SE512721C2 - Roterande elektrisk maskin, maskin innefattande minst en roterande elektrisk huvudmaskin och elkraftanläggning innefattande en roterande elektrisk maskin jämte förfarande för magnetisering av en roterande elektrisk maskin - Google Patents

Description

l llil Hi-im-...fliamii tunn 10 15 20 25 30 512 721 2 l dagens läge används statiska matare eller borstlösa matare med roter- ande diodlikriktarbryggor i roterande elektriska maskiner. Ofta förekommande krav på magnetiseringsutrustningen är att den skall kunna producera en toppspänning, och toppström, som är 1,5 till 3 gånger så stor som motsvarande storheter vid märklastmagnetisering för maskinen ifråga under 10 - 30 sekunder. Vidare skall magnetiseringsutrustningen kunna producera en fältström motsvarande märklast- magnetiseringsströmmen vid 25 % spänning på maskinens statoruttag. Magneti- seringssystemet skall företrädesvis vara "underhållsfritt", dvs. ett magnetiserings- system utan släpringar. Wdare skall svars- och insvängningstider vid nätstörningar vara snabba, dvs. magnetiseringsutrustningen skall kunna alstra såväl positiv som negativ fältspänning. För synkronkompensatorer tillkommer nonnalt att magnetise- ringssystemet skall kunna producera såväl positiv som negativ fältström och be- hov av toppspänningsfaktorer större än 3 gånger märklastmagnetiseringsspän- ningen kan förekomma.

Med borstlösa matare eliminerar man sålunda problemen med nedsmuts- ning med koldamm från borstar och släpringar medan borstlösa matare enligt hit- tills känd teknik uppvisar sämre reglerprestanda än statiska matare.

Syftet med föreliggande uppfinning är sålunda att åstadkomma en roter- ande elektrisk maskin, som kan anslutas direkt till kraftnät och som är försedd med ett "underhållsfritt" magnetiseringssystem med förbättrade reglerprestanda, och en elkraftanläggning innefattande en sådan elektrisk maskin, samt att föreslå ett förfarande för magnetisering av en sådan roterande elektrisk maskin.

Redodörelse för ubbfinninqen Detta syfte uppnås med en roterande elektrisk maskin av inledningsvis angivet slag med i patentkravet 1 angivna kännetecken, en elkraftanläggning en- ligt patentkravet 17 och ett förfarande enligt patentkravet 18.

Genom att förse den elektriska maskinen ifråga med ett borstlöst, mellan positiv och negativ magnetisering växlingsbart magnetiseringssystem får den ett "underhållsfritt" system med snabba svars- och insvängningstider vid exempelvis nätstörningar genom att magnetiseringssystemet kan producera såväl positiv som negativ fältspänning och därmed positiv och negativ fältström. 10 15 20 25 30 512 721 Enligt en fördelaktig utföringsform av maskinen enligt uppfinningen inne- fattar magnetiseringssystemet två styrbara, antiparalleilkopplade strömriktaranord- ningar för matning av växelströmsmaskinens fältlindningen, ett dubbelriktat fält- överspänningsskydd eller urladdningskrets inkopplad över fältlindningen samt 'styrutrustning ansluten till strömriktaranordning och överspänningsskydd eller ur- laddningskrets för att till svar på en styrsignal styra strömriktaranordning och fält- överspänningsskydd eller urladdningskrets till växling av magnetströmriktningen.

Detta är ett enkelt utförande som ej kräver galvaniskt separerade matningskällor och strömbegränsande reaktanser och ej heller separata kortslutningsdon för släckning och av ledande tyristorer. Magnetiseringssystemet är även väl lämpat för synkronmaskiner av typen synkronkompensatorer. l denna uppfinning utnyttjas sålunda halvledarteknikens möjligheter till temporär polaritetsändring på enkelt sätt, vilket underlättar snabb kommutering av fältströmmen från strömriktarbrygga till kortslutningskrets och vice versa vid behov av ändrad strömriktning i maskinens fältkrets.

Kort beskrivning av rfininqarna För att förklara uppfinningen närmare kommer nu såsom exempel valda utföringsformer av maskinen enligt uppfinningen att beskrivas mera i detalj med hänvisning till bifogde ritningar, på vilka Figur 1 visar den isolerade ledare som används i maskinen enligt uppfin- ningen, Figur 2 visar ett schema över magnetiseringssystemet vid maskinen enligt uppfinningen, och Figur 3 a-f visar spânnings- och strömförlopp vid bryggväxling vid magnetise- ringssystemet i fig. 2.

Beskrivning av en föredraqen utförincsform I figur 1 visas en tvärsnittsvy av isolerad ledare 11, avsedd att användas i lindningarna vid maskinen enligt föreliggande uppfinning. Den isolerade ledaren 11 innefattar ett antal kardeler 35 med cirkulärt tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 35 är anordnade i mitten av den isolerade ledaren 11. Runt ...¿i. 10 15 20 25 30 512 721 4 kardelerna 35 är anordnat ett första halvledande skikt 13. Runt det första halvled- ande skiktet 13 flnns anordnat ett isolationsskikt 37, Lex. PEX-isolation. Runt iso- lationsskiktet 37 finns anordnat ett andra halvledande skikt 15. Den isolerade ledaren har en diameter i intervallet 20 - 250 mm och en ledningsarea i intervallet eo - sooo mm? De tre skikten 13, 37, 15 hos den isolerade ledaren eller kabeln är så ut- förda att de vidhäftar varandra även då kabeln böjs, och denna egenskap bibe- håller den isolerade ledaren eller kabeln 11 under sin livslängd.

I figur 2 visas ett schema över magnetiseringssystemet i maskinen enligt uppfinningen. Maskinens fältlindning 4, vilken kan vara stationär eller roterande är förbunden med två antiparallellkopplade strömriktarbryggor 1, 2. Över fältlindning- en 4 är vidare ett dubbelriktat överspänningsskydd, innefattande två antiparallell- kopplade tyristorer 8, 10 med tillhörande tändkretsar 12, 14.

Strömriktarbryggorna 1,2 matas från en matningskälla, vid 16 och styrs från en omkopplingslogik 18 via styrpulsförstärkare 20, 22. En styrpulsgenerator 28 för de såsom tyristorbryggor utformade strömriktarbryggorna 1,2 är likaledes anordnad att avge styrpulser till pulsförstärkarna 20, 22. Mätdon 24, 26 är vidare anordnade att mäta strömmarna IFB1 respektive lFB2 från strömriktriktarbryggor- na 1 respektive 2 och överföra mätsesultaten till omkopplingslogiken 18 för styr- ändamål. Även inkopplingen av överspänningsskyddets tyristorer 8, 10 styrs från omkopplingslogiken 18 via tändkretsarna 12, 14. Överspänningsskyddet är anslut- et till ett strömbegränsningsmotstånd R. Vid systemet med fältbrytare tjänar detta motstånd R som urladdningsmotstånd.

Förfarandet vid bryggväxling från bryggan 1 till bryggan 2 är följande. l ut- gångsläget antas brygga 1 vara ledande, vilket innebär positiv strömriktning lF ge- nom fältlindningen 4, jfr. fig. 3a och b. Styrsignalen Us” se figur 2, till styrpulsgene- ratorn 28 och omkopplingslogiken 18 blir negativ vilket innebär nedstyrning och därmed polaritetsändring av bryggan 1, jfr. fig 3a. Tidsintervallet för nedstyming- en, tz -t1 enligt figur 3b, från maximalt positiv toppspänning till maximalt negativ toppspänning är approximativt lika med 8,3 ms vid en frekvens av 50 Hz och 6-puls 2-vägsbrygga. 10 15 20 25 30 512 721 Vid tidpunkten ta, varvid strömmen IFS, fortfarande är större än 0, ges dels tändpuls till urladdningstyristorn 10 och dels blockeringssignal till bryggan 1. På grund av frihjulsverkan vid negativ utstyrning åstadkoms en momentan överföring av matningsströmmen IFB, till överspänningsskyddskretsen och bryggan 1 blir lströmlös. Vid signal för strömlös brygga 1 från mätdonet 24 initieras dels de- blockering av brygga 2 och dels blockering av tändkretsen 14 för tyristorn 10.

Tidsintervallet L, - ts enligt figur 3, dvs. tiden från blockering av bryggan 1 tills bryg- gan 2 inkopplas är approximativt lika med 5 ms, se figur 3. Av figur 3d framgår att strömmen IF i fältkretsen 4 under detta växlingsintervall upprätthålls till följd av fält- lindningens 4 induktans. Som framgår av figur 3d och e driver den uppstyrda bryg- gan 2 nu dels en ström IR, se fig. 3f, genom tyristorn 10 och strömbegränsnings- motståndet R och dels en ström IF genom synkronmaskinens fältlindning 4. Vid tidpunkten ts har fältströmmen IF ändrat polaritet och urladdningstyristorn 10 släckts genom temporär nedstyrning av bryggan 2, dvs. temporär polaritetsänd- ring för att driva en ström i kortslutningskretsens eller överspänningsskyddets backriktning.

Genom lämpliga val av strömnivåer för generering av blockering och de- tekteringsslgnaler blir tidsintervallet för inkoppling av det som hjälpkrets tjänande dubbelriktade fältöverspänningsskyddet 8, 10, 12, 14 eller dubbelriktade tyristor- urladdningskretsen kortvarig.

Växling från negativ strömriktning till positiv strömriktning vid positiv styr- signal sker på motsvarande sätt genom temporär inkoppling av tyristorn 8 i över- spänningsskyddet.

Ovan har ett utföringsexempel av den roterande elektriska maskinen en- ligt uppfinningen beskrivits men ett flertal modifikationer är självfallet tänkbara inom uppfinningens ram. Sålunda kan den beskrivna principen användas för såväl stillastående som roterande tyristorbryggor för magnetisering av synkronmaskiner eller matning av motorer för drivsystem. Vidare kan temporär eller pulsad nedstyr- ning utnyttjas för återställning av ett aktiverat överspänningsskydd. En överspän- ningssignal ger då i ett första skede signal för larm och återställning av skyddet.

En kontinuerlig felsignal efter ett antal återställningsförsök alstrar en utlösnings- signal. 512 721 6 Dessutom kan införandet och användandet av släckbara halvledarelement förkorta tidsintervallet för växling mellan positiv och negativ magnetisering eller vice versa. Införandet av släckbara halvledarelement i det dubbelriktade över- spänningsskyddet innebär att temporär teckenvändning av fältspänningen ej be- hövs för att släcka ett aktiverat och ledande halvledarelement.

Claims (18)

10 15 20 25 30 512 721 7 PATENTKRAV

1. Roterande elektrisk maskin av växelströmstyp, avsedd att direkt anslutas till ett distributions- eller transmissionsnät och innefattande minst en elektrisk lind- ning, kännetecknad av att lindningen innefattar minst en elektrisk ledare, ett leda- ren omslutande första skikt med halvledande egenskaper, ett det första skiktet omslutande fast isolerande skikt och ett det isolerande skiktet omslutande andra skikt med halvledande egenskaper samt att ett borstlöst, mellan positiv och nega- tiv magnetisering växlingsbart magnetiseringssystem är inrättat för maskinens magnetisering.

2. Maskin enligt krav 1, kännetecknad av att potentialen på det första skiktet är väsentligen lika med potentialen på ledaren.

3. Maskin enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att det andra skiktet är an- ordnat att bilda väsentligen en ekvipotentialyta, omgivande ledaren.

4. Maskin enligt krav 3, kännetecknad av att det andra skiktet är anslutet till en förutbestämd potential.

5. Maskin enligt krav 4, kännetecknad av att nämnda förutbestämda poten- tial är jordpotential.

6. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att åtminstone två närbelägna skikt hos maskinens lindning har väsentligen lika stora värme- utvidgningskoefficienter.

7. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ledaren in- nefattar ett antal kardeler, av vilka åtminstone några är i elektrisk kontakt med var- andra. . Illli il-illil iuii .... 10 15 20 25 30 512 721 8

8. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att vart och ett av nämnda tre skikt är fast förbundet med närbelägna skikt längs väsentligen hela anliggningsytan.

9. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att skikten är anordnade att vidhäfta varandra även då den isolerade ledaren eller kabeln böjs.

10. Maskin innefattande minst en roterande elektrisk huvudmaskin av växelströmstyp, avsedd att direkt anslutas till ett distributions- eller transmissionsnät och innefattande en magnetisk kärna och minst en elektrisk lindning, kännetecknad av att lindningen är bildad av en kabel innefattande en eller flera strömförande ledare, varvid varje ledare uppvisar ett antal kardeler, ett inre halvledande skikt anordnat runt varje ledare, ett isolerande skikt av fast isolationsmaterial anordnat runt nämnda inre halvledande skikt, och ett yttre halvledande skikt, anordnat runt det isolerande skiktet, samt att ett borstlöst, mellan positiv och negativ magnetisering växlingsbart magnetiseringssystem är inrättat för maskinens magnetisering.

11. Maskin enligt krav 10, kännetecknad av att nämnda kabel innefattar en metallskärm eller mantel.

12. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att magnetise- ringssystemet innefattar två styrbara antiparallellkopplade strömriktaranordningar (12) för matning av växelströmsmaskinens fältlindning (4), ett dubbelriktat fältöver- spänningsskydd (8,10,12,14) eller urladdningskrets inkopplad över fältlindningen samt styrutrustning (18,28) ansluten till strömriktaranordning och fältöverspän- ningsskydd eller urladdningskrets för att till svar på en styrslgnal styra strömriktar- anordning och fältöverspänningsskydd eller urladdningskrets till växling av mag- netströmriktningen.

13. Maskin enligt krav 12, kännetecknad av att för växling av magnetström- riktningen från magnetiseringssystemet är styrutrustningen anordnad att ändra Qi 10 15 20 25 512 721 polariteten på strömriktarna, varvid styrutrustningen styr överspänningsskyddet att temporärt inkopplas vid övergång från den ena till den andra strömriktningen.

14. Maskin enligt krav 12 eller 13, kännetecknad av att överspänningsskyd- det eller urladdningskretsen innefattar en dubbelriktad tyristorurladdningskrets (8, 10).

15. Maskin enligt något av patentkraven 12 - 14, kännetecknad av att aktive- rat överspänningsskydd eller urladdningskrets är återställbar genom styrning av ledande strömriktaranordningar (1, 2) till temporär eller pulsformad polaritetsänd- ring.

16. Maskin enligt något av patentkraven 12 - 14, kännetecknad av att aktive- rat överspänningsskydd eller urladdningskrets är återställbar genom släckbara halvledarelement.

17. Elkraftanläggning, kännetecknad av att den innefattar en roterande elek- trisk maskin enligt något av kraven 1 - 16.

18. Förfarande för magnetisering av en roterande elektrisk maskin enligt något av patentkraven 1-16 med såväl positiv som negativ magnetiseringsström- riktning, kännetecknat av att ett dubbelriktat överspänningsskydd (8,10,12,14) eller en dubbelriktad urladdningskrets inkopplas temporärt över maskinens fält- lindning (4) vid växling mellan magnetiseringsströmriktningarna_