DE1155195B

DE1155195B - Excitation device for self-excited synchronous generators

Info

Publication number: DE1155195B
Application number: DES49513A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Otto-Gert Folberth; Dipl-Ing Erich Krestel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-07-14
Filing date: 1956-07-14
Publication date: 1963-10-03

Description

Erregungseinrichtung für selbsterregte Synchrongeneratoren Zur Stromerzeugung in wenig erschlossenen Gebieten oder zur Notstromversorgung werden häufig Synchrongeneratoren in Selbsterregungsschaltung verwendet, die von einem Verbrennungsmotor oder einer anderen Maschine angetrieben werden. Es sind Schaltungen zur Selbsterregung von Synchrongeneratoren über eine Anordnung von Drossel(n), Kondensator(en), Transformatoren) und Gleichrichter(n) bekannt. Die Anordnung sorgt dafür, daß die Spannung des Synchrongenerators unabhängig von der Belastung und vom cos 9p konstant bleibt. Die Selbsterregung setzt ein, sobald die Remanenzspannung einen Strom über die Drossel(n) aufbringt. Die Konstanthaltung der Spannung erfolgt dadurch, daß der Erregerstrom um so größer wird, je größer die Belastung des Generators und je kleiner der cos (p ist. Man kann diese Tatsache aus Fig. 1 ersehen, die die vektorielle Zusammensetzung des Erregerstromes 1E aus dem der Spannung um fast 90° e1. nacheilenden spannungsabhängigen Leerlaufstromanteil IL und den mit dem Belastungsstrom in Phase liegenden Belastungsstromanteil 1B zeigt. Für den Parallelbetrieb der selbsterregten Synchrongeneratoren werden bei gleich großen Typen derselben Bauart die Erregerzubehöre auf der Gleichstromseite der Erregergleichrichter parallel geschaltet. Bei ungleichen Generatoren werden die Erregerzubehöre auf der Wechselstromseite der Erregergleichrichter parallel geschaltet, weil in dem Falle, daß die Erregerspannungen nicht gleich groß sind, Punkte gleichen Potentials miteinander verbunden werden müssen. Zu diesem Zwecke werden an einem der Transformatoren entsprechende Anzapfungen vorgesehen, oder wenn diese nicht vorhanden sind, wird ein Spartransformator eingefügt, der den Potentialangleich bewirkt. Besitzen die parallel arbeitenden Generatoren aber verschieden große Ankerrückwirkungen, dann stimmt die gewünschte Blindlastverteilung auf die einzelnen Generatoren nur für eine bestimmte Belastung. Es erfolgt über dem gesamten Lastbereich dieselbe Blindlastverteilung auf die einzelnen parallel arbeitenden Generatoren, wenn ein Spreiztransformator eingefügt wird. Bei der Anordnung zum Parallelschalten der Erregerzubehöre besteht aber nicht die Möglichkeit, Synchrongeneratoren in Stromschaltung parallel zu Synchrongeneratoren mit Hilfs-Erregermaschine zu schalten. Die neue Lösung ermöglicht den Parallelbetrieb nicht nur von Synchrongeneratoren in Stromschaltung untereinander, sondern auch parallel zu Generatoren mit Hilfs-Erregermaschine.Excitation device for self-excited synchronous generators for power generation Synchronous generators are often used in poorly developed areas or for emergency power supply used in self-excitation circuit made by an internal combustion engine or a driven by another machine. There are circuits for the self-excitation of Synchronous generators via an arrangement of choke (s), capacitor (s), transformers) and rectifier (s) known. The arrangement ensures that the voltage of the synchronous generator remains constant regardless of the load and cos 9p. The self-excitement sets in as soon as the remanence voltage applies a current via the choke (s). The voltage is kept constant because the excitation current is greater becomes, the greater the load on the generator and the smaller the cos (p. Man this fact can be seen from Fig. 1, which shows the vectorial composition of the Excitation current 1E from the voltage by almost 90 ° e1. lagging voltage-dependent No-load current component IL and the load current component in phase with the load current 1B shows. For the parallel operation of the self-excited synchronous generators the exciter accessories on the DC side for types of the same size the exciter rectifier connected in parallel. If the generators are dissimilar the exciter accessories on the AC side of the exciter rectifier in parallel switched, because in the event that the excitation voltages are not the same, Points of the same potential must be connected to one another. To this end appropriate taps are provided on one of the transformers, or if so If these are not available, an autotransformer is inserted to equalize the potential causes. However, if the generators working in parallel have armature reactions of different sizes, then the desired reactive load distribution on the individual generators is just right for a specific load. The same takes place over the entire load range Reactive load distribution to the individual generators working in parallel, if a Spreading transformer is inserted. With the arrangement for parallel connection of the exciter accessories However, there is no possibility of using synchronous generators in parallel with a current circuit to switch to synchronous generators with auxiliary exciter. The new solution enables the parallel operation not only of synchronous generators in current connection with each other, but also parallel to generators with auxiliary exciter.

Die Erfindung betrifft somit eine Erregungseinrichtung für selbsterregte Synchrongeneratoren, bestehend aus einem Stromtransformator mit einer Sekundärwicklung für den Erregerkreis und zwei Primärwicklungen, von denen die eine vom Generatorstrom durchflossen und die andere über Drosselspulen an die Generatorklemmen angeschlossen ist; die Erfindung besteht darin, daß eine zusätzliche Vormagnetisierungswicklung des Stromtransformators von einer Netzphase über einen Reihenschwingkreis gespeist ist entweder unmittelbar über einen Gleichrichter in Graetzschaltung oder über einen Hallgenerator, dessen Primärstromkreis und dessen Erregerstromkreis von einem der Phasenspannung proportionalen Steuerstrom durchflossen ist und dessen Hallspannung über eine Drossel an die Vormagnetisierungswicklung gelegt ist.The invention thus relates to an excitation device for self-excited Synchronous generators, consisting of a current transformer with a secondary winding for the excitation circuit and two primary windings, one of which comes from the generator current flowed through and the other connected to the generator terminals via choke coils is; the invention consists in that an additional bias winding of the current transformer is fed by a mains phase via a series resonant circuit is either directly via a rectifier in Graetz circuit or via a Hall generator, its primary circuit and its excitation circuit from one of the Phase voltage proportional control current is flowed through and its Hall voltage is connected to the bias winding via a choke.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden also nicht die Ströme vektoriell addiert und dann über eine Gleichrichteranordnung der Erregerwicklung des Synchrongenerators zugeführt, sondern die durch die Einflußgrößen hervorgerufenen Flüsse addieren sich im Stromtransformator. Als Regelglied für den Stromtransformator kann ein Hallgenerator vorgesehen sein, dessen Primärstromkreis und dessen Erregerstromkreis von einem der Generatorspannung proportionalen Strom durchflossen ist, so daß an den Hallelektroden eine von der Generatorspannung abhängige Spannung anliegt; ferner kann als Regelglied der Reihenschwingkreis mit nachgeschalteter Gleichrichteranordnung vorgesehen werden. Wird der Synchrongenerator mit dem Netz oder anderen Synchrongeneratoren parallel geschaltet, so wird in den Eingangskreis des Regelgliedes die Reihenschaltung eines einstellbaren Widerstandes mit einer Drosselspule gelegt. Die Reihenschaltung ist zusätzlich von einem Strom durchflossen, der dem Strom im Leiter des Drehstromnetzes proportional ist und an den das Regelglied nicht angeschlossen ist.In the solution according to the invention, the currents do not become vectorial added and then via a rectifier arrangement of the field winding of the synchronous generator but the flows caused by the influencing variables add up in the current transformer. A Hall generator can be used as a control element for the current transformer be provided, the primary circuit and the excitation circuit of a the generator voltage has a proportional current flowing through it, so that at the Hall electrodes a voltage dependent on the generator voltage is applied; can also be used as a control element the series resonant circuit can be provided with a downstream rectifier arrangement. If the synchronous generator is running in parallel with the mains or other synchronous generators switched, the series connection of a is in the input circuit of the control element adjustable resistance placed with a choke coil. The series connection is In addition, a current flows through it, which is the current in the conductor of Three-phase network is proportional and to which the control element is not connected.

Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen; es zeigt Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung für die Erregungseinrichtung, bei dem als Regelglied ein. Hallgenerator verwendet ist, Fig. 3 einen Hallregler mit Sollwert- und Empfindlichkeitseinsteller, Fig.4 die Einrichtung zum Parallelbetrieb des Synchrongenerators.For a more detailed explanation, reference is made to the drawing; it shows Fig. 2 shows an embodiment of the circuit for the excitation device in which as a control element. Hall generator is used, Fig. 3 shows a Hall regulator with setpoint value and sensitivity adjuster, Fig. 4 the device for parallel operation of the synchronous generator.

Die Erregerwicklung des Synchrongonerators 1 (Fig. 2) ist über die Gleichrichteranordnung 2 an den Ausgang der Sekundärwicklung c des Stromtransformators 3 angeschlossen. Die Primärwicklung a des Stromtransformators 3 ist einmal über die Drossel 4 an die Phasenleiter des Synchrongenerators 1 angeschlossen, und zum anderen sind die Eingänge der Primärwicklung a mit der Dreiecksschaltung der Kondensatoren 5 verbunden. Die Kondensatoren 5 dienen zur Stützung des Erregungsvorganges beim Anlauf. Die Primärwicklung b des Transformators 3 liegt im Zuge der Phasenleiter des Synchrongenerators 1 und wird vom Belastungsstrom des Synchrongenerators durchflossen. Die Wicklungen a, b und c des Stromtransformators liegen auf einem gemeinsamen Kern. Zur Vormagnetisierung des Stromtransformators ist die Steuerwicklung d vorgesehen. Sie ist an den Ausgang des Haureglers 6 angeschlossen. Im Zuge der Verbindung der Steuerwicklung d mit dem Hauregler 6 ist ein Sollwerteinsteller 7 und eine Drosselspule 8 als Wechselstromwiderstand angeordnet. Je nach Größe des zur Verwendung kommenden Synchrongenerators und erforderlichen Leistung für die Steuerwicklung kann zwischen Hallregler 6 und Steuerwicklung d ein Verstärker 9 angeordnet werden. Der Eingang des Haureglers 6 ist über ein Frequenzkompensationsglied 11, das aus der Reihenschaltung eines Kondensators, einer Drosselspule und eines ohmschen Widerstandes besteht, und bei Pendelbetrieb über die Reihenschaltung 12, den Empfindlichkeits- und Sollwertsteller 13 an die Phasen S und R des Synchrongenerators 1 oder des gemeinsamen Netzes angeschlossen.The excitation winding of the synchronous generator 1 (FIG. 2) is connected to the output of the secondary winding c of the current transformer 3 via the rectifier arrangement 2. The primary winding a of the current transformer 3 is connected on the one hand to the phase conductors of the synchronous generator 1 via the choke 4, and on the other hand the inputs of the primary winding a are connected to the delta connection of the capacitors 5. The capacitors 5 serve to support the excitation process during start-up. The primary winding b of the transformer 3 lies in the course of the phase conductor of the synchronous generator 1 and is traversed by the load current of the synchronous generator. The windings a, b and c of the current transformer lie on a common core. The control winding d is provided for the premagnetization of the current transformer. It is connected to the output of the house regulator 6. In the course of connecting the control winding d to the house regulator 6, a setpoint adjuster 7 and a choke coil 8 are arranged as an alternating current resistor. Depending on the size of the synchronous generator used and the power required for the control winding, an amplifier 9 can be arranged between Hall regulator 6 and control winding d. The input of the house controller 6 is via a frequency compensation element 11, which consists of the series connection of a capacitor, a choke coil and an ohmic resistor, and in pendulum mode via the series connection 12, the sensitivity and setpoint adjuster 13 to the phases S and R of the synchronous generator 1 or connected to the common network.

Der Aufbau des Hallreglers geht aus Fig. 3 hervor. Der Hallregler 14 ist im Luftspalt eines Magnetjoches 15 angeordnet. Auf dem Magnetjoch 15 ist die Erregerwicklung 16 angebracht. Im Zuge ihrer Stromzuführung liegt der Stromtransformator 17, dessen Sekundärwicklung an die Prinzärelektroden des Hallgenerators angeschlossen ist. Die Hallelektroden führen zum Ausgang des Sollwert- und Empfindlichkeitseinstellers.The structure of the Hall regulator is shown in FIG. 3. The hall regulator 14 is arranged in the air gap of a magnet yoke 15. On the magnet yoke 15 is the excitation winding 16 attached. The current transformer is located in the course of their power supply 17, whose secondary winding is connected to the primary electrodes of the Hall generator is. The hall electrodes lead to the output of the setpoint and sensitivity adjuster.

Die Einrichtung zum Parallelbetrieb des Synchrongenerators in Fig. 4 besteht aus der Reihenschaltung eines einstellbaren Statikwiderstandes und einer Drosselspule. Sie ist über die Feldwicklung des Hallgenerators an die Phasen R und S des Synchrongenerators angeschlossen. Gleichzeitig ist die Reihenschaltung an die Sekundärwicklung eines Stromtransformators 18 angeschlossen, dessen Primärwicklung im Zuge des Phasenleiters T angeordnet ist.The device for parallel operation of the synchronous generator in Fig. 4 consists of a series connection of an adjustable static resistor and a Choke coil. It is connected to phases R and via the field winding of the Hall generator S of the synchronous generator connected. At the same time, the series connection is on the secondary winding of a current transformer 18 is connected, its primary winding is arranged in the course of the phase conductor T.

Die Wirkungsweise der neuen Einrichtung ist folgende: Der Generator erregt sich durch die Remanenz über den Stromtransformator 3 und den Gleichrichter 2 selbst. Der Erregerstrom setzt sich vektoriell in Abhängigkeit vom Phasenwinkel p aus einem Leerlaufanteil und einem lastabhängigen Stromanteil in der Sekundärwicklung c des Stromtransformators 3 zusammen. Der Leerlaufanteil wird durch die Größe und Bemessung der vorgeschalteten Luftspaltdrossel 4 begrenzt. Die in Dreieck geschalteten Kondensatoren 5 fördern die Erregung beim Anlauf und beseitigen bei entsprechender Dimensionierung den Temperatureinfluß auf die Spannung. Durch die neue Erregungseinrichtung wird also die Spannung unabhängig von der Belastung, vom Leistungsfaktor und der Temperatur konstant gehalten, jedoch besteht zunächst eine Drehzahlabhängigkeit und nicht die Möglichkeit der stetigen Einstellung eines Spannungssollwertes, ferner treten auch beim Parallelbetrieb Schwierigkeiten auf. Durch das Regelglied 6, das Frequenzkompensationsglied 11 und die Reihenschaltung 12 werden auch diese Nachteile beseitigt. Die genannten Steuer- und Regeleinrichtungen wirken auf die Vormagnetisierungswicklung d des Stromtransformators 3 ein. Die Feldwicklung des Hallreglers 6 liegt an der zu regelnden Spannung. Sie erzeugt ein Magnetfeld, das den Luftspalt des Magnetjoches 15 (Fig. 3) durchsetzt und somit den Hallgenerator 14 beeinflußt. Der Strom durch die Feldwicklung des Hallgenerators bzw. ein ihm proportionaler Strom durchfließt den Hallgenerator als Steuerstrom. Demnach liegt an den Hallelektroden eine Hallspannung, die proportional dem Produkt von Magnetfluß 0 und Steuerstrom ist. Der Hallstrom fließt durch die Vormagnetisierungswicklung d des Stromtransformators 3. Durch die Drossel 8 wird die Rückwirkung des Wechselstromes auf den Halsregler ausgeschaltet. Durch den quadratischen Zusammenhang zwischen einer Phasenspannungsänderung und der sich daraus ergebenden Änderung des Hallstromes ist der Hauregler sehr empfindlich. Eine kleine Änderung der Spannung bewirkt eine große Änderung des Hallstromes. Die Empfindlichkeit des Hallreglers kann dadurch gesteigert werden, daß man ihn in seinem Sättigungsbereich betreibt. Erfährt die Spannung des Synchrongenerators eine Abweichung vom Sollwert, so ändert sich der Haustrom des Hallreglers 6. Bei wachsender Spannung wächst der Vormagnetisierungsstrom, dadurch wird die Kerninduktion des Stromtransformators herabgesetzt und damit auch die Sekundärspannung, was eine Verringerung des Gesamterregerstromes zur Folge hat. Durch die Beeinflussung des Stromtransformators 3 über die Steuerwicklung d wird die Lastkomponente und auch die Leerlaufkomponente beeinflußt.The mode of operation of the new facility is as follows: The generator excited by the remanence via the current transformer 3 and the rectifier 2 itself. The excitation current is vectorially dependent on the phase angle p from an no-load component and a load-dependent current component in the secondary winding c of the current transformer 3 together. The idle portion is determined by the size and Dimensioning of the upstream air gap throttle 4 is limited. The ones connected in triangle Capacitors 5 promote the excitation at start-up and eliminate when appropriate Dimensioning the influence of temperature on the voltage. With the new excitation device So the voltage becomes independent of the load, the power factor and the Temperature kept constant, but initially there is a speed dependency and not the possibility of the continuous setting of a voltage setpoint, furthermore difficulties also arise with parallel operation. By the control element 6, the Frequency compensation element 11 and the series circuit 12 also have these disadvantages eliminated. The control and regulation devices mentioned act on the premagnetization winding d of the current transformer 3. The field winding of the Hall regulator 6 is due to the voltage to be regulated. It creates a magnetic field that forms the air gap of the magnet yoke 15 (Fig. 3) permeated and thus the Hall generator 14 influenced. The current through the field winding of the Hall generator or a current proportional to it flows through it the Hall generator as a control current. Accordingly, there is a Hall voltage at the Hall electrodes, which is proportional to the product of magnetic flux 0 and control current. The Hall current flows through the bias winding d of the current transformer 3. Through the Choke 8, the reaction of the alternating current on the neck regulator is switched off. Due to the quadratic relationship between a phase voltage change and The house controller is very sensitive to the resulting change in the Hall current. A small change in voltage causes a large change in the Hall current. the The sensitivity of the hall regulator can be increased by using it in his Saturation area operates. If the voltage of the synchronous generator experiences a deviation from the setpoint, the house current of the Hall regulator 6 changes as the voltage increases the bias current grows, thereby the core induction of the current transformer and thus also the secondary voltage, which reduces the total excitation current has the consequence. By influencing the current transformer 3 via the control winding d the load component and also the idle component is influenced.

Die beschriebene Schaltung hat den Vorteil, daß sich der Generator leicht erregt. Beim Anlaufen wirkt auf den Regler nur die Remanenzspannung. Der Vormagnetisierungsstrom ist wesentlich kleiner als im Normalbetrieb beim Sollwert der Spannung. Hierdurch wird eine Vergrößerung des Erregerstromes beim Anlauf hervorgerufen. Das bedeutet eine geringere Steilheit der Erregergeraden, also eine bessere Erregung. Der Frequenzkompensationswiderstand 11 ist so bemessen, daß der Scheinwiderstand der Gesamtreihenschaltung bei Nennfrequenz kapazitiv ist. Demnach sinkt bei steigender Frequenz der Scheinwiderstand, und der Strom durch die Reihenschaltung wird größer, was wiederum eine Vergrößerung der Vormagnetisierung des Stromtransformators 3 und damit ein Absinken der Spannung und des Erregerstromes zur Folge hat. Bei fallender Frequenz wird die Spannung angehoben, dadurch werden Spannungsänderungen bei Frequenzänderungen wieder aufgehoben. Beim Parallelbetrieb ist die wesentliche Störgröße für den Synchrongenerator der Blindstrom. Um die Blindstromabgabe des Synchrongenerators zu begrenzen, wird der Blindstrom so in die Erregungseinrichtung eingeführt, daß eine zusätzliche Spannung gebildet wird, die sich am Eingang des Hallreglers dem Sollwert überlagert. Durch diese zusätzliche Spannung wird bewirkt, daß bei Abgabe von zuviel Blindstrom des Synchrongenerators die übrigen einspeisenden Generatoren die entsprechende Blindstrommenge weniger abgeben. Es ergibt sich demnach ein Spannungsgefälle, und die Generatoren regeln. sich auf die eingestellte Blindstromabgabe ein.The circuit described has the advantage that the generator easily aroused. When it starts up, only the remanent voltage acts on the controller. Of the The bias current is much smaller than in normal operation at the setpoint the tension. This causes an increase in the excitation current during start-up. This means that the straight line of the exciter is less steep, that is, better excitation. The frequency compensation resistor 11 is dimensioned so that the impedance the overall series connection is capacitive at nominal frequency. Accordingly, it decreases with increasing Frequency of the impedance, and the current through the series connection increases, which in turn increases the bias of the current transformer 3 and so that the voltage and the excitation current decrease. With falling Frequency, the voltage is increased, which means that the voltage changes when the frequency changes canceled again. In the case of parallel operation, the main disturbance is for the synchronous generator the reactive current. To the reactive current output of the synchronous generator To limit, the reactive current is introduced into the excitation device so that an additional voltage is generated, which is demon- strated at the input of the Hall controller Setpoint superimposed. This additional tension causes that upon delivery too much reactive current from the synchronous generator affects the other feeding generators give the corresponding amount of reactive current less. There is therefore a voltage gradient, and regulate the generators. adjusts to the set reactive current output.

An Stelle des Haureglers 6 kann in den Regelkreis auch eine Gleichrichteranordnung in Graetzschaltung eingefügt werden. Da die Gleichrichter eine eindeutige Sperrichtung aufweisen, kann dann die Drosselspule 9 fortgelassen werden. Die Wirkungsweise ist entsprechend gleich wie bei der Regelung mit HallregJer.Instead of the house regulator 6, a rectifier arrangement can also be used in the control circuit can be inserted in Graetz circuit. Because the rectifier has a clear reverse direction have, the choke coil 9 can then be omitted. The mode of action is correspondingly the same as with the regulation with HallregJer.

Die neue Erregungseinrichtung erfüllt in hohem Maße die Forderungen, die an Zusatzaggregate oder Notstromaggregate gestellt werden. Mit ihr ist eine stetige Einstellbarkeit des Spannungssollwertes, eine stabile Selbsterregung, Frequenzunabhängigkeit und Parallelschaltbarkeit des Synchrongenerators möglich.The new excitation device fulfills to a high degree the requirements which are placed on additional units or emergency power units. There is one with her Continuous adjustability of the voltage setpoint, stable self-excitation, frequency independence and parallel connection of the synchronous generator possible.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Excitation device for self-excited synchronous generators, consisting of a current transformer with a secondary winding for the excitation circuit and two primary windings, one of which the generator current flows through and the other is connected to the generator terminals via choke coils, thereby characterized in that an additional bias winding (d) of the current transformer (3) is either fed by a network phase (R, S) via a series resonant circuit (11) directly via a rectifier in Graetz circuit or via a Haugenerator (6), its primary circuit and its excitation circuit of one of the phase voltage (R, S) proportional control current flows through and its Hall voltage over a choke (8) is connected to the bias winding (c).

2. Excitation device according to claim 1 in parallel operation, characterized in that the series resonant circuit (11) is preceded by a series circuit (12) of an adjustable resistor with a choke coil and that the series circuit (12) is additionally traversed by a current that corresponds to the current in the Head of the three-phase network is proportional to which the series circuit (12) is not connected. In. Documents considered: German Patent No. 914152; French Patent No. 1119 132; Special company print SSW 500, 38/209, “Heavy current technology on merchant ships”.