DE1413468B2 - Einrichtung zur raschen Symmetrierung von Drehstromnetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Symmetrierung von Drehstromnetzen nach dem Prinzip der Zerlegung in mit- und gegenläufige Str.omkomponenten mit zwei mechanisch gekuppelten Drehstrommaschinen, von denen die erste als Phasenschieber für die symmetrische Blindleistung und als Antrieb für die zweite Maschine dient, deren Ständerwicklung im gegenläufigen Sinne zum Netzdrehfeld in Serie mit der Ständerwicklung der antreibenden Phasenschiebermaschine verbunden ist und deren Polrad zwei elektrisch aufeinander senkrecht stehende Polsysteme aufweist.

Wenn veränderliche symmetrische Ströme einem Drehstromnetz entnommen werden, treten symmetrische Spannungsschwankungen auf, die durch Synchronmaschinen (Generatoren, Phasenschieber, Motoren) mittels einer (elektronischen) Meß-, Regel- und Erregereinrichtung rasch ausgeregelt werden können. Solche veränderliche symmetrische Verbraucher sind besonders in Industrienetzen anzutreffen, die beispielsweise Walzenstraßen od. ä. zu speisen haben. Durch stromrichtererregte Synchronmaschinen mit Transistorreglern gelingt es, die durch Stromschwankungen verursachten Spannungsänderungen des Netzes praktisch völlig auszuregeln.

Dieses Verfahren läßt sich nicht auf die Ausregelung beliebig unsymmetrischer veränderlicher Ströme übertragen, weil man durch eine normale Synchronmaschine stets nur das mitläufige Feld beeinflussen kann. Solche beliebig unsymmetrische veränderliche Ströme werden beispielsweise durch dreiphasige Lichtbogen-Schmelzöfen verursacht. Neben Zeiten mit verhältnismäßig symmetrischer Belastung, in denen alle drei Lichtbögen etwa gleichartig brennen, kommen bei diesen Öfen auch Zeitabschnitte vor, in denen die Lichtbögen in fast willkürlicher Folge zünden, ihre Länge verändern und löschen. Durch die verursachten unsymmetrischen Ströme entstehen im speisenden Netz unsymmetrische Spannungsschwankungen, die durch Abspanntransformatoren zu anderen Anlagen übertragen werden und dort ein-, zwei- oder dreiphasig angeschlossenen Geräten Störungen hervorrufen, z. B. Lichtfiimmern an Glühlampen, Aussetzen elektronischer Geräte.

Es sind statische Symmetriereinrichtungen bekannt, mit denen man beliebige Einphasenlasten in Dreiphasenlasten umwandeln kann. Die Umwandlung gelingt jedoch nur für einen einzigen Impedanzwert des Verbrauchers. Ändert sich der Impedanzwert nach Betrag, Phase od'er Klemmenanschluß, so muß die Bestückung dieser statischen Symmetriereinrichtungen geändert werden, was bei raschen Lastwechseln praktisch unmöglich ist. Es sind ferner Symmetrier-Blindleistungsmaschinen für den Anschluß eines Einphasenverbrauchers beliebiger Leistung an ein Drehstromnetz bekannt (ETZ, 77, 1956, S. 457). Der einphasige Verbraucher ist dabei aber immer mit denselben Leitern des Drehstromnetzes verbunden; die Phasenlage eines Spannungszeigers steht also in fester Beziehung zur Phasenlage des Drehstromnetzes. Wollte man mit solchen Symmetrier-Blindleistungsmaschinen auch beliebig unsymmetrische veränderliche dreiphasige Ströme ausregeln, so müßte man hierzu mehrere solche Symmetrier-Blindleistungsmaschinen aufstellen und die Verbraucher durch eine Bank von Einphasentransformatoren speisen, was aufwendig ist. Ebenso ist die Verwendung eines Umformersatzes, bestehend aus einem Drehstrommotor und einem Dreiphasen-Synchrongenerator, der den veränderlichen Verbraucher speist, denkbar. Diese Lösung ist aber naturgemäß äußerst unwirtschaftlich.

In einer anderen bekannten Einrichtung zum Balancieren der Phasen mehrphasiger Systeme (deutsche Patentschrift 270 435) sind die Ankerwicklungen von zwei mechanisch gekuppelten Synchronmaschinen, von denen die eine als Haupt- und die andere als Zusatzmaschine dient, derart in Reihe geschaltet und an das Netz gelegt, daß ihre Drehfelder im umgekehrten Sinne umlaufen. Die Spannungsphasen einer oder beider Maschinen sind relativ zu den Netzspannungen verschiebbar, was selbsttätig von einem Regler in Abhängigkeit von den Leitungsspannungen bewirkt wird. Diese Einrichtung arbeitet nur bei induktivem Netzinnenwiderstand ordnungsgemäß und dann auch nur, wenn feststeht, an welchen Leitern ein einphasiger Verbraucher angeschlossen ist. Bei Verbrauchern mit ständig wechselnder Schieflast, beispielsweise bei Lichtbogenöfen, ist eine derartige Einrichtung grundsätzlich nicht brauchbar. Hier Δ muß auch ein weiterer Nachteil der bekannten Ein- " richtung vermieden werden, der darin besteht, daß die Maschine mit dem mitlaufenden Drehfeld aus funktioneilen Gründen Blindströme erzeugen muß, deren Betrag ein Mehrfaches des unsymmetrischen Verbraucherstromes ausmacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Netz mit beliebiger und stets wechselnder Phasenbelastung sowohl die symmetrische Blindkomponente der Last zu kompensieren als auch die Schieflast selbst so zu symmetrieren, daß das Netz nur eine symmetrische Leistung ohne Blindkomponente bzw. mit einem fest vorgegebenen Blindleistungsanteil liefert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Polsysteme der zweiten Maschine nach Maßgabe der gegenläufigen Stromkomponente über mit Reglern geregelte Erregergleichrichter im Sinne einer Symmetrierung des Drehstromnetzes derart erregt wird, daß für einen Real- und einen Imaginärteil zuständige Istwerte für die Regler von einer Anordnung geliefert werden, die _t

aus einer dreiphasigen Komponentenbrücke zur Ab- i trennung der gegenläufigen Komponente des Drehstromes und aus nachgeschalteten Multiplikatoren besteht, welche die für den Real- und den Imaginärteil zuständige Istwerte als Produkte aus einer vom Netz abgeleiteten dreiphasigen Spannung und der gegenläufigen Stromkomponente bilden.

In der Zeichnung ist eine vorzugsweise Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung schematisch dargestellt.

Die Einrichtung enthält zwei mechanisch über eine gemeinsame Welle gekoppelte Blindleistungssynchronmaschinen 4 und 7. Die Ständerwicklungen dieser Maschinen sind in Reihe geschaltet und parallel zu dem Schieflastverbraucher 2 an das zu speisende Netz 1 angeschlossen. Die Synchronmaschine 4 enthält ein Polrad üblicher Ausführung, das über einen geregelten und umpolbaren Gleichrichter 19 erregt wird. Das Polrad der zweiten Synchronmaschine 7 besitzt gemäß der Erfindung zwei Wicklungssysteme, die elektrisch aufeinander senkrecht stehen und voneinander unabhängig sind. Jedes dieser Wicklungssysteme wird über einen geregelten, umpolbaren Gleichrichter 17, 18 gespeist. In die Anschlußleitung

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der Synchronmaschinen an das Netz ist ein Konden- Die Ständerwicklung der zweiten Synchronsator 20 eingeschaltet, um die Streureaktanz der Syn- maschine 7 deckt sich bezüglich der Polzahl mit der chronmaschinen wenigstens teilweise zu kompen- Ständerwicklung der ersten Synchronmaschine 4, das sieren, wodurch eine raschere Regelung mit kleinerer von ihr erzeugte Drehfeld läuft jedoch entgegen der Erregungsleistung möglich wird. Zur Ermittlung der 5 Drehrichtung des Polrades um. Das Polrad der Mavom Versorgungsnetz 1 abgegebenen Blind- bzw. schine7 enthält nach der Erfindung zwei getrennte, Wirkleistung sind der Spannungswandler 10 und der elektrisch aufeinander senkrecht stehende Erreger-Stromwandler 11 vorgesehen. An die Sekundärseite wicklungen 8 und 9. Je nach der Erregung der einen des Stromwandlers 11 sind zwei Einrichtungen 12 oder der anderen Polradwicklung oder beider Wickbzw. 13 angeschlossen, die jeweils nur die mitläufige io lungen liefert die Ständerwicklung der Maschine 7 Komponente Z₁ bzw. gegenläufige Komponente Z₂ des eine gegenläufige Drehspannung, die in der Phase unsymmetrischen Drehstromsystems durchlassen. geändert werden kann. Die Ständerleistung dieser Beide Stromkomponenten Z₁ und Z₂ werden gemein- Maschine kann so der gegenläufigen Komponente der sam mit der vom Spannungswandler 10 gelieferten von dem Verbraucher entnommenen Schieflast bei Drehspannung in später beschriebener Weise über 15 jeder beliebigen Phasenlage gleich gemacht werdie Multiplikatorschaltungen 14, 15, 16 geleitet, deren den; die zwei elektrisch senkrecht aufeinanderste-Ausgangsgrößen die Istwerte der jeweiligen Blind- henden Erregersysteme ermöglichen es, auf Grund oder Wirkleistungen für die Regler der Erregergleich- der variablen Erregungsverteilung die gegenläufige richter 17, 18, 19 bilden. Falls die Schwungmassen Komponente der Verbraucher-Schieflast sowohl der Polräder wegen der in der Symmetriermaschine 7 20 dem Betrag als auch der Phase nach zu kompeninduzierten Wechselmomente nicht für einen gleich- sieren.

mäßigen Lauf ausreichen, kann ein Schwungrad 6 Nach der Erfindung werden die beiden Erregervorgesehen werden. wicklungen 8, 9 der Maschine 7 von zwei umpolbaren

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß ein geregelten Gleichrichtern 17, 18 gespeist. Die Istwerte beliebig unsymmetrisches Drehspannungs- oder Dreh- 25 für die Regler dieser Gleichrichter werden wiederum Stromsystem durch drei Komponenten dargestellt von je einer Multiplikatorschaltung 15, 16 geliefert, werden kann. Die erste Komponente ist ein symme- In den Multiplikatorschaltungen 15, 16 wird die irisches mitläufiges Dreiphasensystem, das allein gegenläufige Stromkomponente Z₂ des Verbraucherüber die Erregung einer Synchronmaschine be- stromes mit Hilfe einer vom Spannungswandlersatz einflußt werden kann. Die zweite Komponente ist 30 10 gelieferten Drehspannung in die Teilkompoein ebenfalls symmetrisches Dreiphasensystem, das nenten R₁₁ (Z₂) und I_m (Z₂) zerlegt, die den Richtungen jedoch entgegen der Drehrichtung des Drehfeldes der Polradwicklungen 8 und 9 zugeordnet sind. Die umläuft. Die dritte Komponente besteht schließlich gegenläufige Stromkomponente Z₂ wird einer Komaus einem einphasigen System, das für die Un- ponentenbrücke 13 entnommen, die vom Stromsymmetrie der Spannungen gegen oder bzw. für den 35 wandlersatz 11 gespeist wird und ausschließlich die über Erde fließenden Strom verantwortlich ist. Es ist gegenläufige Komponente durchläßt,
bereits eine Filtereinrichtung vorgeschlagen worden, Das gegenläufige Stromsystem Z, ist durch seine die die getrennte Ermittlung und Messung sowohl der beiden Teilkomponenten R₁₁ (i₂) und I_m (Z₂) vollständig mitläufigen als auch der gegenläufigen Dreh- charakterisiert. Beide Teilkomponenten sind wattlos spannungs- oder Drehstromkomponente ermöglicht. 40 und daher im üblichen Sinne als Blindströme anzu-Von dieser Einrichtung wird in den Geräten 12 und sehen. Der Sollwert der Regler 18, 19 ist Null. Das 13 Gebrauch gemacht. Sie enthalten im wesentlichen bedeutet, daß die Erregung der beiden Polradwickeine dreiphasige Komponentenbrücke. lungen 8, 9 so eingestellt wird, daß der von der zu-

Aus der mitläufigen Stromkomponente Z₁ wird mit gehörigen Ständerwicklung gelieferte gegenläufige Hilfe der vom dreiphasigen Spannungswandler 10 ge- 45 Strom genau dem gegenläufigen Strom des Verlieferten Drehspannung durch die Multiplikator- brauchers 2 entspricht und diesen gegenüber dem schaltung 14 die in Richtung der Polradwicklung 5 Netz kompensiert. Das Versorgungsnetz 1 ist damit liegende Teilkomponente I_7n (Z₁) gewonnen, da nur von der Schieflast des Verbrauchers entlastet und diese Teilkomponente durch die Erregung der Wick- braucht nur noch eine völlig symmetrische Wirklung 5 beeinflußt werden kann. Sie ist mit der sym- 50 leistung mit einem beliebig vorgebbaren, festen symmetrischen Blindkomponente des Verbraucher- metrischen Blindleistungsanteil zu liefern,
stromes identisch. Der Multiplikator 14 arbeitet nach In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Art der bekannten Dreiphasen-Wattmeterschaltungen der Zeichnung sind die beiden Symmetriermaschinen oberschwingungsfrei. Die Ausgangsgröße dieser parallel zum Verbraucher an das Netz geschaltet. Die Multiplikatorschaltung ist demnach ein Maß der von 55 Maschinen symmetrieren demnach den Verbraucherdem Versorgungsnetz aufzubringenden Blindleistung. strom. Die Symmetriermaschinen lassen sich aber Sie kann unmittelbar als Istwert für einen Regler des auch mit dem Verbraucher in Reihe schalten. In Erregergleichrichters 19 verwendet werden. Der Soll- diesem Fall symmetrieren sie die Verbraucherwert für diesen Regler kann entweder auf Null oder spannung.

auf einen festen, beliebig vorgebbaren Wert eingestellt 60 Die Einrichtung gemäß der Erfindung hat den Vorwerden. Die Erregung der Synchronmaschine 4 wird teil, eine ständig wechselnde unsymmetrische Bedurch die beschriebene Einrichtung so eingestellt, lastung eines Netzes auszugleichen. Mit derartigen daß diese Maschine stets die von dem Verbraucher 2 Belastungsverhältnissen ist insbesondere bei dreibenötigte Blindleistung aufbringt. Sie verhält sich also phasigen Lichtbogenschmelzöfen zu rechnen, wenn wie eine Phasenschiebermaschine bekannter Bauart. 65 in bestimmten Lastzuständen einzelne Phasenlicht-In der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die Syn- bögen unregelmäßig derart aussetzen, daß eine mehchronmaschine 4 gleichzeitig als Antriebsmotor für rere Perioden dauernde und sich ständig ändernde eine zweite Synchronmaschine 7 benutzt. Schieflast vorliegt.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Symmetrierung von Drehstromnetzen nach dem Prinzip der Zerlegung in mit- und gegenläufige Stromkomponenten mit zwei mechanisch gekuppelten Drehstrommaschinen, von denen die erste als Phasenschieber für die symmetrische Blindleistung und als Antrieb für die zweite Maschine dient, deren Ständerwicklung im gegenläufigen Sinne zum Netzdrehfeld in Serie mit der Ständerwicklung der antreibenden Phasenschiebermaschine verbunden ist und deren Polrad zwei elektrisch aufeinander senkrecht stehende Polsysteme aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Polsysteme (8, 9) der zweiten Maschine (7) nach Maßgabe der gegenläufigen Stromkomponente über mit Reglern geregelte Erregergleichrichter (17, 18) im Sinne einer Symmetrierung des Drehstromnetzes derart erregt wird, daß für einen Real- und einen Imaginärteil zuständige Istwerte für die Regler von einer Anordnung geliefert werden, die aus einer dreiphasigen Komponentenbrücke (13) zur Abtrennung der gegenläufigen Komponente des Drehstromes und aus nachgeschalteten Multiplikatoren (15, 16) besteht, welche die für den Real- und den Imaginärteil zuständigen Istwerte als Produkte aus einer vom Netz abgeleiteten dreiphasigen Spannung (10) und der gegenläufigen Stromkomponente bilden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in Serie geschalteten Ständerwicklungen der mechanisch gekuppelten Drehstrommaschinen über einen Reihenkondensator an das Drehstromnetz angeschlossen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden mechanisch gekuppelten Drehstrommaschinen ein zusätzliches Schwungrad vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen