CH377437A - Einrichtung zur Erfassung des Polradwinkels einer Synchronmaschine - Google Patents

Description

  
 



  Einrichtung zur Erfassung des Polradwinkels einer Synchronmaschine
Generatoren, die Hochspannungsnetze speisen, müssen oftmals mit verhältnismässig schwacher Erregung arbeiten, weil ein beträchtlicher Teil der benötigten Blindleistung von der Kapazität der Leitungen erzeugt wird. Der Polradwinkel, d. h. der Winkel zwischen der Polrad-EMK und der Klemmenspannung bzw. die Winkelabweichung des Polrades zwischen Leerlauf und Belastung der Maschine, wird dementsprechend gross. Die Generatoren befinden sich praktisch an der Grenze der Stabilität, so dass bereits kleine Störungen ein Aussertrittfallen bedingen können.



  Um dies zu verhindern, lassen sich in bekannter Weise auf der Generatorwelle Hilfsgeneratoren, stroboskopische Messanordnungen usw. vorsehen, die eine Erfassung und Beeinflussung des Polradwinkels ermöglichen. Die Nachteile des Bekannten bestehen darin, dass zusätzlicher Raum auf der Generatorwelle nötig wird und die Einrichtungen darüber hinaus teuer und umständlich sind.



   Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche die geometrische Addition einer der Maschinenphasenspannung und einer dem Maschinenphasenstrom proportionalen Grösse ermöglichen, wobei eine der genannten Grössen gegenüber ihrer tatsächlichen Richtung um   90"    elektrisch phasenverschoben ist, so dass der Winkel zwischen der der Maschinenspannung proportionalen Grösse und der sich aus der vorgenannten Addition ergebenden Resultierenden näherungsweise gleich dem Polradwinkel ist, dass ferner weitere Mittel vorhanden sind, welche zur genannten Resultierenden eine weitere Grösse vorbestimmter Phasenlage geometrisch sowohl addieren als auch subtrahieren, wobei der algebraische Unterschied zwischen der zuletzt gebildeten Summe und Differenz ein Mass für den Polradwinkel ist.



   Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass man mit rein statischen, keiner Abnützung unterworfenen, einfachen Elementen arbeiten kann, die sich an ohnehin vorhandene Strom- und Spannungswandler leicht anschliessen lassen.



   In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch wiedergegeben.



   Während die Fig. 1 bis 3 die der Erfindung entsprechenden Schaltungen zeigen, dienen die Fig. 4 bis 11 der Erläuterung der Wirkungsweise.



   In Fig. 1 sind mit R, S,   T die    drei Phasen einer Synchronmaschine 1 bezeichnet. An diesen Phasen liegen die Primärklemmen der beiden sowohl primärals auch sekundärseitig in Reihe geschalteten Spannungswandler 2, 2', die mit einem Gerät 3 zur Einstellung der Phasenlage verbunden sind, beispielsweise einem Drehwiderstand. Der an das Gerät 3 angeschlossene Transformator 4 steht in Verbindung mit der Primärwicklung eines Isoliertransformators 5, welche sowohl zu einem einstellbaren Widerstand 6 als auch zu einer Gleichrichterbrücke 7 führt. Der Widerstand 6 wird von einem Stromwandler 8 gespeist. An die Sekundärwicklung des Isoliertransformators 5 ist eine Gleichrichterbrücke 9 gelegt, welche über ein Zusatzgerät 10, sowie Widerstände 11,   11' mit    der Gleichrichterbrücke 7 verbunden ist.



   Die Bezugsziffern von Fig. 1 gelten für gleiche Teile auch in Fig. 2. An die Phasen R, S, T der Synchronmaschine 1 sind wieder die in Reihe liegenden Spannungswandler 2, 2' angeschlossen. Von der äusseren Klemme des Wandlers 2' führt über einen Widerstand 12 eine Verbindung zu den Primärteilwicklungen 13,   13' zweier    Zwischenstromwandler 14, 14'. Die Primärteilwicklungen 15, 15' werden von einem Stromwandler 16 gespeist. Schliesslich liegen die Primärteilwicklungen 17, 17' zwischen der gemeinsamen   Klemme der Spannungswandler 2,   2' und    einem Potentiometer 18, wobei ein Widerstand 19 sowie ein Kondensator 20 dazwischengeschaltet sind.

   Während die Durchflutungen der Teilwicklungen 13, 15, 17 in der gleichen Richtung magnetisieren, wirkt die Durchflutung der Teilwicklung   17' den    gleichgerichteten Durchflutungen der Teilwicklungen   13' und    15' entgegen. Die Sekundärwicklungen der Zwischenstromwandler 14,   14' sind    mit den Gleichrichterbrücken 7 und 9 verbunden, welche auf das Zusatzgerät 10 arbeiten.



   Fig. 3 entspricht im wesentlichen der in Fig. 2 gezeigten Anordnung. Gleiche Teile sind dementsprechend mit denselben Bezugszeichen versehen. In die Verbindungsleitung des zwischen den äusseren Sekundärklemmen der Spannungswandler 2, 2' liegenden Potentiometers 18 ist jedoch ein Zusatzpotentiometer 21 eingeschaltet. Dieses wird ausserdem an einem Stromwandler 22 angeschlossen und mit einem weiteren Potentiometer 23 gleichzeitig verstellt, welches sowohl in den Stromkreis der zweiten (15, 15') als auch der dritten Primärteilwicklungen 17,   17' der    Zwischenstromwandler 14, 14' gelegt ist. Die Spannungswandler 24, 25 sind im Hinblick auf die bestehenden Potentialverhältnisse vorzusehen.



   Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes sei zunächst Fig. 4 betrachtet.



  Dort ist das Polrad der Synchronmaschine 1 mit la, eine Phasenwicklung des Stators mit   lb,    die Rotorlängsachse mit d und die Querachse mit q bezeichnet.



  Ausserdem wurde die Spannung U, der Strom J und der Polradwinkel   b    eingetragen. Erregt man die Ständerphase   lb    mit einem Wechselstrom, so lassen sich die für verschiedene Stellungen des Polrades geltenden Maschinenreaktanzen bestimmen. Es ist zu erkennen, dass für   ö    = 0 der Maximalwert   xd    vorhanden ist, da der grösste magnetische Leitwert dann besteht, wenn die Längsachse d mit der Wicklungsachse zusammenfällt. Der kleinste Leitwert und damit die kleinste Reaktanz xq treten bei   b    =   90"    auf.



  Maschinen mit ausgeprägten Polen besitzen ein   xq    von ungefähr   0,6.      Xd,    bei Vollpolmaschinen beträgt   xq    ungefähr   0,9.      Xd.    Fig. 5 gibt ein Zeigerdiagramm der Synchronmaschine unter Zugrundelegung der in Fig. 4 gewählten Bezeichnungen wieder. Es lässt sich nun nachweisen, dass zwischen der Richtung der Resultierenden R', die aus einer der Spannung U proportionalen Grösse und einer dem Strom J proportionalen Grösse besteht (wobei letztere gegenüber ihrer tatsächlichen Richtung um   90"    elektrisch phasenverschoben ist) und der Richtung der Spannung U näherungsweise der Polradwinkel   b    vorhanden ist.



  Gleichungsmässig gilt: R'   =    U +   jJ-xq    bzw.   j      4 U    +   J Xq.    Die zweite Beziehung ist in Fig. 6 dargestellt. Wenn nun zu R' eine Grösse g vorbestimmter Phasenlage geometrisch sowohl addiert als auch subtrahiert wird, so sind die Werte der Summe   S' und    der Differenz   D' je    nach der Lage von R', d. h. je nach der Grösse des Winkels   ö    verschieden. Fig. 7 zeigt diese Verhältnisse. Im einen Fall ist   S' grösser    als D', im andern hingegen ist   S1, kleiner    als D1,. Der algebraische Unterschied zwischen   S' und      D' ist    somit ein Mass für die Grösse des Winkels   b.   



   Die in den Fig. 1-3 dargestellten erfindungsgemässen Einrichtungen ermöglichen nun die Erfassung des Winkels   b    nach der eben beschriebenen Methode. Dies sei im folgenden bewiesen. Gemäss Fig. 1 liegt am einstellbaren Widerstand 6 eine dem Phasenstrom JR proportionale Grösse, ferner liefert das Gerät 3 eine Spannung von vorbestimmter Phasenlage. Es ist leicht zu erkennen, dass an der Gleichrichterbrücke 7 die Gesamtspannung g + UTS + Ja r liegt, während für die Brücke 9 die Gesamt  spannung    + UTS + JR. r beträgt. In Fig. 8 sind die Phasenspannungen, die verketteten Spannungen, so  wieder    Phasenstrom JR wiedergegeben, ferner werden in Fig. 9 die Zeigerdiagramme für die Gesamtspannungen der Gleichrichterbrücken 7 und 8 dargestellt.

   Die Spannung UTS ist gegenüber der Phasenspannung UR um 900 gedreht, JR   r    kann ohne weiteres so gewählt werden, dass das Verhältnis zwischen UTS und JR    r    gleich jenem von U und   J-xq    ist (Fig. 5).



  Man erhält also die Resultierende R', den Polradwinkel   8    und nach Hinzufügung von g die Summe S' und die Differenz D', wie es der Fig. 7 entspricht. Der algebraische Unterschied zwischen   S' und    D', der ein Mass für die Grösse des Winkels   ö    ist, wirkt auf ein Zusatzgerät 10 (Fig. 1). Dieses kann sowohl mit einem Regler für die Erregung der Synchronmaschine als auch mit einem Regler der Antriebsmaschine zusammen arbeiten, und zwar entweder im Sinne einer Regelung des Polradwinkels oder aber auch im Sinne einer Begrenzung des Winkelhöchstwertes, um ein Aussertrittfallen zu vermeiden.

   Wenn letzteres erwünscht ist, darf das Gerät 10 nicht auf positive und auch auf negative Werte des algebraischen Unterschiedes zwischen   S' und      D' ansprechen,    sondern nur auf ein einziges Vorzeichen dieser Grösse. Es muss folglich eine Ventilwirkung aufweisen. In bekannter Weise eignen sich hierfür Gleichrichter, Transistoren, Transduktoren usw. Die Stabilität des zu beeinflussenden Kreises lässt sich wesentlich erhöhen, wenn der algebraische Unterschied zwischen der Summe S' und der Differenz D' zusätzlich differenziert wird.



   Die Wirkungsweise der Schaltung gemäss Fig. 2 kann in analoger Weise erläutert werden wie diejenige der Anordnung nach Fig. 1. Über die Primärteilwicklungen 13,   13' der    Zwischenstromwandler 14, 14' erhält man die spannungsproportionale Grösse, über die Teilwicklungen 15,   15' die    stromproportionale Grösse und über die Teilwicklungen 17,   17' die    Grösse g von vorbestimmter Phasenlage. Es gilt demnach ein der Fig. 9 ähnliches Diagramm.



   Die bisherigen Betrachtungen hatten zur Voraussetzung, dass die Spannung an den Klemmen der Synchronmaschine starr ist. Trifft dies nicht zu, so müssen die Reaktanzen zwischen den Generatorklemmen und dem Netzpunkt, an welchem die Spannung als starr angesehen werden kann, ebenfalls berücksichtigt werden. Zur Spannung U kommt also  noch die Grösse J x hinzu (Fig. 10). Für die Stabilität der Maschine ist der Winkel zwischen U' und R', d. h.



     8    +   6'    massgebend.   6'    kann nun nicht einfach durch Hinzufügung von x zu   Xq    berücksichtigt werden, da   b"    (Fig. 10) einen anderen Wert besitzt als   b'.    Fügt man hingegen, wie es bei der Einrichtung nach Fig. 3 mit Hilfe der Potentiometer 21 und 23 geschieht, zum Potential R die Komponente   Js      r21      (Js    = Strom der Phase S, r21 = jeweiliger Widerstand des Potentiometers 21) und zum Potential S die   Grösse -JR. r23    hinzu (Fig. 11), so erhält man   -j U' und    damit den Winkel   b'.   



   Es ist selbstverständlich, dass auch bei der Anordnung gemäss Fig. 1 in analoger Weise wie in Fig. 3 Potentiometer und Stromwandler vorgesehen werden können, um die externen Reaktanzen zu berücksichtigen.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH 1 Einrichtung zur Erfassung des Polradwinkels einer Synchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche die geometrische Addition einer der Maschinenphasenspannung (U) und einer dem Maschinenphasenstrom (J) proportionalen Grösse ermöglichen, wobei eine der genannten Grössen gegen über ihrer tatsächlichen Richtung um 90O elektrisch phasenverschoben ist, so dass der Winkel zwischen der der Maschinenspannung (U) proportionalen Grösse und der sich aus der vorgenannten Addition ergebenden Resultierenden (R') näherungsweise gleich dem Polradwinkel ist, dass ferner weitere Mittel vorhanden sind, welche zur genannten Resultierenden (R') eine weitere Grösse (g) vorbestimmter Phasenlage geometrisch sowohl addieren als auch subtrahieren, wobei der algebraische Unterschied zwischen der zuletzt gebildeten Summe (S') und Differenz (D')

   ein Mass für den Polradwinkel ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungen zweier Spannungswandler (2, 2') in Reihe geschaltet und die drei Klemmen dieser Reihenschaltung mit den drei Phasen (R, S, T) der Synchronmaschine (1) verbunden sind, dass ferner auch die Sekundärwicklungen der Spannungswandler (2, 2') in Reihe liegen und die drei Sekundärklemmen an ein Gerät (3) zur Einstellung der Phasenlage angeschlossen sind, welches zur Primärwicklung eines Transformators (4) führt, dessen Sekundärwicklung drei Klemmen aufweist, wovon die mittlere Klemme mit einer Sekundärklemme der vorgenannten, in Reihe liegenden Spannungswandler (2, 2') verbunden ist, während einer der beiden äusseren Klemmen der Transformatorsekundärwicklung mit einer Primärklemme eines Isoliertransformators (5) in Verbindung steht,

   dessen andere Primärklemme sowohl an einen einstellbaren Widerstand (6) als auch an eine Gleichrichterbrücke (7) angeschlossen ist, wobei der Widerstand (6) mit einem Stromwandler (8) und der gemeinsamen Klemme der reihengeschalteten Spannungswandler (2, 2') ver bunden ist, während die Gleichrichterbrücke (7) eine Verbindung zur zweiten äusseren Klemme der Sekun därwicklung des Transformators (4) aufweist und über ein Zusatzgerät (10) sowie Widerstände (11, 11') zu einer weiteren Gleichrichterbrücke (9) führt, welche mit der Sekundärwicklung des Isoliertransformators (5) zusammengeschaltet ist.

   2. Einrichtung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Potentiometer in Verbindung mit Stromwandlern vorgesehen sind, um eine Berücksichtigung externer Reaktanzen zu ermöglichen.

   3. Einrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklungen zweier Spannungswandler (2, 2') in Reihe geschaltet und die drei Klemmen dieser Reihenschaltung mit den drei Phasen (R, S, T) der Synchronmaschine (1) verbunden sind, dass ferner auch die Sekundärwicklungen der Spannungswandler (2, 2') in Reihe liegen, wobei zwischen die gemeinsame und eine äussere Sekundärklemme über einen einstellbaren Widerstand (12) zwei in Reihe geschaltete Primärteilwicklungen (13, 13') zweier Zwischenstromwandler (14, 14') gelegt sind, die insgesamt je drei Primärteilwicklungen aufweisen, wovon die zweiten Teilwicklungen (15, 15') in Hintereinanderschaltung an einen Stromwandler (16) angeschlossen sind und die dritten Teilwicklungen (17, 17') ebenfalls in Reihenschaltung,

   jedoch bezüglich ihrer Durchflutungsrichtungen in gegensinniger Weise zwischen der gemeinsamen Sekundärklemme der Spannungswandler (2, 2') und über einen Kondensator (20) sowie einen einstellbaren Widerstand (19) am Mittelabgriff eines Potentiometers (18) liegen, welches mit den äusseren Sekundärklemmen der Spannungswandler (2, 2') verbunden ist und dass die Sekundärwicklungen der Zwischenstromwandler (14, 14') zu je einer Gleichrichteranordnung (7, 9) führen, die über ein Zusatzgerät (10) miteinander in Verbindung stehen.

   4. Einrichtung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbindungsleitung des zwischen den äusseren Sekundärklemmen der Spannungswandler (2, 2') angeordneten Potentiometers (18) ein Zusatzpotentiometer (21) eingeschaltet ist, welches ausserdem zu einem Stromwandler (22) führt, und dass ein mit dem Zusatzpotentiometer (21) gleichzeitig einstellbares weiteres Zusatzpotentiometer (23), welches ebenfalls an einem Stromwandler (16) liegt, in den Stromkreis der dritten Primärteilwicklungen (17, 17') der Zwischenstromwandler (14, 14') gelegt ist.

   5. Einrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Erfassung des Polradwinkels dienende algebraische Unterschied zwischen der Summe (S') und der Differenz (D') der beschriebenen Grössen zusätzlich differenziert wird.

   PATENTANSPRUCH II Verwendung der Einrichtung nach Patentanspruch I zur Beeinflussung des Polradwinkels.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung des Polradwinkels eine Regelung darstellt.

   2. Verwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Polradwinkel auf einen hinsichtlich der Maschinenstabilität zulässigen Wert begrenzt wird.