DE1060971B

DE1060971B - Control device to bring about a balanced operation and to keep constant the terminal voltage of synchronous machines in interconnected systems

Info

Publication number: DE1060971B
Application number: DES42980A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Helmut Bauer; Dipl-Math Georg Nees; Dr-Ing Hans Edelmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-03-09
Filing date: 1955-03-09
Publication date: 1959-07-09

Description

Regeleinrichtung zur Herbeiführung eines balancierten Betriebes und zur Konstanthaltung der Klemmenspannung von Synchronmaschinen in Verbundsystemen Der Übertrag elektrischer Leistung von Synchronmaschinen ist durch die Länge der Leitung und durch die Größe der Leistung auf Grund von Stabilitätsbedingungen eine Grenze gesetzt. Werden die hierdurch gegebenen Werte überschritten, so wirken die sonst synchronisierenden Momente nicht mehr synchronisierend auf das Verhalten der Synchronmaschine ein, so daß bei kleinen Auslenkungen des Polrades dieses nicht mehr in seine richtige Arbeitslage zurückgezogen wird. Die notwendige und zugleich hinreichende Bedingung für statische Stabilität von Synchronmaschinen im starren Netz lautet: Die abgegebene Wirkleistung der Synchronmaschine muß mit wachsendem Polradwinkel zunehmen.Control device to bring about a balanced operation and to keep the terminal voltage of synchronous machines constant in interconnected systems The transfer of electrical power from synchronous machines is determined by the length of the Management and by the size of the power due to stability conditions a Limit set. If the values given by this are exceeded, the otherwise synchronizing moments no longer synchronizing to the behavior of the Synchronous machine, so that with small deflections of the pole wheel this does not is withdrawn more into its proper working position. The necessary and at the same time Sufficient condition for static stability of synchronous machines in the rigid Network reads: The active power output of the synchronous machine must increase with Increase the rotor angle.

Im wesentlichen gilt diese Bedingung auch bei mehreren Synchronmaschinen im Netzverband. Für Vollpolmaschinen ist sie bei Polradwinkeln bis 90° el. von selbst erfüllt. Zur Erzielung eines stabilen Betriebes in einem Netzverband waren bisher zur Verbesserung der Stabilität Phasenschieberstützpunkte, Reihenkondensatoren, Drosseln oder Blindleistungsmaschinen vorgesehen. Gelingt es jedoch, den Geltungsbereich für die obengenannte Bedingung über einen Polradwinkel von 90° e1. hinausschieben, so lassen sich hierdurch die kostspieligen Stabilisationshilfsmittel einsparen. Bei Vorhandensein dieser Hilfsmittel kann man aber die Übertragungslänge der Leitung und die Übertragungsleistung wesentlich vergrößern. Neben der Forderung nach stabilem Betrieb besteht insbesondere in Netzverbänden noch die Forderung nach konstanter Spannung.Essentially, this condition also applies to several synchronous machines in the network. For full pole machines it is self-evident for pole wheel angles of up to 90 ° el Fulfills. To achieve stable operation in a network association were previously to improve stability phase shifter support points, series capacitors, Chokes or reactive power machines are provided. If it succeeds, however, the scope for the above-mentioned condition over a rotor angle of 90 ° e1. postpone in this way the costly stabilization aids can be saved. If these tools are available, however, one can determine the transmission length of the line and increase the transmission power significantly. In addition to the requirement for stable There is still a demand for constant operation, especially in network associations Tension.

Ferner sind Einrichtungen zum Stabilisieren des Betriebes von Synchronmaschinen vorgeschlagen worden, bei denen als Kriterium für die Änderung der Erregung die Größe des Winkels zwischen der Polradstellung und dem Netzspannungszeiger die Abweichung dieses Winkels vorn Sollwert und die Ableitungen dieser Abweichung nach der Zeit dienen. Die Erfassung dieses Winkels und der von ihm abhängigen Größen durch proportionale elektrische Größen erfordert einen hohen Aufwand an meßtechnischen Einrichtungen. Die genannten Stabilisierungseinrichtungen verwenden elektromagnetische Meßglieder, ihre zusätzliche Montage an bereits vorhandenen Maschinen ist umständlich oder sogar unmöglich.There are also devices for stabilizing the operation of synchronous machines has been proposed for which as a criterion for the change in excitation the The size of the angle between the pole wheel position and the mains voltage pointer is the deviation this angle from the nominal value and the derivatives of this deviation with respect to time to serve. The detection of this angle and the quantities dependent on it by proportional electrical quantities require a great deal of technical equipment. The stabilization devices mentioned use electromagnetic measuring elements, their additional assembly on already existing machines is cumbersome or even not possible.

Die neue Einrichtung ist von diesen Nachteilen frei. Sie vermeidet die aufwendigen elektromagnetischen Meßglieder und arbeitet praktisch trägheitslos. Da ihre Montage sich praktisch nur auf elektrische Schaltungsmaßnahmen erstreckt, ist sie auch bei bereits vorhandenen Maschinen ohne Schwierigkeiten möglich.The new facility is free from these disadvantages. She avoids the complex electromagnetic measuring elements and works practically without inertia. Since their assembly practically only extends to electrical circuit measures, it is also possible without difficulty with existing machines.

Die neue Regeleinrichtung hat den Vorteil, daß sich mit ihr ein balancierter Betrieb, d. h. also Betrieb mit einem Polradwinkel von größer 90° el., durchführen läßt und daß die Klemmenspannung konstant gehalten wird: Ihr Wesen besteht darin, daß sie eine erste Regeleinheit enthält, die trägheitslos die Abweichung einer der nachstehenden Größen von ihrem jeweiligen Sollwert durch proportionale Gleichspannung nachbildet, nämlich die Abweichung der Größen a) cp, b) cp+B und ihrer trigonometrischen Funktionen, c) des Blindstromes, d) der Blindleistung oder die Ableitungen der genannten Größen nach der Zeit, und außerdem eine zweite Regeleinheit, die innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereiches die Abweichung der Klemmenspannung von der Sollspannung durch eine proportionale Gleichspannung nachbildet, und daß die zwei Regeleinheiten elektrisch in Reihe geschaltet sind und über ein elektrisches Zeitverzögerungsglied mit einem Regelorgan für die Erregerspannung der Synchronmaschine in elektrischer Verbindung stehen; (p = Winkel zwischen Klemmenspannung und Strom der Synchronmaschine, ö = Winkel zwischen Polradspannung und Klemmenspannung.The new control device has the advantage that a balanced operation, ie operation with a pole wheel angle greater than 90 ° el., Can be carried out with it and that the terminal voltage is kept constant: its essence is that it contains a first control unit, which simulates the deviation of one of the following values from their respective nominal value without inertia by means of proportional direct voltage, namely the deviation of the values a) cp, b) cp + B and their trigonometric functions, c) the reactive current, d) the reactive power or the derivatives of the named Quantities according to time, and also a second control unit which, within a specified voltage range, simulates the deviation of the terminal voltage from the nominal voltage by means of a proportional DC voltage, and that the two control units are connected electrically in series and via an electrical time delay element with a control element for the excitation voltage the synchronous machine in electr be connected; (p = angle between terminal voltage and current of the synchronous machine, ö = angle between pole wheel voltage and terminal voltage.

Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen. Sie zeigt ein Schaltungsbeispiel der neuen Regeleinrichtung. Im Zuge der Hauptleiter 2, 3 und 4 der Synchronmaschine 1 ist ein Halleffekt-Meßwert-Umformer 5 angeordnet, der eine der Blindleistung proportionale Gleichspannung an seinen Ausgangsklemmen 5 a und 5 b abgibt. An die Ausgangsklemmen 5 a und 5 b sind in Kettenschaltung zwei elektrische Differenzierglieder 6 und 7 angeschlossen, die die der Blindleistung proportionale Gleichspannung nach der Zeit differenzieren und die gewonnenen Ableitungsgrößen ebenfalls durch proportionale Gleichspannungen wiedergeben, und zwar liegt an den Klemmen 6 a. und 6 b des Differenziergliedes 6 die Gleichspannung für die erste Ableitung nach der Zeit und an den Klemmen 7 a und 7 b die Gleichspannung für die zweite Ableitung nach der Zeit. An die Ausgangsklemmen 6a und 6b ist das Potentiometer 8, an die Ausgangsklemmen 7 a und 7 b das Potentiometer 9 angeschlossen. Der Abgriff des Potentiometers 8 ist mit der Klemme 7 a verbunden. Ein weiteres Potentiometer 10 ist einmal direkt mit der Ausgangsklemme 5 b des Halleffekt-Meßwertumformers 5 und zum anderen über eine noch zu beschreibende Spannungsregeleinrichtung und eine Gleichspannungsquelle 11 mit Potentiometer 12 an die Ausgangsklemme 5 a des Halleffekt-Meßwertumformers 5 angeschlossen. Somit liegt am Potentiometer 10 die Summe aus der Differenzspannung der Gleichspannungen am Ausgang des Halleffekt-Meßwertumformers 5 (Ist-Blindleistung) und der am Potentiometer 12 abgegriffenen Gleichspannung (Soll-Blindleistung) sowie einer durch die Spannungsregeleinrichtung positiv oder negativ eingeführten Gleichspannung. Die Summe der Gleichspannungen an den Potentiometern 8, 9 und 10 wird den Eingangsklemmen 13 c und 13 d eines einstellbaren Zeitverzögerungsgliedes 13 einerseits über eine Verbindungsleitung mit dem Abgriff des Potentiometers 9 und andererseits durch eine Verbindungsleitung mit der indirekt an dem Halleffekt-Meßwertumformer 5 angeschlossenen Klemme des Potentiometers 10 zugeführt.Reference is made to the drawing for a more detailed explanation. It shows a circuit example of the new control device. In the course of the main conductors 2, 3 and 4 of the synchronous machine 1, a Hall effect transducer 5 is arranged, which outputs a DC voltage proportional to the reactive power at its output terminals 5 a and 5 b. Two electrical differentiating elements 6 and 7 are connected in a chain circuit to the output terminals 5 a and 5 b, which differentiate the direct voltage proportional to the reactive power according to the time and also reproduce the derived values obtained by proportional direct voltages, namely at the terminals 6 a. and 6 b of the differentiating element 6 is the direct voltage for the first derivative according to time and at terminals 7 a and 7 b the direct voltage for the second derivative according to time. The potentiometer 8 is connected to the output terminals 6a and 6b and the potentiometer 9 is connected to the output terminals 7a and 7b. The tap of the potentiometer 8 is connected to the terminal 7 a. Another potentiometer 10 is connected directly to the output terminal 5 b of the Hall effect transducer 5 and on the other hand via a voltage regulating device to be described and a DC voltage source 11 with potentiometer 12 to the output terminal 5 a of the Hall effect transducer 5. Thus, the sum of the differential voltage of the direct voltages at the output of the Hall effect transducer 5 (actual reactive power) and the direct voltage tapped at the potentiometer 12 (target reactive power) as well as a direct voltage introduced positively or negatively by the voltage regulating device is present at the potentiometer 10. The sum of the DC voltages at the potentiometers 8, 9 and 10 is fed to the input terminals 13 c and 13 d of an adjustable time delay element 13 on the one hand via a connection line with the tap of the potentiometer 9 and on the other hand through a connection line with the terminal indirectly connected to the Hall effect transducer 5 of the potentiometer 10 supplied.

Das einstellbare Zeitverzögerungsglied 13 besteht aus einem Kondensator und einem einstellbaren ohmschen Widerstand in Reihenparallelschaltung. Seine Ausgangsklemme 13 a ist direkt und seine Ausgangsklemme 13 b indirekt über die Abgriffe eines Potentiometers 14 mit dem Regelorgan eines Quecksilberdampfgleichrichters 16 verbunden.The adjustable time delay element 13 consists of a capacitor and an adjustable ohmic resistor in series-parallel connection. Its output terminal 13 a is direct and its output terminal 13 b is indirect via the taps of a potentiometer 14 connected to the control element of a mercury vapor rectifier 16.

Das Potentiometer 14 ist an eine Gleichspannungsquelle 15 angeschlossen, die auf das Regelorgan des Quecksilberdampfgleichrichters 16 mit einer vorgegebenen Grundgleichspannung entsprechend einer Grunderregung einwirkt.The potentiometer 14 is connected to a DC voltage source 15, on the control element of the mercury vapor rectifier 16 with a predetermined Basic DC voltage acts according to a basic excitation.

Die Spannungsregeleinrichtung besteht aus drei Gleichrichteranordnungen 17, die mit ihren Eingängen in Dreieckschaltung an die Hauptleiter 2, 3 und 4 angeschlossen sind. Die Ausgangsklemmen der drei Gleichrichteranordnungen sind in Reihe geschaltet. Hierdurch wird erreicht,' daß auch bei unsymmetrischer Belastung der Synchronmaschine 1 durch eine Gleichspannung eine mittlere Klemmenspannung erfaßt wird. Diese an den beiden Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung 17 liegende Gleichspannung wird mit entgegengesetzter Polarität der Gleichspannung an einem Potentiometer 18 zugeführt. Im Zuge der Verbindungsleiter zwischen dem Potentiometer 18 und den Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung 17 befindet sich ein weiteres Potentiometer 20. Das Potentiometer 18 ist an eine Gleichspannungsquelle 19 angeschlossen und wird so eingestellt, daß der an den Angriffen liegende Spannungswert der Sollwertklemmenspannung entspricht. An die Abgriffe des Potentiometers 20 ist der Eingang eines Amplitudenbegrenzers 21 angeschlossen, dessen Ausgangsklemmen über das Potentiometer 22 mit den Eingangsklemmen eines Zeitverzögerungsgliedes 23 verbunden sind. Die Ausgangsklemmen 23 a und 23 b sind, wie schon vorher beschrieben, mit der übrigen Einrichtung elektrisch verbunden.The voltage regulating device consists of three rectifier arrangements 17, the inputs of which are connected in a delta connection to the main conductors 2, 3 and 4 are. The output terminals of the three rectifier arrangements are connected in series. This achieves' that even with asymmetrical loading of the synchronous machine 1 a mean terminal voltage is detected by a DC voltage. This on the two output terminals of the rectifier arrangement 17 lying DC voltage is applied to a potentiometer 18 with the opposite polarity of the DC voltage fed. In the course of the connecting conductor between the potentiometer 18 and the output terminals the rectifier arrangement 17 is a further potentiometer 20. The potentiometer 18 is connected to a DC voltage source 19 and is set so that the voltage value at the attacks corresponds to the setpoint terminal voltage. The input of an amplitude limiter is connected to the taps of the potentiometer 20 21 connected, its output terminals via the potentiometer 22 with the input terminals a time delay element 23 are connected. The output terminals 23 a and 23 b are, as already described, electrically connected to the rest of the device.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist dabei folgende: Der Halleffekt-Meßwertumformer 5 wandelt die Blindleistung in eine proportionale Gleichspannung um. Aus dieser Gleichspannung werden mit Hilfe der Differenzierglieder 6 und 7 die erste und zweite Ableitung der Blindleistung nach der Zeit gewonnen. An den Potentiometern 8, 9 und 10 können den genannten Größen proportionale Gleichspannungen abgenommen werden. Die Summe dieser Spannungen wirkt auf das Zeitverzögerungsglied 13. Die am Ausgang dieses Zeitverzögerungsgliedes 13 liegende Gleichspannung beeinflußt zusammen mit der Sollwertspannung am Potentiometer 14 das Regelorgan des gittergesteuerten Gleichrichters 16, der die Erregung der Synchronmaschine steuert. Da mit wachsendem Polradwinkel die Blindleistung abnimmt, so muß eine Einrichtung, welche mit fallender Blindleistung die Erregung erhöht, bei geeigneter Einstellung am Potentiometer 10 eine mit wachsendem Polradwinkel steigende Wirkleistungscharakteristik ergeben. Die statische Erfüllung der notwendigen Bedingung (Steigen der Wirkleistung bei wachsendem Polradwinkel) genügt aber noch nicht für einen stabilen Betrieb. Vielmehr müssen kleine Störungen gedämpft abklingen. Eine genaue Durchrechnung zeigt, daß dies durch geeignete Einstellung der Potentiometer 8 und 10 und für noch höhere Ansprüche auch des Potentiometers 9 und der Zeitkonstante im Zeitverzögerungsglied 13 immer erreicht werden kann. Schwierigkeiten entstehen dann nur bei einem Polradwinkel in der Nähe von 180° el., wo von der Synchronmaschine her kein Mittel mehr geeignet ist, Stabilität zu erreichen.The mode of operation of the arrangement is as follows: The Hall effect transducer 5 converts the reactive power into a proportional DC voltage. From this With the help of the differentiators 6 and 7, the first and second DC voltages are generated Derivation of reactive power over time gained. On potentiometers 8, 9 and 10 DC voltages proportional to the sizes mentioned can be drawn off. The sum of these voltages acts on the time delay element 13. The one at the output this time delay element 13 affects the DC voltage lying along with the setpoint voltage at the potentiometer 14 is the regulating element of the grid-controlled rectifier 16, which controls the excitation of the synchronous machine. As with increasing pole wheel angle the reactive power decreases, so a device which with falling reactive power the excitation increases, with a suitable setting on the potentiometer 10 one with increasing The rotor angle results in increasing active power characteristics. The static fulfillment the necessary condition (increase in active power with increasing rotor angle) but not enough for stable operation. Rather, there must be minor glitches fade away muffled. A precise calculation shows that this can be achieved with a suitable setting the potentiometer 8 and 10 and for even higher demands also the potentiometer 9 and the time constant in the time delay element 13 can always be achieved. Difficulties then only arise with a pole wheel angle close to 180 ° el., where the synchronous machine is no longer suitable for achieving stability.

Die Regelung der Klemmenspannung auf einen konstanten Betrag muß langsam wirkend eingeführt werden, und zwar so, daß der Balancierbetrieb nicht gestört wird. Zu diesem Zweck wird die dem Mittelwert der Klemmenspannung proportionale Gleichspannung mit der Sollwertspannung am Potentiometer 18 der Gleichspannungsquelle 19 verglichen und einem Amplitudenbegrenzer 21 zugeführt. Dieser Amplitudenbegrenzer bewirkt, daß die Spannungsregeleinrichtung bei stark anomalen Bedingungen, z. B. bei großer kapazitiver Last, nicht wirksam wird, da sie sonst der Balanciereinrichtung entgegenwirkt und ein Außertrittfallen der Synchronmaschine hervorruft. Die Potentiometer 22 und 20, die dem Amplitudenbegrenzer vor- und nachgeschaltet sind, dienen zur Einstellung des wirksamen Schwellwertes des Amplitudenbegrenzers.The regulation of the terminal voltage to a constant amount must be slow effectively introduced, in such a way that the balancing operation is not disturbed. For this purpose, the DC voltage proportional to the mean value of the terminal voltage is used compared with the setpoint voltage at the potentiometer 18 of the DC voltage source 19 and fed to an amplitude limiter 21. This amplitude limiter causes that the voltage control device in highly anomalous conditions, e.g. B. at large capacitive load, is not effective, as it otherwise counteracts the balancing device and causes the synchronous machine to fall out of step. The potentiometers 22 and 20, which are connected upstream and downstream of the amplitude limiter, are used for setting the effective threshold value of the amplitude limiter.

Die Steuergröße für die Konstanthaltung der Klemmenspannung wird über das einstellbare Zeitverzögerungsglied 13 langsam in den Regelkreis eingeführt. Dadurch wird sichergestellt, daß die Steuergröße für den Balancierbetrieb in ihrer Wirkung auf das Regelorgan des steuerbaren Gleichrichtergefäßes einen zeitlichen Vorrang vor der Steuergröße der Regeleinheit zur Konstanthaltung der Klemmenspannung erhält. Das Zeitverzögerungsglied 13 ist notwendig zur Stabilisierung des gesamten Regelkreises.The control variable for keeping the terminal voltage constant is via the adjustable time delay element 13 is slowly introduced into the control loop. This ensures that the control variable for the balancing operation in their Effect on the regulating element of the controllable rectifier vessel has a temporal effect Priority over the control variable of the control unit to keep the terminal voltage constant receives. The time delay element 13 is necessary to stabilize the whole Control loop.

Eventuell notwendige Verstärker für die Steuerleistung sind im Schaltbild nicht eingezeichnet, da sie für die Darstellung des Erfindungsgedankens nicht notwendig sind.Any necessary amplifiers for the control power are shown in the circuit diagram not shown, as it is not necessary to illustrate the concept of the invention are.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Control device that is used to bring about a balanced operation of synchronous machines in interconnected systems, for which it keeps one of the variables (p, 9p + ö the trigonometric functions of these variables, the reactive current or the reactive power in the event of temporary load changes, constant, and also for The terminal voltage of synchronous machines is kept constant, characterized in that it contains a first control unit which, without inertia, simulates the deviation of one of the following variables from its respective setpoint value using proportional DC voltages, namely the deviation of the variables a) b) gp + ö and their trigonometric functions , c) the reactive current, d) the reactive power or the derivatives of the named variables according to time, and also a second control unit, which simulates the deviation of the terminal voltage from the target voltage by a proportional DC voltage within a predetermined voltage range, and that the two Control units are electrically connected in series and are in electrical connection via an electrical time delay element with a control element for the excitation voltage of the synchronous machine; 9p = angle between terminal voltage and apparent current of the synchronous machine, 6 = angle between pole wheel voltage and terminal voltage.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the control member has an adjustable Direct current source is connected upstream, which this in the sense of a predetermined basic excitation influenced.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that a Hall effect transducer with downstream electrical differentiators to record the reactive power and their derivatives with respect to time are provided by direct voltages.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the output terminals of the Hall effect transducer and the output terminals of the electrical differentiators via adjustable resistors or potentiometers are connected in series and to form one of the deviation the reactive power from the nominal value proportional DC voltage to a reference voltage source for the reactive power are connected.

5. Arrangement according to claim 1, characterized characterized in that the input terminals of three rectifier assemblies in electrical Delta connection are connected to the terminals of the synchronous machine and that the output terminals of the rectifier arrangements are electrically connected in series and to form a direct voltage proportional to the deviation from the nominal voltage are unipolarly connected to a reference voltage source for the target voltage.

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that an electrical amplitude limiter is provided so that one of the deviations is only in a predetermined voltage range proportional DC voltage is available as a control variable.

7. Arrangement according to Claim 6, characterized in that an electrical time delay element to the Amplitude limiter is connected downstream. B.

Arrangement according to the preceding claims, characterized in that electrical amplifiers for amplifying the DC voltages are provided.

9. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that adjustable resistors or potentiometers are provided for balancing the DC voltages. Considered publications: Swiss Patent Specifications No. 294 861, 257633.