DE2062853B2

DE2062853B2 - Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers

Info

Publication number: DE2062853B2
Application number: DE2062853A
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. Dr. Ennetbaden Rauhut (Schweiz)
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1970-12-03
Filing date: 1970-12-21
Publication date: 1979-02-01
Also published as: AT310305B; DE2062853C3; CH539355A; DE2062853A1

Description

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 geschaJtet ist bestehen. Die Wirkleistung und die Blindleistung der Asynchronmaschine werden durch Steuerung der Erregung der Kommutatormaschine geregelt Ein solcher Maschinensatz ist beispielsweise in den Brov/n Boveri Mitteilungen 51 (1964) 8/9, Seiten 493 bis 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<p=l. 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 obengenannten Literaturstelle beschrieben ist. Dieser besteht aus einer Dreiphasen-Asynchronmaschine, einer Einphasen-Synchronmaschine und einer Kommutatormaschine (ζ. Β. einer Scherbiusmaschine). Da die Frequenz der Dreiphasen-Asynchronmaschine (50 Hz, Landesversorgungsnetz) als praktisch konstant angesehen werden kann, entspricht ihr Schlupf der Frequenzdifferenz der Einphasen-Synchronmascnine vom Nennwert (16²Aj Hz, Bahnnetz). Man stellt bei solchen Umformern die betriebsmäßige Frequenzschwankung Aides 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 ⁸A-LaSt mit 4,5% übersynchronem Schlupf. Auf die Kommutatormaschine, hier eine Scherbiusmaschine, hat zwar die kurzzeitige Überbelastung hinsichtlich des Stromes nur geringe Auswirkungen, da sie sich nur wenig erwärmt Von schwerwiegender Bedeutung ist aber die Tatsache, daß (bei Steuerung auf cosqp= 1) ihre Spannung im Punkt C (F ig. 1)um ein Drittel größer ist als im Punkt A (Fi g. 1 — Dauerlast). Die Kommutatormaschine muß demnach für die¹ größte vorkommende Spannung ausgelegt

werden, unabhängig davon, ob diese Spannungserhöhung kurzzeitig oder dauernd vorkommt Bedingt durch die Rücksichtnahme auf den Oberbelastpunkt Q muß die Baugröße der Kommutatormaschine um ein Drittel größer 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 Ruf die Rundfeuersicherheit von Bürstenstift zu Bürstenstift und auf die Funkengrenze hinsichtlich der transformatorischen Spannung zwischen den Bürstenkanten Rücksicht nehmen. Schließlich kann die Spannungserhöhung um ein Drittel durch die Überlast und die dadurch bedingte Erhöhung der Nennleistung der Kommutatormaschine deren Ausführbarkeit in Frage stellen. Dadurch wurden auch der Leistung des Umformers selbst und dem maximalen Schlupf (also dem Bereich der gegenseitigen Schwankungen der Netzfrequenzen) unangenehme Grenzen gesetzt. Dies li."gt konträr zu dem Interesse an der Steigerung der Umformerleistung, die mit dem Ausbau der Netzkapazität Schritt halten sollte.

Aus der DE-PS 6 42 118 ist nun ein elastischer Netzkupplungsumformer bekanntgeworden, der aus einer Synchronmaschine und einer Asynchronmaschine mit einem in Kaskade geschalteten Regelsatz besteht, wobei eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, die bei einer Überschreitung eines Grenzwertes der Spannung des Regelsatzes entweder die Hauptmaschine oder den Erregerkreis der Hintermaschine abschaltet. Dieses Vorgehen hat jedoch Betriebsstörungen oder gar eine Betriebsunterbrechung zur Folge.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers anzugeben, das eine optimale Ausnutzung der Kommutatormaschine ermöglicht, ohne daß Betriebsstörungen oder gar -Unterbrechungen auftreten.

Die vorgenannte Aufgabe wird bei einem Netzkupplungsumformer der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Überschreitung 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.

Die Bedeutung der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem Bekannten liegt insbesondere darin, daß die für den Betrieb entscheidende Wirkleistungslieferung des Umformers keineswegs tangiert wird, was in besonders zweckmäßiger Weise durch Eingriff in die Steuerung des Blindleistungsreglers erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Umformers beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Betriebszustände eines elastischen Netzkupplungsumformers,

Fig.2 ein Prinzipschaltbild eines bekannten elastischen Netzkupplungsumformers,

F i g. 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 Emphasen-Synchronmaschine 2 gekuppelt, die auf das 16²Z₃-H
wirkt Weiterhin ist die Asynchronmaschine 1 mit einer Scherbiusmaschine 3 gekuppelt, wobei die Scherbiusmaschine 3 mit der Läuferwicklung (nicht eingezeichnet) der Asynchronmaschine über deren Schleifringe in Reihe geschaltet ist Mit der Scherbiusmaschine ist ferner ein Frequenzumformer 4 gekuppelt Die Erregung der Erregerwicklung 5 der Scherbiusmaschinc 3 erfolgt durch eine Dreiphasen-Erregermaschine 6.

id Diese Maschine ist eine Scherbiusmaschine mit starker Gegenkompound-Wicklung 7. Ihren Erregerstrom bezieht sie über einen 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 Ii. Sein Läufer weist eine normale Dreiphasenwicklung auf, die an Schleifringe angeschlossen ist. Sein Ständer trägt die beiden Erregerwicklungen 12,13, die elektrisch

2» 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 auch die Speisung des Asynchronmotors 10.

r> Die mit den beiden Erregerwicklungen 12,13 verbundene Steuereinrichtung 16 steuert über die Erregerwicklung 12 die Wirkleistung der Asynchronmaschine 1. Durch die Erregerwicklung 12 kann der Leerlaufpunkt der Kennlinie der Asynchronmaschine 1 eingestellt, d. h.

j" ihre Kennlinie parallel verschoben werden. Auf diese Weise steuert der (nicht eingezeichnete) Wirkleistungsregler die Durchgangsleistung des Umformers. Über den (nicht eingezeichneten) Blindleistungsregler kann die Blindleistung der Asynchronmaschine 1 gesteuert

r> 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 grundlegen-

4Ii de Beziehungen abgeleitet werden. In den folgenden Gleichungen bedeuten

U:	Netzspannung
E:	induzierte E.M.K.
1:	Strom
r.	Resistanz
x:	Reaktanz
Index 1:	Statorwicklung Asynchronmaschine
Index 2:	Rotorwicklung Asynchronmaschine
Index k:	Scherbiusmaschine
Indexe:	Komponente des Streuflusses
Apostroph':	Reduktion des Primär- auf den

Sekundärkreis
Ks ist

E₁ = % = - j ■ χ ■ (T₁ -ι T₁).

V*i - ('Ι Κ/

Tl

El = 0.

s ■ E₁ - (η, t / ■ .s · .ν,,,) ■ T +■ E_k

Man erhält somit

Ek = Ι-./' Λ + s ■ B) V[ - (Γ + /' s · D) /,', worin A = r„,.v₂. B=I+ .V₁₁₁₁-¹X₂. C = r„(l +.χ;,,*,).

D = .ν', + Λ' ι, + .ν', ■ Λ' „.ν,.

(6.1)
(6.2)
(6.3)
(6.4)

Zerlegt man nun /, in die Wirkkomponente /,,, und die Blindkomponente I_{1 q} gemäß F i g. 3, welche für den übererregten Hall gezeichnet ist. wobei Ig </ > 0. so erhält man die folgende Beziehung

Ί —

+ ha =

Mit Einsatz von (7) in (5) wird:

T_k = s ■ B ■ Ü] + ( - C + s- tg 7 ■ D) If_n - j [ÄU\ + (sD + tg 7 O /Γ_Ρ].

Schließlich:

E_k = \ [s ■ B ■

{-C

-tg₇

]² + (s ■ D + tg,, ■ C) /' ]².

Nähere Einzelheiten sind beispielsweise in »Brown Boveri Mitteilungen« Bd. 51 (1964), Heft 8/9, Seiten 493 bis 506, beschrieben.

Für einen Netzkupplungsumformer gemäß F i g. 2, mit einem Frequenzband nach F i g. 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 Scherbiusmaschine ausgerechnet Daraus sind die Kurven der F i g. 4 entstanden. Abszisse ist der Blindstrom /,, in % des Wirkstroms h_p 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 Schlupf, andererseits der Cosg> der Asynchronmaschine für 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 Scherbiusmaschine auch bei Überlast auf dem Wert bei Nennlast (z. B. Blindleistung = 0; cos<)5 = l) halten kann. Man erreicht dies erfindungsgemäß dadurch, daß man die Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch die Scherbiusmaschine vermindert im gewählten Fall also durch Übergang auf entsprechende Untererregung. Zu diesem Zweck beeinflußt man den Sollwert des Blindleistungsreglers durch Eingabe von Meßwerten über Meßwertumformer so, daß die Spannung der Scherbiusmaschine den zuvorgennanten Vollast-Wert nicht überschreitet Dafür ist folgende Reduktion in Richtung der Untererregung nötig:

bei 8/4- Last auf 83% Blindleistung/cosg> = 0,924; bei 6/4-Last auf 37% Blindleistung/cosg> =0,97.

Daß dabei die Phasenkompensation der Asynchronmaschine immer noch sehr günstig ist, wird aus der F i g. 5 ersichtlich, welche das Kreisdiagramm (Kreis K mit Mittelpunkt Ai) ohne Phasenkompensation und die zuvorerwähnten Punkte mit voller (A/B/Q und

60

65 reduzierter (D/E) Phasenkompensation darstellt. E: gelten A für 4/4-Last, B/D für 6/4-Last und C/E fü 8/4-Last Von 0 aus ist der Strom /ι zu messen, von F au der Strom J₂. Man erkennt, daß die Ströme günstig! Werte haben, daß auch bei Reduktion der Phasenkom pensation der Cosgs gut ist und daß das Kippmomen wesentlich höher liegt als beim Zustand ohne Hinterma schine.

Erfindungsgemäß kann die Eingabe in den Regler zu Sollwertänderung der Blindleistung bzw. des Blindstro mes bzw. des Leistungsfaktors von folgenden Kriteriei abhängig gemacht werden: von der Wirkleistung, von Schlupf, bei konstanter Netzfrequenz der Asynchron maschine von deren Drehzahl. Die Kriterien bestimmet das jeweils notwendige Maß der Sollwertänderung. Di* Kriterien selbst beruhen auf Meßwerten, die mittel! Meßwertumformer in elektrische Größen, z. B. ir Gleichspannung umgewandelt werden, wodurch sie it einfacher Weise dem Sollwertgeber zugeführt werdet können. Bei den Konventionellen Netzkupplungsumfor mern sind für die Wirk- und Blindleistungsreglei Diskriminatoren vorhanden, die als Meßwertumformei arbeiten und die genannten Größen in Gleichspannun gen abbilden. Diese Umformer haben auch Sollwertge ber. Der Erfindungsgedanke kann hier also mi belanglosem Aufwand verwirklicht werden; der Ge winn, nämlich eine Verkleinerung der Typenleistung de: Scherbiusmaschine auf etwa 75%, ist aber beachtlich.

Besonders wichtig ist der Einsatz der neuen Method« zur Kontrolle der Spannung des Regelsatzes be folgenden beiden Betriebszuständen der Asynchronma schine: motorisch untersynchron bzw. generatoriscl übersynchron.

Man kann auch die Schleifringspannung der Asyn chronmaschine, die mit der Kommutatorspannung de z. B. vorhandenen Kommutator-Hintermaschine prak tisch fibereinstimmt, überwachen und besonders bei dei zuvorgenannten Betriebszuständen bei Oberschreitunj eines Grenzwertes ein Regelgerät zum Eingriff bringer welches durch passende Veränderung der Phasenkom

pensation der Asynchronmaschine deren Schleifringspannung auf den Grenzwert zurückregelt und bei Andauern des kritischen Betriebszustandes auf ihm hält. Wenn wir noch einmal den Fall der »klassischen« Anordnung mit Scherbiusmaschine oder Lydallmaschine betrachten, ist folgende Ausführungsform für das vorgeschlagene Verfahren besonders vorteilhaft: Ein Wirkleistungsregler und ein Blindleistungsregler werden sowieso vorhanden sein. Im allgemeinen 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 F i g. 5 dargestellt ist, längs der Kurve A, D, E geschieht, ist auf einfache Weise verhindert, daß bei Überlast die Spannung der Scherbiusmaschine 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 Änderung 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 aufgebauten Regelsatz Bedeutung. Dort kann die totale Leistung der Thyristoren und Dioden in analoger Weise reduziert werden, indem die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Leistungsfaktoroder 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 vorgenommen werden müssen. Aus diesem Grunde wurde auch auf die Beschreibung der einzelnen Regler, Meßwertgeber usw. verzichtet, da diese Stand der Technik sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers, bestehend aus einer Synchronmaschine und einer Asynchronmaschine mit einem in Kaskade geschalteten Regelsatz, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberschreitung 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von ihrer Wirkleistung erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von ihrem Schlupf erfolgt

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine bei konstanter Netzfrequenz in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von ihrer Schleifringspannung erfolgt

6. Verfahren nach Anspruch 1 mit ständererregter Kommutator-Hintermaschine und mit Anordnung für Regelung auf Wirk- und Blindleistung, dadurch gekennzeichnet daß die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Blindleistungsreglers in Abhängigkeit vom Istwert der Wirkleistung erfolgt

7. Verfahren nach Anspruch 1 mit ständererregter Kommutator-Hintermaschine und mit Anordnung für Regelung auf Wirk- und Blindleistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Leistungsfaktor-Reglers in Abhängigkeit vom Istwert der Wirkleistung erfolgt.

8. Verfahren 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 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß beim generatorischen, übersynchronen Lauf der Asynchronmaschine die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine in Abhängkgkeit von ihrer Wirkleistung und von ihrem Schlupf erfolgt

10. Verfahren 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 Leistungsfaktor-Reglers in Abhängigkeit vom Istwert der Wirkleistung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem aus statischen Gliedern aufgebauten Regelsatz, der Regelkreise für Wirk- und Blindleistung der Asynchronmaschine aufweist dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Blindleistungsreglers in Abhängigkeit vom Istwert der Wirkleistung erfolgt