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Anordnung zur Verhinderung des Außertrittfallens einer Synchronmaschine
mit selbsttätig regelbarer und durch Stromrichter erzeugter Erregerspannung Wird
ein Verbraucher an einen Netzpunkt -I angeschlossen, der über eine Leitung der Impedanz
zl, = r + ix mit einem Netzpunkt 1 starrer Netzspannung verbunden ist, so
rufen Wirklaststöße P und Blindlaststöße Q des Verbrauchers Spannungschwankungen
im Netzpunkt 2 hervor, für die angenähert gilt: J U;-; rP -f- xQ.
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Bei Verbrauchern großer Leistung und merklicher Verbindungsimpedanz
z1, können diese Spannungsschwankungen ein nicht mehr tragbares Maß annehmen. Solche
Verbraucher sind beispielsweise Stromrichter zur Speisung von Walzwerken und Lichtbogenöfen.
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In den meisten Fällen verbessert man die Spannungshaltung im Punkt
2, indem man die übertragungsimpedanz z1, verkleinert. Dieses kann bekanntermaßen
durch einen Anschluß an ein Netz höherer Übertragungsspannung und Kurzschlußleistung
geschehen oder auch durch Einbau von Reihenkondensatoren, die einen Teil des induktiven
Widerstandes von z1.., kompensieren.
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Auch ist es möglich, im Punkt 2 eine Synchronmaschine anzuschließen,
die mit einer geeigneten Spannungsregelung ausgerüstet ist.
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Es gibt nun Fälle, in denen einerseits der Anschluß an ein Netz höherer
Spannung und Kurzschlußleistung oder die Aufstellung von Reihenkondensatoren zu
aufwendig ist. Andererseits befürchtet man ein gelegentliches Außertrittfallen einer
Synchronmaschine, die etwa in der Nähe des Verbrauchers mit wechselnder Last angeschlossen
ist, wenn man sie zur raschen Ausregelung der vom Verbraucher verursachten Spannungsschwankungen
heranzieht. Verringert nämlich der Verbraucher seinen Blindlastbezug, so muß die
Erregung der Synchronmaschine reduziert werden. Wirkt dabei gleichzeitig ein starkes
Moment auf die Welle der Synchronmaschine, so besteht unter Umständen die Möglichkeit,
daß die Synchronmaschine außer Tritt fällt. Dabei ist unter Synchronmaschine im
allgemeinen Sinne ein Synchrongenerator oder ein Synchronmotor zu verstehen. Die
Synchronmaschine kann aber auch ein Synchronphasenschieber sein. Das Außertrittfallen
der Synchronmaschine ist folgendermaßen zu erklären: Trägt man das synchrone Moment
über dem Polradwinkel als Abszisse, und zwar bei steigenden Werten der Erregung
als Parameter auf, so erhält man eine Reihe übereinanderliegender, angenähert sinusförmiger
Momentkurven, von denen die Kurve mit größter Amplitude der höchsten Erregung zugeordnet
ist. Der jeweilige Betriebspunkt ergibt sich dann aus dem Schnittpunkt der dem mechanischen
oder Wirklastmoment entsprechenden Parallelen zur Abszissenachse mit den ansteigenden
Teilen der Momentenkurven der Synchronmaschine. Verringert, wie gesagt, der Verbraucher
seinen Blindlastbezug, so ist die Erregung entsprechend abzuschwächen. Damit geht
aber der erwähnte Betriebspunkt auf eine Momentenkurve kleinerer Amplitude über,
so daß der zwischen Betriebspunkt und Kippunkt der Momentenkurve gelegene Teil kleiner-und
damit auch der im Höchstfalle noch von der Maschine zu bewältigende Wirklaststoß,
der noch nicht zu einem Außertrittfallen führt, ebenfalls kleiner wird. Verringerung
der Erregung, bedingt durch geringeren Blindlastbedarf des Verbrauchers, erhöht
also die Wahrscheinlichkeit des Außertrittfallens der Maschine gegenüber Wirklaststößen,
die gleichzeitig an der Maschine auftreten. Das gilt für Synchrongeneratoren und
Synchronmotoren.
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Handelt es sich bei der Synchronmaschine um einen Synchronphasenschieber,
so kann er so bemessen werden, daß die höchsten vorkommenden Blindlaststöße ein
Mehrfaches der zulässigen Dauerleistung betragen. Bei derart hohen Belastungen treten
erhebliche Eigenverluste (Kupfer- und Eisenverluste) in der Maschine auf, die für
diese eine mechanische Belastung bedeuten und entsprechend eine merkliche Verdrehung
des Polrades gegenüber seiner Einstellung bei fehlender Wirklast bedingen. Das Polrad
wird dadurch als schwingungsfähiges Gebilde zu Pendelungen angeregt, die normalerweise
sehr
bald abklingen. Treten aber zufällig mehrere starke Blindlaststöße
nacheinander, und zwar im Rhythmus der Polradpendelungen auf, so können sich diese
Pendelungen so weit aufschaukeln, daß auch jetzt die Maschine in Gefahr gerät, außer
Tritt zu fallen.
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Der Sinn der vorliegenden Erfindung ist es, solche Synchronmaschinen
zur Ausregelung von Spannungsschwankungen zu verwenden, die durch benachbarte Verbraucher
mit rasch wechselnder Last erzeugt wurden. Dabei kann von der Synchronmaschine kurzzeitig
die Abgabe einer großen Blindleistung verlangt werden, die z. B. auch ein Mehrfaches
ihrer Typenleistung betragen kann.
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Die Bedingungen, unter denen die Synchronmaschine zum Ausgleich von
Spannungsschwankungen herangezogen werden kann, lassen sich noch leicht übersehen,
wenn sie eine konstante Wirkleistung an ihrer Welle abzugeben oder aufzunehmen hat.
In diesem Falle darf die Erregerspannung nur so weit für längere Zeit erniedrigt
werden, daß das an der Welle der Synchronmaschine abgegebene Moment gerade dem Kippmoment
der Synchronmaschine entspricht, wobei sich ein Polradwinkel von etwa 90° im stationären
Zustand einstellt. Wenn man also dafür sorgt, daß die Erregerspannung oder der Erregerstrom
einen dieser Momentenkurve entsprechenden Wert nicht dauernd unterschreitet, kann
die Synchronmaschine nicht außer Tritt fallen.
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Schwieriger ist es zu übersehen, ob eine Synchronmaschine in Tritt
bleibt, die sowohl mit einer geregelten Erregung zum Ausgleich von Spannungsschwankungen
ausgerüstet ist, deren Welle aber auch starke Momentenstöße erfährt. Es zeigt sich
jedoch, daß bei einem plötzlichen Anstieg des von der Welle geforderten Momentes
das schritthaltende (sychronisierende) Moment der Synchronmaschine im ersten Augenblick
erheblich größer ist als im stationären Zustand. Hieraus folgt, daß es genügt, eine
minimale dauernde Erregerspannung oder -strom solcher Größe zu verlangen, daß auch
im stationären Zustand ein Kippmoment abgegeben werden kann, daß über dem augenblicklich
an der Welle abgeforderten Moment liegt. Dieser minimale Erregerstrom oder diese
minimale Erregerspannung der Synchronmaschine darf also unter keinen Umständen dauernd
unterschritten werden. Da das stationäre Kippmoment in guter Annäherung proportional
zur Erregerspannung ist, ist man z. B. berechtigt, die Erregerspannung proportional
zur momentanen Wirkleistung der Sychronmaschine zu begrenzen.
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Zur Regelung kommen verschiedene Verfahren in Frage. Am einfachsten
wäre es, die Klemmenspannung der Synchronmaschine als Regelgröße zu verwenden. Dieses
Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei Schwankungen der eingangs im Punkt 1
konstant angenommenen Netzspannung die Synchronmaschine bestrebt ist, den veränderten
Blindleistungsbedarf des gesamten Netzes auszugleichen. Dies kann bei mäßigen Verbindungsimpedanzen
zlzur überlastung der Synchronmaschine und zu ihrer Abschaltung führen.
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Spannungsänderungen im fernen Netzpunkt 1 werden in erster Linie durch
Schalthandlungen od. ä. ausgelöst, dauern verhältnismäß lang an und treten selten
auf. Spannungsschwankungen, die durch den Verbraucher mit rasch wechselnder Last
im Punkt 2 verursacht werden, gehen dagegen in kurzer Zeit wieder zurück. Läßt man
daher den Sollwert der Spannungsregelung in etwas längerer Zeit mit einer merklichen
Zeitkonstanten (z. B. 1 Minute) dem arithmetischen oder quadratischen Mittelwert
des Istwertes folgen, so werden nur die rasch pulsierenden, vom Verbraucher R verursachten
Spannungsschwankungen ausgeregelt, nicht aber die von einer Schalthandlung im fernen
Netzpunkt 1 ausgelösten.
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Es ist nun bekannt, daß man die Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfeldes
einer Synchronmaschine beträchtlich erhöhen kann, wenn man den Erregerstrom mit
Hilfe von Stromrichtern erzeugt und über einen elektronischen Regler und einen elektronischen
Gittersteuersatz regelt. Da andererseits Versuche ergaben, daß die Änderungen des
Blindleistungsverbrauchers der hier in Rede stehenden Verbraucher in Wirklichkeit
nicht trägheitslos verlaufen, sondern einem durch eine keinesfalls zu vernachlässigende
Zeitkonstante bedingten Gesetz folgen, ergab sich die Erkenntnis, daß es möglich
ist, bei der Regelung des Erregerfeldes und damit der Blindleistungserzeugung verhältnismäßig
großer Synchronmaschinen eine Regelgeschwindigkeit zu erzielen, die der Änderungsgeschwindigkeit
des Blindleistungsverbrauchs der genannten Stromabnehmer durchaus vergleichbar ist.
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Es ist eine Anordnung bekannt, bei der mit Hilfe einer Steueranordnung
eine Mindesterregung bei Synchrongeneratoren sichergestellt wird. Diese Steueranordnung
gehorcht hierbei Meßgrößen, die von der Systemspannung des Netzes und der Summe
der äußeren Reaktanzspannungsabfälle bestimmt werden. In einer anderen bekannten
Anordnung wird die Erregung in Abhängigkeit von der abgegebenen Blindleistung beeinflußt.
Hierbei ist beabsichtigt, -die Polradauslenkungen in Übereinstimmung mit der jeweiligen
Wirkleistung zu stabilisieren. Schließlich ist eine weitere Anordnung bekannt, bei
der die Blindleistung von Synchronmaschinen so geregelt wird, daß die Trägheit auf
ein Mindestmaß beschränkt und gleichzeitig die stoßweise Aufundaberregung des Erregerfeldes
möglich gemacht wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Verhinderung des
Außertrittfallens einer Synchronmaschine mit selbsttätig regelbarer und durch Stromrichter
erzeugter Erregerspannung und mit einem Regler zum Ausgleich von Netzspannungsschwankungen
durch Beeinflussung des Erregerstromrichters in Abhängigkeit vom jeweiligen Blindleistungsbedarf
des Netzes und ist gekennzeichnet durch eine von der Erregerspannung und von der
Wirkleistung beeinflußten Einrichtung, die beim Unterschreiten einer das Außertrittfallen
der Maschine gerade noch verhindernden, der abgegebenen Wirkleistung angepaßten
unteren Grenze der Erregerspannung die Blindleistungsregelung der Synchronmaschine
von dem jeweiligen Blindleistungsbedarf des Netzes unabhängig macht und dem Regler
einen fest vorgegebenen, gleichbleibenden Sollwert zuführt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Regelanordnung zum blindleistungsbedingten Ausgleich von Netzspannungsschwankungen
schematisch wiedergegeben.
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An eine Sammelschiene A ist der Verbraucher R angeschlossen. der eine
stark wechselnde Blindleistung dem Netz B entnimmt. Diese Blindleistung wird im
Blindleistungsmeßgerät QK gemessen. An dieselbe Sammelschiene A ist auch eine Synchronmaschine
S angeschlossen, deren Blindleistung im
Meßgerät Q5 und deren Wirkleistung
im MeßgerätPs gemessen wird. Das letztere formt gleichzeitig den Meßwert in eine
proportionale Spannung um. Die Synchronmaschine kann ein Generator, Phasenschieber
oder Motor sein. Das Polrad der Synchronmaschine S wird über ein Stromrichterventil
V und einen Stromrichtertransformator D erregt. Die Erregerspannung wird in einem
Meßgerät U, der Erregerstrom in einem Meßgerätl gemessen. Das Stromrichterventil
V wird über einen Gittersteuersatz G gesteuert, der seine Befehle von einem elektronischen
ReglerC erhält. Im Normalbetrieb, beispielsweise bei einer Blindleistungsregelung,
ist der Meßwert Qk der Sollwert, der Meßwert QS der Istwert des Reglers. Dabei liegt
der Schalter SA im Sollwertkreis in der eingezeichneten Stellung. Unterschreitet
nun die Erregerspannung U den für die derzeit fließende Wirkleistung PS erforderlichen
Wert, so spricht das Vergleichsrelais E an und schaltet den Sollwertkreis auf einen
besonderen Sollwertgeber F. Bei passender Bemessung dieses Sollwertes ist verhindert,
daß bei zu kleiner Erregerspannung U die Synchronmaschine S außer Tritt fallen kann.
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Bei einem anderen, in der Zeichnung durch Strichlinierung angedeuteten
Ausführungsbeispiel wird eine der Wirkleistung proportionale Spannung am Wirkleistungsmesser
PS abgenommen und einem dem Regler C nachgeschalteten Begrenzer P,";" zugeleitet.
Der untere Grenzwert, den die Erregung der Synchronmaschine zwecks Verhinderung
eines Außertrittfallens nicht unterschreiten darf, wird damit, wie es beim ersten
Ausführungsbeispiel durch das Vergleichsrelais E geschieht, selbsttätig dem jeweiligen
Wirkleistungswert der Maschine angepaßt. Der Sollwertgeber F, der Schalter Sa und
das Vergleichsrelais E fallen bei diesem Ausführungsbeispiel fort.
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Es ist schließlich noch ein dem Meßwert des Erregerstromes proportionaler
Strom einem thermischen Abbild T des Rotors über die Meßeinrichtung 1 zugeführt.
Fließt über längere Zeit ein zu großer Strom 1, so betätigt das thermische Abbild
T den Begrenzer Q,". Dieser drückt den größtmöglichen Sollwert auf einen Wert herunter,
der eine überlastung des Polrades ausschließt.
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Es sei hier noch hinzugefügt, daß man in manchen Fällen auch die Blindleistungssumme
der Synchronmaschine und des Verbrauchers bei rasch schwankender Last durch die
Regelung konstant halten kann. Ferner ist es auch möglich, den Spannungsabfall auf
der Verbindungsleitung mit der Impedanz z1.2 nachzubilden und als Regelgröße zu
verwenden.
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Schließlich kann man den Stabilitätsbereich der untererregten Synchronmaschine
durch bekannte Maßnahmen erweitern, etwa durch eine polradwinkelabhängige oder eine
polradwinkel- und schlupfabhängige Regelung.
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Bei Schenkelpolgeneratoren kommt auch eine Erregung mit negativem
Polradstrom innerhalb der Stabilitätsgrenze in Betracht.