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Anordnung zur Regelung mehrerer parallel arbeitenden Synchronmaschinen
Zahlreiche Betriebsstörungen in elektrischen Kraftwerken mit Synchronmaschinen rühren
daher, daß diese Maschinen infolge von Belastungsstößen, insbesondere aber durch
Erd-und Kurzschlüsse, zu starken Winkelverschiebungen der Polräder gegeneinander
neigen, so daß sie außer Tritt fallen. Besonders leicht tritt dieser Fall ein, wenn
die einzelnen Synchronmaschinen oder die Kraftwerke über Leitungen, Transformatoren,
Drosselspulen o. ä. verbunden sind, die erhebliche Reaktanz besitzen, weil dann
die synchronisierenden Kräfte nur verhältnismäßig schwach sind.
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Da bei den meisten Störungen die Spannung der Synchronmaschinen nicht
nur der Phase, sondern auch der Größe nach sehr starken Schwankungen unterworfen
ist, bricht sie doch z. B. beim dreipoligen Kurzschluß vollständig zusammen, so
ist es nicht ganz einfach, die Kraftwerke nach dem Auseinanderfallen wieder zu synchronisieren,
man muß sie dazu im allgemeinen erst vollständig abschalten. Zweck der Erfindung
ist die Entwicklung eines Verfahrens, das einerseits ein einfaches und schnelles
Synchronisieren gestattet, und das anderseits,die Maschinen während eines störenden
Stoßes irgendwelcher Art in ihrer Phasenlage gut zusammenhält, so daß sie nicht
so leicht außer Tritt fallen, sondern stabil im Betrieb bleiben.
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Zu diesem Zweck wird eine Anordnung zur Regelung der parallel arbeitenden
Generatoren gemäß einem Normalspannungsvektor geschaffen, bei der erfindungsgemäß
die Phasenlage der Maschinenspannungen oder der Polradstellungen gegeneinander bzw.
gegenüber der Phasenlage des Norrnalspannungsvektors selbsttätig auf einen bestimmten
Wert eingestellt wird. Man kann dazu z. B. die Klemmenspannungen von den Maschinen
abgreifen und durch Einfügung geeigneter Schaltungen bei etwaigem Zusammenbruch
bewirken, daß die Spannungen der Meßpunkte wohl in der Phase, jedoch nicht oder
nur wenig in der Größe schwanken. Beispielsweise kann man sich hierzu regelbarer
Transformatoren oder regelnder Abschwächer bedienen. Ein solcher Abschwächer besteht
z. B. aus einem an die Klemmenspannung der Synchronmaschine angeschlossenen Transformator
mit hoher Eisensättigung, dem primär eine Drosselspule vorgeschaltet ist. Eine andere
ebenso wirkende Schaltung besteht in der Verwendung besonderer Kontaktapparate oder
Hilfssynchronmaschinen auf der Welle der Generatoren, die unabhängig von den Spannungsschwankungen
der Hauptmaschinen sind und daher stets einen geordneten Phasenvergleich ermöglichen.
In diesem Falle werden unmittelbar die Polradstellungen der einzelnen Synchronmaschinen
miteinander verglichen.
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Die einfachsten Verhältnisse ergeben sich, wenn man mit derartigen
Mitteln die Phasenlage jeder stromerzeugenden oder -verbrauchenden
Synchronmaschine
mit der Phase eines Normalspannungsvektors vergleicht, dessen Verwendung zur Regelung
von Generatoren an sich bekannt ist. Es genügt häufig, einen irgendwie erzeugten
unabhängigen Normalspannungsvektor zu entbehren und die mittlere Phasenlage aller
Generatoren oder die Phasenlage eines bestimmten Generators als die anzustrebende
anzusehen. Zur Herstellung eines Vektors, der der mittleren Phasenlage der Klemmenspannungen
aller Generatoren entspricht, könnte man an die gemeinsamen Sammelschienen der Generatoren
einen Synchronmotor anschließen, der einen Hilfssynchrongenerator antreibt. Dieser
liefert dann den gewünschten Normalspannungsvektor.
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Gemäß der Erfindung soll nun, wie bereits oben erwähnt, jede Abweichung
der Spannungs- oder Polradphasenlage einer Synchroninaschine von der Sollage mit
Hilfe der eben beschriebenen Anordnung die Energiezufuhr der Kraftmaschine derart
beeinflussen, daß diese Abweichung verschwindet. Diese Beeinflussung kann mit den
heute zur Verfügung stehenden Mitteln der Verstärkung, Dämpfung, Rückführung usw.
so schnell und schwingungsfrei erfolgen, daß sich die Spannungsvel,-toren bzw. Polräder
der Maschinen niemals sehr weit aus ihrer Sollphasenlage entfernen und nach irgendwelchen
Stößen sehr schnell in dieselbe zurückkehren.
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Mit Hilfe einer derartigen Anordnung werden demnach synchronisierende
Kräfte in die Maschinensätze eingeführt, die ganz unabhängig von den Vorgängen im
elektrischen System sind. Daher dienen die in den Synchronmaschinen auftretenden
elektrodynamischen Synchronisierkräfte nunmehr nur noch als Unterstützung der durch
den Regler hervorgerufenen Gleichlaufkräfte, und es können bei ihrem Ausfall keine
Schwierigkeiten mehr auftreten.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann aber nicht nur zur Vermeidung
eines Außertrittfallens der parallel arbeitenden Synchroninaschinen bei Störungen
verwendet werden, man kann sie auch im normalen Betriebe zur Konstanthaltung der
Frequenz bzw. zur Regelung der Leistungsverteilung verwenden. Bekanntlich sind die
bisher üblichen Leistungsregler so ausgebildet, daß ein mit der Turbine gekuppelter
Fliehkraftregler bei dem durch größere Leistung der Synchronmaschine bedingten Rückgange
der Frequenz bzw. der Drehzahl die Kraftzufuhr zur Turbine erhöht und auf diese
Weise die Drehzahl bzw. die Frequenz annähernd konstant hält. Es ist dabei aber
immer noch zwischen Leerlauf und Vollast ein gewisser Frequenzabfall erforderlich,
um den Fliehkraftregler zum Ansprechen zu bringen. Die Anordnung nach der Erfindung
gestattet demgegenüber, die Frequenz bei verschiedenen Belastungen durchaus konstant
zu halten, da als auf die Kraftzufuhr der Turbine einwirkende Größe nicht eine Drehzahländerung,
sondern eine Abweichung des Polrades bzw. des Spannungsvektors der Synchronmaschine
gegenüber einer durch den Normalspannungsvektor festgelegten Sollphasenlage benutzt
wird. Als Anordnung kann dabei die an Hand der Zeichnung als Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschriebeneEinrichtung benutzt werden.
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Da die innere (Leerlaufs-) EMK einer jeden Synchronmaschine bei positiver
oder negativer Belastung einen bestimmten Vor- oder Nacheilwinkel gegenüber der
Phase des Netzspannungsvektors besitzen muß, dein die Leistungsabgabe annähernd
proportional ist, so wird man zweckmäßigerweise dein Sollwert des Phasenwinkels
jeder Maschine eine gewisse Regelbarkeit geben. Benutzt man beispielsweise je eine
Hilfsdrehfeldmaschine zur Phasenanzeige auf der Welle der Hauptsynchronmaschinen,
so braucht man dem Ständer dieser Drehfeldmaschine nur eine Verschiebung in der
oder gegen die Drehrichtung zu erteilen, um eine Änderung der Sollphasenlage eintreten
zu lassen. Hierdurch regelt man alsdann mittelbar die Leistungsabgabe der betreffenden
Synchronmaschine.
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Eine Möglichkeit, den Synchronmaschinen eine andere Leistungsabgabe
zu gestatten, besteht darin, daß man die Synchronisierung über die Anordnung nach
der Erfindung nur eintreten läßt, -,venn die Abweichung der Phasenlage der einzelnen
Maschinenspannungen einen bestimmten Grenzwert überschritten hat. Erst dann wirkt
diese Abweichung der Phasenlage auf die Energiezufuhr ein. Hierbei würde die Regelung
der Leistungsabgabe der Sy nclironmaschine genau, wie üblich, vorgenommen werden
können.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem
r, a und 3 mit Dampfturbinen q., 5 und 6 gekuppelte Synchrongeneratoren sind, die
auf die abgehenden Fernleitungen 7, 8 und 9 arbeiten. Die Generatoren sind über
die Synchronisierungssammelschienen zö und iz miteinander gekuppelt. 12,
13 und 1q. sind drei Hilfssynchronmaschinen, die mit den Hauptsynchrongeneratoren
mechanisch gekuppelt sind. 15 ist ein Synchrongenerator für die Erzeugung des Normalspannungsvektors.
Der Synchrongenerator 15 wird hierzu in passender Weise mit konstanter Drehzahl
angetrieben, beispielsweise dient als Antriebsmotor ein Gleichstromnebenschlußmotor
mit besonderen Steuereinrichtungen für die Konstanthaltung der Drehzahl. Die Spannung
und die Frequenz
der Maschine 15 stimmen im normalen Betrieb mit
den Frequenzen und Spannungen der Maschinen 12, 13 und 14 überein. Von der vom Generator
15 gespeisten Leitung 16 gehen in Parallelschaltung die Abzweigungen 17, 18 und
i9 ab. Die an den Abzweigleitungen herrschende Spannung des Synchrongenerators i
5 wirkt nun in Gegenschaltung mit der Spannung der mit den einzelnen Synchrongeneratoren
gekuppelten Hilfssynchronmaschinen auf den Kraftzufuhrregler (2o, 21 und 22) der
zugehörigen Dampfturbine ein. Die Wechselstromwicklungen der Hilfssynchronmaschinen
12, 13 und 14 sind dazu in die Verbindungsleitungen zwischen den Kraftzufuhrreglern
und der Leitung 16 gegensinnig eingeschaltet, so daß sie im normalen Betrieb die
Spannung des Synchrongenerators 15 in ihrer Einwirkung auf die Kraftzufuhrregler
sowohl in der Größe als auch in der Phase aufheben. Bei Abweichungen der Polradstellungen
der Synchrongeneratoren i bis 3 vom Sollwert geben auch die Spannungen der Hilfssynchronmaschinen
und des Synchrongenerators 15 eine resultierende Spannung, die den Kraftzufuhrregler
der Dampfturbine im Sinne einer Rückgängigmachung der Abweichungen beeinflußt. Voraussetzung
ist dabei allerdings, daß der Synchrongenerator 15 bzw. die diesen Generator antreibende
Kraftmaschine in der Leistung so stark ist, daß die bei Abweichungen der Polradstellung
der Synchrongeneratoren in den Abzweigleitungen 17 bis i9 und damit auch am Generator
15 auftretenden Stromstärken auf seine Drehzahl keinen merkbaren Einfluß haben.
Da für die Verstellung der Kraftmaschinenregler nur verhältnismäßig geringe Leistungen
erforderlich sind, ist. diese Bedingung leicht zu erfüllen, wobei die Leistung des
Synchrongenerators 15 gegenüber den Leistungen der gesteuerten Synchrongeneratoren
i bis 3 immer noch verschwindend klein bleibt. Man sieht, daß diese Einrichtung
sowohl bei der Gefahr eines Außertrittfallens der Synchrongeneratoren i bis 3 bei
Störungen im Netze wirksam ist als auch gleichzeitig als Leistungsregler wirkt,
da bei stärkerer Belastung des gesamten Netzes sämtliche Synchrongeneratoren in
ihrer Polradstellung zurückbleiben und daher an sämtlichen Generatoren die Kraftzufuhr
verstärkt wird. Man kann die dargestellte Einrichtung auch zur Aufteilung der betriebsmäßigen
Belastung auf die einzelnen Generatoren verwenden, indem man die Ständer der Hilfsmaschinen
12, 13 und 14 verdrehbar macht und auf diese Weise die Phasenlage der Wechselspannung
der Hilfssynchromnaschinen gegenüber der Spannung des Synchrongenerators 15 verstellt
und damit auch gleichzeitig die Energiezufuhr an der zugehörigen. Turbine ändert.
In der Zeichnung sind neben den- einzelnen Generatoren die Vektoren I der Spannung
des Synchrongenerators 15 eingetragen; außerdem die Vektoren II, III und IV der
Spannungen der Hilfssynchronmaschinen 12, 13 und 14. Man sieht, daß die beiden Vektoren
jeweils einen verschiedenen Winkel miteinander einschließen. Entsprechend diesem
Phasenwinkel ist auch die. Belastung auf die einzelnen Synchrongeneratoren i, 2
und 3 aufgeteilt, wenn man gleiche Größe für diese Generatoren voraussetzt.
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Die Anordnung nach der Erfindung erfordert Hilfsleitungen zwischen
den einzelnen Maschinen oder den verschiedenen Kraftwerken. Hierfür kann man entweder,
wie dargestellt, besondere Leitungen vorsehen, oder man kann bei voneinander erheblich
entfernten Kraftwerken die Hilfsleitung durchHochfrequenzverbindungen herstellen.
Derartige durch hochfrequente Wellen bewirkte Verbindungen sind für die gegenseitige
Steuerung von in Leitungen verteilten Schaltern oder Anzeigeinstrumenten oder Relais
bereits bekannt.