DE2062853C3 - Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines elastischen NetzkupplungsumformersInfo
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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 geschaltet ist, bestehen. Die Wirkleistung und die
Bündleistung 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
bis 506 beschrieben. Bei derartigen Anlagen wird häufig die Asynchronmaschine zur Phasenkompensation herangezogen,
so da 3 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 COSg)=I. 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. Dhser besteht aus einer Dreiphasen-Asynchronmaschine, einer Einphasen-Synchronmaschine
und einer Kommutatormaschine (z. B. einer Scherbiusmaschine). Da die Frequenz der
Dreiphasen-Asynchronmaschine (50 Hz, Landesversorgungsnetz) als praktisch konstant angesehen werden
kann, entspricht ihr Schlupf der Frequenzdifferenz der Emphasen-Synchronmaschine vom Nennwert (162/3 Hz,
Bahnnetz). Man stellt bei solchen Umformern die betriebsmäßige Frequenzschwankung Δί des Bahnnetzes
in Abhängigkeit von seiner Leistung L durch eine Fläche, «las sogenannte Frequenzband, dar. Alle
Betriebszustände, für welche der Umformer gebaut ist, liegen auf diesem Frequenzband (F i g. 1 zeigt ein
solches). Nehmen wir zunächst an, daß der Umformer an der Grenze seiner Ausnutzungsfähigkeit vollbelastet
laufe: Punkt A, Asynchronmaschine motorisch bei 4ArLaSt mit 3,5% untersynchronem Sichlupf. Wird nun
kurzzeitig Spitzenlast — ebenfalls mit voller Ausnutzung — verlangt, so entspricht dies dem Punkt C:
Asynchronmaschine motorisch bei a/<-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 coscp= 1) ihre Spannung im Punkt C
(F i g. 1) um ein Drittel größer ist als im Dunkt A (F i g. 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 Überbelastpunkt C 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 auf die Rundfeuersicherheit von Bürstenstift zu Bürstenstift ι ο
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 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 det Umformerleistung,
die mit dem Ausbau der Netzkapazität Schritt halten sollte.
Aus der DE-PS 6 42118 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 Hauptmaschi- so
ne 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 j3
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
besonde-s zweckmäßiger Weise durch Eingriff in die Steuerung des Blindleistungsreglers erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Umformers v,
beispielsweise erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Betriebszustände eines elastischen Netzkupplungsumformers,
F i g. 2 ein Prinzipschaltbiid eines bekannten eiasti- wi
sehen Netzkupplungsumformers,
F i g. 3,4, 5 graphische Darstellungen zur Erläuterung
des Verfahrens zum Betrieb des Umformers.
Der in F i g. 2 dargestellte Umformer entspricht dem in der oben genannten Literaturstelle (Brown Boveri t>r>
Mitteilungen ...) beschriebenen. Eine Dreiphasen- worin Asynchronmaschine ? ist direkt mit dem 50-Hz-Netz
verbunden. Diese ist starr mit einer Einphasen-Syn- r"
chronmaschine 2 gekuppelt, die auf das 162/3-Hz-Netz
wirkt. Weiterhin ist die Asynchronmaschine 1 mit einer Scherbiusmaschine 3 gekuppelt, wobei die Scherbiusnaschine 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 Scherbiusmaschine 3
erfolgt durch eine Dreiphasen-Erregermaschine 6. 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
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, vom einem Vansfonnator 14 aus
dem Dreiphasen-50-Hz-Netz gespeist :n Synchronmotor 15 angetrieben. Der genannte Transformator 14
übernimmt auch die Speisung des Asynchronmotors 10. 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.
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
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 gnujdlegende 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 σ: | Komponente des Streuflusses |
Apostroph': | Reduktion des Primär- auf den |
Sekundärkreis |
Es ist
£,= E2 = -j ■ χ ■ (/; + /2
l'i - (r, +/ ■ .χ;,)
+ E1' = 0.
Man erhält somit
/-.; - I - / · A ί s Hl ( ',' (ί' I / ,ν · I)) /,'. worin
••Ι -"-- 'Ή Vi .
ν „,, t \-
(5) (ft. I) (6.2) (6.3) (6.4)
/erlegt man nun /| in die Wirkkomponente /,,, und die Blindkomponente /,, gemäß I· i μ. 3. welche für den
übererregten l'all gezeichnet ist. wobei tg 7 · 0. so erhält man die folgende Beziehung
/ ■
Mit l'insatz von (7) in (5) wird:
Il1, - ./Mi/,' + IsD t tg7c)/;p|.
Schließlich:
= ι [.ν · B ■ u; + ι - c
tg
Nähere Einzelheiten sind beispielsweise in »Brown Boveri Mitteilungen« Bd. 51 (1964), Heft 8/9, Seiten 493
bis 306, beschrieben.
Für einen Netzkupplungsumformer gemäß F i g. 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 Gleichuni? (9) die induzierte EMK der Scherbiusmaschine
ausgerechnet. Daraus sind die Kurven der F i g. 4 entstanden. Abszisse ist der Blindstrom Λ, in % des
Wirkstroms l\p bei Nennleistung. Ordinaten sind einerseits die Spannung Et der Scherbiusmaschine in %
des Wertes bei motorischem Betrieb der Asynchronmaschine mit 4/4-Last und 3,5% untersynchronem Schlupf,
andererseits der Coscp der Asynchronmaschine für die 3
Parameter 4/4-Last motorisch, 5= +3,5% (untersynchron)— 6'/4-Last motorisch, 5= + 4,0%-8/4-Last motorisch,
s= +4,5%. Aus den Kurven ist ersichtlich, daß man die Spannung der Scherbiusmaschine auch bei
Oberlast auf dem Wert bei Nennlast (z. B. Blindleistung =0; cos<p-i) 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/cos<j>
= 0,924;
bei 6/4-Last auf 37% Blindleistung/cosgp = 0,97.
Daß dabei die Phasenkompensation der Asynchronmaschine immer noch sehr günstig ist, wird aus der Fig.5 ersichtlich, welche das Kreisdiagramm (Kreis K mit Mittelpunkt M) ohne Phasenkompensation und die zuvorerwähnten Punkte mit voller (A/B/C) und + tg7 ■ n
Daß dabei die Phasenkompensation der Asynchronmaschine immer noch sehr günstig ist, wird aus der Fig.5 ersichtlich, welche das Kreisdiagramm (Kreis K mit Mittelpunkt M) ohne Phasenkompensation und die zuvorerwähnten Punkte mit voller (A/B/C) und + tg7 ■ n
reduzierter (D/E) Phasenkompensation darstellt. Es gelten A für 4/4-Ust, B/D für 6/4-Last und C/E für
8/4-LasL Von 0 aus ist der Strom /i zu messen, von Faus
der Strom /?. Man erkennt, daß die Ströme günstige
Werte haben, daß auch bei Reduktion der Phasenkompensation der Cos<p 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 Kriterier abhängig gemacht werden: von der Wirkleistung, vom
Schlupf, bei konstanter Netzfrequenz der Asynchronmaschine von deren Drehzahl. Die Kriterien bestimmen
das jeweils notwendige Maß der Sollwertänderung. Die Kriterien selbst beruhen auf Meßwerten, die mittels
Meßwertumformer in elektrische Größen, z. B. ir Gleichspannung umgewandelt werden, wodurch sie in
einfacher Weise dem Sollwertgeber zugeführt werden können. Bei den Konventionellen Netzkupplungsumformern
sind für die Wirk- und Blindleistungsregler Diskriminatoren vorhanden, die als MeBwerturrr,">rmei
arbeiten und die genannten Größen in Gleichspannungen abbilden. Diese Umformer haben auch Sollwertgeber.
Der Erfindungsgedanke kann hier also mit belanglosem Aufwand verwirklicht werden; der Gewinn,
nämlich eine Verkleinerung der Typenleistung dei
Scherbiusmaschine auf etwa 75%, ist aber beachtlich.
Besonders wichtig ist der Einsatz der neuen Methode zur Kontrolle der Spannung des Regelsatzes be
folgenden beiden Betriebszuständen der Asynchronma schine: motorisch untersynchron bzw. generatoriser
übersynchron.
Man kann auch die Schleifringspannung der Asyn
chronmaschine, die mit der Kommutatorspannung dei z. B. vorhandenen Kommutator-Hintermaschine prak
tisch übereinstimmt überwachen und besonders bei der zuvorgenannten Betriebszuständen bei Überschreitunj
eines Grenzwertes ein Regelgerät zum Eingriff bringen 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 WifkleisliMigsregler 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.
IKr/u -t BIaIt /.eiehnumieii
Claims (11)
1. Verfahren zum Betrieb eines elastischen Netzkupplungsumformers, besiehend aus einer s
Synchronmaschine und einer Asynchronmaschine mit einem in Kaskade geschalteten Regelsatz,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Überschreitung eines Grenzwertes der Spannung des
Regelsatzes verhindert wird durch Verminderung in 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 gekenn- η
zeichnet, daß die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von
ihrer Wirkleistung erfolgt
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
d.\ß die Verminderung der Phasenkompen- jo
sation 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 Schlt .'ringspannung 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 Phasen- r>
kompensation 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 w
für Regelung auf Wirk- und Blindleistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung der Phas°nkompensation
der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Leistungsfaktor-Reglers
in Abhängigkeit vom Istwert der Wirkleistung -n erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim motorischen, untersynchronen
Lauf der Asynchronmaschine die Verminderung der Phasenkompensation der Asynchronmaschine so- vi
wohl 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 t,o
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 h> 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, dall die Verminderung der Phasenkompensation
der Asynchronmaschine durch Rückstellung des Sollwertes des Blindleistungsreglers in Abhängigkeit
vom lsi wert der Wirkleistung et folgt
Applications Claiming Priority (1)
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-
1971
- 1971-09-20 AT AT813871A patent/AT310305B/de not_active IP Right Cessation
Also Published As
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