DE1035746B

DE1035746B - Einrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung von kapazitiv belasteten Synchronmaschinen

Info

Publication number: DE1035746B
Application number: DEM33056A
Authority: DE
Inventors: Paul Lauper
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon Buhrle AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1956-12-12
Filing date: 1957-01-26
Publication date: 1958-08-07
Also published as: CH348997A; US2984767A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung von kapazitiv belasteten Synchronmaschinen unter Verwendung von Relais.

Um die bei einer kapazitiv belasteten Synchronmaschine bestehenden Verhältnisse darlegen zu können, sei zunächst der Begriff der synchronen Reaktanz an Hand der Fig. 1 erläutert. Dort ist das Polrad mit 1, eine Phasenwicklung des Stators mit 2, die Längsachse des Rotors mit d, die Querachse mit q und der Winkel zwischen der Wicklungsachse und der Läuferlängsachse mit δ bezeichnet. Wenn die Ständerphase 2 von einem Wechselstrom erregt wird, lassen sich die für verschiedene Stellungen des Polrades geltenden Reaktanzen leicht bestimmen. In Fig. 2 ist der kurvenmäßige Verlauf dieser Reaktanz als Funktion des Winkels δ dargestellt. Man erkennt, daß für 0 = 0 der Maximalwert x_d vorhanden ist. Dies ist erklärlich, da der magnetische Leitwert dann am größten ist, wenn die Längsachse d mit der Wicklungsachse zusammenfällt. Der kleinste Leitwert und damit die kleinste Reaktanz x_q treten bei δ = 90° auf. Für Maschinen mit ausgeprägten Polen gilt als Anhaltswert, daß x_q ungefähr-0,6 x_d ist, und für Vollpolmaschinen gilt, daß x_q ungefähr 0,9 x_d ist (vgl. die Kurven 3 und 4 von Fig. 2). Wenn nun eine Synchronmaschine auf ein Kabelnetz oder eine lange, leer laufende Leitung arbeitet, ist die kapazitive Belastung erheblich. Zur Erzielung einer konstanten Spannung wird dann erforderlich, die Erregung gegenüber der Leerlauferregung zu verkleinern. Solange die kapazitive Belastungsreaktanz x_c größer ist als die Längsreaktanz x_d der Synchronmaschine, beispielsweise also gleich x_c j (Fig. 2), ist ein stabiler Betrieb bei positiver Erregung möglich. Für x_c2 = x_d ist die Erregung gleich 0, und sie wird für noch kleinere Werte von x_c, das heißt für solche, die zwischen x_d und x_q liegen (z. B. Jtr_c3), negativ. Auch in diesem Fall ist es noch möglich, mit Hilfe von Zusatzeinrichtungen zum normalen Spannungsregler einen stabilen Betrieb aufrechtzuhalten. Sobald jedoch x_c etwa den Wert von x_q erreicht, ist die Spannung instabil, und es tritt eine Selbsterregung auf, die eine gefährliche Spannungserhöhung verursacht. Um dies zu vermeiden, kann in bekannter Weise die Maschine mit Hilfe von Überspannungsrelais vom Netz getrennt werden und eine Schnellentregung erfolgen. Der Nachteil besteht hierbei darin, daß die Spannung bis zum Ansprechwert des Relais steigt und die Abschaltung infolge der Spannungserhöhung relativ schwierig ist. Weiterhin ist schon vorgeschlagen worden, die abgegebene kapazitive Blindleistung zu messen und beim Überschreiten des zulässigen Grenzwertes dieser Leistung die Belastung abzuschalten. Mit dei genannten Einrichtung zur Verhinderung

der Selbsterregung von kapazitiv

belasteten Synchronmaschinen

Anmelder:

ίο Maschinenfabrik Oerlikon,

Zürich-Oerlikon (Schweiz)

Vertreter: Ph. Frhr. v. Habermann, Rechtsanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 34

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 12. Dezember 1956

Paul Lauper, Zürich (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

Methode kann die Selbsterregung jedoch nicht zuverlässig verhütet werden. Steigt nämlich beispiels-* weise infolge eines Lastabwurfes die Frequenz, so steigen die synchronen Reaktanzen x_d und x_q des Generators ebenfalls. Damit wächst aber auch der zu^j lässige Wert von x_c,- so daß die zulässige Blindleistung bei konstanter Spannung sinkt. Es kann demnach bereits die Selbsterregung einsetzen, ehe der festgelegte Grenzwert der abgegebenen Blindleistung erreicht ist. s Die Mängel des Bekannten lassen sich dadurch vermeiden, daß erfindungsgemäß Strom- und Spannungswandler vorgesehen sind, welche ein Relais derart er* regen, daß dessen Schaltstellung vom Wert des Verhältnisses zwischen der kapazitiven Reaktanz der Belastung und der Nachbildung der induktiven Reaktanz : der Maschinen bestimmt ist, wobei das Relais Schaltmaßnahmen auslöst, wenn der Verhältniswert der Reaktanzen einen vorbestimmten Betrag unter-schreitet. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Einrichtung auch bei veränderter Frequenz und Spannung fehlerfrei arbeitet und gefährliche Spannungserhöhungen nicht auftreten können. Ferner besteht die Möglichkeit, Verbraucher, die zur Selbsterregung nicht beitragen, ohne Unterbrechung weiter zu speisen, da eine Entregung der Maschine nicht er- \ folgt. . . >

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Während die Fig. 1 und 2 zum Stand der Technik gehören, beziehen sich die Fig. 3 bis 5 auf Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Hierbei stellt die Fig. 3 eine Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung einer Synchronmaschine schematisch dar, die Fig. 4 gibt ein Vektordiagramm wieder, und die Fig. 5 zeigt eine weitere Einrichtung zum Schutz gegen die Selbsterregung.

Nach Fig. 3 liegt an den Phasen R und 5* einer Synchronmaschine 5 die Primärwicklung eines Spannungswandlers 6 und an den Phasen S und T die Primärwicklung eines weiteren Spannungswandlers 6'. Die Sekundärwicklungen dieser beiden Wandler sind in Reihe geschaltet und speisen über einen Widerstand 7 die Spannungsspule 8 eines wattmetrischen Relais 9. An die Sekundärwicklung des Spannungswandlers 6 ist ferner eine Drosselspule 10 und in Reihe hierzu die Primärwicklung 11 eines Zwischenstromwandlers 12 angeschlossen, der eine zweite Primärwicklung 13 aufweist, die von einem in der Phase S liegenden Stromwandler 14 erregt wird. Die Sekundärwicklung 15 des Zwischenstromwandlers 12 ist mit der Stromspule 16 des Relais 9 verbunden. Dieses Relais weist einen Leerkontakt 17 und einen Betätigungskontakt 18 auf, der im Stromkreis der Schaltspule 19 des Schalters 20 angeordnet ist.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung dient Fig. 4. Dort sind die um 120° gegeneinander phasenverschobenen Strangspannungen mit U_R, U_s und U_T bezeichnet. U_Lv U_L2 und U_L& stellen die verketteten Spannungen dar. Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, entspricht die Sekundärspannung des Wandlers 6 der Leiterspannung U_{L v} und der Strom I_L muß dieser Spannung um 90° nacheilen, da die Belastung praktisch induktiv ist. Ferner ist zu ersehen, daß bei kapazitiver Belastung der Synchronmaschine der Strom I_c gegenüber der Spannung Ug eine Phasenverschiebung von 90° im voreilenden Sinn aufweisen muß. Aus den in Fig. 4 eingezeichneten Winkeln folgt weiterhin, daß I_c parallel zu U_Lst verläuft. Unter Berücksichtigung der für den Zwischenstromwandler 12 geltenden Durchflutungsbeziehung ergibt sich der Strom I₂ als geometrische Summe der Ströme I_L und I₀. Betrachtet man vereinfachend die Drehmomentverhältnisse des Relais bezüglich der Spannung U_Ls und des Stromes I_z, so folgt auf Grund des Energiegesetzes, daß die Stromkomponente I₂" kein Moment entwickeln kann. Hierfür ist lediglich die Wirkkomponente I₂ maßgebend. Solange nun I₂' in Gegenphase zu U_Ls liegt, solange also 1c kleiner ist als I_L · cos 30°, bleibt das Relais 9 auf den Leerkontakt 17 geschaltet. Sobald aber I₂ die gleiche Phasenlage wie U_{L 3} besitzt, schaltet das Relais auf den Kontakt 18, so daß der Schalter 20 ausgelöst und die kapazitive Last abgeschaltet wird. Statt dieser Abschaltung könnte eine Verhinderung der Selbsterregung auch durch Zuschalten von Kompensationsdrosselspulen erfolgen. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß das Relais nur dann anspricht, wenn zwischen den Strömen Iq und Ii ein ganz bestimmtes Verhältnis besteht. Da Iq von der kapazitiven Reaktanz x_c und I_L vom induktiven Blindwiderstand x_L abhängt, sind die durch das Relais bedingten Schaltvorgänge eindeutig vom Verhältnis zwischen x_c und x_L bestimmt. x_L bildet gewissermaßen die Reaktanzen der Synchronmaschine ab, und deshalb arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung auch bei veränderter Frequenz und Spannung einwandfrei. Schließlich ist durch entsprechende Wahl der Größe von x_L die Möglichkeit gegeben, die Verhältniswerte der Reaktanzen den jeweiligen Erfordernissen anzupassen.

Die Fig. 5 zeigt drei parallel geschaltete Synchronmaschinen 5, 5' und 5", welche mit der erfindungsgemäßen Einrichtung, die aber nur zum Teil dargestellt ist, gegen Selbsterregung geschützt werden. Gleiche Teile sind in Fig. 5 wieder mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 3. Da beim Parallelschalten mehrerer Maschinen die zulässige kapazitive Reaktanz abnimmt, muß der Ansprechwert des Relais automatisch den Betriebsverhältnissen angepaßt sein. Dies geschieht mit Hilfe der Kontakte 21,21' und 21", die entsprechende Drosselspulen 10, 10' und 10" zu- bzw. abschalten. Falls vor dem Stromwandler 14 noch Transformatoren liegen, können diese in analoger Weise abgebildet werden.

Bei kapazitiver Belastung sind die Synchronmaschinen normalerweise nicht gesättigt. Liegt jedoch ihre Spannung höher als der Nennwert, so könnte unter Umständen auch eine Berücksichtigung der Sättigung erforderlich werden. Dies ist leicht durch entsprechende Bemessung der Abbildspulen zu erreichen. Die Nachbildung erfolgt beispielsweise durch zwei in Reihe geschaltete Drosseln, wobei die eine Drossel ungesättigt ist und der Streureaktanz der Maschine entspricht, während die andere eine Sättigungscharakteristik aufweist. Durch entsprechenden Abgleich lassen sich die beim gewünschten Ansprechwert bestehenden Verhältnisse richtig erfassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Verhinderung der Selbsterregung von kapazitiv belasteten Synchronmaschinen unter Verwendung von Relais, dadurch gekennzeichnet, daß Strom- und Spannungswandler vorgesehen sind, welche ein Relais derart erregen, daß dessen Schaltstellung vom Wert des Verhältnisses zwischen der kapazitiven Reaktanz der Belastung und der Nachbildung der induktiven Reaktanz der Maschinen bestimmt ist, wobei das Relais Schaltmaßnahmen auslöst, wenn der Verhältniswert der Reaktanzen einen vorbestimmten Betrag unterschreitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen zweier Spannungswandler (6, 6') in Reihe geschaltet und die drei Klemmen dieser Reihenschaltung mit den drei Leitungen eines Drehstromsystems verbunden sind, daß ferner auch die Sekundärwicklungen der Spannungswandler in Reihe liegen, wobei an deren Summenspannung über einen Widerstand (7) die Spannungsspule (8) eines wattmetrischen Relais (9) angeschlossen ist, während die Sekundärwicklung des einen Spannungswandlers (6) zusätzlich mit einer die induktive Reaktanz der Maschine nachbildenden Drossel (10) und der ■hierzu in Reihe liegenden Primärwicklung (11) eines Zwischenstromwandlers (12) in Verbindung steht, der eine weitere Wicklung (13) aufweist, die an den Sekundärkreis eines Stromwandlers (14) angeschlossen ist, dessen Primärwicklung in einer Leitung des Drehstromsystems liegt, und daß die Sekundärwicklung (15) des Zwischenstromwandlers (12) mit der Stromspule (16) des Relais (9) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbilddrossel aus mehreren Teilspulen (10, 10', 10") besteht, die automatisch mittels Hilfskontakte (21, 21', 21") der-

art schaltbar sind, daß stets die gesamte Reaktanz der in Betrieb befindlichen Maschinen nachgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbilddrossel aus zwei in Reihe liegenden Spulen besteht, wobei die eine Spule ungesättigt ist und die andere eine Sättigungscharakteristik aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhinderung der Selbsterregung durch das Abschalten von kapazitiver Last erfolgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhinderung der Selbsterregung durch das Zuschalten von Kompensationsdrosseln erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen