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Dokumentenidentifikation DE2824617C2 16.07.1987
Titel Schaltung zur Verringerung der Spannung über einer Hauptfeldrotorwicklung einer Synchronmaschine
Anmelder Sundstrand Corp., Rockford, Ill., US
Erfinder Hucker, David J., Rockford, Ill., US
Vertreter Beetz sen., R., Dipl.-Ing.; Beetz jun., R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Timpe, W., Dr.-Ing.; Siegfried, J., Dipl.-Ing.; Schmitt-Fumian, W., Privatdozent, Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 05.06.1978
DE-Aktenzeichen 2824617
Offenlegungstag 01.02.1979
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.07.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.07.1987
IPC-Hauptklasse H02P 1/50

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Verringerung der Spannung über einer Hauptfeldrotorwicklung einer Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wenn die Hauptstatorwicklung einer Synchronmaschine an eine Versorgungsspannung angelegt wird und somit als Motor betrieben wird, wird der Rotor bis zum Erreichen der Synchrondrehzahl beschleunigt. Die Beschleunigung des Rotors wird durch die Einwirkung der Wechsel- bzw. Drehstromspannung auf die Dämpfungsstäbe, die als Käfigankerwicklung während des Hochlaufs verwendet werden, bewirkt. Im Ruhezustand oder bei geringer Drehzahl werden hohe Spannungen über der Hauptfeldrotorwicklung erzeugt. Diese Spannungen sind unerwünscht und sie müssen während des Hochlaufens verringert werden um eine Beschädigung von elektronischen Bauelementen und der Wicklungen zu verhindern.

Es ist bekannt die Hauptfeldrotorwicklung während des Anlaufs kurzzuschließen. Bekannt ist auch die Einschaltung eines Widerstandes in die Kurzschlußleitung. Sehr häufig werden zum Kurzschließen der Hauptfeldrotorwicklung steuerbare Gleichrichter (SCR bzw. Thyristoren) und Z-Dioden verwendet. Auch Zentrifugalschalter wurden eingesetzt um die Hauptfeldrotorwicklung während des Hochlaufs kurzzuschließen. Diese sind aber wegen der mechanischen Kontaktgebung unzuverlässig.

Durch die Siemens-Zeitschrift 42 (1968), Heft 11, S. 930 bis 939, ist eine Synchronmaschine bekanntgeworden bei der eine Schaltung zum Kurzschließen der Hauptfeldrotorwicklung vorgesehen ist. Dies geschieht im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung mit Thyristoren die aktive Steuerungsschaltungen benötigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und sicher arbeitende Schaltung zur Verringerung der Spannung über einer Hauptfeldrotorwicklung einer Synchronmaschine während des Hochlaufs zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1als Blockschaltbild die Bauelemente, die auf dem Stator einer Synchronmaschine zu befestigen sind, und schematisch eine Schaltung, die auf einem Rotor drehbar befestigt ist;

Fig. 2 Spannungsverläufe bei der Schaltung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der auf dem Rotor befestigten Schaltung.

Gemäß Fig. 1 werden Dreiphasenspannungen von einem (nicht dargestellten) Wechselstromgenerator der Hauptstatorwicklung 10 in üblicher Weise zugeführt, wenn Kontakte 12 geschlossen sind. Die Spannung von der Wechselstromquelle wird gleichgerichtet und geregelt mittels einer Gleichrichter/Regler-Schaltung 14. Wenn der Rotor eine Drehzahl bei oder nahe der Synchrondrehzahl erreicht, wird ein Schalter 15 geschlossen und es wird Strom von der Gleichrichter/Regler-Schaltung 14 einer Erregerwicklung 16 in bekannter Weise zugeführt. Die der Hauptstatorwicklung 10 zugeführte Wechselspannung bewirkt, daß der Rotor der Synchronmaschine sich während des Anlaufs dreht aufgrund der bekannten Induktionsprinzipien, bei Dämpfungsstäben als Käfiganker verwendet werden. Wenn ein Strom der Erregerwicklung 16 zugeführt wird, wird eine Spannung in der Erregerankerwicklung 18 erzeugt. Die Spannung von der Erregerankerwicklung 18, die aus Einzelwicklungen 18-1, 18-2 und 18-3 besteht, wird durch Dioden 20, 22, 24 gleichgerichtet, und der sich ergebende Gleichstrom wird der Hauptfeldrotorwicklung 26 zugeführt, um die Synchronisation des Rotors mit der Spannung in der Hauptstatorwicklung 10 zu erzielen.

Die Hauptfeldrotorwicklung 26 wird nahe oder auf der Synchrondrehzahl verwendet und muß während des Starts oder Anlaufens kurzgeschlossen werden, um eine Beschädigung der elektronischen Bauelemente wie beispielsweise der Dioden 20, 22, 24 zu verhindern. Wenn sie nicht während des Starts kurzgeschlossen wird, treten hohe induzierte Ströme auf als Ergebnis der in der Hauptfeldrotorwicklung 26 durch die Hauptstatorwicklung 10 induzierte Spannung. Der Kurzschluß wird von der Hauptfeldrotorwicklung bei oder nahe der Synchrondrehzahl entfernt. Wenn sich der Rotor dreht, ändern Leitungen 28 und 30 von der Hauptfeldrotorwicklung 26 abwechselnd ihre Polarität von Plus nach Minus als Ergebnis der durch die Hauptstatorwicklung 10 induzierten Spannung. Wenn die Leitung 28 positiv ist, fließt Strom über einen Widerstand 32 und bewirkt eine positive Spannung an der Basis eines Transistors 34 gegenüber der Leitung 30, wodurch der Transistor 34 durchgeschaltet wird und ein Transistor 36 ebenfalls durchgeschaltet wird, um so die Hauptfeldwicklung 26 kurzzuschließen. Der Transistor 34 ist ein aktives Halbleiter-Bauelement mit einer Basis 34-b, einem Emitter 34-e und einem Kollektor 34-c, wobei im übrigen Basis, Emitter und Kollektor auch bei den anderen in der Zeichnung dargestellten Transistoren in ähnlicher Weise bezeichnet sind.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei der Erfindung unter dem Begriff Transistor keine gesteuerten Gleichrichter (SCR) oder andere Bauelemente der Thyristor-Halbleiter-Familie zu verstehen sind.

Wenn die von der Hauptstatorwicklung 10 induzierte Spannung die Polarität der Spannung in der Hauptfeldwicklung 26 ändert, d. h. wenn die Leitung 28 negativ und die Leitung 30 positiv sind, wird die Spannung über die Hauptfeldwicklung 26 durch die Dioden 20, 22 und 24 begrenzt. Insbesondere fließt Strom von der Leitung 30 durch die Erregerankerwicklung 18, durch die jeweiligen Dioden 20, 22, 24 und kehrt zur Leitung 28 der Hauptfeldwicklung 26 zurück. Die Transistoren 34 und 36 sind gesperrt, da deren Basis-Emitter- Strecke in Sperrichtung vorgespannt sind, währed die Polarität über die Hauptfeldrotorwicklung 26 entgegengesetzt zu der in Fig. 1 dargestellten ist.

Die durch die Erregerankerwicklung 18 erzeugte Spannung wird durch Dioden 38, 40, 42 gleichgerichtet, die eine negative Spannung gegenüber der Leitung 30 an ihren Anodenanschlüssen erzeugen. Die Spannung über einen Widerstand 44 ist ausreichend hoch um die Transistoren 34, 36 zu sperren. Die Werte der Widerstände 32 und 34 sind so gewählt, daß die Spannung an der Basis des Transistors 34 negativ ist, wenn die Spannung von der Erregerankerwicklung 18 erzeugt wird. Solange eine Spannung von der Erregerankerwicklung 18 erzeugt wird, bleiben die Transistoren 34, 36 gesperrt, wodurch der Kurzschluß von der Hauptfeldrotorwicklung 26 entfernt ist.

Auf diese Weise wird unter Betrachtung des Betriebs der Schaltungsanordnung vom Startzeitpunkt bis zur Synchrongeschwindigkeit ein Kurzschluß über der Hauptfeldrotorwicklung 26 bewirkt wenn die durch die Hauptstatorwicklung 10 induzierten Spannung bei der Leitung 28 positiv ist. Der Stromfluß durch die Hauptfeldrotorwicklung 26 ist durch Dioden 20, 22 und 24 begrenzt, wenn die Spannung über die Hauptfeldrotorwicklung 26 umgekehrte Polarität besitzt. Wenn der Rotor eine Drehzahl bei oder nahe der Synchrondrehzahl erreicht, wird der Schalter 15 geschlossen und bewirkt, daß eine Spannung von der Erregerankerwicklung 18 erzeugt wird, so daß die Transistoren 34, 36 in Sperrichtung vorgespannt werden.

In Fig. 2 zeigen Spannungsverläufe den Betrieb der Schaltungsanordnung, wenn eine Spannung von der Erregerankerwicklung 18 erzeugt ist. Insbesondere sind die Erregerausgangsspannungen dargestellt, die halbwellengleichgerichtet sind, um die Spannung mit den Widerständen 32 und 44 zu teilen.

Die Spannung über den Widerständen 32 und 44 ist die Differenz zwischen der positiven halbwellengleichgerichteten Spannung und der negativen halbwellengleichgerichteten Spannung, wie dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine andere den Rotor kurzschließende Schalteinrichtung, deren Betrieb ähnlich der Schaltung gemäß Fig. 1 ist. Die Schaltung ist insbesondere zweckmäßig, wenn eine einzige Wicklung des Erregerankers, wie die von den Wicklungen 18-2 und 18-3 getrennte einzige Wicklung 18-1, verwendet wird, um eine negative Vorspannungsversorgung zu erreichen. Während des Starts induziert die Hauptstatorwicklung 10 eine Spannung in der Hauptfeldrotorwicklung 26 in einer der bereits erläuterten Weise ähnlichen Weise. Die Polarität der in der Hauptfeldwicklung 26 induzierten Spannung alterniert zwischen Plus und Minus auf den Leitungen 28 und 30.

Wenn die Spannung auf der Leitung 28 positiv ist gegenüber der Spannung auf der Leitung 30, fließt Strom durch Widerstände 46 und 48 über eine Gruppe von Dioden 50, 52, 54 und über eine Gruppe von Dioden 56, 58, 60 und kehrt zur Leitung 30 der Hauptfeldrotorwicklung 26 zurück. Die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors 62 ist in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch der Transistor 62 leitend gehalten ist, um die Hauptfeldwicklung 26 kurzzuschließen.

Wenn die in der Hauptfeldwicklung 26 induzierte Spannung ihre Polarität umkehrt, wenn die Leitung 30 positiver ist als die Leitung 28, fließt Strom durch eine Gruppe von Dioden 64, 66, 68 und über eine Gruppe von Dioden 70, 72, 74 und kehrt zur Leitung 28 der Hauptfeldrotorwicklung 26 zurück. Dies begrenzt die über der Hauptfeldrotorwicklung 26 abfallende Spannung, wenn die Leitung 30 positiver ist als das Potential auf der Leitung 28.

Die an der einzelnen Wicklung 18-1 der Erregerankerwicklung abfallende Spannung wird durch Dioden 54 und 74 gleichgerichtet, wodurch ein Spannungsabfall über Widerstände 46 und 48 auftritt. Die Spannung über den Widerstand 48 überwindet die Vorspannung in Durchlaßrichtung des Transistors 62, die durch den Widerstand 46 erzeugt ist, und schaltet den Transistor 62 ab bzw. sperrt ihn.

Wenn auch die einzige Wicklung 18-1 in der Schaltung gemäß Fig. 3 angeschlossen ist, so kann selbstverständlich jede andere einzelne Windung wie die Windung 18-2 oder 18-3 der Erregerankerwicklung 18 in ähnlicher Weise angeschlossen sein, wie das in Fig. 3 durch Strichlinien dargestellt ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltung zur Verringerung der Spannung über einer Hauptfeldrotorwicklung (26) einer Synchronmaschine während des Hochlaufs bis zum Erreichen der annähernden Synchrondrehzahl, wobei die Synchronmaschine besteht aus:

    1. - einer Hauptstatorwicklung (10), die an einer Versorgungsspannung liegt,
    2. - einer Erregerwicklung (16),
    3. - einem Schalter (15) zwischen der Hauptstatorwicklung (10) und der Erregerwicklung (16) der während des Hochlaufs geöffnet ist und der bei Annäherung an die Synchrondrehzahl geschlossen wird,
    4. - einer Erregerankerwicklung (18) die induktiv mit der Erregerwicklung (16) gekoppelt ist und die eine Ankerspannung bei geschlossenem Schalter (15) erzeugt, und
    5. - einer Diode (20, 22, 24; 70, 72, 74) die mit der Erregerankerwicklung (18) und der Hauptfeldrotorwicklung (26) in Serie geschaltet ist, wobei die Hauptfeldrotorwicklung (26) mit der Hauptstatorwicklung (10) induktiv gekoppelt ist,


  2. dadurch gekennzeichnet,

    daß ein Transistor (36; 62) der Hauptfeldrotorwicklung (26) parallel geschaltet ist und

    daß eine passive Vorspannungsschaltung (32, 44; 46, 48) mit dem Transistor (36; 62) verbunden ist,

    wobei der Transistor (36; 62) zur Verringerung der über der Hauptfeldrotorwicklung (26) liegenden Spannung, die durch die an der Versorgungsspannung liegenden Hauptstatorwicklung (10) bei geöffnetem Schalter (15) induziert wird und die eine erste Polarität aufweist, durchgeschaltet wird und

    wobei die Diode (20, 22, 24; 70, 72, 74) die durch die an der Versorgungsspannung liegende Hauptstatorwicklung (10) über der Hauptfeldrotorwicklung (26) induzierte Spannung, die eine zweite Polarität aufweist, begrenzt.
  3. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die passive Vorspannungsschaltung aus einem von zwei Widerständen (32, 44; 46, 48) gebildeten Spannungsteiler besteht und wobei der Transistor (62) mit der Basis am Verbindungspunkt der Widerstände (32, 44; 46, 48) angeschlossen ist.
  4. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Transistor (34) an der Verbindungsstelle der Widerstände (32, 42) mit seiner Basis angeschlossen ist, der seinerseits den Transistor (36) ansteuert.
  5. 4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die passive Vorspannungsschaltung (32, 44; 46, 48) der Transistor (36; 62) gesperrt ist wenn der Schalter (15) geschlossen ist.






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