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Regeleinrichtung zur Stabilisierung von
Wirkleistungs-Synchronmaschinen
Phasenschieber und Synchronmaschinen werden bei Überschreiten der natürlichen Stabilitätsgrenzen in bekannter Weise dadurch stabilisiert, dass bei Vergrösserung des Lastwinkels der Maschine ihre Erregerspannung erhöht wird. Um dies zu erreichen, ist bei einer bekannten Ausführung die Erregermaschine eines Synchrongenerators mit einer zusätzlichen Feldwicklung versehen, deren Erregung in Abhängigkeit von der Auslenkung des Polrades im verstärkenden Sinne beeinflusst wird. Diese Art der Regelung wird als Winkelregelung bezeichnet.
Bei Synchrongeneratoren, die in üblicher Weise mit einem Spannungsregler versehen sind, ist die Änderung der Erregung auch schon durch Beeinflussung des Spannungsreglers durch einen Winkelregler vorgenommen worden, der bei Überschreiten der natürlichen Stabilitätsgrenze den Spannungsregler mit einer vom Polradwinkel abhängigen Grösse beaufschlagt. Diese Art der Stabilisierung von Synchrongeneratoren jenseits der natürlichen Stabilitätsgrenzen kann nur in solchen Fällen angewendet werden, in denen der Synchrongenerator auf ein "starres" Netz geschaltet ist. Ist das Netz "weich" oder ist der Generator über Transformatoren und Leitungen mit dem Netz verbunden, so ist beim Eingreifen der Stabilisierungseinrichtung die Spannungshaltung an den Generatorklemmen nicht mehr gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu schaffen, die die Spannungshaltung bei Wirkleistungs-Synchronmaschinen durch geeignete Bemessung und Verschaltung von Spannungund Winkelregler bei Überschreiten der natürlichen Stabilitätsgrenzen ermöglicht. Die Lösung besteht darin, dass der Spannungsregler ein Integralregler und der Winkelregler ein von einem integralen Verhalten freier Regler, vorzugsweise ein Regler mit vorwiegend proportionalem Verhalten, ist, und dass Spannungs-und Winkelregler über einen gemeinsamen Erregerverstärker mit dem Feldkreis der Erregermaschine verbunden sind.
Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Regeleinrichtung für eine Turbomaschine und Fig. 2 Kennlinien zur Erläuterung der in Fig. 1 dargestellten Regeleinrichtung nach der Erfindung.
Der Generator 1 mit seiner Erregermaschine 2 ist über eine Leitung und einen Transformator an das Netz 4 angeschlossen. Transformator und Leitung sind als Reaktanzglied 3 dargestellt. Zur Regelung der Spannung dient der Spannungsregler 5, der die Erregung beeinflusst. Auf die Erregung wirkt ferner der Winkelregler 6, der mit einem Schwellglied 9 versehen ist.
Gemäss der Erfindung ist der Spannungsregler 5 ein Integralregler und der Winkelregler 6 ein von einem integralen Verhalten freier Regler, vorzugsweise ein Regler mit vorwiegend proportionalem Verhalten. Spannungs- und Winkelregler sind ferner auf ein gemeinsames Summierglied 10 geschaltet, das über einen Erregerverstärker 7 mit dem Erregerkreis der Erregermaschine 2 verbunden ist. Die im Summierglied 10 überlagerten Signale des Spannungsreglers und des Winkelreglers werden gemeinsam vom Erregerverstärker 7 der Feldwicklung der Erregermaschine 2 verstärkt zugeführt. Hiebei kann die Erregermaschine auch durch einen steuerbaren Gleichrichter ersetzt werden, auf dessen Steuerteil der Erregerverstärker 7 zur Einwirkung gebracht wird. Die Wirkungsweise der soweit beschriebenen Regeleinrichtung wird an Hand der Fig. 2 näher erläutert.
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In der Fig. 2 sind eine Kurve a konstanter Wirkleistung und Kurven b,b,b konstanter Blindleistung inAbhängigkeitvomPolradwinkel-8 und der Erregerspannung UR eines Turbogenerators dargestellt. Bei fest eingestellter Turbinenleistung liegt der Betriebspunkt A des Generators auf der Kurve a konstanter
Wirkleistung. Die Grösse des Polradwinkels, hängt von der eingestellten Erregerspannung UE ab. Die Er- regerspannung wird vom Spannungsregler 5 so geführt, dass die Klemmenspannung des Generators kon- stant bleibt. Steigt die Klemmenspannung des Generators auf Grund irgendwelcher Veränderungen des
Netzzustandes, so verkleinert der Spannungsregler die Erregerspannung und der Schnittpunkt A bewegt sich entsprechend der nach unten bewegten Geraden s auf der Kurve a nach rechts.
Würde bei dieser Verlei- nerung der Erregerspannung der Polradwinkel von 900 überschritten, so ergäbe sich kein Schnittpunkt mehr zwischen der Geraden (S2) und der Kurve a und der Generator würde instabil. Um dies zu vermeiden, greift bei Überschreiten der natürlichen Stabilitätsgrenze der Winkelregler 6 in die weitere Regelung ein. Hiezu istdas Schwellwertglied 9 des Winkelreglers so bemessen, dass dann, wenn der Polradwinkel-1 die "natür- liche Stabilitätsgrenze" überschreitet, auch der Schwellwert überschritten wird.
Auf diese Weise wird an das Summierglied 10 ein Signal w2 abgegeben, das über den Erregerverstär- ker 7 eine mit wachsendem Polradwinkel steigende Erregung einstellt. Hiedurch ergibt sich wieder ein stabiler Schnittpunkt B mit der Kurve a konstanter Wirkleistung. Die Steilheit des Anstieges vom Winkelreglersignalverlauf gibt dessen Proportionalverstärkung wieder. Durch die Erhöhung der Erregung wird ein
Ansteigen der Klemmenspannung der Maschine bewirkt, so dass der Spannungsregler 5 sein Signal verlei- nert, wodurch sich wieder der Arbeitspunkt der Maschine weiter nach rechts verschiebt (Punkt C).
Die in Fig. 2 dargestellten Kurven b,b,b konstanter Blindleistung sind so bezeichnet, dass die Indizes mit der Grösse der untererregten Blindleistung übereinstimmen. Aus der Figur kann man ersehen, dass durch die Verschiebung des Arbeitspunktes nach rechts, die Synchronmaschine mehr untererregte Blindleistung liefert. Der untererregte Blindstrom ruft an dem Reaktanzglied 3 einen Spannungsabfall hervor, der die Klemmenspannung der Synchronmaschine 1 absenkt. Die Spannungshaltung an den Maschinenklemmenkannalso auch nach Eingreifen der Winkelregelung gewährleistet werden, da durch das integrale Verhalten des Spannungsreglers 5 dafür gesorgt ist, dass der Arbeitspunkt der Maschine genügend weit nach rechts rückt. Dadurch, dass der Spannungsregler 5 ein integraler Regler ist, stellt sein Signal das zeitliche Integral der Klemmenspannungsabweichung dar.
Das heisst, das Spannungsreglersignal wird so lange verkleinert, bis der Arbeitspunkt so weit nach rechts gerückt ist, dass keine Spannungsabweichung mehr besteht.
Würde auch der Winkelregelkreis ein integrierendes Glied aufweisen, so würde die durch den Spannungsregler erzielte Verschiebung des Arbeitspunktes wieder rückgängig gemacht. Hätte weder der Winkelregler noch der Spannungsregler integrierendes Verhalten, so würde der Arbeitspunkt der Synchronmaschine nicht genügend weit nach rechts rücken. In beiden Fällen wäre die Spannungshaltung nicht gewährleistet.
Der Spannungsregler kann ohne Einfluss auf die Spannungshaltung zusätzlich zu dem erfindungsgemässen Integrierglied noch Integrationen und Vorhalte (Regler mit Differentialquotientenaufschaltung) höherer Ordnung enthalten. Der Winkelregler darf ausser der proportionalen Verstärkung Vorhalte erster und höherer Ordnung enthalten, jedoch kein Integrierglied.
Mit der erfindungsgemässen Regeleinrichtung ist es möglich, die Spannungshaltung einer Synchronmaschine in einem weiten Bereich jenseits der natürlichen Stabilitätsgrenze zu gewährleisten. Dieser Bereich wird jedoch bei einem sehr grossen Polradwinkel durch die Überlastgrenze und die transienten Stabilitätsgrenzen der Synchronmaschine begrenzt. In vorteilhafter Weise hat der Spannungsregler ein Begrenzungsglied 8, das so bemessen ist, dass es das Signal des Spannungsreglers nach unten begrenzt. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Arbeitspunkt über die erwähnten Grenzen hinaus verschoben werden kann.
Da die Überlastgrenzen und die transienten Stabilitätsgrenzen bei kleiner Wirklast der Synchronmaschine weit und bei grosser Wirklast eng gezogen sind, ist es zweckmässig, den Eingang des gemeinsamen Summiergliedes 10 mit einem den Wirkstrom oder die Wirkleistung der Synchronmaschine erfassenden Messfühler 11 zu verbinden. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass durch Addition eines von der Wirkleistung oder dem Wirkstrom abgeleiteten Signals P im Summierglied 10 bei grosser Wirklast die grösste Rechtsverschiebung des Arbeitspunktes kleiner ist als bei geringer Wirklast.
Zur besseren Ausnutzung. des durch die Stabilisiereinrichtung erschlossenen Arbeitsbereiches jenseits der natürlichen Stabilitätsgrenze ist es zweckmässig, das dem Summationspunkt 10 zugeführte, vom Wirkstrom oder der Wirkleistung ab- hängige-Signal nach einer durch ein nichtlineares Glied realisierten Kurve so zu führen, dass sich diegrösste Rechtsverschiebung des Arbeitspunktes dem Verlauf der Kurven t, t anpasst..
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Die in Fig. 2 gezeigte natürliche Stabilitätsgrenze beim Polradwinkel, von 90 gilt für Turbomaschinen. Bei Schenkelpolmaschinen ist diese Grenze eine Funktion der von der Maschine abgegebenen Wirkleistung. Da die Winkelregelung in jedem Fall unmittelbar bei Überschreiten der natürlichen Stabilitätsgrenze ansprechen soll, ist es zweckmässig, den Einsatzpunkt der Regelung von der abgegebenen Wirkleistung abhängig zu machen. Das kann in vorteilhafter Weise dadurch geschehen, dass das dem Winkelregler 9 nachgeschaltete Schwellwertglied so bemessen ist, dass der Schwellwert in Abhängigkeit von der Wirkleistung der Synchronmaschine verstellbar ist, oder dadurch, dass dem Signal des Winkelreglers ein entsprechendes, von der Wirkleistung oder dem Wirkstrom abgeleitetes Signal addiert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regeleinrichung zur Stabilisierung von Wirkleistungs-Synchronmaschinen, deren Erregung bei Überschreiten der natürlichen Stabilitätsgrenzen von einem Winkelregler und einem Spannungsregler beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (5) ein Integralregler und der Winkelregler (6) ein von einem integralen Verhalten freier Regler, vorzugsweise ein Regler mit vorwiegend proportionalem Verhalten, ist, und dass Spannungs- und Winkelregler über einen gemeinsamen Erregerverstärker (7) mit dem Feldkreis der Erregermaschine (2) verbunden sind.