfolgt, die in gleichzeitiger Ausleseabhängigkeit von zwei elektrischen
Größen, insbesondere Spannungen, stehen, von denen mindestens ,eine den Elementen
des Polradstromkreises, insbesondere dem Schwingungswiderstand, entnommen ist, und
die so gewählt sind, daß die sich durch die Auslöseabhängigkeit ergebende Auslösefunktion
für die Schaltmittel zumindest im Auslösebereich -einen ähnlichen eindeutigen Verlauf
hat wie die das Verschwinden der Ankerspannung und/oder .des Ankerstromes der Synchronmaschine
kennzeichnende Funktion.
-
Es wäre an sich zwar denkbar, allein den Ankerstrom der zu entregenden
Maschine oder auch deren Erregerfluß als Kriterium für den Zeitpunkt der Einschaltung
des Ersatzwiderstandes zu verwenden. Die dazu erforderlichen Mittel und Maßnahmen
wären jedoch zu umfangreich und umständlich.
-
Die Erfindung sei an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigt Fig. i das Prinzip der bekannten Schwingungsentregungsschaltung,
Fig.2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig.3 eine Darstellung der Strom- und
Spannungsverhältnisse als Erläuterung zu Fig. 2, Fig.4 eine Weiterbildung der Erfindung,
Fig. 5 leine graphische Darstellung als Erläuterung zu Fig. 4, Fig. 6 ein anderes
Ausführungsbeispiel, Fig. 7 ein den gleichen Zweck wie Fig. 6, jedoch mit anderen
Mitteln erreichendes Schaltungsbeispiel.
-
In Fi.g. i ist die Ankerwicklung einer zu entregenden Synchronmaschine
mit i und deren Polra.d, das die Erregerwicklung trägt, mit 2 bezeichnet. Die Synchronmaschine
i, 2 wird durch eine Erregermaschine 3, 5 erregt, deren Anker 3 über den normalerweise
durch den Kontakt k, kurzgeschlossenen Schwingungswiderstand 4 im Polradstromkreis
der Synchronmaschine liegt. Die Erregerwicklung der Erregermaschine ist mit 5 bezeichnet
und erregt diese über den veränderbaren Widerstand 6 im Nebenschluß. Die Strorririchtungen
in den Erregerkreisen der beiden Maschinen für den - Normalzustand sind durch die
dünnen Pfeile dargestellt. Zur Schnellentregung wird ein nicht dargestelltes Schütz
mit den Kontakten k1 und k2 ausgelöst. Es bewirkt zunächst ein Einschalten des Schwingungswiderstandes
4 durch Öffnen des Kontaktes k1 und -ein Kurzschließen des veränderbaren Widerstandes
6 durch Schließen des Kontaktes k2. Statt dessen wird entweder sofort oder nach
einer gewissen Zeit die Einschaltung eines Ersatzwiderstandes durch Öffnen des Kontaktes
k' bewirkt. Die dünn gezeichneten Pfeile deuten die Stromrichtungen vor der Entregung
an. Die dick gezeichneten Pfeile geben die Stromrichtungen unmittelbar nach dem
Einschalten des Schwingungswiderstandes 4 an; die gestrichelten Pfeile zeigen die
Stromrichtungen, nachdem der Strom in. dem Schwingungswiderstand 4 zum ersten Mal
zu Null geworden ist und seine Richtung gewechselt hat.
-
In Fig. 2 bezeichnen die mit den gleichen Bezugszeichen versehenen
Elemente die gleichen Gegenstände wie in Fig. i. Es ist der Zustand dargestellt,
nachdem er Schwingungswiderstand 4. bereits eingeschaltet, der Ersatzwiderstand
7 jedoch noch überbrückt ist. Die Einschaltung erfolgt durch Öffnen des Kontaktes
ca. der zu einem Schaltmittel, dem Relais A, gehört. Das Relais
A und damit der Kontakt a stehen in gleichzeitiger Auslöseabhängigkeit von
der Differenzwirkung zweier Spannungen, von denen die eine der Polradspannung und-die
andere.dem Polradstrom verhältig ist. Die Auslösewicklung A1 liegt über einen Schaltkontakt
k3 unmittelbar an den Klemmen der Erregerwicklung der Synchronmaschine i, 2. Die
zweite Wicklung A2 liegt parallel zum Schwingungswiderstand 4, .dessen Spannungsabfall
proportional dem Strom im Polradstromkreis ist. Der Kontakt k3 wird zweckmäßig bei
Einleiten der Schnellentregung selbsttätig mitgeschlossen. Die beiden Wicklungen
A, und A2 des Relais A sind so geschaltet, daß sich eine Differenzwirkung ergibt.
-
In Fig..3 ist in Abhängigkeit von der Zeit t der Verlauf verschiedener
Spannungen im Erreger-bzw. Ankerkreis der Synchronmaschine r, 2 (Fig.2) dargestellt.
Die Auslösung der Schnellentregung
habe im Zeitpunkt to stattgefunden,
in dem der Schwingungswiderstand q. eingeschaltet wurde. Es sei ferner angenommen,
@daß zuvor ein Betriebszustand der Synchronmaschine vorhanden gewesen ist, der einem
Leerlauf entspricht. Die Kurve i i zeigt dien Verlauf der Ankerspannung der Synchronmaschine
1, 2. Die Kurve 12 stellt (mit umgekehrtem Vorzeichen)- :die Spannung an der Erregerwicklung
des Polrades 2 sowie an der Erregerspule Al und die Kurve 13 die am Schwingungswiderstand
q. sowie an der Erregerspule A2 auftretende Spannung dar. Beim Einschalten des Schwingungswiderstandes
q. im Zeitpunkt to entlädt sich die in Erregerwicklung des Polrades 2 gespeicherte
Energie über den Schwingungswiderstandq.. Der auftretende Spannungsabfall erzeugt
über den noch kurzgeschlossenen Kontakt a einen dem Erregerstrom in der Wicklung
5 der Erregermaschine 3, 5 entgegengerichteten Strom. Das Feld -der Erregerwicklung
5 wird dadurch zum Verschwinden gebracht, und nachdem @die Remanenz überwunden ist,
kehrt der Strom im Ankerkreis der Erregermaschine seine Richtung um. Dies ist im
Zeitpunkt t1 der Fall, von dem ab die bis dahin ständig abnehmende Spannung an dem
Schwingungswiderstand q. (Kurve 13) negativ wird. Die mit umgekehrtem Vorzeichen
gezeichnete Kurve 12 der Palradspannung nimmt bis zum Zeitpunkt tl zunächst zu,
fällt dann jedoch ebenfalls ab. Die Kurve 14. stellt die Differenz der Pölradspannung
und der Spannung am Schwingungswiderstand q. dar. Da die Kurve 12 mit entgegengesetztem
Vorzeichen dargestellt ist, ergibt sich in Fig.3 die Kurve 14 durch Addition der
Kurven 12 und 13. Sie stellt die Auslösefunktion für das Einschalten des Ersatzwiderstandes
7 dar, das etwa im Zeitpunkt t2 bei einem bestimmten Mindestwert der Kurve 14 durch
Öffnen des Kontaktes a bewirkt wird. Die gestrichelte Kurve i i, die den Verlauf
der Ankerspannung der Synchronmaschine 1, 2 zeigt, hat vor allem im Auslösebereich
einen ähnlich eindeutigen Verlauf wie die als Auslösefunktion für das Einschalten
des Ersatzwiderstandes verwendete Kurve 1q.. Letztere stellt also gewissermaßen
eine Nachbildung der Ankerspannung dar.
-
Im Falle des Auslösens einer Schnellentregung in einem Erregungszustan:dderSynchronmaschine
1, 2, der einem bestimmten Lastzustand entspricht, ändern sich die grundsätzlichen
Verhältnisse der Darstellung nach Fig. 3 nicht. Je nach der Höhe der vorhanden gewesenen
Last und,der dieser entsprechenden, in der Erregerwicklung des Polrades 2 gespeicherten
Energie (Fig. 2) liegt der das Ansprechen des Relais A bewirkende Wert der Differenzfunktion
(Kurve 1q.) mehr oder weniger weit links von der Zeitlinie t2, die sich bei Entregung
aus dem Leerlaufbetriebszustand ergibt, d. h. der Ersatzwiderstand wird entsprechend
früher eingeschaltet.
-
Bei Schnellentregung aus einem Betriebszustand, der einem inneren
Kurzschluß oder einem Klemmenkurzschluß der Synchronmaschine entspricht, ergeben
sich analoge Verhältnisse, jedoch liegt .der Zeitpunkt t2 für däs Einschalten des
Ersatzwiderstan,des 7 noch weiter links von der Zeitlinie t2, also noch früher.
Im Kurzschlußfall ist zwar die bei Entregung aus anderen Betriebszuständen langsamer
verschwindende Ankerspannung der Synchronmaschine 1,:2 von vornherein nicht mehr
vorhanden. Dies ist für das Ansprechen des Relais A jedoch ohne Belang, da die Spannung
der Synchronmaschine für den Vorgang selbst nicht maßgebend ist. Es ergeben sich
somit der Art des vorhanden gewesenen Erregungszustandes der Synchronmaschine angepaßte
kürzeste Schnell.entregungszeiten.
-
Bei der Einrichtung nach Fig. q., die eine der Fig.2 ähnliche Schaltung
mit zum Teil gleichen Schaltelementen und Bezugszeichen, darstellt, wird unter Weiterbildung
der Erfindung ein selbsttätiges Umschalten der Erregerwicklung 5 ,der Erregermaschine
3, 5 während des Entregungsvorganges so vorgenommen, daß die Wicklung stets an den
Punkten des Polradstromkreises liegt, welche dn,e höchste Spannung führen. Als selbsttätiges
Umschaltmittel ist parallel zu dem Schwingungswiderstand q. ein richtungsempfindliches
Relais B vorgesehen, das einen Umschaltkontakt b parallel zu einem Widerstand 7'
aufweist. Die Kontakte k1 bis k3 sowie die Stromrichtungspfeile entsprechen denen
der Fig. i. Außerdem wird bei der Betätigung der Kontakte k1 bis k3 -ein weiterer
Kontakt k4 geöffnet. Das Relais B kann beispielsweise ein normales, richtungsempfindliches
Relais sein, das durch ein vorgeschaltetes Ventil 15 richtungsempfindlich gemacht
ist.
-
Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. q. sei an Hand von Eig.
5 näher erläutert. Die Kurve 16 gibt die Spannung am Anker der Erregermaschine wieder.
Im Zeitpunkt t1, in dem die Spannung am Schwingungswiderstand q. infolge des sich
umkehrenden Polradstromnes durch Null geht (vgl. -hierzu Fig. 3), überschreitet
die anfänglich geringere Ankerspannung der Erregermaschine (Kurve 16) die Polradspannung
(Kurve i2). Das Relai&B spricht deshalb kurz nach t1 an, so daß der Kontakt
-b aus der gezeichneten Ruhestellung, in der er dien Widerstand 7' kurzschließt,
auf Arbeit umgeschaltet wird. Hierdurch wird einerseits der Widerstand 7' parallel
zum Schwingungswiderstand q. gelegt und andererseits die Erregerwicklung 5 über
den noch geschlossenen Kontalkt a unmittelbar an 'den Anker 3 der Erregermaschine
angeschlossen. Die Polradspannung verläuft dann etwa nach der .gestrichelten Kurve
12' und die Ankerspannung der Erregermaschine 3, 5 etwa nach der Kurve 16'. Nach
Umkehr der Stromrichtung im Haupterregerkreis 2 bis q., d. h. nachdem die Erregermaschine
auf Grund ihrer höheren Spannung die Gegen-EMK des Polrades 2 überwunden hat, wird
also durch das Relais B eine verstärkte Gegenspannung erzeugt, so daß die Remanenz
des Polrad@es@2 noch schneller als im vorhergehenden Ausführungsbeispiel nach Fig.2
vernichtet und die Synchronmaschine 1, 2 noch rascher entregt wird. Die Spannung
am Anker i
der Synchronmaschine verläuft dadurch nicht mehr nach
der@Kurve i i, sondern etwa nach der Kürve i i'. Das Relais A spricht wieder entsprechend
Fig. 2 .und 3 an, wenn die Differenz zwischen der Spannung am Schwingungswiderstand
4 und am Polrad? "den eingestellten Mindestwert erreicht hat.
-
Es ist auch möglich, die gleichzeitige Auslöseabhängigkeit des den
Ersatzwiderstand 7 (Fig. i) einschaltenden Schaltmittels durch eine andere als in
den Beispielen nach Fig. 2 und 4 gewählte.Auslösefunktion zu bewirken. So kann gegebenenfalls
durch Summenwirkung zweier Spannungen, von denen die eine der Ankerspannung der
Erregermaschine 3, 5 und die andere dem Polradstrom verhältig ist, ebenfalls eine
Funktion erzielt werden, die mindestens im Auslösebereich einen ähnlich eindeutigen
Verlauf hat wie die obenerwähnte Funktion, die das Verschwinden der Ankerspannung
und/oder des Ankerstromes der Synchronmaschine im Entregungsfall kennzeichnet. Von
den beiden zusammenwirkenden Spannungen kann dabei die eine unmittelbar den Klemmen
des Ankers 3 der Erregermaschine und die andere wie in den vorhergehenden Beispielen
dem Schwingungswiderstand 4 entnommen werden.
-
Bei der Einrichtung nach Fig. 6 werden die die Auslösefunktion für
das Einschalten des Ersatzwiderstandes bildenden Grölen ebenfalls durch das Zusammenwirken
zweier Spannungen gebildet. Im Gegensatz zu Fig.2 ward jedoch die Spannung des Ankers
i der Synchronmaschine 1,:2 als eine der für das Einschalten des Ersatzwiderstandes
7 maßgeblichen Größen verwendet. Die andere Größe ist wieder die an dem Schwingungswiderstand4
entstehende Spannung bzw. der Strom im Polradkreis. Außer dem Relais B mit dem Kontakt
b und einem Relais D mit den Kontakten dl und, d2 ist noch ein weiteres Relais C
mit ,den Kontakten cl und c2 vorgesehen, das über einen Wandler 2o und einen beim
Einleiten des. Entregungsvorganges zu schließenden Kontakt k5 die Abhängigkeit der
Einschaltung des Ersatzwiderstandes von der Ankerspannung der Synchronmaschine herstellt.
Den Relais D und B ist je ein Ventilei bzw. 22 in verschiedener Durchlaßrichtung
vorgeschaltet, so daß je nach .der Richtung der Spannung am Schwingungswiderstand
4 stets nur eins der Relais ansprechen kann. Es können jedoch auch polarisierte
Relais angeordnet werden.
-
Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 6° ist für den Fall, daß
im Augenblick der Entregung ein einem Leerlauf oder einem Belastungsfall entsprechender
Erregungszustand der Synchronmaschine 1, 2 vorgelegen hat, wie folgt: Nachdem die
Kontakte k1 und k4 geöffnet und die Kontakte k2 und k5 geschlossen haben, sprechen
sofort die Relais B und C an. Das Relais D erhält zunächst noch keinen
Strom, da das Venti1,22 sperrt. Die Kontakte b, cl und c2 schließen. Sobald der
Strom im Polradkreis und damit die Spannung am Schwingungswiderstand 4 nach ihrem
Nulldurchgang die Richtung wechseln, fällt Relais B wieder ab, und der Kontakt b
öffnet wieder. Anschließend spricht das Relais D an, öffnet seinen Ruhekontakt dl
und schließt :den Kontakt d2. Dieser Vorgang erfolgt verhältnismäßig rasch, so daß
das Abfallen des Kontaktes b fast mit dem Ansprechen des Relais D zusammenfällt.
Beim Schließen des Kontaktes d2 wird die Erregerwicklung 5 unmittelbar über die
geschlossenen Kontakte c2 und k2 an den Anker 3 der Erregermaschine angeschlossen
und damit der Entregungsvorgang beschleunigt. Dieser Zeitpunkt entspricht etwa dem
Zeitpu:nkr t1 in Fig. 5. Unterschreitet die Spannung der Synchronmaschine einen
bestimmten Mindestwert, so fällt Relais C ab und öffnet die Kontakte c1 und c2 wieder.
Dies bewirkt ein Einschalten des Ersatzwiderstandes 7 für den veränderbaren Widerstand
6 und, damit eine Beendigung des Entregungsvorganges. Beim Öffnen des Kontaktes
dl war auch der Widerstand 7' eingeschaltet worden. Da dieser hochohniig ist, blieb
es aber ohne Wirkung.
-
Wird die Entregung im Störungsfalle aus einem Kurzschluß heraus eingeleitet,
so kann infolge fehlender Ankerspannung der Synchronmaschine das Relais C nicht
ansprechen. Das Relais B spricht jedoch an, wodurch der Kontakt b geschlossen wird.
Nach Umkehr der Stromrichtung im Polradstromkreis der Synchronmaschine und Umkehr
der Spannung am Schwingungswiderstand 4 öffnet der Kontakt b wieder. Wenn dann das
Relais D anspricht und den Kontakt d1 öffnet und d2 schließt, so wird gleichzeitig
mit der Umschaltung .der Erregerwicklung 5 auf den Anker 3 der Erregermaschine der
Ersatzwiderstand 7 eingeschaltet.
-
Das selbsttätige Umschalten der Erregerwicklung der Erregermaschine
über den Ersatzwiderstand unmittelbar vom Polrad der Synchronmaschine auf den Anker
der Erregermaschine kann anstatt durch .eine Relalisanordnung, wie in den Fig.4
und 6 dargestellt, auch relais- und kontaktlos durch eine besonders geschaltete
Ventilanordnung erfolgen. Hierzu zeigt Fig. 7 ein Beispiel, bei dem die Schaltung
nach Fig.2 zugrunde gelegt .ist. Parallel zum Schwingungswiderstand liegen zwei
einander entgegengericfitete Ventile 3 i und 32, deren Verbindungspunkt über den
durch das Relais A einschaltbaren Ersatzwiderstand 7 zur Erregerwicklung 5 der Erregermaschine
3, 5 führt. Vor dem Einleiten des Entregungsvorganges hat der Strom im Polradkreis
die durch dünne Pfeile ,angedeutete Richtung. Nach Einschalten des Schwingungswiderstandes
4 durch Öffnen der Kontakte k11, k12 fließt der Strom dann, wie durch dicke Pfeile
angedeutet, über das Ventil 31 und polt die Erregung 5 der Erregermaschine um. Sobald
dann nach Umpolung der Erregermaschine- deren Spannurig die Spannung am Polrad.?
überwunden hat, fließt,der Strom in Richtung der gestrichelt gezeichneten Pfeile
über das Ventil 32. Auf diese Weise wird ähnlich wie im vorhergehenden Beispiel
die Erregermaschine durch die höhere Spannung erregt und dadurch der Entregungsvorgang
beschleunigt. Das Relais A schaltet anschließend den
Ersatzwiderstand
7 beim Erreichen des schon an Hand der Fig. a beschriebenen Zustandes durch Öffnen
des Kontaktes a ein.
-
Die Erfindung ist nicht auf die an Hand der Figuren beschriebenen
Beispiele beschränkt; insbesondere nicht auf eine Anwendung 'bei Synchronmaschinen.
Die Erfindung kann beispielsweise auch zur Schnellentregung von Gleichstromgeneratoren
oder Synchronmotoren dienen, die über eine Erregermaschine betrieben werden.