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Schaltungsanordnung zur kombinierten Erregerregelung von
Synchronmaschinen
Die Erfindung betrifft die Schaltungsanordnung einer kombinierten Erregerregelung zur Stabilitätser- höhung von Synchronmaschinen.
Die Benutzung des Polradwinkels e als Stellgrösse zum Stabilisieren von Sychronmaschinen setzt beim Regelvorgang die Drehzahländerung der umlaufenden Maschinenmassen (Polrad bzw. Turbinen- läufer) voraus. Erst mit Hilfe der Drehzahländerung lässt sich über elektromechanische Messglieder ein dieser Änderung verhältnisgleicher Messwert erzeugen.
Jeder Drehzahländerung geht jedoch eine Änderung der elektrischen Grössen in einer Synchronma- schine (Laständerung oder Störung) voraus. Es muss daher zwangsläufig vorerst eine Drehzahländerung in Kauf genommen werden, die aber in bezug auf die Stabilität unerwünscht ist, da erstere ja dem Sinn und Zweck einer sicheren Arbeitsweise zuwiderläuft. Als Folge treten dann unliebsame Pendelungen und das Aussertrittfallen der Maschine ein. Es muss also so schnell wie möglich nach Eintritt der Massenbeschleunigung bzw. -verzögerung die ursprüngliche konstante Drehzahl wieder eingeregelt werden.
Bei Benutzung des Hauptfeldspannungswinkels Ar als Messgrösse zur Bildung einer Stellgrösse zum Stabilisieren wird diese Messgrösse aus den Änderungen der elektrischen Grössen in der Synchronmaschine gewonnen, ohne dass dabei eine Drehzahländerung notwendig ist.
Die Regelung kann hier so arbeiten, dass es erst gar nicht zu Beschleunigungen oder Verzögerungen der umlaufenden Schwungmassen bei Laständerung oder Störung kommt. Die Sicherheit des stabilen Betriebes der Synchronmaschine im Verbundnetz ist somit gewährleistet.
Der sichere Verbundbetrieb von Synchronmaschinen für alle Betriebsverhältnisse und die 100 ige Ausnutzung der Maschinenleistung bis zur thermischen Belastungsgrenze erfordert insbesondere bei starker Blindlast eine Erweiterung des Arbeitsbereiches und deshalb eine künstliche Stabilisierung, um fortwährende Polradpendelungen und schliesslich das Aussertrittfallen der Maschinen zu verhindern.
Die künstliche Stabilisierung muss dann wirksam werden, wenn die Synchronmaschine wegen kapazitiver Netzlast unerregt oder negativ erregt ist oder wenn die Synchronmaschine auf eine Leitung geschaltet ist, die zur Selbsterregung durch Parallelresonanz von Maschineninduktanz und Leitungskapazitanz führt oder wenn stossartige Laständerungen auftreten.
Gemäss der Erfindung wird die Stabilisierung einer Synchronmaschine durch kombinierte Erregerregelung dadurch erreicht, dass der zwischen der Maschinenspannung und der resultierenden Hauptfeldspannung eingeschlossene Hauptfeldspannungswinkel mittels eines Hallgenerators oder mittels mehrerer am Maschinenständereisen im Bereiche eines Polbogens angeordneter Hallgeneratoren gemessen wird, indem die gewonnene Hallspannung wahlweise mit der Generatork1emmenspannung oder der Netzspannung verglichen wird, und das Ergebnis der Messung zur Bildung einer Stellgrösse dient, die zur zusätzlichen Erregerregelung der Synchronmaschine herangezogen ist.
An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. In der Zeichnung ist ein
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einfachtes dynamisches Spannungszeigerdiagramm eines Vollpolgenerators zu Beginn des Laststosses und Fig. 3 eine Prinzipschaltung der kombiniertenErregerregelung einer Synchronmaschine nach der Erfindung.
Fig. 4 und 5 Spannungszeigerdiagramme.
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Die Stabilisierung der Synchronmaschine wird durch eine Zusatzerregerregelung zur Spannungsschnellregelung erreicht. Dies erfolgt bekannterweise durch eine dem Polradwinkel # und einer seiner zeitlichen Ableitungen proportionalen Grösse U bzw. U,}-', U ', die als Messgrösse in eine Stellgrösse umgeformt, dem Erregerkreis zugeschaltet wird.
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ren Klemmen-Spannungszeiger.
Wenn bisher der Polradwinkel als Regelgrösse herangezogen worden ist, so setzt die Messung und auch die Änderung des Winkels das Vorhandensein von umlaufenden Maschinenmassen (Drehmassen) voraus.
Ausserdem sind mit der Massenträgheit des Polrades verbundene Hilfsmaschinen oder Hilfsgeräte erforderlich, um eine der fiktiven PolradspannungEp verhältnisgleiche Grösse zu erhalten, die zur Gewinnung einer dem Polradwinkel entsprechenden elektrischen Stellgrösse U11'notwendig ist, die dann der Erregerseite der Maschine zugeteilt wird.
Die Tatsache, dass bei Laständerungen zuerst eine Änderung der elektrischen Grössen in der Maschine eintritt, um als Folge eine Drehzahländerung der umlaufenden Maschinenmassen herbeizuführen, birgt erfindungsgemäss den Gedanken in sich, an Stelle des Polradwinkels z den Hauptfeldspannungswinkel#1, der von der Hauptfeldspannung Er und dem Spannungszeuger U eingeschlossen ist, zur Stabilisierung der Maschine heranzuziehen. Bei einer Laständerung, auch bei Kurzschluss als krassesten Fall einer Laständerung, ändert sich bekanntlich der Hauptfeldspannungswinkel augenblicklich um den Betrag ##r3 während sich der Polradwinkel wegen der Trägheit der umlaufenden Maschinenschwungmassen zunächst nicht ändern kann.
In Fig. 2 ist ein vereinfachtes dynamisches Spannungsdiagramm eines stossbelasteten Synchrongenerators gezeigt. bei dem sich die Hauptfeldspannung Er in die Lage des Zeigers Er" verändert und einen Spannungszuwachs von A Er"erfahren hat. Gleichzeitig hat sich die Polradspannung Ep zu Ep" vergrössert, während der Polradwinkel) ?' für den dargestelltenBelastungsaugenblick noch unverändert ist.Im Diagramm sind die jeweiligen und zu den betreffenden Spannungen senkrecht stehenden magnetischen Flüsse
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die auf dem Ständerstrom Is senkrecht stehende Blindspannung allgemein j IX. V ist der Phasenwinkel zwi schen Maschinenklemmenspannung U 1 und Is.
Zur Gewinnung der hauptfeldspannungswinkelproportionalen Stellgrösse U#r und der hauptfeldspan nungswinkeländerungsproportionalen Stellgrösse UJr'sind bekannte und trägheitslos arbeitende Hallgeneratoren erfindungsgemäss in der Weise im Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Polrad am Ständereisen im Bereich eines Polbogens der Maschine angeordnet, dass die dem galvanomagnetischen Effekt entsprechende Hallspannung UH als sogenannte Luftfeldspannung gemessen und mit Hilfe der elektrischen Winkelmessanordnung mit dem Spannungszeiger U1 nach Betrag und Phase verglichen werden kann. Die Hallspannung ist der Hauptfeldinduktion# r proportional und um 900 gegenüber der Hauptfeldspannung E4 voreilend.
Handelsübliche Indium-Arsenid-Hallgeneratoren eignen sich wegen ihres innerhalb eines weiten Temperaturbereiches unabhängigen Charakters besonders gut hiefür.
Da zur Erregerregelung die dem Hauptfeldspannungswinkel proportionale Stellgrösse Utter bzw. U#r " und die Stellgrösse Uep'vom Spannungsschnellregler SR in einem bestimmten Stellgrössenverhältnis zueinander stehen und je nach Erregeranordnung entweder als Spannungsaddierung die Summenstellgrösse
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es wird bei Laständerungen die Grösse der vorübergehenden Änderung der Hauptfeldspannung, ihre Zeitdauer und der dazugehörige Pendelwinkel bestimmt. Erfindungsgemäss besteht theoretisch die Möglichkeit, dass bei Laständerungen der Einschwingvorgang der laufenden Maschinenmassen aperiodisch verläuft.
Es wird also schon vor Beginn der Massenbeschleunigung durch die plötzliche Änderung der Hauptfeldspannungswinkelstellgrösse eine dem neuen Lastzustand entsprechende Synchronreaktanzänderung bei gleichzeitiger Erregungsänderung der Maschine geschaffen. Der zweite Differentialquotient des Hauptfeldspannungswinkels #r"= dU#r/dt muss begrenzt sein, um der Gefahr der Übererregung zu begegnen, die somit zu erzwungenen Pendelungen führen würde.
In Fig. 3 ist das Beispiel einer Prinzipschaltung der kombinierten Regelung einer Synchronmaschine S mit einer aus den Gleichstrommaschineverstärkern hn und H bestehenden Erregerkaskade, mit Spannungsschnellregler SR und Hallgeneratoren HGm und HG ! für hauptfeldspannungswinkelproportionale und haupt- feldspannungswinkelgeschwindigkeitsproportionale Zusatzerregung aufgezeichnet. Die von den Hallgeneratoren HGm und HGI im Bereich eines Polbogens erzeugten Spannungen UHm und UHI gehen über den
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Verstärker V, dessen Ausgang- in diesem Falle die vektorielle Spannungssumme UHm U-die resultierende Hallspannung UH liefert, die eine Funktion des Hauptfeldflusses 4 > r ist.
Etwaige Oberwellen der Feldkurve können mittels eines Siebgliedes SG geglättet werden. Im Indikator Ir wird die Hallspannung
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wie in der Prinzipschaltung dargestellt, bei Erregerkaskaden die Erregerwicklung wh der Hilfserregermaschine hn oder auch die Erregerwicklung wH der Haupterregermaschine H sein. Weist die Erregerkaskade eine Zwischenbürstenmaschine (Amplidyn od. ähnl.) an Stelle der Hilfserregermaschine oder nur eine
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tungsaddition zugeführt.
Die Grösse des Sollwertes der Maschinenspannung V oder bei Synchronmotoren der Grad der Erregung am Induktor wp, wird mittels des Sollwerteinstellers SE bestimmt. Für den Verbundnetzbetrieb setzt sich die "Regelstrecke" aus der Synchronmaschine S mit ihren Reaktanzen Xs und dem verlustbehafteten Leitungsabschnitt L mit seinen Impedanzen R + jK bis zum Knotenpunkt des starren Netzes N mit seiner Spannung V zusammen. Mit Hilfe einer Messstelle UM kann wahlweise die Maschinenklemmenspannung V 1 oder die um den Drehungswinkel in der Phase verschobene Netzspannung U 2 zum Vergleich im Indikator Ij. j. herangezogen werden. Upp ist eine Dämpfungsgrösse.
Da der Hauptfeldspannungswinkel zum Polradwinkel in einem der Ähnlichkeit der Spannungsdreiecke entsprechenden gleichen Verhältnis steht, interessiert durch das Operieren mit dem Hauptfeldspannungswinkel der Polradwinkel regelungs- und messtechnisch nicht mehr.
Die Ähnlichkeit der Spannungsdreiecke wird an Hand der Fig. 4 und 5 erläutert. Die Spannungsanzeigerdiagramme nach Fig. 4 und 5 beziehen sich auf einen plötzlichen Belastungsstoss einer Schenkelpolmaschine. Zur deutlichen Kennzeichnung der Ähnlichkeit der Spannungsdreiecke ist in Fig. 4 und 5 die Pen-
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Betrag U'und vermindert sich weiter, entsprechend der wirksamen magnetischen Zeitkonstante der Maschine, auf den stationären Betrag U. In Fig. 4 ist aus Gründen einer erleichterten Anschauung die Ein-
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nungsdreiecken bei zwei unterschiedlichen Spannungsdreieckspaaren.
Nach Fig. 4 besteht die Ähnlichkeit der Dreiecke mit den Seiten :
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und nach Fig. 5 ist ausser den in Fig. 4 vorhandenen Dreiecken noch die Ähnlichkeit der Dreiecke mit den Seiten
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gegeben.
Es ist hiebei zu beachten, dass die Ähnlichkeit der Spannungsdreiecke nur während der zeitlichen Dauer desÜberganges derBe- oderEntlastung der Maschine von einem gegebenen Zustand in einen andem vorhanden ist, da während der Übergangsfunktion zeitlich nur immer ein Dreieck betrachtet werden kann.
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