DE1276180B

DE1276180B - Dormant exciter for synchronous generators

Info

Publication number: DE1276180B
Application number: DE1962ST019714
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hugo Boesken
Original assignee: HANS STILL GES MIT Beschrankter
Current assignee: HANS STILL GES MIT Beschrankter
Priority date: 1962-09-14
Filing date: 1962-09-14
Publication date: 1968-08-29

Description

Ruhendes Erregergerät für Synchrongeneratoren Die Erfindung bezieht sich auf ein ruhendes Erregergerät für Synchrongeneratoren ohne Erregermaschine.Dormant exciter for synchronous generators The invention relates on a stationary exciter for synchronous generators without an exciter.

Mit der Entwicklung von elektronischen Geräten steigen beständig die Anforderungen an die Spannungskonstanz auch kleinerer Stromerzeugungsaggregate, die diese Geräte speisen. Es geht dabei nicht nur um die statische Spannungskonstanz, sondern auch um den dynamischen Spannungseinbruch bei Lastauf- und -abschaltung, dessen Aussteuerung beispielsweise bei kompundierten Drehstromgeneratoren zum größten Teil durch den Drehzahleinbruch des Antriebes, meist einer Verbrennungskraftmaschine mit Ausregelzeiten von etwa 1 sec bestimmt wird. Außerdem ist es heute erwünscht, daß bei kleineren und mittleren Generatoren die Erregerleistung nicht durch eine Erregermaschine, deren Kollektor dauernder Wartung bedarf und Anlaß zu Funkstörungen gibt, sondern durch eine ruhende Erregereinrichtung erzeugt wird. Zu diesem Zweck wurde bereits die Verwendung von Magnetverstärkern vorgeschlagen. Kleine Ausregelzeiten sind jedoch auf diesem Wege nicht zu erreichen, da ein Magnetverstärker mit großen Zeitkonstanten behaftet ist. Auch gesteuerte Quecksilberdampfgleichrichter sind als ruhende Erregereinrichtung für den zur Rede stehenden Zweck nicht geeignet, da Quecksilberdampfgleichrichter im allgemeinen für die benötigte Erregerleistung zu groß und gegen Stöße empfindlich sind.With the development of electronic devices, they are constantly increasing Requirements for the voltage constancy of smaller power generating sets, that feed these devices. It's not just about the static voltage constancy, but also about the dynamic voltage drop when the load is switched on and off, its modulation, for example, in the case of compound three-phase generators, to the greatest extent Partly due to the drop in speed of the drive, usually an internal combustion engine is determined with settling times of about 1 sec. In addition, it is desirable today that with small and medium-sized generators the excitation power is not through a Exciter machine whose collector requires constant maintenance and gives rise to radio interference there, but is generated by a stationary excitation device. To this end the use of magnetic amplifiers has already been proposed. Small settling times cannot be reached in this way, however, as a magnetic amplifier with large Time constants is afflicted. Controlled mercury vapor rectifiers are also available Not suitable as a dormant excitation device for the purpose in question, because mercury vapor rectifiers generally provide the required excitation power are too big and sensitive to shocks.

Durch die Entwicklung der steuerbaren Siliziumzellen ergeben sich hier neue Möglichkeiten. Allerding sind Siliziumzellen empfindlich gegen Spannungsspitzen, die in Schaltungen, bei denen der Belastungsstrom als Störgröße direkt aufgeschaltet wird, bei Nichtbeachtung besonderer Vorsichtsmaßnahmen auftreten können.The development of controllable silicon cells results in here new possibilities. However, silicon cells are sensitive to voltage peaks, those in circuits in which the load current is applied directly as a disturbance variable will occur if special precautionary measures are not observed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehstromgenerator so zu erregen, daß die Spannung - unabhängig von Drehzahländerungen in einem Bereich von etwa ± 20 % - konstant ist und auch bei dreiphasigem Kurzschluß ein Kurzschlußstrom fließt, der zum Auslösen der Sicherungen führt. Dies ist für Generatoren, von denen mehrere einzeln abgesicherte Verbraucher betrieben werden, von entscheidender Bedeutung, damit bei etwaigem Kurzschluß in einem Verbraucher nicht die gesamte Stromversorgung ausfällt.The invention is based on the object of a three-phase generator to excite so that the voltage - regardless of speed changes in a range of about ± 20% - is constant and a short-circuit current even with a three-phase short circuit flows, which leads to the triggering of the fuses. This is for generators of which several individually protected consumers are operated, which is of decisive importance, so that in the event of a short circuit in a consumer, not the entire power supply fails.

Es ist bereits eine Einrichtung zum Begrenzen des Dauerkurzschlußstromes von Synchronkompoundgeneratoren bekannt, bei der ein sättigbarer Stromwandler vorgesehen ist, der so gewählt ist, daß das Verhältnis von Generatorspannung zu Generatorfrequenz möglichst genau konstant gehalten wird. Da die Sättigung des Stromwandlers frequenzabhängig ist, sind zusätzlich noch Mittel vorgesehen, die den Kurzschlußstrom bei höherer Frequenz begrenzen.It is already a device for limiting the continuous short-circuit current known from synchronous compound generators in which a saturable current transformer is provided is chosen so that the ratio of generator voltage to generator frequency is kept constant as precisely as possible. Since the saturation of the current transformer depends on the frequency is, means are also provided that the short-circuit current at higher Limit frequency.

Es ist ferner eine Drehstromanlage, insbesondere auf Flugzeugen, bekannt, die aus einem Generator, einem Regler und einer Störgrößenaufschaltung des Ankerstromes bzw. einer Kombination aus Ankerstrom und Ankerspannung besteht. Es ist ein Stromwandler vorhanden, dessen übersättigungsverhältnis so klein gewählt wird, daß ein Dauerkurzschlußstrom zum Verschwinden gebracht wird, da ein spannungsabhängiger Anteil, ein stromabhängiger Anteil sowie ein Anteil des Reglers am Erregerstrom auf das Polrad geführt werden, wobei alle Anteile im gleichen Sinne wirken. Da der minimale Reglerstrom dauernd über einen Widerstand fließt, müssen die beiden anderen Komponenten relativ klein gemacht werden, weswegen der Wandlerstrom zu einer Selbsterregung des Generators im Kurzschluß nicht ausreicht.There is also a three-phase system, in particular on aircraft, known, that consists of a generator, a controller and a disturbance variable feedforward of the armature current or a combination of armature current and armature voltage. It's a current transformer present, the oversaturation ratio is chosen so small that a sustained short-circuit current is made to disappear, since a voltage-dependent component, a current-dependent one Part and part of the controller in the excitation current are fed to the pole wheel, whereby all parts act in the same sense. Since the minimum regulator current is permanent flows through a resistor, the other two components must be relatively small which is why the converter current causes the generator to self-excite is not sufficient in the short circuit.

Die Erfindung bezieht sich auf ein ruhendes Erregergerät der eingangs genannten Art mit einem aus der Maschine selbst gespeisten Regler zur Konstanthaltung der Generatorspannung unabhängig von Drehzahlschwankungen in einem bestimmten Bereich und mit einem das Feld des Generators zusätzlich stromabhängig erregenden Stromwandler. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, die Generatorspannung unabhängig von der Generatorfrequenz konstant zu halten, dadurch gelöst, daß das übersetzungsverhältnis und die Sättigungsbedingungen des Stromwandlers so gewählt sind, daß durch ihn ein Dauerkurzschlußstrom, auch bei der niedrigsten vorkommenden Frequenz, ermöglicht und in seiner Höhe bestimmt wird.The invention relates to a stationary exciter device of the introduction mentioned type with a controller fed by the machine itself to keep it constant the generator voltage regardless of speed fluctuations in a certain range and with a current converter that additionally excites the field of the generator in a current-dependent manner. According to the invention, the task is to keep the generator voltage independent of the generator frequency constant to keep, solved by the fact that the transmission ratio and the saturation conditions of the current transformer are chosen so that a Continuous short-circuit current, even at the lowest frequency that occurs and its height is determined.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.In the following the invention with reference to the drawing is exemplified explained in more detail.

Der Ankerstrom des Generators 1 fließt über den Stromwandler 2 in den (nicht gezeichneten) Verbraucher. Hauptaufgabe des Stromwandlers ist es, im Kurzschlußfall die Höhe des Kurzschlußstromes zu bestimmen. Diese Größe ist durch die Sättigung und das Übersetzungsverhältnis des Wandlers frei wählbar. Der Wandlerstrom wird durch den Gleichrichter 3 gleichgerichtet und fließt in die Feldwicklung 4. Im Nennbetrieb erzeugt diese Wicklung den größten Teil der zur Kompensation der Ankerrückwirkung benötigten Amperewindungen und entlastet so den Regler. Zur Erzeugung des Leerlaufanteiles des Erregerstromes und zur Konstanthaltung der Spannung dient der übrige Teil der Schaltung. Er besteht aus dem Transformator 6, über den der Leerlaufanteil der Erregerleistung an den Maschinenklemmen abgenommen und in seiner Spannung der halbgesteuerten Drehstrom-Brückengleichrichterschaltung 7 angepaßt wird. Der steuerbare Gleichstrom fließt in die Feldwicklung 9. Die steuerbaren Ventile des Gleichrichters 7 werden mittels eines mit Halbleiterelementen aufgebauten Reglers 13 durch Impulse gesteuert; seine Hilfsenergie erhält der Regler über die Zuleitungen 14. Über den Transformator 15 und den Gleichrichter 16 wird dem Regler der Istwert der Klemmenspannung zugeführt, die innerhalb des Reglers in an sich bekannter Weise mit einem Sollwert verglichen wird. Die Differenz steuert den Reglerverstärker aus, der wiederum den Impulssteuersatz beaufschlagt und so eine Phasenverschiebung der zur Steuerung der Siliziumstromtore benutzten Impulse in Abhängigkeit von der Klemmenspannung bewirkt.The armature current of the generator 1 flows through the current transformer 2 in the consumer (not signed). The main task of the current transformer is to im To determine the level of the short-circuit current in the event of a short circuit. This size is through the saturation and the transformation ratio of the converter are freely selectable. The converter current is rectified by the rectifier 3 and flows into the field winding 4. In nominal operation, this winding generates most of the compensation for the Armature feedback required ampere turns and thus relieves the regulator. To the generation the no-load part of the excitation current and to keep the voltage constant the rest of the circuit. It consists of the transformer 6 through which the No-load share of the excitation power at the machine terminals and in its Voltage of the half-controlled three-phase bridge rectifier circuit 7 adapted will. The controllable direct current flows into the field winding 9. The controllable valves of the rectifier 7 are made by means of a controller constructed with semiconductor elements 13 controlled by pulses; The controller receives its auxiliary energy via the supply lines 14. The controller receives the actual value via the transformer 15 and the rectifier 16 the terminal voltage supplied within the controller in a known manner is compared with a target value. The difference controls the controller amplifier, which in turn acts on the pulse tax rate and so a phase shift of the to control the silicon current gates used pulses depending on the terminal voltage causes.

Zum Inbetriebsetzen des Generators wird durch die Taste 12 die Starterbatterie 10, die ohnehin bei jedem Dieselaggregat vorhanden ist, über den Gleichrichter 11 auf das Feld 9 oder aber (abweichend von der Zeichnung) auf das Feld 4 geschaltet, so daß die Klemmenspannung etwa 1/s bis 1/2 der Nennspannung beträgt. Da der Steuersatz dabei voll ausgesteuert ist und die Schwellspannung des Gleichrichters, insbesondere der Siliziumstromtore, überschritten wird, erregt sich die Schaltung dann von selbst auf die Nennspannung. Der Strom und damit die Feldspannung ist niedrig, da die Magnetisierungskennlinie der Maschine bei niedriger Spannung geradlinig verläuft. Der Gleichrichter 11 soll einen Rückstrom von dem Erregergleichrichter 7 in die Batterie verhindern, der dazu führen würde, daß, wenn die Taste 12 nicht rechtzeitig geöffnet wird, sich die Maschine voll erregt bzw. der Erregergleichrichter überbelastet würde. Wollte man die Schaltung in der bisher erläuterten Form in Betrieb setzen, so bestünde die Gefahr, daß bei wirtschaftlicher Bemessung, d. h. bei Auslegung der Gleichrichter 7 für die Sekundärspannung des Transformators 6, die Gleichrichter 7 bei Kurzschluß des Generators durch die Stromspitze zerstört werden, die über den Laststromwandler 2 in der Wicklung 4 auftritt und in der Wicklung 9 eine Spannungsspitze hervorruft. Durch Parallelschalten eines großen Kondensators 5 von mehreren 100 MF zur Feldwicklung 4 wird dieser Effekt verhindert. Die Spannungsspitze liegt nicht in der Größenordnung der sonst bei Siliziumgleichrichtern bekannten, nadelförmigen Impulsspannungen, die durch übliche Beschaltungskondensatoren beseitigt werden können, sondern dauert, hervorgerufen durch den Laststromwandler, eine ganze Periode der 50-Hz-Spannung an. Weiterhin ist es hier von besonderem Vorteil, parallel zu den halbgesteuerten Brückengleichrichtern 7 den Gleichrichter 8 einzubauen, der sonst im allgemeinen bei Gleichrichterschaltungen ähnlicher Art nicht notwendig ist.To start the generator, the starter battery is activated by pressing button 12 10, which is already present in every diesel unit, via the rectifier 11 switched to field 9 or (deviating from the drawing) to field 4, so that the terminal voltage is about 1 / s to 1/2 of the nominal voltage. Because the tax rate is fully controlled and the threshold voltage of the rectifier, in particular the silicon current gates is exceeded, the circuit then energizes itself to the nominal voltage. The current and thus the field voltage is low because of the magnetization characteristic the machine runs in a straight line at low voltage. The rectifier 11 should prevent a reverse current from the excitation rectifier 7 in the battery, the to this would lead that, if the button 12 is not opened in time, the machine fully excited or the exciter rectifier would be overloaded. If you wanted the circuit put into operation in the form explained so far, there is a risk that economic assessment, d. H. when designing the rectifier 7 for the secondary voltage of the transformer 6, the rectifier 7 when the generator is short-circuited by the Current peak that occurs via the load current transformer 2 in the winding 4 are destroyed and in the winding 9 causes a voltage spike. By connecting one in parallel large capacitor 5 of several 100 MF to the field winding 4 will this effect prevented. The voltage peak is not of the same order of magnitude as that otherwise found in silicon rectifiers well-known, needle-shaped pulse voltages, which are generated by conventional wiring capacitors can be eliminated, but lasts, caused by the load current transformer, a full period of the 50 Hz voltage. It is also of particular advantage here to install the rectifier 8 parallel to the half-controlled bridge rectifiers 7, which is otherwise generally not necessary for rectifier circuits of a similar type is.

Der Gleichrichter 8 hat die Aufgabe, beim Ausbleiben der Impulse aus dem Steuergerät 13 den Rückstrom aus der Feldwicklung 9 aufzunehmen, der dann nach der Feldzeitkonstanten abklingt. Wäre diese Diode nicht vorhanden, bliebe das zuletzt stromführende gesteuerte Ventil durchgezündet. Die Klemmenspannung der Maschine stiege beträchtlich an und führte zu Zerstörung der angeschlossenen Verbraucher. Das obenerwähnte Ausbleiben der Impulse kann beispielsweise bei Entlastung der Maschine auftreten. Dabei steigt die Spannung und Frequenz der Maschine an. Dieser Spannungsanstieg von etwa 10 1/o steuert den Regelverstärker voll durch und bringt damit die Impulse des Steuersatzes in die 180°-Lage. Eine hier eingebaute Begrenzung würde die mit dem Steuergerät erreichbare Verschiebung der Impulse bereits einengen, da Begrenzungsdioden bekanntlich keine exakten Knicke in der Kennlinie haben. Da aber für eine halbgesteuerte Brücke das Steuergerät die Impulse um mindestens 150° verschieben muß, könnte man noch eine Endlage, und zwar bei 0°, begrenzen. Hinzu kommt noch der Einfluß der Frequenzänderung, die, wenn man sie berücksichtigen würde und gleichzeitig eine Begrenzung bei 0 und 180° einführen wollte, dazu führt, daß die Impulse nur noch um 100 bis 120° verschoben zu werden brauchen, was zur vollen Aussteuerung der Stromtore nicht ausreicht und eine überdimensionierung derselben erfordern würde.The rectifier 8 has the task of missing the pulses the control unit 13 to receive the return current from the field winding 9, which then after the field time constant decays. If this diode were not there, it would be the last Live controlled valve ignited. The terminal voltage of the machine increased considerably and led to the destruction of the connected consumers. The abovementioned absence of the impulses can occur, for example, when the machine is unloaded appear. This increases the voltage and frequency of the machine. This surge in tension of about 10 1 / o controls the control amplifier fully and thus brings the impulses of the tax rate to the 180 ° position. A limitation built in here would include the already narrow the shifting of the impulses that can be achieved by the control unit, since limiting diodes are known to have no exact kinks in the characteristic. But there for a half-controlled Bridge the control unit must shift the pulses by at least 150 °, you could limit another end position, namely at 0 °. In addition there is the influence of Frequency change that, if you would take it into account, and at the same time a Wanted to introduce limitation at 0 and 180 °, which means that the pulses only need to be shifted by 100 to 120 °, resulting in full control of the power gates is not sufficient and would require an oversizing of the same.

Claims

Claims: 1. Dormant exciter for synchronous generators without exciter, with a controller fed by the machine itself to keep it constant the generator voltage regardless of speed fluctuations in a certain range and with a current transformer that additionally excites the field of the generator, characterized in that the gear ratio and the saturation conditions this current transformer are chosen so that a continuous short-circuit current through it, too at the lowest occurring frequency, made possible and determined in its height will.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that one excitation winding (4) a large capacitor (5) is connected in parallel, the voltage peaks during Short circuit of the generator in the field winding (9) prevented.

3. Arrangement according to Claim 2, characterized in that the capacitor (5) is an electrolytic capacitor is.

4. Arrangement according to claim l., 2 or 3 with a generator, the two field windings having, and with a regulator that works with controllable silicon rectifiers works, characterized in that a parallel to the second field winding (9) Diode (8) is located in the absence of the control pulses for the silicon rectifier the rectifier bridge (7) prevents the same from igniting.

5. Arrangement according to Claim 4, characterized in that the diode (8) is a silicon cell. In Documents considered: German Patent No. 896 675; German interpretation document No. 1079185.