DE2062853A1

DE2062853A1 - Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers

Info

Publication number: DE2062853A1
Application number: DE19702062853
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. Dr. Ennetbaden Rauhut (Schweiz). M
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1970-12-03
Filing date: 1970-12-21
Publication date: 1972-06-15
Also published as: AT310305B; DE2062853C3; DE2062853B2; CH539355A

Description

Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers, bestehend aus einer Synchronmaschine und einer Asynchronmaschine mit einem in Kaskade geschalteten Regelsatz.
Zur elastischen Kupplung von Netzen benutzt man Umformer, die aus einer auf das eine Netz geschalteten Synchronmaschine, einer auf das andere Netz geschalteten Asynchronmaschine und einer Kommutatormaschine, die mit der Asynchronmaschine in Kaskade geschaltet ist, bestehen. Die Wirkleistung und die Blindleistung der Asynchronmaschine werden durch Steuerung der Erregung der Kommutatormaschine geregelt. Ein solcher Maschinensatz ist beispielsweise in den Brown Boveri Mitteilungen 51 (1964) 8/9, Seiten.493 bs 506 beschrieben.
Bei derartigen Anlagen wird häufig die Asynchronmaschine zur Phasenkompensation herangezogen, so dass diese keine oder nur sehr wenig Blindleistung aus dem Netz bezieht oder sogar Blindleistung in das Netz liefert. Meistens ist man.
zufrieden, wenn kein. Blindleistungsaustausch mit dem Netz stattfindet, d. h. man stellt den Blindleistungsregler auf Null, bzw. den statt dessen verwendeten Leistungsfaktorregler auf cos= 1. Diese Betriebsweise kann jedoch mit beträchtlichen Schwierigkeiten verbunden sein. Dies soll nun.
anhand eines Beispiels geschildert werden.
Betrachtet man z.B. einen Bahn-Umformer mit einer Nennleistung von 25 MW, wie er in der oben genannten Literaturstelle. beschrieben ist. Dieser besteht aus einer.Dreiphasen-Asynchronmaschine, einer Einphasen-Synchronmaschine und einer Kommutatormaschine (z.B. einer Scherbi.usmaschine). Da die Frequenz der Dreiphasen-Asynchronmaschine (50 Hz, Landesversorgungsnetz) als praktisch konstant angesehen werden kann, entspricht ihr Schlupf der Frequenzdifrerenz der Einphasen-Synchronmaschine vom Nennwert (16 2/3 Hz, Bahnnetz). Man/stellt bei solchen Umformern die betriebsmässige Frequenzschwankung a f des Bahnnetzes in Abhängigkeit von seiner Leistung L durch eine Fläche, das sogenannte Frequenzband, dar. Alle Betriebszustände, für welche der Umformer gebaut ist, liegen auf diesem Frequenzband (Fig. 1 zeigt ein solches). Nehmen wir zunächst an-> dass der Umformer an der Grenze seiner Ausnutzungsfähigkeit vollbelastet laufe: Punkt A, Asynchronmaschine motorisch bei 4/4-Last mit 3,5 % untersynchronem Schlupf. Wird nun kurzzeitig Spitzenlast - ebenfalls mit voller Ausnutzung - verlangt, so entspricht dies dem Punkt C: Asynchronmaschine motorisch bei 8/4-Last mit 4,5 ß übersynchronem Schlupf. Auf die Kommutatormaschine, hier eine Scherblusmaschine, hat zwar die kurzzeitige Ueberlastung hinsichtlich des Stromes nur geringe Auswirkungen, da sie sich nur wenig erwärmt. Von schwerwiegender Bedeutung ist aber die Tatsache, dass (bei Steuerung auf cos =1) ihre Spannung im Punkt C (Fig. 1) um ein Drittel grösser ist als im Punkt A (Fig. 1 - Dauerlast). Die Kommutatormaschine muss demnach für die grösste vorkommende Spannung ausgelegt werden, unabhängig davon, ob diese Spannungserhöhung kurzzeitig oder dauernd vorkommt. Bedingt durch die Rücksichtnahme auf den Ueberlastpunkt C, muss die Baugrösse der Kommutatormaschine um ein Drittel grdsser sein, als es der Dauerlastpunkt A erfordern würde. Man kann bei einer Kommutatormaschine nicht einfach den Fluss steigern, da man unter Umständen die Lamellenspannung des Kommutators auf unzulässige hohe Werte treiben würde; man muss nämlich auf die Rundfeuersicherheit von Bürstenstift zu Bürstenstift und auf die Funkengrenze hinsichtlich der transformatorischen Spannung zwischen den BUrstenkaltten Rücksicht nehmen. Schliesslich kann die Spannungserhöhung um ein Drittel durch die Ueberlast und die dadurch bedingte Erhöhung der Nennleistung der Kommutatormaschine deren Ausführbarkeit in Frage stellen. Dadurch würden auch der Leistung des Umformers selbst und dem maximalen Schlupf (also dem Bereich der gegenseitigen Schwankungen der Netzfrequenzen) unangenehme Grenzen gesetzt. Dies liegt konträr zu dem Interesse an der Steigerung der Umformerleistung, die mit dem Ausbau der Netzkapazität Schritt halten sollte.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden und ein Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers anzugeben, das eine optimale Aus.-nutzung der Kommutatormaschine ermöglicht.
Die vorgenannte Aurgabe wird bei einem elastischen Netzkupplungsumformer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss eine Ueberschreitung eines Grenzwertes der Spannung'des Regelsatzes verhindert wird durch Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine mittels Beeinflussung des Sollwertes des in dieser Richtung wirkenden Reglers durch über Messwertgeber eingegebene Messwerte.
Das Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Umformers erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Betriebszustgånde eines elastischen Netzkupplungsumformers, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines bekannten elastischen Netzkupplungsumformers Fig. 3, 4, 5 graphische Darstellungen zur Erläuterung des Verfahrens zum Betrieb des Umformers.
Der in Fig. 2 dargestellte Umformer entspricht dem in der oben genannten Literaturstelle (Brown Boveri Mitteilungen ...) beschriebenen. Eine Dreiphasen-Asynchronmaschine 1 ist direkt mit dem 50 Hz-Netz verbunden. Diese ist starr mit einer Einphasen-Synchronmaschine 2 gekuppelt, die auf das 16 2/3-Hz-Netz wirkt. Weiterhin ist die Asynchronmaschine 1 mit einer Scherbius-Maschine 3 gekuppelt, wobei die Scherbius-Maschine 3 mit der Läuferwicklung (nicht eingezeichnet) der Asynchronmaschine über deren Schleifringe in Reihe geschaltet ist. Mit der Scherb'ius-Maschine ist ferner ein Frequenzumformer 4 gekuppelt. Die Erregung der Erregerwicklung 5 der Scherbius-Maschine 3 erfolgt durch eine Dreiphasen-Erregermaschine 6. Diese Maschine ist eine Scherbius-Maschine mit starker Gegenkompound-Wicklung 7.
Ihren Erregerstrom bezieht sie über eine ohmschen Vorschaltwiderstand 8 von der Kompensationswicklung 9 des Frequenzumformers 4. Angetrieben wird die Erregermaschine durch einen Asynchronmotor 10. Zur Erregung des Frequenzumformers 4 dient ein Dreiphasen-Synchrongenerator 11.
Sein Läufer weist eine normale Dreiphasenwicklung auf, die an Schleifringe angeschlossen ist. Sein Ständer trägt die beiden Erregerwicklungen 12, 13, die elektrisch aufeinander senkrecht stehen. Der Generator 11 wird durch einen weiteren, von einem Transformator 14 aus dem Dreiphasen-50 Hz-Netz gespeisten Synchronmotor 15 angetrieben.
Der genannte Transformator 14 übernimmt au¢h die Speisung des Synchronmotors 10. Die mit den beiden Erregerwicklungen 12, 13 verbundene Steuereinrichtung 16 steuert huber die Erregerwicklung 12 die Wirkleistung der Asynchronmaschine 1.
Durch die Erregerwicklung 12 kann der Leerlaufpunkt der Kennlinie der Asynchronmaschine 1 .eingestellt, d.h. ihre Kennlinie parallel verschoben werden. Auf diese Weise steuert der (nicht eingezeichnete) Wirkleistungsregler die Durchgangsleistung des Umformers. Ueber den (nicht eingezeichneten ) Blindleistungsregler kann die Blindleistung der Asynchronmaschine 1 gesteuert werden. Statt der Blindleistung kann man auch den Blindstrom oder den Leistungsfaktor regeln.
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemässen Verfahrens zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers sollen nun zunächst einige grundlegende Beziehungen abgeleitet werden. In den folgenden Gleichungen bedeuten U : Netzspannung E : induzierte E.M.K.
I : Strom r : Resistanz x : Reaktanz Index 1 : Statorwicklung Asynchronmaschine Index 2 : Rotorwicklung Asynchronmaschine Index k : Scherbiusmaschine Index # : Komponente des Sreuflusses Apostroph' : Reduktion des Primär- auf den Sekundärkreis Es ist #1 = #2 = - j # x # (#'1 + #2) (1) #'1 - (r1 + j # x'#1) # #'1 + #'1 = 0 (2) s # #2 - (rII + j # x'g1) # #'1 + #'1 = 0, worin (3) rII = r2 + rk ; x#II = x#2 + xk (4) Man erhält somit Ek = (-j # A + s # B) U'1 - (C + j # s # D) I'1, worin (5) A = rII/x2, (6.1) B = 1 + ##II/x2 (6.2) C = rII(l + x'#1/x2) (6.3) D = x'#1 + x#II + x'#1 # x#II/x2 (6.4) Zerlegt man nun #1 in die Wirkkomponente 1lp und die Blindkomponente 11q gemäss Fig. 3, welche für den Ubererregten Fall gezeichnet ist, wobei tg## 0 , so erhält man die folgende Beziehung I1 = Ilp + Ilq = (1 + j # tg#) 1lp (7) Mit Einsatz von (7) in .(5) wird: Schliesslich: Für einen Netzkupplungsumformer gemäss Fig. 2, mit einem Frequenzband nach Fig. 1 und einer Nennleistung von 25 MW für den Einphasensynchrongenerator entsprechend einer Nennleistung von 26 MW für den Drehstromasynchronmotor wurde mit Hilfe der Gleichung (9) die induzierte EMK der Scherbius-Maschine ausgerechnet. Daraus sind die Kurven der Fig. 4 entstanden. Abszisse ist der Blindstrom Ilq in % des Wirkstroms I1p bei nennleistung. Ordinaten sind einerseits die Spannung Ek der Scherbiusmaschine in % des Wertes bei motorischem Betrieb der Asynchronmaschine mit 4/4-Last und 3,5% untersynchronem Schlupr, andererseits der cos y der Asynchronmaschine fUr die 3 Parameter 4/4-Last motorisch, s = + 3,5% (untersynchron) - 6/4-Last motorisch, s = + 4,0% - 8/4-Last motorisch, s = + 4,5%. Aus den kurven ist ersichtlich, dass man die Spannung der Scherbius-Maschine auch bei Ueberlast auf dem Wert bei Nennlast (z.B.
Blindleistung = 0 / cos # = 1) halten kann. Man erreicht dies errindungsgemäss dadurch, dass man die Phasenkombensationder Asynchronmaschine durch die Scherbiusmaschine 209825/0553 vermindert, im gewählten Fall also durch Uebergang auf entsprechende Untererregung. Zu diesem Zweck beeinflusst man den Sollwert des Blindleistungsreglers durch Eingabe von Messwerten Uber Messwertumformer so, dass die Spannung der Scherbiusmaschine den zuvorgenannten Vollast-Wert nicht überschreitet. Dafür ist folgende Reduktion in Richtung der Untererregung nötig: bei 8/4-Last auf 83 % Blindleistung / cos ç = 0,924; bei 6/4-Last auf 37 k Blindleistung / cosf = 0,97.
Dass dabei die Phasenkompensation der Asynchronmaschine immer noch sehr günstig ist, wird aus der Fig. 5 ersichtlich, welche das Kreisdiagramm K ohne Phasenkompensation und die zuvorerwähnten Punkte mit voller (A/B/C) und reduzierter (D/E) -Phasenkompensation darstellt. Es gelten A -für 4/4-Last, B/D für 6/4-Last und c/E für 8/4-Last. Von 0 aus ist der Strom J1 zu messen, von F aus der Strom J2.
Man erkennt, dass die Ströme günstige Werte haben, dass auch bei Reduktion der Phasenkompensation der cost gut ist und dass das Kippmoment wesentlich höher liegt als beim Zustand ohne Hintermaschine.
Erfindungsgemäss kann die Eingabe in den Regler zur Sollwertänderung der Blindleistung bzw. des Blindstromes bzw.
des Leistungsfaktors von folgenden Kriterien abhängig gemacht werden: von der Wirkleistung, vom Schlupf, bei konstander Netzfrequenz der Asynchronmaschine von deren Drehzahl. Die Kr'iterien bestimmen das jeweils notwendige Mass der Sollwertänderung. Die Kriterien selbst beruhen auf Messwerten, die mittels Messwertumformer in elektrische Grössen, z. B. in Gleichspannung umgewandelt werden, wodurch sie in einfacher Weise dem Sollwertgeber zugeführt werden können. Bei den konventionellen Netzkupplunsumformern sind für die Wirk- und Blindleistungsregler Diskriminatoren vorhanden, die als Messwertumformer arbeiten und die genannten Grössen in Gleichspannungen abbilden. Diese Umformer haben auch Sollwentgeber. Der Erfindungsgedanke kann hier also o mit belanglosem Aufwand v.e.rwirklich.t werden; der Gewinn, nämlich eine Verkleinerung der Typenleistung der Scherbiusmaschine auf etwa 75 4%, ist aber beachtlich.
Besinders wichtig ist der Einsatz der neuen Methode zur Kontrolle der Spannung des Regelsatzes bei folgenden beiden Betriebszuständen der Asynchronmaschine: motorisch untersynchron bzw. generatorisch übersynchron.
Man kann auch die Schleifringspannung der Asynchronmaschine, die mit der Kommutatorspannung der z.B. vorhandenen Kommutator-Hintermasehine praktisch Übereinstimmt, überwachen und besonders bei den zuvorgenannten Betriebs zuständen bei Ueberschreitung eines Grenzwertes ein Regel gerät zum Eingriff bringen, welches durch passende Veränderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine deren Schleifringspannung auf den Grenzwert zurückregelt und bei Andauern des kritischen Betriebszustandes auf ihm hält.
Wenn wir noch einmal den Fall-der "klasstschen" Anordnung rnit Scherbiusmaschine oder Lydallmaschine betrachten, ist folgende Ausführungsform für das vorgeschlagene Verfahren besonders vorteilhaft: Ein Wirkleistungsregler und ein Blindleistungsregler werden sowieso vorhanden sein. Imallgemeinen formt man für diese Regler die Wirk- bzw.
Blindleistung durch einen Diskriminator in einfache elektrische Grössen um, z.B. in Gleichspannungen, die die Istwerte darstellen. Mit ihnen vergleicht man die Sollwerte. Es ist nun sehr einfach (also praktisch ohne Aufwand) von dem Diskriminator für die Wirkleistung den Sollwert des Blindleistungsreglers zu beeinflussen und zwar derart, dass er von einem vorbestimmten Wert der Wirkleistung an den Sollwert der Blindleistung zurückstellt. Wenn dies,wie in Fig. 5 dargestellt ist, längs der Kurve A D E geschieht, ist auf einfache Weise verhindert, dass bei Ueberlast die Spannung der ScherbSusmaschine über ihren maximalen Wert bei Vollast ansteigt. Eine solche Beeinflussung kann auch nach einer anderen Kurve erfolgen. Diese braucht nicht bei A anzufangen; der Anfangspunkt kann also einer anderen Wirkleistung oder/und einer anderen Blindleistung entsprechen. Die Kurve kann auch in aneinander angesetzte, sich ablösende Teilkurven aufgelöst werden. Schliesslich kann man auch eine stufenweise, mehr oder weniger grobe Aenderung der Phasenkompensation vornehmen. Im Grenzfall kann man sich- mit einem einzigen Sprung begnügen.
Wenn statt eines Blindleistungsreglers ein Blindstromregler oder ein Leistungsfaktorregler verwendet wird, können die Sollwerte dieser Regler sinngemäss beeinflusst werden.
Selbstverständlich hat die vorgeschlagene Betriebsweise auch für einen in bekannter Weise aus statischen Gliedern angebauten Regelsatz Bedeutung. Dort kann die totale Leistung der Thyristoren und Dioden in analoger Weise reduziert werden, indem die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch RUckstellung des Sollwertes des Leistungsfaktor- oder Blindleistungsreglers in Abhängigkeit vom Istwert der Wirkleistung erfolgt.
Es sei abschliessend nochmals darauf hingewiesen, dass sich die im obigen beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers bei den Umformern der eingangs genannten Art anwenden lassen, ohne dass Eingriffe in den eigentlichen Aufbau der jeweiligen Anlagen vorgenornmen werden müssen.Aus diesem Grunde wurde auch die Beschreibung der einzelnen Regler, Messwertgeber etc.- verzichtet, d; diete Stand der Technik sind.

Claims

P a t e n t a n s p r u c h e

1. Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumforzers, bestehend aus einer Synchronmaschine und einer Asynchronmaschine mit einem in Kaskade geschalteten Regelsatz, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ueberschreitung eines Grenzwertes der Spannung des Regelsatzes verhindert wird durch Verminderung der Fhasenkompensation der Asynchronmaschine mittels Beeinflussung des Sollwertes des in dieser Richtung wirkenden Reglers durch über Messwertgeber eingegebene Messwerte.

2. Verfahren zum Betrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,,dass die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von ihrer AJirkleistung erfolgt.

3. Verfahren zum Betrieb nach Anspruch 1, dadurch geRennzeichnet, dass die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von ihrem Schlupf erfolgt.

4. Verfahren zum Betrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine bei konstanter Netzfrequenz in Abhngigkeit von ihrer Drehzahl erfolgt.

5. Verfahren zum Betrieb nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von ihrer Schleifringspannung erfolgt.

6. Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers nach Anspruch 1 mit ständererregter Kommutator-Hintermaschine und mit Anordnung für Regelung auf Wirk- und.

Blindleistung, dadurch gekennzeichnet, dass die Werminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Blindleistungsreglers in Abhängigkeit von Istwert der Wirkleistung erfolgt.

7. Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers nach Anspruch 1 mit ständererregter Kommutator-Hintermaschine und mit Anordnung für Regelung auf Wirk- und Blindleistung, dadurch gekennzeichnet, dass-die Verminderung der Phasenkomnensation der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Leistungsfaktör-Regle'rs- in Abhängigkeit vom Istwert d-er-Wirkleistung erfolgt.

8. Verfahren zum Betrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim motorischen, untersynchronen Lauf der Asynchronmaschine die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine sowohl in Abhängigkeit von ihrer Wirkleistung als auch von ihrem Schlupf erfolgt.

9. Verfahren zum Betrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim generatorischen, übersynchronen Lauf der Asynchronmaschine die Verminderung der Phasenkompensat-ion der Asynchronmaschine in Abhägigkeit von ihrer Wirkleistung und von ihrem Schlupf erfol gto 10.. Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers nach Anspruch 1 mit einem aus statischen Gliedern aufgebauten Regelsatz, der Regelkreise für Wirkleistung und Leistungsfaktor der Asynchronmaschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Leistangsfaktor-Reglers in Abhängigkeit vom Istwert der Wirk-.

leistung erfolgt.

11. Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers nach Anspruch 1 mit einem aus statischen Gliedern aufgebauten Regelsatz der Regelkreise für Wirk- und Blindleistung der Asynchronmaschine aurwetste dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch RUckstellung des Sollwertes des Blindleistungsreglers in Abhängigkeit, vom Istwert der Wirkleistung erfolgt.