Einrichtung zur stabilen Leistungsübertragung zischen einer Wechselstrommaschine und einem Netz konstanter Spannung. Die Erfindung geht aus von der bekann ten Tatsache, dass bei langen Wechselstrom leitungen, deren Länge von der Grössen ordnung einer Viertelwellenlänge ist, zwi schen Spannung und Strom Beziehungen be stehen, die deren Verteilung längs der Lei tung bestimmen. Beispielsweise hat eine Leitung von einer Viertelwellenlänge, deren Winkelkonstante demnach 0 = n/2 ist, die Eigenschaft, dass der Strom am Anfang der Leitung nur von der Spannung an ihrem Ende abhängt.
Die Theorie ergibt nämlich in diesem Falle in symbolischer Schreibweise die Beziehung j. <I>Z.</I> J2 <I>=</I> U,, wobei Z den Zellenwiderstand der Leitung darstellt. Nimmt man also z. B. die Spannung am An fang U, als konstant an, entsprechend dem Anschluss an ein praktisch starres Netz. so ist der Strom am Ende konstant unabhängig von der übertragenen Leistung. In diesem Sinne kann man die Leitung als einen Um former betrachten, der die Energie bei kon stanter Spannung in Energie bei konstan tem Strom transformiert.
Es ist bekannt, dass eine gewöhnliche Synchronmaschine, die sich am Ende einer solchen langen Leitung befindet, nicht ohne weiteres in der Lage ist, die natürliche Lei stung Ul2/Z stabil zu übertragen. Die Er findung geht aus von der Erkenntnis, dass auch ohne sogenannte Stützpunkte längs der Leitung die stabile Übertragung möglich ist, wenn man, ausgehend von der durch die jeweilige Leitungslänge wegen der konstan ten Spannung am Anfang der Leitung gege benen konstanten Netzgrösse, das Drehzahl verhalten der Maschine in. geeigneter Weise in Beziehung zu dieser konstanten Netzgrösse bringt.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Einrichtung zur stabilen Leistungsübertra- gung zwischen mindestens einer Wechsel strommaschine und einem Netz konstanter Spannung über eine lange Leitung, wobei er findungsgemäss unter Zulassung einer längs der Leitung ungleichen Spannung die Durch flutung des Feldes der Maschine so in Ab hängigkeit zum Belastungsstrom gebracht ist,
dass in Abhängigkeit von der durch die jeweilige Leitungslänge gegebenen Netz grösse die Maschine stabil läuft. Besonders günstige Ergebnisse erhält man sowohl für den Motor- als auch für den Generator betrieb, wenn die Durchflutung des Feldes so in Abhängigkeit zum Belastungsstrom gebracht ist, dass bei der durch die jeweilige Leitungslänge gegebenen konstanten Netz grösse das Drehmoment der Maschine von der Drehzahl wenigstens nahezu unabhängig ist.
Besonders einfach lässt sich diese Anwei sung bei einer Leitungslänge von einer Vier telwelle überblicken, wenn man der Maschine, beispielsweise einem Generator. Reihen schlusseharakter gibt. Bei dieser Maschine ist das Drehmoment als Produkt von Durch flutung und Hauptstrom konstant und un abhängig von der Drehzahl, weil dank der erwähnten Eigenschaft der Leitung der Hauptstrom konstant ist.
Diese beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. ? dargestellt. Als Abszisse ist die Drehzahl ya, als Ordinate das Drehmoment<I>D</I> aufgetragen. Die Linie<I>a</I> stellt den Drehmomentsverlauf für eine an eine Leitungslänge von einer Viertelwelle angeschlossene Reihenschlussmaschine dar. Würde man diese Maschine unmittelbar an das Netz von konstanter Spannung legen, so hätte sie ein Drehzahlverhalten gemäss Kurve b. Die Kurve c stellt demgegenüber den Drehmomentsverlauf einer üblichen Arbeits maschine dar.
Aus dem Zusammenwirken der beiden Kurven a und c ergibt sich der stabile Betriebspunkt P. Nimmt, ausgehend vom Betriebspunkt P, die Drehzahl des Ma schinensatzes zu, so ergibt sich ein Eber- schuss an Bremsmoment, welcher die Gruppe auf die ursprüngliche Drehzahl zurückbringt. Nimmt anderseits die Drehzahl ab, so ist, da die Kurve a über c liegt, ein Lberschuss an Antriebsmoment vorhanden, der die Gruppe wieder auf die Betriebsdrehzahl zu rückbringt. Somit ist bei einer solchen Ein richtung die Stabilität des Betriebes ohne besondere Vorrichtung gewährleistet.
Bei Generatorbetrieb würde man der 11a schine ebenfalls Reihenschlusscharakter ver leihen. Ihr Drehnioinentsverlauf ergibt wieder die Kurve a, während der Drehmoments verlauf einer üblichen Antriebsmaschine durch d bestimmt ist. Man erkennt aus der Lage der beiden Kurven<I>a</I> und<I>d,</I> dass der Betriebspunkt P ebenfalls stabil ist.
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Die <SEP> obigen <SEP> Überlegungen <SEP> beziehen <SEP> sich
<tb> auf <SEP> eine <SEP> Leitungshin <SEP> ge <SEP> von <SEP> einer <SEP> Viertel welle. <SEP> Sie <SEP> lassen <SEP> sieh <SEP> aber <SEP> sinngemäss <SEP> auf
<tb> beliebige <SEP> Leitungslängen <SEP> erweitern. <SEP> Bei spielsweise <SEP> zeigt <SEP> bei <SEP> einer <SEP> Leitungslänge <SEP> von
<tb> einer <SEP> Halbwelle <SEP> entsprechend <SEP> einer <SEP> Winkel konstanten <SEP> eh <SEP> = <SEP> :
-r <SEP> eine <SEP> Maschine <SEP> mit <SEP> Ne benschlusscliai@ahter <SEP> die <SEP> gewünschte <SEP> Stabili tät, <SEP> denn <SEP> in <SEP> diesem <SEP> Falle <SEP> ist <SEP> die <SEP> Spannung
<tb> konstant. <SEP> Es <SEP> kann <SEP> sich <SEP> dabei <SEP> um <SEP> eine <SEP> syn chrone <SEP> oder <SEP> asynchrone <SEP> Maschine <SEP> handeln.
<tb> Bei <SEP> einer <SEP> Leitungslänge.
<SEP> welche <SEP> von <SEP> einer
<tb> Viertelwelle <SEP> oder <SEP> einer <SEP> Halbwelle <SEP> abweicht,
<tb> muss <SEP> die <SEP> Maschine <SEP> sinngemäss <SEP> Kompound charakter <SEP> aufweisen.
<tb> Man <SEP> kann <SEP> jedoch <SEP> gemäss <SEP> einer <SEP> weiteren
<tb> Ausgestaltung <SEP> der <SEP> Erfindung <SEP> bei <SEP> Maschinen,
<tb> deren <SEP> Drelizahlverlialten <SEP> von <SEP> den <SEP> oben genannten <SEP> Werten <SEP> abweicht, <SEP> zwecks <SEP> Anpas sung <SEP> derselben <SEP> an <SEP> eine <SEP> Leitung <SEP> gegebener
<tb> Länge, <SEP> Kompensationsmittel <SEP> zwischen <SEP> l1a #zchine <SEP> und <SEP> Leitung <SEP> einschalten.
<SEP> Man <SEP> kann
<tb> dann <SEP> diese <SEP> Kompensationsmittel <SEP> auffassen
<tb> als <SEP> einen <SEP> festen <SEP> Bestandteil <SEP> der <SEP> Maschine,
<tb> welcher <SEP> dem <SEP> ganzen <SEP> Aggregat <SEP> das <SEP> ge wünschte <SEP> Betriebsverhalten <SEP> gibt. <SEP> Eine <SEP> Ma schine <SEP> mit <SEP> Nebenschlusscharakter <SEP> kann <SEP> stets
<tb> verwendet <SEP> -erden, <SEP> wenn <SEP> als <SEP> Kompensations mittel <SEP> in <SEP> Reihe <SEP> mit <SEP> der <SEP> Maschine <SEP> eine <SEP> In duktivität <SEP> L <SEP> und <SEP> parallel <SEP> zu <SEP> den <SEP> maschinen seitigen <SEP> Klemmen <SEP> eine <SEP> Kapazität <SEP> geschaltet
<tb> wird. <SEP> Diese <SEP> Kompensationsmittel <SEP> sind <SEP> nach
<tb> folgender <SEP> Beziehung <SEP> zu <SEP> bemessen:
<tb> <I>coL <SEP> cos <SEP> (I) <SEP> - <SEP> (1 <SEP> -</I> <SEP> (,)<I>=LC)Z</I> <SEP> sin <SEP> <I>(I) <SEP> = <SEP> 0.</I>
<tb> Die <SEP> Begründung <SEP> für <SEP> die <SEP> Koinpensations Bemessungsgleichung <SEP> ergibt <SEP> sich <SEP> aus <SEP> fol gendem: Gegeben sind: die Spannung U2, Wellen widerstand Z, Leitungslänge s in km und Winkel
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Für die Schaltung nach Fig. 1 gilt fol gendes U.=cos0.U,-jZsin0.Jl
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Für die Spannung E zwischen .den Klemmen 5-6 in Fig. 1 gilt, wenn man die Span nungsgleichung des Kreises ä--4-6-5 an schreibt:
<I>E = -</I> 3cuL (J2 <I>-</I> 3wC U,) -f- UZ E _ - jcoL J2 + U2 <I>(1 -</I> coZLC) Für J, und Uz die Werte der Leitungs gleichungen eingesetzt, ergibt:
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Für die Kompensation wird nun verlangt, dass der Winkel zwischen den Vektoren E und U, zu Null wird.
Die Bedingung, dass der Klammerausdruck von J, zu Null wird, lautet somit coL cos 0 + Z (1 - co2LC) sin 0 = 0. Das ist die vorstehend angegebene Beziehung. Für 0 = n/2 folgt aus der Beziehung die Gleichheit von Längs- und Querreaktanz. Das Kompensationsglied stellt in diesem Falle einen sogenannten "Boucherot-Kreis" dar, welcher den konstanten Strom am Lei tungsende in eine konstante Spannung bei den Maschinenklemmen verwandelt.
Aus der Konstanz der Netzspannung folgt zwangs läufig die Konstanz des Stromes am Lei tungsende und daraus wieder die Konstanz der Maschinenklemmenspannung. Der von der Zentrale an die Leitung abgegebene Strom ist also unabhängig von der Belastung konstant, wenn die Maschinenspannung kon stant gehalten wird. Das Kraftwerk besitzt somit einen ausgesprochenen UeihenschluB- charakter, wodurch der stabile Betrieb ge währleistet ist.
Durch die erfindungsgemässe Einrichtung erhält .man also zwischen der Maschine und dem entfernten Netz eine prak tisch starre Verbindung und eine Stabilität, die derjenigen entspricht, welche die Maschine bei direktem Anschluss an das Netz aufweisen würde. Eine solche Einrichtung für Motor betrieb ist in Fig. 1 dargestellt.
N ist - das Netz konstanter Spannung. Die Leitung a, b mit den Eingangsklemmen 1, 2 und den Aus gangsklemmen 3, 4 ist über die Kompensa tionsmittel L, C und die Klemmen 5, 6 mit dem Motor M verbunden.
Es ist für das Stabilitätsverhalten un wesentlich, wenn die Reaktanzwerte L, C von den durch die obige Formel gegebenen Werten etwas abweichen. Bei Grössendiffe renzen ergibt sich im allgemeinen eine ge wisse Abhängigkeit des Winkels zwischen der -Polradspannung und der Netzspannung von der Wirkleistung. Es können besondere Mittel, beispielsweise stromabhängige, die Maschinenerregung beeinflussende Regler, vorgesehen werden, welche die aus dieser Ab hängigkeit sich ergebende Verschlechterung der Stabilität rückgängig machen.
Bei konstanter Netzspannung steigt die Spannung U. von Null an bis zum Nennwert, wenn die übertragene Leistung von Null bis zum Werte der natürlichen Leistung an steigt. Dies gilt jedoch nur für einen Lei tungswinkel ( = a/2. Dieses vorteilhafte Verhalten, das auch bei Teillasten Stütz punkte längs der Leitung entbehrlich macht, tritt jedoch sinngemäss auch bei beiliebigen Leitungslängen in Erscheinung.
Bei Anwendung von Motoren mit schlech tem Leistungsfaktor ist es zweckmässig, Mit tel zur Kompensation des Leistungsfaktors vorzusehen. Nur dann kann die Leitung un eingeschränkt mit ihrer natürlichen Leistung betrieben werden.
Bei Entstehung und Abschaltung von Kurzschlüssen ergeben sich heftige Wirk laststösse und demzufolge Überspannungen an den Kompensationsmitteln. Die Grösse dieser Überspannungen ist abhängig vom Winkel zwischen Polrad- und Netzspannung. Man wird deshalb mit Vorteil zum Schutze der Kompensationsmittel gegen diese Über spannungen Funkenkörner, Ableiter, ge sättigte Drosselspulen oder andere Vorrich tungen anbringen.
Für die Reaktanz. der Kompensations mittel können auch vorhandene Anlageteile herangezogen werden. In diesem Sinne be deutet beispielsweise die Streuinduktivität eines Transformators einen Beitrag an L oder die Kapazität eines Kabels zwischen Ma schine und Leitung einen Beitrag an C. Bei grossen Leistungen wird man für die Dar stellung von L und C synchrone oder asyn chrone Reaktanzmaschinen verwenden. Diese können mit Vorteil untereinander oder auch mit der Hauptmaschine mechanisch gekup pelt werden, wodurch die Stabilität des Be-. triebes wesentlich verbessert wird.
Versuche haben gezeigt, dass nicht nur die statische, sondern auch die dynamische Stabilität durch Anwendung des erfindungs gemässen Massnahmen erheblich verbessert wird.