DE2221877A1

DE2221877A1 - Anordnung zur spannungsregelung von synchronmaschinen

Info

Publication number: DE2221877A1
Application number: DE19722221877
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl-Ing Waldmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-05-04
Filing date: 1972-05-04
Publication date: 1973-11-15
Also published as: GB1430844A; JPS537001B2; BE799080A; CA993040A; SE389241B; US3855519A; FR2183245A1; CH551714A; JPS4949105A; FR2183245B1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den ^ 3. MAl #72 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str. 50

Unser Zeichen: VPA"72/3047 Hak/Or

Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf eine Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen mit einem Stellglied für den Erregerstrom. Wie bei allen Regelungen, besteht auch hier der Wunsch nach optimaler Anpassung der Reglerkennwerte an die Parameter der Regelstrecke zur Erzielung eines günstigen dynamischen Verhaltens. Die für die Spannungsregelung wichtigen Maschinenparameter, wie Erregerzeitkonstante und Regelstreckenverstärkung sind nun jedoch in starkem Maße vom Belastungszustand der Synchronmaschine abhängig. So können sich beispielsweise sowohl die Regelstreckenverstärkung als auch die Erregerzeitkonstante um eine Größenordnung ändern, wenn man eine leerlaufende Synchronmaschine an das Netz schaltet. Man konnte bisher die optimale Einstellung höchstens nur für einen ganz bestimmten LastBustand vornehmen und mußte dann bei den übrigen auftretenden Betriebszuständen in aller Regel eine wesentlich schlechtere Dynamik in Kauf nehmen.

Aufgabe der Erfindung ist, bei sämtlichen Betriebszuständen der Synchronmaschine eine optimale Anpassung des Reglers an die Regelstrecke zu erreichen und so stets ein gleich günstiges dynamisches Regelverhalten sicherzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine die Ankerrückwirkung kompensierende Aufschaltung auf das Stellglied und einen für den Leerlauffall an die Synchronmaschine optimal angepaßten Spannungsregler. Die optimale Einstellung bzw. Anpassung der Reglerparameter an die

- 2 309846/0242

VPA 72/3047

Regelstrecke kann dabei nach den Kriterien eines beliebigen Optimums, beispielsweise des Betragsoptimums oder des symmetrischen Optimums erfolgen. Grundgedanke der Erfindung ist es also, die Reglereinstellung für den Leerlauffall zu optimieren und beim Auftreten einer Belastung, d.h. einer Ankerrückwirkung, das Ausgangssignal des Spannungsreglers genau um den Betrag zu verändern, der nötig ist, um auch bei einer auftretenden Belastung die vorgeschriebene Synchronmaschinenspannung zu halten.

Man könnte daran denken, den Betrag der Ankerrückwirkung unmittelbar mit Hilfe von relativ komplizierten Punktionsgeneratoren nachzubilden, um so zu der erforderlichen Kompensationsgröße zu gelangen. Wesentlich einfacher ist es jedoch nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Spannung im Eingangskreis des Stellgliedes aufzuschalten zur Kompensation der vom Ständerstrom in der Polradlängsachse hervorgerufenen Rückwirkung und die Ausgangsgröße des Spannungsreglers mit einem dem Kosinus des Lastwinkels proportionalaiGröße zu modulieren.

In besonders einfacher Weise läßt sich die erforderliche Kompensationsgröße für die vom Ständerstrom in der Polradlängsachse hervorgerufene Rückwirkung gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß eine mit der in Richtung der Polradlängsachse liegenden Ständerstromkomponente beaufschlagte Feldnachbildung vorgesehen ist, deren Eingangsgröße auf einen Integrator in gegenkoppelndem Sinne auf den Erregerspannungseingang der Peldnachbildung zurückgeführt und die Ausgangsspannung des Integrators zusätzlich dem Eingang des Erregerstromstellgliedes zugeführt ist, wobei gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Integrierzeit des Integrators zweckmäßigerweise mindestens eine Größenordnung kleiner als die Erregerzeitkonstante gewählt ist. Besonders

3098 4 6/0242 ~³"

VPA 72/3047

— 3 —

einfach läßt sich die Modulation des Reglerausgangssignals mit dem Kosinus des Lastwinkels in weiterer Ausgestaltung der Erfindung erreichen mit einem zwischen dem Spannungsregler und dem Erregerstromstellglied angeordneten Multiplizierer, dessen zweiter Eingang vom Ausgangssignal eines Vektoranalysators beaufschlagt ist, der eingangsseitig mit zwei von weiteren Feldnachbildungen erzeugten, dem PoI-radlängsfuß xmd dem Polradquerfuß proportionalen Spannungen verbunden ist.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Stromdiagramm der Synchronmaschine. Für den Leerlauffall ( Betriebspunkt I) entspricht der Erregerstrom i genau den erforderlichen Magnetisierungsstrom i/U. Wird die Maschine nun induktiv belastet, (Betriebspunkt II) dann muß der Erregerstrom i gegenüber dem Leerlauffall um einen Betrag <Δϊ vergrößert'werden, um die vom Belastungsstrom i-, hervorgerufene Rückwirkungjaufzuheben. Der Spannungsregler soll nun erfindungsgemäß den Beitrag zum Erregerstrom liefern, welcher dem Magnetisierungsstrom i /u entspricht, während der restliche Teil des Erregerstromes durch eine zusätzliche Beaufschlagung des Erregerstromstellglied'es aufgebracht werden soll.

Fig. 2 zeigt ein Stromdiagramm bei ohmisch-induktiver Belastung der Synchronmaschine, Der Erregerstromvektor i bildet mit der Blindstromachse B den Lastwinkel ß , der Ständerstromvektor I schließt mit der Wirkstromachae W den Winkel ^Φ O ein und weist demzufolge auch einen Wirkstromanteil auf. Infolge dieses Ankerstromes ergeben sich zwei Rückwirkungskomponenten i ·, und i in Richtung bzw. quer zur Polradlängsachse, von denen die Komponente i einen Anteil des erforderlichen Magnetisierungsstromes i /u liefert.

309846/0242

VPA 72/3047

Wird entsprechend dem Fall der reinen induktiven Belastung nun ebenfalls ein Beitrag bereitgestellt, welcher die in Richtung der in Polradlängsachse zeigenden Komponenten i-, kompensiert,dann ware der vom Spannungsregler noch zu liefernde Beitrag i /ud zum erforderlichen Gesamterregerstrom i kleiner, als es beim Leerlauf der Fall wäre. Soll e

dem Spannungsregler also auch hier der Leerlauffall vorgetäuscht werden, so ist dessen Ausgangsgröße um einen Faktor zu reduzieren, der wie aus Fig. 2 hervorgeht, gleich dem Kosinus des Lastwinkels P ist.

Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel. Eine Synchronmaschine 1 ist mit ihren Ständerwicklungen an ein Drehstromnetz Ή angeschlossen. Das Polrad trägt die Erregerwicklung 2; ihr in Richtung der Polradlängsachse erzeugte Fluß ist mit 0_d und ihr in Richtung der Polradquerachse erzeugte Fluß ist mit 0 bezeichnet. Gespeist wird die Erregerwicklung 2 von einem steuerbaren Gleichrichterstellglied 3, wobei dessen Eingangssteuergröße Y proportional seiner Ausgangsgröße - der Polraderregerspannung sei. Es ist weiterhin ein Spannungsregler 4- vorgesehen, in dessen Eingangskreis der Regelvergleich zwischen einer vorgegebenen Sollwertspannung U* und dem Netzspannungsistwert U stattfindet. Der Spannungsregler 4 ist als PI-Regler ausgebildet, seine Proportionalverstärkung und seine Vorhaltzeit seien nach den Kriterien beispielsweise des symmetrischen Optimums an an die Synchronmaschine im Leerlauf angepaßt. Der Ausgang des Spannungsreglers 4 ist mit dem einen Eingang eines Multiplizierers 5 verbunden, an dessem anderen Eingang eine Spannung anliegt, welche dem Kosinus des Lastwinkels ß> entspricht. Dem Aus gangs signal des Multiplizierers 5 wird in einem Mischglied 6 - beispielsweise in Form eines Addierverstärkers - eine Spannung ^U-, zugeführt, welche - wie im Zusammenhang mit Fig. 1 u. 2

309846/0242 " ⁵ -

VPA 72/3047 _ 5 —

erwähnt - für sich allein genau die vom Ankerstrom in der Polradlängsachse i, hervorgerufene Rückwirkung kompensieren soll.

Zur Bildung der Kompensationsgröße &U£ und cos β werden zwei Strangströme des Ständerstromes mittels Stromwandler erfaßt und in einem Koordinatenwandler 8 in an sich bekannter Weise zunächst in zwei Spannungen i - ie umgerechnet, welche

vektor **■ Γ

zwei den Ständerstrom) in einem ständerorientierten rechtwinkeligen Koordinatensystem beschreibenden Komponenten proportional sind. Diese Komponentenspannungen i~ und i β werden dann in ebenfalls bekannter Weise mittels eines Vektordrehers VD in entsprechende polradachsenorientierte Größen i, und i umgeformt, wozu dem Vektordreher VD noch die Ausgangsspannungen sino^-, cos c*- eines mit dem Polrad der Synchronmaschine gekuppelten Drehmelders 7 zugeführt sind. Der Winkel ex stellt dabei die Verdrehung des Polrades gegenüber einer Ständerwicklungsachse dar. Die Ausgangssignale 1-, und i des Vektordrehers VD, welche den Ständerstromkomponenten in der Längs- und Querachse des Polrades entsprechen, wirken über Umkehrverstärker 9 und auf die Eingänge zweier Feldnachbildungen 11 und 12 für den Längsfluß 0, und den Querfluß 0 , wobei dem Eingangskreis der Feldnachbildung 11 für den Längsfluß #L als weitere Eingangsgröße noch eine erregerstromproportionale Spannung i zugeführt ist. Weist die Synchronmaschine 1 keine Dämpferwicklungen auf, dann bestehen die Feldnachbildungen 12 und einfach aus zwei über Widerstände gegengekoppelten Verstärkern, wobei das Verhältnis von Gegenkopplungswiderstand zum Eingangswiderstand der Hauptinduktivität der Feldwicklung entspricht. Die Ausgangsspannungen der Verstärker und 12, d.h. die der Längsflußkomponente 0^ und der Querflußkomponente 0 proportionalen Spannungen beaufschlagen die Eingangsklemmen 13 und H eines mit VA bezeichneten

309846/0242 " ⁶

VPA 72/3047

Vektoranalysators, an dessen mit einem Eingang des Multiplizierers 5 verbundener Ausgangsklemme 15 dann eine dem Kosinus des Winkels zwischen diesen beiden Flußkomponenten proportionale Spannung auftritt. Ein solcher Vektoranalysator ist an sich nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 94-1 312 bekannt und braucht deshalb bezüglich seines Aufbaues nicht näher beschrieben zu werden.

Zur Bildung der Kompensationsgröße A¹^f als Funktion von der in der Polradlängsachse wirksamen Ankerdurchflutung i-, ist eine weitere Feldnachbildung 16 vorgesehen, welche im Prinzip gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 917 567 bekannt ist und deshalb nur noch bezüglich ihrer wesentlichen Merkmale erläutert werden soll. Diese Feldnachbildung besteht aus einem als Konstantstromquelle beschalteten Verstärker 17, bei welchem für die Widerstandswerte der zwischen seinen mit - und + bezeichneten Eingängen und seiner Eingangsklemme 18 bzw. dem Bezugspotential liegenden Widerstände R1 und R5 und der Rückkopplungswiderstände R2 bzw. R3 + R4 die Beziehung gilts RI (R3 + R4) = R5 * R2. Der Verbindungspunkt der Widerstände R3 und R4 ist an den Verbindungspunkt eines Widerstandes R-,.* mit einem Kondensator C » angeschlossen, welcher sich im Gegenkopplungszweig eines weiteren Verstärkers 19 befindet. Der Verstärker 19 ist weiterhin noch mittels eines Widerstandes R,, gegengekoppelt. Auf diese Weise wird am Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C ^ und R, „ ein konstanter Strom Ai~ eingeprägt, welcher stets proportional zu der an der Eingangsklemme 18 liegenden Spannung ^Uf ist. Dem Eingang des Verstärkers 19 wird die in der Polradlängsachse wirkende Komponente des Ständerstromes i, zugeführt. Wird nun der Widerstandswert des Widerstandes R,, der Hauptinduktivität der Feldwicklung, der des Widerstandes R-, ~ der Streuinduktivität der Feldwicklung und ist der Kapazitätswert des Kondensators C^

30984 6/0242 ~ ⁷ ~

VPA 72/3047

■umgekehrt proportional zum ohmschen Widerstand der Feldwicklung gewählt, dann stellt die Einrichtung 16 eine exakte Nachbildung der Längsfelderregung dar. Damit nun . mit dieser Nachbildung diejenige Erregerspannung AUf bestimmt werden kann, welche erforderlich ist, um die von der Stromkomponente i, hervorgerufene Rückwirkung zu kompensieren, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 19 dem Eingang eines Integrators. 20 zugeführt, dessen Ausgangssignal im gegenkoppelnden Sinne auf den Erregerspannungseingang .18 der Feldnachbildung 16 geführt ist. Der Integrator 20, dessen Integrierzeit zur Erzielung einer großen Abgleichgeschwindigkeit zweckmäßigerweise mindestens eine ffrößenordnung kleiner als die Zeitkonstante des Erregerkreises gewählt ist, wird dann solange sein Ausgangesignal verändern, bis seine Eingangsgröße zu Null geworden ist, d.h. bis unter entsprechender Veränderung der an der Klemme 18 anliegenden Spannung &Tlf der ihr proportionale Erregerstrom Δ if den Strom i_d kompensiert hat. Die auf diese Weise selbsttätig ermittelte Kompensationsgröße ^s Gf wird dem Mischglied 6 zugeführt.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß es bei der beschriebenen geregelten Störgrößenkompensation nicht erforderlich ist, daß ein proportionaler Zusammenhang besteht zwischen der aufgeschalteten Kompensationsgröße AUf und dem durch sie bewirkten Anteil des Erregerstromes i . Stets wird nämlich der als Regler wirkende Integrator 20 den exakten Kompensationsabgleich sicherstellen.

6 Patentansprüche
3 Figuren

- 8 309846/0-242"

Claims

Patentansprüche

VPA 72/3047 - 8 -

( 1. !Anordnung zur Spannungsregelung von Synchronmaschinen mit ^"^^ einem Stellglied für die Erregung, gekennzeichnet durch eine die Ankerrückwirkung kompensierende Aufschaltung auf das Stellglied (3) und einen für den Leerlauffall an die Synchronmaschine (1) optimal angepaßten Spannungsregler (4).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung (ZSU.,) im Eingangskreis des Stellgliedes aufgeschaltet ist zur.Kompensation der vom Ständerstrom in der Polradlängsachse hervorgerufenen Rückwirkung und daß die Ausgangsgröße des Spannungsreglers (4) mit einer dem Kosinus des Lastwinkels ( /3 ) proportionalen Größe moduliert ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der in Richtung der Polradlängsachse liegende Ständerstromkomponente (i,) beaufschlagte Feldnachbildung (16) vorgesehen ist, deren Eingangsgröße über einen Integrator (20) in gegenkoppelndem Sinn auf den Erregerspannungseingang (18) der Feldnachbildung zurückgeführt und die Ausgangsspannung des Integrators zusätzlich dem Eingang des Erregerstromstellgliedes zugeführt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Spannungsregler (4) und dem Erregerstromstellglied (3) angeordneten Multiplizierer (5)>dessen zweiter Eingang vom Ausgangesignal (cos ß ) eines Vektoranalysators (VA) beaufschlagt ist, der eingangsseitig mit zwei von weiteren Feldnachbildungen (11, 12) erzeugten, dem Polradlängsfluß und dem Polradquerfluß proportionalen Spannungen (0,, 0 ) verbunden ist.

309846/0242

VPA 72/3047
5. Anordnung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung zweier, den Ständerstromkomponenten in der Polradlängs- und Querachse proportionalen Spannungen (i,, i ) ein Vektordreher (VD) vorgesehen ist, der eingangsseitig mit zwei orthogonalen, ständerbeζogenen Komponenten des Standerstromvektors (I₀* » i/3) und den zwei Aus gangs spannungen (sine/·, cos ©c ) eines mit dem Polrad gekuppelten Drehmelders (7) beaufschlagt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierzeit des Integrators (20) mindestens eine Größenordnung kleiner als die Erregerzeitkonstante gewählt ist.

309846/0242

JiO .

Leerseite