DE1588010C3 - Einrichtung zur Erfassung der zeitlichen Polradwinkeländerung und der Winkelbeschleunigung einer elektrischen Synchronmaschine - Google Patents

Description

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(Pa -Pe),

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worin Pa die mechanische Leistung, Pe die elektrische Leistung, T_A die mechanische Zeitkonstante und ω die synchrone Kreisfrequenz bedeutet,
und ein nachgeschaltetes Integrierglied (12), das daraus die Polradwinkeländerung integriert und dessen Ausgang an ein Meßinstrument (14) oder die Regeleinrichtung der gesteuerten Gleichrichteranordnung (17) angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Leistungsmesser (4) abgegebene Gleichspannung einem Verzögerungsglied (6) zugeführt ist, daß ein Summierglied (8) vorgesehen ist, dem die negative Ausgangsspannung des Verzögerungsgliedes (6) und die Ausgangsspannung des Leistungsmessers (4) zugeführt sind, und daß ein Integrationsglied (12) vorgesehen ist, dem die Ausgangsspannung des Summiergliedes (8) zugeführt ist und dessen Ausgangsspannung einem Meßinstrument (14) oder der Regeleinrichtung der gesteuerten Gleichrichteranordnung (17) zugeführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (6) ein Gleichspannungsverstärker mit Kondensator (9) und Widerstand (10) in der Rückkopplung ist, so daß dessen Zeitkonstante der mechanischen Zeitkonstante (Ta) der Synchronmaschine entspricht.

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung der zeitlichen Polradwinkeländerung und der Winkelbeschleunigung des Polrades über die Leistungsänderung einer elektrischen Synchronmaschine, deren Erregung über eine gesteuerte Gleichrichteranordnung mit Regeleinrichtung erfolgt, die sowohl vom Spannungsregler als auch von der Einrichtung zur Erfassung der zeitlichen Ableitung des Polradwinkels beaufschlagt ist.

Solche Messungen von Polradwinkeländerungen sind neben der Messung anderer Größen wie die Klemmenspannung erforderlich, um bei plötzlichen Belastungsänderungen auftretende Polradschwingungen mit Hilfe der Erregereinrichtung ausgleichen zu können. Bisher ist man bei der Messung dieser Größen vom Polradwinkel direkt ausgegangen. Man hat durch Differentiation einer dem Polradwinkel proportionalen elektrischen Größe die Polradwinkeländerung und die Winkelbeschleunigung des Polrades zu ermitteln versucht. In der DT-AS 10 60 971 ist eine Regeleinrichtung zur Herbeiführung eines balancierten Betriebes und zur Konstanthaltung der Klemmenspannung von Synchronmaschinen in Verbundsystem beschrieben und dargestellt. Die Regeleinrichtung hält konstant bei vorübergehenden Laständerungen eine der Größen φ, φ+ δ, die trigonometrische Funktionen dieser Größen, den Blindstrom oder die Blindleistung und dient ferner zur Konstanthaltung der Klemmenspannung von Synchronmaschinen. Es bedeuten hierbei: φ = Winkel zwischen Klemmenspannung und Strom der Synchronmaschine, S = Winkel zwischen Polradspannung und Klemmenspannungen. Sie enthält eine erste Regeleinheit, die trägheitslos die Abweichung einer der nachstehenden Größen von ihrem jeweiligen Sollwert durch proportionale Gleichspannungen nachbildet, nämlich die Abweichung der Größen a) φ, b) φ+ δ und ihrer trigonometrischen Funktionen, c) des Blindstromes, d) der Blindlei-" stung oder die Ableitungen der genannten Größen nach der Zeit, und außerdem eine zweite Regeleinheit, die innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereiches die ι Abweichung der Klemmenspannung von der Sollspan- _r nung durch eine proportionale Gleichspannung nachbildet. Die zwei Regeleinheiten sind elektrisch in Reihe geschaltet und stehen über ein elektrisches Zeitverzöge- I rungsglied mit einem Regelorgan für die Erregerspan- j nung der Synchronmaschine in elektrischer Verbindung, χ Diese Methode ergibt aber kein genaues Ergebnis, da c die zur Differenzierung erforderlichen Glieder Zeitkonstanten besitzen (Widerstandskondensator- oder Widerstandsinduktivitätsglieder). Hierdurch werden die Phasen der elektrischen Größen verschoben und ihre Kurvenform verzerrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist und eine störungsfreie L Erfassung der Polradwinkeländerung und der Winkelbeschleunigung ermöglicht.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß man die Polradwinkeländerung ohne Zuhilfenahme elektrischer Differenzglieder durch einfache l.eistungsmessung. Leistungsvergleich und Integration erhalten kann. Die Polradwinkeländerung selbst ergibt sich dann durch Integration der so erhaltenen Werte in einem A Integrationsglied. g

Ferner ist es zweckmäßig, wenn die vom Leistungs- η messer abgegebene Gleichspannung einem Verzöge-e rungsglied zugeführt ist, wenn ein Summierglied ν vorgesehen ist, dem die negative Ausgangsspannung g des Verzögerungsgliedes und die Ausgangsspannung/¹ des Leistungsmessers zugeführt sind, und wenn eind Integratiop.sglied vorgesehen ist, dem die Ausgangs- ir spannung des Summiergliedes zugeführt ist und desserd Ausgangsspannung einem Meßinstrument oder deiZ Regeleinrichtung der gesteuerten GleichrichteranordJk. nung zugeführt ist. ai

Es ist ferner vorteilhaft, wenn das Verzögerungsgliec V ein Gleichspannungsverstärker mit Kondensator uncV Widerstand in der Rückkopplung ist, so daß desserta Zeitkonstante der mechanischen Zeitkonstante de D Synchronmaschine entspricht.

Dieser Erfindung liegen folgende Gedankengänge zibl Grunde: Im Falle einer plötzlichen BelastungsänderunjS wird die elektrische Leistung praktisch unverzöger ii geändert. Dagegen bleibt die Drehzahl und dxlt

Antriebsmoment des Generators praktisch noch unverändert. Dies bedeutet, daß das der elektrischen Leitung proportionale Drehmoment gegenüber dem mechanischen Drehmoment vorübergehend von einander abweichen muß. Dadurch entsteht eine Polradverschiebung und eine Änderung des Winkels zwischen dem Vektor der Polradspannung und der Klemmenspannung. Man kann nun nachweisen, daß die zweite Ableitung des Polradwinkels -τ4· angenähert proportional der Differenz zwischen dem mechanischen und elektrischen Moment ist Da diese Momente proportional den Leistungen sind, ist die Winkelbeschleunigung auch proportional der Differenz der mechanischen P_A und der elektrischen Leistung Pe, gemäß der Gleichung:

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Wenn die so erhaltenen Werte in Gleichspannung umgesetzt und einem Meßgerät oder einer Regeleinrichtung zugeführt werden, ist die Ausregelung der Polradwinkeländerung bei plötzlichen Belastungsänderungen hierbei auf einfache und sichere Weise möglich. Irgendwelche Verzerrungen oder Phasenverschiebungen treten dann nicht auf. Die so erhaltenen Werte läßt man dann auf die Spannungsregelung wirken, wobei sie die normale Spannungsregelung beeinflussen können.

Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Figur. Der Generator 1 speist das Drehstromnetz RST. Mit 2 sind die Stromwandler, mit 3 die Spannungswandler angedeutet, welche die Regeleinrichtung speisen. Die übrigen zur Schaltanlage gehörenden Teile sind weggelassen. 4 ist ein Leistungsmesser, der die tatsächlich auftretende elektrische Leistung Pe mißt und diese in eine der Leistung proportionale Gleichspannung am Ausgang umformt. Hierzu können Hall-Generatoren in bekannter Weise verwendet werden, mit denen die Drehstromleistung gemessen wird. Die am Ausgang auftretende Gleichspannung wird nun einmal über den Widerstand 5 unmittelbar, einmal über die Verzögerungseinrichtung 6 und den Widerstand 7 dem Summierglied 8 zugeführt. Das Verzögerungsglied 6 ist als Verstärker gebaut, η dessen Rückkopplung aus einem Kondensator 9 und η einem Widerstand 10 besteht. Hierdurch wird das Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal verzögert ausgegeben. Ändert sich also seine Eingangsspannung sehr rasch, so bleibt zunächst sein Ausgangssignal erhalten. Dieses Signal entspricht dann der noch d.vorhandenen mechanischen Leistung P_A. Das Summierg glied 8 erhält dann die geänderte elektrische Leistung g Pe unmittelbar und aus dem Verzögerungsglied 6 noch π die vorher vorhanden gewesene Leistung, die also der s· mechanischen Leistung P_A entspricht. Die Zeitkonstante r des Verzögerungsgliedes kann der mechanischen ;t Zeitkonstanten T_A des Generators 1 entsprechen, sie i-jkann aber, wenn es die Stabilitätsverhältnisse erfordern, auch kleiner oder sogar größer gewählt sein. Durch die :c Verstärkerschaltung im Verzögerungsglied 6 wird das ic Vorzeichen umgedreht, so daß das Summierglied .Ttatsächlich die Differenz der beiden Leistungen bildet. srDie Konstanten des Verstärkers 8 sind so gewählt, daß ie im reziproken Wert der Zeitkonstante Ta nach der iiDbengenannten Gleichung entspricht. Am Ausgang des 1J Summiergliedes 8 erscheint nun eine Gleichspannung, Jie der zweiten Ableitung des Polradwinkels nach der it proportional ist. Diese kann an dieser Stelle selbst gemessen oder beispielsweise über ein Potentiometer 11 einer Regeleinrichtung zugeführt werden. Um nun die Polradwinkeländerung selbst zu erhalten, wird die Ausgangsspannung des Summiergliedes 8 einem Integrierglied 12 zugeführt, das mit Hilfe des die Rückkopplung bildenden Kondensators 13 die zweite Ableitung des Polradwinkels integriert und so als Ausgangsspannung eine der Polradwinkeländerung selbst proportionale Spannung erzeugt Diese Spannung kann durch ein Meßinstrument 14 gemessen werden und über ein Potentiometer 15 einer Regeleinrichtung, beispielsweise der Spannungsregelung im Erregerkreis 16 des Generators 1 zugeführt werden. Die Erregerspannung im Erregerkreis 16 wird mit Hilfe einer gesteuerten Gleichrichteranordnung 17 durchgeführt, wobei die Regelspannung auf die Steuerung (den Zündwinkel) der Gleichrichter einwirkt. Diese Einrichtungen sind bekannt und daher nicht näher beschrieben. Zwischen der Gleichrichteranordnung 17 und dem Potentiometer 15 liegt noch das Summierglied 18. Dies hat den Zweck, sämtliche für eine Ausregelung einer plötzlich eintretenden Polradwinkeländerung erforderliche Größen zusammenzufassen und der Regeleinrichtung zuzuführen. Es sind hier drei solche Größen zu erkennen, nämlich die Polradwinkeländerung selbst (über das Potentiometer 15), die zweite Ableitung des Polradwinkels (über das Potentiometer 11) und die Spannung aus dem Spannungsregler 19, die normalerweise allein die Steuerung der gesteuerten Gleichrichteranordnung 17 beeinflußt. Alle drei größen werden über die Widerstände 21, 22 und 23 dem Summierglied 18 zugeführt. Die Spannung für die Spannungsregelung wird ebenfalls aus den Spannungswandlern 3 gewonnen. Dem Spannungsregler wird außerdem durch die Leitung 20 eine dem Sollwert der Spannung entsprechende Gleichspannung zugeführt. Der Spannungsregler 19 unterscheidet sich nicht von bekannten Anordnungen und wird daher ebenfalls nicht genauer beschrieben.

Die Wirkungsweise ist nun folgende: Normalerweise ist keine Änderung des Polradwinkels vorhanden, es sind also die mechanische Leistung P_A und die elektrische Leistung Pe gleich groß. Dadurch ist die Differenz beider- Spannungen am Ausgang des Summiergliedes 8 null. Es entsteht daher auch keine Spannung an den Potentiometern 11 und 15. In diesem Falle ist allein die Spannungsregelung über ■ den Spannungsregler 19 wirksam und regelt in bekannter Weise die Spannung des Generators 1 über den Erregerkreis 16 und die gesteuerte Gleichrichteranordnung 17.

Ändert sich nun aber plötzlich die elektrische Leistung Pe, so folgt dieser plötzlichen Änderung die mechanische Leistung P_A nicht sofort nach. Die Drehzahl und das mechanische Drehmoment bleibt dann im ersten Augenblick noch wie vorher. Dadurch bleibt auch die Spannung am Ausgang der Verzögerungseinrichtung 6, die die gleiche Zeitkonstante T_A hat wie der mechanische Teil des Generators 1, weiterhin bestehen, während aber die Spannung, die der Leistung Pe entspricht, sich unverzögert ändert. Das Summierglied 8 erzeugt daher eine der Differenz beider Leistungen entsprechende Spannung am Ausgang. Diese entspricht der zweiten Ableitung des Polradwinkels nach der obengenannten Gleichung. Diese Spannung wird über das Potentiometer 11 und den Widerstand 22, das Summierglied 18 nunmehr zusätzlich der Regeleinrichtung der gesteuerten Gleichrichteran-

Ordnung 17 zugeführt. Ferner wird die Spannung der zweiten Ableitung des Polradwinkels über das Integrierglied 12 geführt, an dessen Ausgang nunmehr eine der Polradwinkeländerung selbst proportionale Spannung entsteht. Auch diese Ausgangsspannung wird über das Potentiometer 15, den Widerstand 21, das Summierglied 18 an die Regeleinrichtung der gesteuerten Gleichrichteranordnung 17 gebracht. Die Spannung des Generators 1 wird nun also nicht mehr allein durch die Spannung selbst geregelt, sondern durch die geeignete Summe von Spannung, Polradwinkeländerung und der zweiten Ableitung des Polradwinkels. Das Verhältnis dieser Spannungen kann durch Ändern der Abgriffe an den Potentiometern 11 und 15 geändert werden.

Man erhält auf diese Weise eine Regelung der Ableitung des Polradwinkels ohne besondere Differenzierglieder mit den bisher üblichen Nachteilen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erfassung der zeitlichen Polradwinkeländerung und der Winkelbeschleunigung des Polrades über die Leistungsänderung einer elektrischen Synchronmaschine, deren Erregung über eine gesteuerte Gleichrichteranordnung mit Regeleinrichtung erfolgt, die sowohl vom Spannungsregler als auch von der Einrichtung zur ι ο Erfassung der zeitlichen Ableitungen des Polradwinkels beaufschlagt ist, gekennzeichnet durch eine dem Leistungsmesser (4) nachgeschaltete Verzögerungseinrichtung (6) und ein Summierglied (8) zur Bildung der zweiten Ableitung des Polradwinkeis nach der Zeit nach der Formel