DE2813503C2 - Anordnung zur Regelung der Klemmenspannung eines Generators - Google Patents

Anordnung zur Regelung der Klemmenspannung eines Generators

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DE2813503C2
DE2813503C2 DE2813503A DE2813503A DE2813503C2 DE 2813503 C2 DE2813503 C2 DE 2813503C2 DE 2813503 A DE2813503 A DE 2813503A DE 2813503 A DE2813503 A DE 2813503A DE 2813503 C2 DE2813503 C2 DE 2813503C2
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Satoshi Kitamura
Yasushi Hitachiota Momochi
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Hitachi Ltd
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung der Klemmenspannung eines Generators der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, aus der BBC-Mitteilung 9-69. Seiten 453—465 bekannten Art.
Bei der bekannten Anordnung werden die den Zusaizreglcrn /ugefiihrten Lüngangssignale zur Bildung von Regelsignalen vektoriell verarbeitet.
Dies hat den Nachteil daß für jeden Zusatzregler ein vollständiger Satz von Meßwertaufnehmern und Verarbeitungskomponenten vorgesehen werden muß, da die den einzelnen Zusatzreglern zugrundeliegenden Regelfunktionen jeweils verschieden sind. Dadurch ist auch die Verdrahtung der gesamten Anordnung schwierig und das Hinzufügen odor Ersetzen eines Zusatzreglers aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Anordnung der eingangs genannten Art die Zusatzregler mit e?nem einzigen Satz von skalar zu verarbeitenden Meßgrößen zu versorgen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Es hat sich gezeigt, daß zwei skalare Signale für sämtliche Zusatzregler zur Ausführung der entsprechenden Regelfunktionen ausreichen.
Die erfindungsgernäße Anordnung hat darüberhinaus den Vorteil, daß die Zusatzregler mit Halbleiterbauelementen ausgeführt werden können. Die Zusatzregler können auch durch einen analog oder digital arbeitenden Rechner verwirklicht werden. Zusätzliche Regler sind nachträglich leicht und ohne Änderung der Verdrahtung anzuschließen.
In den Unteransprüchen 2—8 sind vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführuugsbeispiele erläutert Es zeigt
Fig.! eine Schaltung einer ersten Ausführungsform der Anordnung zur Regelung der Klemmenspannung eines Generators,
F i g. 2 eine Schaltung eines Spannungsreglers,
F i g. 3 die Schaltung eines P — Q-Detektors,
F i g. 4 eine Schaltung von Zusatzreglern, F i g. 5 eine Schaltung eines Reglers für die Kompensation des Lei.:ungsspannungsabfalls,
F i g. 6a und 6b eine Schaltung und ein Diagramm zur Erläuterung der Leitungsspannungsabfallkompensationsfunktion,
F i g. 7 eine Schaltung eines Leistungsfaktorreglers,
F i g. 8 in einem Diagramm die Leistungsfaktor-Regelfunktion, F i g. 9 eine Schaltung eines Untererregungsreglers,
F i g. 10 in einem Diagramm eine Begrenzungsfunktioii für eine Untererregung,
F i g. 11 eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform eines Untererregungsreglers,
F i g. 12 eine weitere Begrenzungsfunktion für die Untererregung,
F i g. 13 eine Begrenzungsfunktion für eine Übererregung, Fig. 14 eine Schaltung eines Querstromreglers,
F i g. 15 die Querstromkompensationsfunktion,
F i g. 16 bis 19 und F i g. 22 weitere Ausführungsformen der Anordnung,
F i g. 20 ein Beispiel für einen Detektor zur Ermittlung der Wirkstrom- und Blindstromkomponente und
F i g. 21 üne weitere Schaltung von Zusatzreglern.
Die in F i g. 1 gezeigte Ausführungsform der Anordnung zur Regelung der Klemmenspannung eines Generators zeigt einen Generator 1, eine Feldwicklung 2 des Generators 1, einen Gleichrichter 3, beispielsweise eine Thyristorbrücke, die der Feldwicklung 2 einen Gleichstrom zuführt, einen Transformator 4 für den Gleichrichter 3, einen Leistungsschalter CB, einen Spannungswandler PT, einen Stromwandler CT, eine Bezugsspannimg Vrcf, die von einer eine konstante Spannung erzeugenden Einrichtung zugeführt wird, einen Spannungvegler 5 mit einem Spannungskomparator, einen Detektor 6 zum Feststellen der Wirkleistung fund der Blindleistung Q, einer Rechner 7 zur Ausführung von Rechenoperationen entsprechend den jeweiligen Regelfunktionen in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Detektors 6 und basierend auf Beziehungen, die als Funktion der Wirklcistungskomponente und der Blindleistungskomponente am Ausgang des Generators für die Regelfunktionen des Generatorsyitems bestimmt werden, einen Addierer 8, einen automatischen Impulsphasenschieber 9, dem ein Ausgangssigna! des Transformators 4 zugeführt wird, um den Schieber 9 damit zu synchronisieren, und einen Impulsverstärker iO. Die Einzelheiten eines automatischen Impulsphasenschiebers sind aus der japanischen Auslegeschrift 50-28 233 bekannt.
Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltung anhand von F i g. 1 erläutert.
Die Klemmenspannung des Generators 1 wird über den Strom konstant gehalten, der in der Feldwicklung 2 fließt. Wenn in dem System eine Spannungsschwankung auftritt, wird sie von dem Spannungswandler PT festgestellt. Die von dem Spannungswandler /Vermittelte Spannung wird dem Spannungsreglers zugeführt, in welchem die Spannung mit der Bezugsspannung verglichen wird.
Der Spannungsregler 5 vergleicht diese Spannungen und erzeugt eine Diif-renzspannung Δ Vo. Der automatische Impulsphasenschieber 9 führt einer Steuerelektrode des Gleichrichters 3 über den Impulsverstärker 10 bo einen Steuerimpuls zu, um eine Zündphase des Gleichrichters 3 zu steuern. Dies hat zur Folge, daß das FsId des Generators 1 sich ändert, so daß die Klemmenspannung des Generators so verändert wird, daß die Spsnnungsschwankung ausgeregclt wird. Der beschriebene Aufbau und seine Wirkungsweise sind bekannten Vorrichtungen ähnlich, so daß sich eine weitere Erläuterung erübrigt. In die Schaltung kann eine Schwingungen verhindernde Funktion eingebaut werden.
Die Anordnung zur Regelung der Klemmenspannuns des Generators hat mehrere überlagerte Zusatzregelfunktionen für den Betrieb des Generatorsystems. Diese Funktionen können basierend auf der Wirkleistung P und der Blindleistung Q am Ausgang des Generators erhalten werden. Der Detektor 6 stellt mittels des
Spannungswandlers PT die Klemmenspannung und mittels des Stromwandlers CT den Klemmenstrom des Generators fest. Der Detektor 6 erzeugt ein skalares Signal P, welches die Wirkleistung darstellt, und ein skalares Signal Q, welches die Blindleistung darstellt. Die Signale Pund Q werden dem Rechner 7 zugeführt, der Recheneinheiten hat, welche die entsprechenden der Regelung zugrundeliegenden funktionen durchführen. Der Rechner führt die entsprechenden Funktionen auf der Basis der Signale P und Q aus. addiert die Ergebnisse der Operationen und erzeugt eine Korrekturspannung AVn für die Regelung. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Recheneinheit 7 ein Analogrechner mit einem Operationsverstärker (Rechenverstärker). Der Rechner 7 kann auch ein 16-BlT-Mikrorechner sein, wenn das Ausgangssignal des Detektors 6 analog-digital umgewandelt wird. In diesem Fall wird das Differenzausgangssignal des Reglers 5 ebenfalls in die Digitalforni
ίο gebracht, ehe es zu dem Ausgangssignal der Recheneinheit 7 addiert wird. Die Spannung AVn wird wie die Differenzspannung /SV0 dem automatischen Impulsphasenschieber 9 zugeführt, um die Zündphasc des Gleichrichters 3 zu steuern. In Fig. 1 werden die Spannungen AVn und JV0 durch den Addierer8addiert. Die Summe wird dem automatischen Impulsphasenschieber 9 zugeführt. Einzelheiten der jeweiligen Einheiten werden nachstehend erläutert.
Der Spannungsregler 5 ist in F i g. 2 gezeigt. Er ist in bekannter Weise aufgebaut und hat einen Transformator 50, eine Gleichrichterschaltung 51. eine Komparatorschaltung 52 und eine aktives Filter 53. Die von dem Spannungswandler PT festgestellte Wechselspannung wird durch die Gleichrichterschaltung 51 gleichgerichtet. Die Komnaratorsrhaltiing 52 vergleicht die gleichgerichtete Spannung mit der Bezugsspannung Vr.-i. wodurch eine Differenzspannung erzeugt wird, die dem aktiven Filter 53 zugeführt wird, in welchem hochfrequente Komponenten beseitigt werden. Das Ausgangssignal aus dem aktiven Filter 53 bildet das Differenzspannungssignal//VO-
Der in F i g. 3 gezeigte Detektor 6 ermittelt die Wirkleistung P und die Blindleistung Q. Der Detektor 6 hat einen Transformator 60, Multiplizierschaltungen 61a und 61 b, von denen jede einen Rechenverstärker aufweist, der die Eingangssignale über Widerstände empfängt, sowie aktive Filter 62a und 626. von denen jedes einen Rechenverstärker, Widerstände und Kondensatoren aufweist. Von der Dreiphasen-Wechselspannung des Spannungswandlers PT wird durch den Transformator 60 die R—T-Dreieckspannung Vr7-und die S-Sternspannung Ks abgeleitet. Der Stromwandler CTist mit der S-Phase des GerSratorausgangs verbunden, von ihm wird der S-Phasenstrom is abgeleitet. Die Wirkleistung P wird in Form eines Gleichspannungssignals von der Multiplizierschaltung 61 b und dem aktiven Filtern 626 basierend auf der Spannung Vs und dem Strom /v abgeleitet. Die Blindleistung Q wird in Form eines Gleichspannungssignals von der Multiplizierschaltung 61a und dem aktiven Filter 62a basierend auf der Spannung VRT und dem Strom /5 abgeleitet. Somit sind die Ausgangssignale des Detektors skalare Signale.
Der in Fig.4 gezeigte Rechner 7 hat als Zusatzregler arbeitende Funktionsblöcke 71 bis 79. Der Rechner 7 empfängt das Signal P für die Wirkleistung und das Signal Q für die Blindleistung, die von dem Detektor 6 kommen. Das Signal Pfür die Wirkleistung und das Signal Q für die Blindleistung werden den Funktionsblöcken 71 bis 73 zugeführt, dem Funktionsblock 79 wird allein das Blindleistungssignal Q zugeführt. Der Funktionsblock 79 hat die Funktion, einen Querstrom zwischen den Generatoren zu kompensieren, wenn eine Vielzahl von Generatoren parallel geschaltet sind. Dementsprechend werden die Blindleistungen Q1 ■ ■ - Qm aller Generatoren in Betracht gezogen. Das kombinierte Ausgangssignal JVn der jeweiligen Funktionsblöcke 71 bis 79 werden zusammen mit dem Ausgangssignal /IV0 des Klemmenspannungsreglers 5 dem automatischen Impulsphascnschieber9 als Regelsignal zugeführt.
Der Funktionsblock 71 hat die Funktion, den Spannungsabfall in der Leitung zu kompensieren. Fig.5 zeigt eine diesbezügliche Schaltung. F i g. 6a und 6b veranschaulichen die Funktion. Der Funktionsblock von F i g. 5 hat Phasenumkehrstufen 711a und 7116, von denen jede einen Rechenverstärker und Widerstände aufweist.
Verstärker 712a, 7126 und eine Operationsschaltung 713 die je einen Rechenverstärker und Widerstände aufweisen, sowie Potentiometer VRa und VRb. Die Arbeitsweise wird im folgenden erläutert. Der Block 71 empfängt das Wirkleistungssignal P und das Blindleistungssignal Q, die von dem Detektor 6 kommen. Das Wirkleistungssignai Punddas Blindleistungssignal Q werden durch die Umkehrstufen 71 la bzw. 7116 in — Pund — Q umgekehrt. Die Verstärker 712a und 7126 multiplizieren die umgekehrten Signale — P und — Q mit dem Verstärkungsfaktor — a bzw. —6, die durch die Potentiometer VRa und VRb gesetzt werden, wodurci. die Ausgangssignale aPbzw. 6C? erzeugt werden. Die Verstärkungsfaktoren — a und —6 werden dadurch festgelegt, daß die Potentiometer VRa bww. VRb eingestellt werden, und zwar auf der Basis einer Widerstandskomponente y und einer Blindkomponente K einer zu kompensierenden Leitung. Die Signale aP und bQ werden der Operationsschaltung 713 zugeführt, die als Addierer wirkt, wodurch eine Kompensationsspannung AV\ für den Leitungsspannungsabfall nach der folgenden Gleichung erzeugt wird:
AVi = aP + bQ (2)
Die Leitungskompensationsspannung AV\ wird anhand der Fig.6a und 6b erläutert in diesen Figuren bezeichnet V1 die Klemmspannung des Generators und V1' eine Klemmspannung des Generators auf einer unendlichen Schiene, die von einem Leitungswiderstand γ und einer Leitungsreaktanz bzw. einem Leitungsblindwiderstand K abgeleitet wird. Wie aus F i g. 6b zu ersehen ist, wird eine Kompensationsspannung AVi0 durch folgende Gleichung gegeben:
es AV10= \v,\-\ v;\ (3)
Die von dem Block 71 abgenommene Kompensationsspannung AV\ ist deshalb keine wahre Kompensationsspannung. Die Differenz zwischen den Kompensationsspannungen AVt und AVi0 ist jedoch klein oder liegt
innerhalb 10% einer bei einer maximalen Kompensiiiionskapa/.iiiii gcschiii/ien Spannung. Die Differenz, kann deshalb praktisch vernachlässig! werden.
Der Funktionsblock 72 hat eine Leistungsfaktorregelfunktion zum Aufrechterhallen eines Generalorbetriebs mit konstantem Leistungsfaktor. F i g. 7 zeigt eine Schaltung dafür, die Funktion ist in F i g. 8 dargestellt. Jede der Umkehrstufe 721 und 722 von Fig. 7 hai einen Rechenverstärker und Widerstände. Die Operationsschaltung 723 dient zum Addieren. VR ist ein Potentiometer. Der Block arbeitet folgendermaßen: Wenn der Block 72 das Wirkleistungssignal P und das Blindleistungssignal Q vom Detektor 6 empfängt, wird das Wirkleistungssignal P durch ^Umkehrstufe 721 in —/'umgewandelt. Dieshatzur Folge, daß die Signale fund —Pam Potentiometer VR anliegen. Das Ausgangssignal des Potentiometers VR, d. h. eine Bezugsblindleistung CWIaBl sich folgender^ maßen ausdrücken:
CW = aP (4)
wobei a ein Divisionsverhältnis des Potentiometers VR ist und \a\ < 1. Wenn somit das Divisionsverhältnis a des Potentiometers VR auf einen konstanten Wert «io eingestellt ist, genügt CW immer der folgenden Beziehung für jeden Wert von Po:
ion «ft. = η. = -QzL = konstant (5)
P°
wobei Φο ein Leistungsfaktorwinkel ist, der eine Bezugsgröße für die Blindleistung Qrrr bei einem gegebenen Wert Po ist. Der Wert CW wird durch die Umkehrstufe 722 in — CW umgekehrt. Das Bezugsblindleistungssignal — CW und das Blindleistungssignal Q, das vom Detektor 6 kommt, werden der Operationsschaltung 723 zugeführt, die ein dem Addierer 8 zuzuführendes Steuersignal A V2 erzeugt, das auf den Signalen — Qrer und Q basiert:
AV2 = K7(Qn,-Q) (6)
wobei K2 eine positive Konstante ist. Wenn somit das Signal ζ)entsprechend der Wirkleistung Po in irgendeinem Betriebszustand größer als CW· a'so Q> CW. so ist A2 negativ, also AV2 <0. Es wird ein Befehl »Reduzierung der Erregung« ausgegeben. Wenn C<CW, ist AV2 positiv, also AV2>0. so daß ein Befehl »Erregung steigern« ausgegeben wird.
Fig.8 stellt diese beschriebenen Zustände mit Hilfe von P— (^-Koordinaten dar. In Fig.8 sind auf der Abszisse die Wirkleistung P und auf der Ordinate die Blindleistung Q aufgetragen. Ein Halbkreis stellt eine Gcneratorleistungskurve dar, eine gerade Linie OM eine Betriebslinie für einen konstanten Leistungsfaktor cos Φο- Der gestrichelte Bereich stellt einen Leistungsfaktoreinstellbereich dar. Wenn die Blindleistung <?, die irgendeiner Wirkleistung Po entspricht gleich CWist, befindet sich der Betriebspunkt des Generators im Punkt A von F i g. 8 auf der Betriebslinie für den konstanten Leistungsfaktor. Wenn die Blindleistung Q gleich Q1 wird, befindet sich der Betriebspunkt des Generators im Punkt B neben der Betriebsweise für den konstanten Leistungsfaktor. Da Ci > CW, gibt in diesem Fall der Funktionsblock 72 das »Erregung reduzieren«-Signal AV2, um die Erregung an der Erregerwicklung des Generators zu verringern. Das Signal AV2 wird dem Addierer 8 zugeführt, so daß der Punkt B zum Punkt A bewegt wird. Wenn andererseits die Blindleistung Q gleich Q2 ist, befindet sich der Betriebspunkt des Generators im Punkt C. Da Q2 < Qrrr, gibt in diesem Fall der Funktionsblock 72 das »Erregung steigern«-Befehlssignal V2, so daß der Punkt C zum Punkt A bewegt wird. Bei der gezeigten Ausführungsform kann der Leistungsfaktor cos Φα leicht dadurch geändert werden, daß der Widerstand des Potentiometers VR des Funktionsblocks 72 oder der Verstärkungsgrad der Umkehrstufe geändert wird.
Wenn ein Ankerstrom vorliegt, wird eine Erhitzung der Ankerwicklung des Generators dadurch verhindert, daß P2 + Q2 auf ein Minimum reduziert werden oder daß Q gleich null gemacht wird. Bei einem Zustand mit einem Ankerüberstrom kann dementsprechend die Funktion zum Verhindern eines Erhitzens der Ankerwicklung dadurch zugefügt werden, daß CWgleich null gemacht wird.
Die Anker-Überstrornkompensationsfunktion wird dadurch erreicht daß das Potentiometer VR automatisch eingestellt wird, wofür eine Schaltung verwendet wird, weiche die in F i g. 7 gezeigten Komponenten 724 bis 729 aufweist. Die Diodenbrückenschaltung 725 empfängt den Ankerstrorn /5vom Stromwandler CT(Fig.3) und richtet ihn gleich. Das Ausgangssignal der Brückenschaltung 725 wird mittels eines Filters 726 geglättet, wodurch man ein elektrisches Signal / erhält, das einen Ankerwicklungsstrom anzeigt Das Ankerstromsignal / wird durch einen Komparator 728 mit einem vorgegebenen Stromgrenzwert A1/ verglichen, der von einem Potentiometer 727 abgeleitet wird. Wenn der Wert / den Grenzwert !„r überschreitet wird eine Relaiswicklung 729 erregt wodurch ein Kontakt 724 des Relais schließt so daß der Wert für CWnull wird.
Der Funktionsbiock 73 hat die Funktion, die Untererregung des Generators zu begrenzen. F i g. 9 zeigt eine Schaltung, F i g. 10 die Funktion davon.
Jede der Umkehrstufen 731, 741, 744 und 749 in Fig.9 hat einen Rechenverstärker und Widerstände. Weiterhin sind Operationsschaltungen bzw. Rechenschaltungen 732 bis 734, 740, 742, 743, 745, 746 und 748 vorgesehen, von denen jede einen Rechenverstärker und Widerstände und/oder Dioden aufweist Außerdem sind Potentiometer VRi bis VR4 vorgesehen. Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: Der Block 73 empfängt das Wirkleistungssignal P und das Blindleistungssignal Q vom Detektor 6. Die Schaltung mit der Umkehrstufe 731 und den Rechenschaltungen 732 bis 734 soll zuerst betrachtet werden. Das Wirkleistungssignal P wird durch die Umkehrstufe 731 in —/^umgekehrt Die Rechenschaltung 732 empfängt das umgekehrte Signal —Pund eine Bezugsspannung von dem Potentiometer VRt. Sie berechnet eine Untererregungsgrenzlinie L\ für eine vorge-
\\ gebene Generatorleistungskurve, wie sie in Fi g. 10 gezeigt ist, und zwar nach folgender Gleichung:
L1- a,P-b, (7)
jj 5 Dabei sind a\ und b\ Konstanten. Die genannte Bezugsspannung wird entsprechend der Untererrcgungs-
grenzlinie L\ für die Generatorleistungskurve berechnet. Die Rechenschaltung 733, welche das Grenzlinicnsignal L\ empfingt, erzeugt CW entsprechend der Grenzlinie L\. Die Rechenschaltung 734 empfängt das Signal Qn( sowie dal Blindleistungssignal C? vom Detektor 6 und erzeugt eine Steuerspannung für eine LJntercrrcgungsbegrenzung JVj, basierend auf den genannten Signalen nach der folgenden Gleichung:
in
JV3 = K3 (Qr,f-Q) (8)
Darin ist K3 eine positive Konstante. Die Rechenschaltung 734 erzeugt in diesem Fall die Spannung JVj nur dann, wenn sie positiv ist. Aus diesem Grund sitzen die Dioden in der Rechenschaltung 734. In F i g. 10 ist dieser Zustand gezeigt, bei welchem das Signal JVj positiv ist und als Befehl für eine Steigerung der Erregung ausgegeben wird. Auf der Abszisse in Fig. 10 ist die Wirkleistung P, auf der Ordinate die Blindleistung Q aufgetragen. Der Halbkreis ist eine Kurve für das Generatorleistungsvermögen, R ist eine ideale Grenzlinie für eine Untererregung, die strichpunktiert dargestellt ist.
L\ sind Untererregungsgrenzlinien, der schraffierte Bereich bildet eine Untererregungs-Grcnzzone. Aul die Untererregungsgrenzlinie L2 bis L4 wird später eingegangen. Wenn die Blindleistung Q entsprechend einer Wirkleistung Pi gleich Q3 ist, befindet sich der Arbeitspunkt des Generators im Punkt D von F i g. 10, der sich in einer Phasenzone jenseits der Untererregungsgrenzlinie Li befindet. Der Funktionsblock 73 erzeugt somit eine Steuerspannung J VV um den Befehl »Erregung steigern« zu geben, so daß der Punkt D zu der Untererregungs-Grenzlinie L\ oder in die Phasenzone diesseits der Linie L\ bewegt wird. Die obigen Ausführungen gelten für den Fall, daß eine Untererregungslinie vorhanden ist. Es ist wichtig, daß die Untererrcgungslinic nahe an der idealen Untererregungsgrenzlinie R liegt, um einen vollständigen Schutz für die Untererregung zu schaffen. Im folgendenn wird eine Segmentannäherung erläutert, mit der die Untererregungsgrenzlinie in der Nähe der idealen Untererregungsgrenzlinie R gebracht wird. Zunächst werden die Grenzlinien L2 bis Ln (n>3) ähnlich der Grenzlinie LI gezogen, um eine Segmentkurve durch n- Linien zu begrenzen. F i g. 9 zeigt eine Ausführung, bei der die Segmentkurve aus vier Grenzkurven Li bis U erhalten wird, die in der gleichen Weise wie die Grenzkurve L\ abgeleitet werden. Die Rechenschaltungen 740,743 und 746 empfangen das Ausgangssignal — P der Umkehrstufe 731 und die jeweiligen Bezugsspannungen von den Potentiometern VR2 bis W?4. Sie berechnen die Untererregungs-Grenzlinien Lz, Lj und L4 nach folgenden Gleichungen:
J5 L2 = S7P-O2 (9)
L3 - ajP-öj (!0)
L4 = a4P-/>4 (II)
Darin sind a2 bis a4 und b2 bis 64 Konstanten. Die genannten Bezugsspannungen werden cntspretnend den Untererregungsgrenzlinien L2 bis L4 wie im Fall der Linie L1 bestimmt. Die Untererregungsgrenzliniensignale L2, Lj und L4 werden durch die Umkehrstufen 741, 744 bzw. 747 in -L3, — Lj und -L4 umgekehrt. Die Rechenschaltung 742 empfängt die Signale Li und — L2. Die Rechenschaltung 745 empfängt die Signale L3 und -Lj und die Rechenschaltung 748 empfängt die Signale Lj und -L4. Sie erzeugen Differcnzsignale JL,2, JL21 bzw. JL34, entsprechend den folgenden Gleichungen:
/ILn = L2-U (12)
JL23 = L3-L2 (13)
JL34 = L4-L3 (14)
In diesem Fall erzeugen die Rechenschaltungen 742,745 und 748 die Ausgangssignale JLi 2, AL23 bzw. JL34 nur dann, wenn sie positiv sind. Aus diesem Grund haben die Rechenschaltungen 742, 745 und 748 Dioden, weiche Tore für die hohen Pegel bilden. Die Signale Li, JLi2, ALn und JLj4 werden der Rechenschaltung 733 zugeführt, welche das Signal (^/entsprechend folgender Gleichung berechnet:
(L1 + ALn + AL23 + ALu) (15)
Das Ausgangssignal CW nach Gleichung (15) wird in die folgenden vier Werte für die Wirkleistung P, des Generators klassifiziert:
I) Wenn die Wirkleistung sich in der Zone Li >L2> Lt> L4 befindet sind die linken Terme der Gleichungen (12), (13) und (14) negativ, die Ausgangssignaie der Rechenschaltungen 742,745 und 748 sind null. Das heißt, daß in Gleichung (15) JLi2 = JL23 = AL3A = 0. Das Ausgangssignal CWergibt sich somit zu:
= -L1 (16)
II) Wenn clic Wirkleistung Pin dsrZonc L\ < L2> Li> L, liegt, sind die linken Termc der Gleichungen (13) und (14) negativ und die Ausgangssignalc der rechten Schaltungen 745 und 748 null. Das bedeutet, daß in Gleichung (15) Z//..2I = JLn = 0. Somit ergibt sich für das Ausgangssignal Qn; die Gleichung:
Qn; - -L1-JLu = -L. -(L2-L1) r: -L2 (17) -,
III) Wenn die Wirkleistung Pin der Zone L\ <L2< Ls> Lj liegt, ist der linke Term der Gleichung (14) negativ und das Ausgangssignal der Rechenschaltung 748 null. Das heißt, in Gleichung (Ii) wird JLn = 0. Somit erhält man für das Ausgangssignal Qn-,:
Q1.,,= -L1-JL12-JL21 - -L1-(Li-Li)-(L1-L7) = -Li (18)
IV) Wenn die Wirkleistung Pin der Zone Lt < L2< L)< La liegt, sind die linken Tenne der Gleichungen (12), (13) und (14) alle positiv und das Ausgangssignal Qn-rerg\bl sich durch Gleichung (15) zu:
Qn-, = -L1 -JLi2-JLn
- -Lx-(L2-U)-(Li-L2)-(U-Ls) = -U (19)
Wie aar, !) bis !V) ersichtlich ist. ergeben sich die L'Rtererregungs-Grenzüp.ien L-, bis L·, abhängig von dem Wert der Wirkleistung P. Es ergibt sich eine Segmentkurve, die sich der idealen Untererregungsgrenzlinie R annähert, wie Jics in Fig. 10 gezeigt ist.
Das Signal Qn;aus den Gleichungen (16) bis (19) und das Blindleistungssignal Qaus dem Detektor6 werden der Rcchenschallung 734 zugeführt, die eine Steuerspannung JVz basierend auf den Eingangsspannungen der folgenden Gleichung berechnet:
JV,' - Ki' (Qn;- Q) (20)
Darin ist /Cj' eine positive Konstante. Die Rechenschaltung 734 erzeugt die Ausgangsspannung J Vj' nur dann, wenn sie positiv ist. Dementsprechend wird JVi als Befehl »Erregung steigern« ausgegeben. Das heißt, daß die A'isgangsspannung JV-ΐ dem Addierer 8 mit einer Polarität für eine Erhöhung der Erregung des Generatorfeides zugeführt wird.
Die gezeigte Segmentkurve hat vier Untererregungsgrenzlinien. Die Anzahl der Untererregungsgrenzlinien kann jedoch erhöht oder reduziert werden, wenn eine genauere oder weniger genaue Annäherung erforderlich ist. Die Schaltungsausbildung läßt sich aus der Schaltung von F i g. 9 ableiten.
Anstelle eines Funktionsblocks 73 für eine Segmentannäherung kann auch ein Funktionsblock für eine js Kreisannäherung verwendet werden, der einen Mittelpunkt bei einer Wirkleistung Pa und einer Blindleistung Qn des Generators hat, was anhand von F i g. 12 erläutert wird. Die Kreisannäherung für die ideale Untererregungs-Grenzlinienkurvc R wird im folgenden näher erläutert. F i g. 11 zeigt eine Schaltung, Fig. 12 die Funktion davon. Die Umkehrstufen 751a und 75Ii) in Fig. 11 haben jeweils einen Rechenverstärker und Widerstände. Die Rechenschaltungen 752;;, 7526, 754 und 755 haben jeweils einen Rechenverstärker und Widerstände und/oder Dioden, weiterhin sind Multiplikatoren 753a und 7536 sowie Potentiometer VR-^, VR^. und VRb vorgesehen. In Kig. 12 bezeichnet R eine ideale Untererregungskurve, die bezüglich der Generatorleistungskurve vorher festgelegt wurde. R' ist eine Untererregungsgrenzlinie, die durch den Funktionsblock 73 erreicht wird. Pa und Qa sind die Koordinaten eines Mittelpunktes zum Bilden der Bögen der Untererregungsgrcnzlinie R'. Die ideaie Unlercrrcgungsgrcnzlinie R. die in Fig. 12 (und Fig. 10) als Bogen gezeichnet ist. ist in Wirklichkeit aufgrund verschiedener Faktoren, die sich aus der Herstellung des Generators ergeben, kein Bogen. Im folgenden wird die Wirkungsweise erläutert: Der Block 73 empfängt das Wirkungsleistungssignal P und das Blindleistungssignal Q vom Dctektor6. Das Wirkleistungssignal fund das Blindleistungssignal (? werden durch die Umkehrstufen 751 a und 7516 in — P und — Q umgekehrt. Die Rechenschaltungen 752a und 7526 empfangen die umgekehrten Signale — Pund —ζ)sowie die Bezugssignale P4 und Q* von den Potentiometern W?,., bzw. V7?5f> Die Rechen- ίο schaltung 752a erzeugt ein Signal (P-Pa). während die Rechenschaltung 7526 ein Signal (Q-Qa) erzeugt. Die Bczugssignale Pt und Qa werden durch die Mittelpunkte der Bögen bestimmt, welche die erwünschte angenäherte Untcrerregungsgrenzlinie R' bilden. Die Multiplikatoren 753a und 7536 sind so gebaut, daß sie als Ausgänge das Quadrat der Eingangssignale erzeugen. Somit erzeugt der Multiplikator 753a ein Signal (P- Pa)2, während der Multiplikator 7536 ein Signal (Q-Qa)2 erzeugt. Die Rechenschaltung 754 empfängt die Signale (P-Pa)2 und (Q-QaY sowie ein Bezugssignal y2 aus dem Potentiometer VR6. Die Schaltung rechnet nach folgender Gleichung:
JVyA = -(P-P4y-(Q-Q4)2 + yA2 (21)
Darin wird y4 2 durch einen Radius des Bogens für die erwünschte Untererregungsgrenzlinie R'bestimmt. Die Rechcnschaltung 755 erzeugt ein Ausgangssignal JV3" nach folgender Gleichung:
JV1" = (P-Pa)2 + (Q-Q4)2-y4 2 (22)
Die Rcchenschaltung 755 erzeugt das Ausgangssignal JV3" nur dann, wenn es positiv ist. Somit wird das Ausgangssignal JVi" nur dann erzeugt, wcr.n die Wirkleistung P und die Blindleistung ζ? des Generators der nachstehenden Gleichung genügen, wobei dies den Befehl »Erregung steigern« bedeutet:
-PaY + (Q-
(23)
Wenn die Wirkleistung P und die Blindleistung Q sich außerhalb des Bogens Ä'in F i g. 12 befinden, d. h, wenn sie sich in einer Zone jenseits des Bogens R' befinden, wird der Befehl »Erregung steigern« gegeben, um die
5 Untererregungauszuregeln.
Eine Überstronigrenzfunktion für den Generator, die der Untererregergrenzfunktion entgegengesetzt ist. kann auf einfache Weise durch Umkehrung der Polarität des Funktionsblocks 73 erreicht werden. Eine Ubererregungsgrenzkurve L\', die der Untererregungsgrenzkurve L\ entspricht, kann, wie in Fig. 13 gezeigt ist, gezogen werden. Wenn die Wirkleistung P und die Blindleistung Q jenseits der Untererregungsgrenzlinie L1' liegen, d.h. wenn sie sich in einer schraffierten Zone in Fig. 13 befinden, gibt der Funktionsblock den Befehl »Erregung verringern«, um die Obererregung zu begrenzen. Dabei kann sowohl die Segmentannäherung wie auch die Kreisannäherung, falls sie erforderlich ist, in der vorstehend erwähnten Weise angewendet werden.
Der Funktionsblock 79 hat eine Querstrom-Kompensationsfunktion, um einen Querstrom zwischen Generatoren zu unterdrücken, wenn eine Vielzahl von Generatoren in einem Generatorsystem parallel geschaltet isL Fig. 14 zeigt eine Schaltung und Fig. 15 die Funktion dafür. In Fi g. 14 sind die Generatoren G1 bis Gn, in das gleiche System geschaltet. Es sind Detektoren 6, 60 und 600 vorgesehen, um die Wirkleistung P und um die Blindleistung Q festzustellen, wobei die Detektoren wie der vorstehend beschriebene Detektor 6 gebaut sind. Der Block 79 hat Rechenschaltungen 791 und 722, weiche eine Addierfunktion haben. Jede der Rechenschakungen hat einen Rechenverstärker und Widerstände. Im folgenden wird die Arbeitsweise erläutert. Von den Generatoren G\ bis Gm die in dem System parallel geschaltet sind, hat jeder eine Klammerspannungsrcgelanordnung geiüäS Fig. 1. Fig. Ί4 zeigt den Teil der Anordnung, der für die Erklärung der Wirkungsweise des Blocks 79 erforderlich ist, & h. die Detektoren 6.60 und 600 für die Wirkleistungen P und die Blindleistungen Q. Der Block 79 empfängt die Blindleistungssignale Q bis Qn, von den jeweiligen Generatoren. Basierend auf diesen Eingangssignalen berechnet die Recheneinheit 791 eine mittlere Blindleistung Q der parallel geschalteten Generatoren entsprechend der folgenden Gleichung. Dabei ist zu beachten, daß bei der Ausführungsform für die Querstromkompensation das Blindleistungssignal des Generators durch einen Prozentwert bezogen auf eine Einheitsbasis einer Nennblindleistung des Generators dargestellt ist.
30 <2 =
(24)
In Gleichung (24) ist m die Zahl der parallel geschalteten Generatoren, wobei / und j Nummern eines entsprechenden Generators sind. Der rechte Term der Gleichung (24) stellt die mittlere Blindleistung Q der parallel geschalteten Generatoren dar. Die Rechenschaltung 792 empfängt die mittlere Blindleistung Q und die Blindleistung Q,-des entsprechenden Generators und rechnet nach folgender Gleichung:
AVq=Q-Q, (25)
Die Spannung /JVq ist eine Kompensationsspannung zur Unterdrückung des Querstroms zwischen den Generatoren. Wenn <4V,>0, so wirkt dies als Befehls für »Erregung steigern«. Wenn JVq<0, wirkt dies als Befehl »Erregung verringern«. Die Werte werden dem Addierer 8 der Klemmenspannungsregelanordnung für den ./-Generator zugeführt. Die vorstehende Operation wird anhand von Fig. 15 erklärt, in der die Anzahl der parallel geschalteten Generatoren drei ist, d. h. m = 3. In dem Parallelbetrieb der Generatoren haben die Generatoren die gleiche Nennleistung und werden in üblicher Weise eingesetzt. Die Operationen werden jedoch nicht immer unter den gleichen Nennleistungsbedingungen aufgrund mehrerer Faktoren ausgeführt. Um dies berücksichtigen zu können, zeigx Fig. 15 für Darstellungszwecke eine Extremsituation. Die Punkte 5. Tund U sind die Betriebspunkte der Generatoren G\, Gi bzw. Gj. In einem solchen Parallelbetrieb ist ein Querstrom zwischen den Generatoren unvermeidbar. Dadurch werden die Blindleistungen der jeweiligen Generatoren von den Punkten S. T bzw. U zu den Punkten S', T bzw. U durch die Querstromkompcnsationsfunkiion derart verschoben, daß die Blindleistungen der jeweiligen Generatoren einander gleich werden. Das bedeutet, daß basierend auf Gleichung (25) der Befehl »Erregung verringern« an die Generatoren Ci und Gj gegeben wird, und daß der Befehl »Erregung steigern« für den Generator Gi ausgegeben wird, wobei die jeweilige Kompensa-
55 tionsgröBez/V^ist.
In den Fig. 16 bis 22 sind weitere Ausführungsformen der Vorrichtung gezeigt In Fig. 16 wird die Operation für jede Funktion durch eine Wirkstromkomponente IP und eine Wirkstromkomponente /,, ausgeführt. Bei der Erläuterung der F i g. 1 bis 15 wurde die Operation für jede Funktion basierend auf der Wirkleistung Pund der Blindleistung Q ausgeführt. Wenn jedoch die Operation nur basierend auf der Wirkleistung P und der Blindlci stung Q ausgeführt wird, wird deren Relation zu einer Generatorspannung Va vernachlässigt. Dies ist dann unzweckmäßig, wenn ein Einfluß durch die Spannung VV; in Betracht zu ziehen ist. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die Operation für jede Regelfunktion reeller unter dem Umstand ausgeführt, daß der Einfluß der Generatorspannung Vf, nicht vernachlässigbar ist. Die Wirkkomponente //> und die Blindkomponente I1, des Ankerstroms oder Generatorstroms werden aus dem Wirkleistungssignal Punddem Blindlcistungssignal (paus
·>■·. dem Detektor 6 berechnet. Die Gleichspannung W. erhall man durch Gleichrichtung der Gcneratorklcmnten- \|>;ιιιπιιιιμ. die von «lein Spuiiniiitg.swuiKller /'7'ermiltell wird Die Operation Für jede der Kcgelfiinklionen wird basierend auf ilen erhaltenen Signalen ΙΛ-ιιικΙ /(.ι ausgeführt. In l'i g. Ib ist eine Kcchcnschaluing 66 vorgesehen, welche /;· und /,.> berechnet. Die Schaltung kann einen Gleichrichter 660 und Teiler 661 und M>2 aufweisen, wie
dies in Fig.20 gezeigt ist Die Wirkstromkomponente Ip und die Blindstromkomponente Iq werden nach Gleichung (26) berechnet:
Ip = P/Vc. h = Q/Yc (26)
Dadurch, daß die jeweiligen Funktionen auf der Basis der auf diese Weise berechneten Werte von Ip und Iq ausgeführt werden, kann der Einfluß der Generatorspannung Vg berücksichtigt werden, so daß eine realistischere Regelspannung erhalten werden kann.
Nicht alle Funktionen, die durch den Rechner 7 ausgeführt werden, brauchen auf der Basis von Ip und Iq ausgeführt werden. Die Operation auf der Basis von Ip und Iq ist nur dann effektiv, wenn die Klemmenspannung konstant gehalten wird, der Einfluß der Generatorspannung VG jedoch nicht vernachlässigbar ist, beispielsweise dann, wenn eine Kompensation des Leitungsspannungsabfalls erforderlich ist.
Bei der Ausführungsform von Fig. 17 ist ein Rechner 70 für Rechenoperationen vorgesehen, welche die Ausgangssignale P und QIn skalaren Größen von dem Detektor 6 und die skalaren Ausgangssignale Ip und Iq von der Rechenschallung 66 (Fi g. 21) erhält. Die Operation für jede Funktion wird dadurch ausgeführt, daß die iä Eingänge so gewählt werden, daß eine realistischere Regelspannung erreicht wird.
Bei der Ausführungsform von Fig. 18 werden nicht alle Operationen für die jeweiligen Funktionen basierend auf den Ausgangssignalen Pund Q aus dem Detektor 6 ausgeführt Es wird ein Teil davon durch Vektoroperai'onen wie bei der herkömmlichen Vorrichtung durchgeführt. Die Ausführungsform eignet sich besonders dann, wenn weitere Funktionen zu einer vorhandenen Kompensationseinheit 55 für den Leitungsspannungsabfall zugeführt werden sollen oder wenn ein zusätzlicher Generator parallel zu parallel geschalteten Generatoren angeordnet werden soll, die bezüglich der Querströme in herkömmlicher Weise kompensiert sind. F i g. 22 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Querstromregelung in herkömmlicher Weise erzielt wird, während andere Funktionen in erfindungsgemäßer Weise basierend auf der Wirkleistung P und der Blindleistung Q erreicht werden. Von den verschiedenen Funktionen zieht die Querstromfunktion die Situation der anderen parallel betriebenen Generatoren in Betracht Wenn somit die vorhandene Querstromfunktion in herkömmlicher Weise vorliegt ist es besser, einen zusätzlichen Generator in der gleichen Weise zu steuern. Auch in diesem Fall kann der Rechner 7 die Signale Ip und Iq oder die Signale P, Q, Ip und Iq anstelle der Signale P und Q eingespeist erhallen.
F i g. 19 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Rechner 7 die Signale P. Q. IP und Iq eingespeist eirhält. Die Ausführungsform hat eine Kompensationseinheit 55 für den Leitungsspannungsabfall, die die Vektoroperation in herkömmlicher Weise ausführt, sowie einen Rechner 70, der die skalare Operation für die Eingangssignale P und <? vom Detektor 6 und die Eingangssignale h und Iq von der Rechenschaltung 66 ausführt, so daß die Rcgelsvgnale sowohl aus der Kompensationsschaltung 55 für den Leitungsspannungsabfall als auch aus dem Rechner 70 erhalten werden.
Erfindungsgemäß kann somit eine kleine, billige, eine Vielzahl von Funktionen ausführende Erregersteuervorrichtung für Generatoren hergestellt werden.
Hierzu 14 Blatt Zeichnungen
40

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Anordnung zur Regelung der Klemmenspannung eines Generators, mit einem Spannungsregler, der den Erregerstrom entsprechend einem Differenzsignal zwischen Soll- und Ist-Klemmenspannung des Generators einstellt, mit dem Spannungsregler wahlweise überlagerten Zusatzreglern für die geregelte Begrenzung verschiedener physikalischer Größen, wie Untererregungsbegrenzung, Leistungsfaktorregelung, Regelung an einer Obergabestelle, usw, und mit einem Spannungswandler und einem Stromwandler im Ankerstromkre.'s, gekennzeichnet durch einen an den Spannungswandler (PT) und den Stromwandler (CT) angeschlossenen Detektor (6) zur Ermittlung der Wirkleistungskomponen te P und der Blindleistungskomponente Q der Generatorleistung, welche den Zusatzreglern gemeinsam als Eingangssignale zugeführt sind, wobei die Zusatzregler die Eingangssignale durch skalare Rechenoperationen wie folgt verarbeiten:
a) ein Regler (71) zur Kompensation des Leitungsspannungsabfalls errechnet einen dem Leitungsspannungsabfall genähert entsprechenden Korrekturwert A Vx nach der Formel
AVx
mit den Verstärkungsfaktoren a und b, die durch die Widerstandskomponente und Blindkomponente der Leitungsimpedanz festgelegt sind,
b) der^Jtistungsfaktorregler(72) liefert einen Korrekturwert
AV2 = K2 (P tan Φο- Q)
mit Φο als gewünschtem Leistungsfaktorwinkel,
c) der Untererregungsregler(73) liefert einen Korrekturwert nach der Formel
AV3 = K3(QrCf-Q) für Q < Qrf AV3 = 0 für Q > Qrc/
mit dtr Funktion Qrer = F(P), die der Untererregungsgrenzlinie (R) des Generators im P— Q-Dhgramm nachgebildet is?,
d) ein Querstrcmrefler (79) liefert einen Korrekturwert nach der Formel
AV9 = Q-Q
mit QaIs mittlerer Blindleistung aller parallelgeschalteten Generatoren.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) eine erste (6IaJ und eine zweite Multiplizierschaltung (61 ty aufweist, denen die Dreieckspannung (Vrt) bzw. die S'.emspannung (Vs) und der Phasenstrom (Is) zugeführt sind, wobei die erste Multiplizierschaltung (6IaJ die Blindleistungskomponente Q und die zweite Multiplizierschaltung (OAb)die Wirkleistungskomponente Pder Generatorleistung bereitstellt (F ig. 3).
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (71) zur Kompensation des Leitungsspannungsabfalls je einen Verstärker (712a, 712b) für die Wirk- bzw. Blindleistungskomponente der Generatorleistung mit einstellbaren Verstärkungsfaktoren a, b aufweist, denen ein Addierer nachgeschaltet ist (F ig. 5).
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsfaktorregler (72) einen Subtrahierer enthält, der den Blindleistungskomponenten· Istwert Q von einem Blindleistungskomponenten-Sollwert Qrrfsubtrahiert, wobei der Sollwert CWaIs Abgriff vom Schleifer eines Potentiometers (VR)gewonnen wird, dem die positive und negative Wirkleistungskomponente Pzugeführt sind (Fig. 7).
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsfaktorregler (72) einen Komparator (728) aufweist, der den Ankerstrom-Istwert (I) mit dem Ankerstrom-Grenzwert (lKi) vergleicht und der bei Überschreiten des Grenzwertes (lnr) den Schleifer des Potentiometers (VR) auf Masse schaltet (F i g. 7).
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Untererregungsregler (73) eine Anzahl Rechenschaltungen (732, 740, 743, 746), die die Untererregungsgrenzlinie (R) segmentweise durch eine entsprechende Anzahl von Geraden annähern, und eine Vergleichsschaltung aufweist, die beim Überschreiten der angenäherten Untererregungsgrenzlinie den Korrekturwert AV3 liefert (Fig. 9).
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Untererregungsregler (73) je einen bo Multiplikator (753a, 753Zj), denen die Wirk- bzw. die Blindleistungskomponente P bzw. Q und Bezugssignalc (Pa,, Qa) zugeführt sind und die die Untererregungsgrenzlinie (R) durch einer. Kreis annähern, und eine Vergleichsschaltung aufweist, die beim Überschreiten der angenäherten Untererrcgungsgren/Iinie den Korrekturwert JViausgibt(Fig. II).
8. Anordnung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine dem Detektor (6) nachgcschaltetu Rcchen-ίΓ> schaltung (66), die die Wirkstroinkomponente Ir und die Blindstromkomponente /y des Gcncratorstronis ermittelt, wobei die Wirk- und Blindstrcmkomponente /pbzw. /yden Zusatzreglern allein oder zusätzlich zu den Wirk- und Blindlcisuingssignaien Pund <?zugefiihrtsind(Fig. 16,17).
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