DE644178C - Asynchroner Drehstromgenerator fuer Wirk- und Blindleistungsbetrieb - Google Patents

Description

In den elektrischen Kraftwerken sind bisher für die Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischer (Dampf- und Wasserkraft) fast ausschließlich synchrone Drehstromgeneratoren verwendet worden. ^

Da diese im Aufbau und in der Bedienung relativ einfach sind, hatten sie sich zunächst im Betriebe durchaus bewährt. In der neueren Zeit jedoch, in der der Zusammenschluß der Werke und Netze ein immer weitergehender ist, hat sich herausgestellt, daß die synchronen Generatoren gegen Störungen doch empfindlicher sind, als man mit Rücksicht auf einen möglichst störungsfreien Betrieb zulassen dürfte. Das Grundübel bei den Synchrongeneratoren ist die starre Verknüpfung des umlaufenden Polrades mit dem Drehfeld. Zur Aufrechterhaltung des stabilen Parallelbetriebes tritt dabei das synchronisierende Moment auf, das in erster Linie von der Klemmenspannung abhängig ist. Da außerdem die relative Lage von Polrad zu Drehfeld von der Belastung abhängt, ergeben sich bei Belastungsänderungen andere Gleichgewi chtslagen, die wegen des mit Masse behafteten Polrades nur durch eine gedämpfte Schwingung erreicht werden können. Es treten also Pendelungen auf.
Bei Störungen, z. B. Kurzschlüssen, wird nun entweder das synchronisierende Moment ganz verschwinden oder doch so weit verringert, daß die Pendelungen über die Stabilitätsgrenze hinausgehen. Es tritt dann Auseinanderlaufen der Generatoren ein, so daß diese erst wieder synchronisiert werden müssen. In der Zwischenzeit ist eine Energielieferung an den Verbraucher nicht möglich.

Es liegt nun nahe, an Stelle der synchronen Generatoren asynchrone Generatoren zu verwenden, bei denen zwischen den Rotoren kein synchronisierendes Moment auftritt und damit auch die Pendelgefahr entfällt. Jedoch fehlen den üblichen asynchronen Generatoren, wie das aus dem folgenden hervorgeht, gewisse Eigenschaften der synchronen, die für 4-5 den Parallelbetrieb notwendig sind. Und zwar handelt es sich um die Eigenschaften der Spannungs- und Frequenzsteifigkeit, die bei einer Maschine im Verhältnis zu anderen durch die Größe des Anteiles an übernommener Blind- und Wirklastlieferung bei Parallelbetrieb charakterisiert sind.

Nun ist bekanntlich die Blindleistungslieferung längs einer Reaktanz gegeben durch die Differenz der Spannungen an den Enden der Reaktanz, dagegen die Wirkleistungslieferung längs derselben durch den eingeschlossenen Winkel derselben Spannungen. Da nun in unseren Netzen und insbesondere in den Maschinen (Ohmscher Widerstand gegen Haupt- und Streureaktanz sehr klein) die Reaktanzen die Ohmschen Widerstände bei weitem überwiegen, so sind auch für die Blindlastverteilung auf mehrere Maschinen deren Spannungsblindstromkennlinien maßgebend. Der von einer Maschine übernommene Anteil

an einer Blindlaständerung ist also um so größer, je geringer die Neigung ihrer Kennlinie ist.

Entsprechend ist nach dem Vorhergehen^ den für die Wirklastverteilung maßgebend die Vektordrehung der Klemmenspannung dft einzelnen Alaschine relativ zu einem unai^" hängigen Bezugsvektor als Funktion des Wirkstromes, also dieDeklinationswirkstromkennlinie, kurz Deklinationskennlinie genannt, wenn man unter Deklination den Winkel zwischen der Klemmenspannung und dem Bezugsvektor versteht. Auch hier ist der von einer Maschine übernommene Anteil an einer Wirklaständerung um so größer, je geringer die Xeigung ihrer Deklinationskennlinie ist.

Für die Untersuchung der asynchronen

Generatoren auf die genannten Kennlinien hin im Vergleich zum synchronen Generator kommen folgende prinzipielle Schaltungen in Betracht:

1. Asynchrongenerator mit kurzgeschlossenem Läufer, ohne Erregung,

2. Asynchrongenerator mit vom Netz bzw. den Klemmen der Vordermaschine erregtem Frequenzumformer und verwandte Schaltungen. Gruppe mit Selbsterregungscharakter,

3. Asynchrongenerator mit selbsterregter Hintermaschine, Gruppe mit Eigenerregungs-Charakter.

Der Generator ohne Erregung besitzt überhaupt keine positive Spannungsblindstromkennlinie; er ist nur in Verbindung mit einem Netz, das die Spannung aufrechterhält und dem er seinen Magnetisierungsstrom entnehmen kann, imstande zu arbeiten; er ist also unselbständig.

Der Asynchrongenerator mit netzerregtem Frequenzumformer ist zwar eine selbständige Maschine, die auch ohne Anschluß an ein Netz Spannung halten kann. Jedoch hat sie die typischen Eigenschaften der selbsterregten Alaschine, nämlich starke Spannungsabhängigkeit, also starke Neigung der Span- nungsblindstromkennlinie, da die Erregung sich mit der Spannung ändert und im Kurzschluß ganz fortfällt. Diese Eigenschaft ist mit Rücksicht auf die Stabilität des Parallelbetriebes meist unerwünscht.

Bei dem Asynchrongenerator mit selbsterregter Hintermaschine erhält die Gruppe die Eigenschaften einer eigenerregten Maschine, also größere Spannungssteifigkeit. Die Spannungsblindstromkennlinie verläuft flacher, da die Erregung unabhängig von der Netzspannung konstant bleibt.

Dem Synchrongenerator, der in seiner normalen Schaltung mit selbsterregter Gleichstromerregermaschine auch eine eigenerregte Maschine ist, ist der Asynchrongenerator nur in seiner dritten Prinzipschaltung hinsichtlich der Spannungssteifigkeit gleichwertig, in den beiden anderen Prinzipschaltungen unterlegen. Jedoch läßt sich auch bei der zweiten Prinzipschaltung in einem beschränkten Bereich £.durch Kompoundierung eine größere Span- »Aungssteingkeit erzielen.

Für die Deklinationswirkstromkennlinie gilt folgendes: Deren Neigung ist gegeben durch die bei Wirkstrombelastung auftretende Deklinationsänderung, also die Vektordrehung der Klemmenspannung gegenüber einem unabhängigen Bezugsvektor. Als solcher kann der Vektor einer Spannung angesehen werden," die von einem mit dem Rotor fest verbundenen magnetischen Feld induziert wird, da der Rotor wegen seiner Masse allen Versuchen, sein kinetisches Gleichgewicht zu ändern, Widerstand entgegensetzt. Bei der Synchronmaschine z. B. ist dies die Polradspannung, da die Gleichstromerregung mit dem Rotor räumlich fest verbunden ist. Somit ist die Deklinationsänderung der Synchronmaschine bei konstanter Drehzahl gleich dem Polradverdrehungswinkel §, um den sich die Klemmenspannung (Z₁ relativ zur Polradspannung (^r,₀ bei Wirkbelastung dreht. (Vgl. das Vektordiagramm der Spannungen Fig. 2, das in seinem Primärteil, Index 1, auch für die Synchronmaschine gilt.)

Grundsätzlich anders ist das Verhalten der Asynchronmaschine. Hier ist der der Polradspannung entsprechende Vektor, den man hier besser mit Leerlaufspannung bezeichnet, nicht mehr an den Rotor gebunden, sondern kann durch die mehrphasige Speisung und die freie Möglichkeit der Phasenablösung jede beliebige Lage relativ zu diesem einnehmen. Bei Belastung einer Asynchronmaschine in den Prinzipschaltungen 1 bis 3 wird daher eine starke Relativdrehung der Klemmenspannung und der Leerlauf spannung gegenüber dem Rotor, also nach der Definition eine sehr · große Deklinationsänderung eintreten, d. h. es würde die Frequenz sofort auf Null absinken, wenn nicht durch die dabei auftretende Schlupfspannung ein dem verringerten Belastungswiderstand entsprechender Wirkstrom entstehen würde. So bleibt die Frequenzänderung auf den Schlupf beschränkt. Es ergibt sich aber daraus, daß bei Parallelbetrieb von einer Synchron- und einer Asynchronmaschine bei konstanter Drehzahl die letztere sich an den auftretenden Laständerungen überhaupt nicht beteiligt, da die geringe Deklinationsänderung, die die Synchron- · maschine zum Abgeben von Wirkstrom veranlaßt, auf die Asynchronmaschine einen Einfluß in demselben Sinne nicht ausübt. Eine Lastabgabe kann dann zwar durch Erhöhung der Drehzahl ins übersynchrone Gebiet oder Verschiebung der Leerlaufdrehzahl ins unter-

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synchrone Gebiet erreicht werden, jedoch bleibt die so eingestellte Last von den Laständerungen im gemeinsamen Netz unberührt konstant; diese werden vielmehr nach wie vor von der Synchronmaschine übernommen.

Es zeigt sich also, daß, wenn bei Vergrößerung eines Netzes zur Verringerung der Pendelgefahr asynchrone Generatoren der praktisch brauchbaren Schaltungen aufgestellt ίο werden, dann die vorhandenen empfindlichen, zum Pendeln neigenden Synchrongeneratoren von den Laststößen nicht entlastet,' sondern relativ sogar belastet werden. Will man dagegen diese von den Synchronmaschinen fernhalten, so müssen pendelfreie asynchrone Generatoren aufgestellt werden, bei denen eine Deklinationskennlinie definiert werden kann, die mindestens ebenso flach ist wie die der Synchronmaschine, wenn möglich sogar astatisch (Neigung = O) gemacht werden kann. Dieses Ziel erreicht der asynchrone Generator nach der Erfindung. Er gestattet darüber hinaus unabhängig von der konstanten Frequenz eine normale abfallende Drehzahlkennlinie der Antriebsmaschine, so daß bei Stößen die kinetische Energie der umlaufenden Massen zur Deckung der Leistung herangezogen wird.

Das Prinzip der Anordnung ist, daß in den Läuferkreis der Hauptmaschine, bestehend aus deren Läuferwicklung und dem Ankerkreis einer ständererregten Hintermaschine, durch geeignete Erregung der Hintermaschine mehrere Spannungen eingeführt werden, und zwar zunächst eine Spannung, die im wesentlichen den Schlupf spannungen E₂ · s und /o · XC₁ · s entgegengesetzt gleich ist, diese aufhebt und die Anordnung dadurch in an sich bekannter Weise vom Einfluß der Schlupfspannungen befreit, sowie eine Fremderregungsspannung, die die Größe der Spannung und der Frequenz der Hauptmaschine bestimmt. Außerdem kann eine Selbsterregungsspannung eingeführt werden, die im wesentlichen dem Wirkstrom der Hauptmaschine proportional ist und die relative Lage der Klemmenspannung der Hauptmaschine zu der Fremderregungsspannung zu beeinflussen gestattet.

Dieses Prinzip ist in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel (Schaltung Fig. 1 und Vektordiagramm Fig. 2) folgendermaßen angewendet:

Der asynchrone Generator 3, der in erster Linie · für' Wirkleistungsbetrieb in Frage kommt, aber auch, wie in der Praxis üblich, für gemischten Wirk- und Blindleistungsbetrieb verwendet werden kann, arbeite, angetrieben durch die Antriebsmaschine 2, auf

öo das Hauptnetz 1. Auf der Hauptwelle sitzt zunächst die Hintermaschine 5, -eine ständererregte Kommutatormaschine mit Kompensationswicklung 6. Im Ständer derselben sind eine Reihenschlußwicklung 7 sowie zwei Erregerwicklungen 8 und 9 untergebracht. Von diesen ist die Wicklung S direkt an die Schleifringe 4 der Hauptmaschine angeschlossen. Es fließt also in ihr ein der Schleifringspannung U₂ proportionaler Strom, durch welchen in der Hintermaschine 5 eine der Schleifringspannung, die in der Hauptsache die Schlupfspannungen enthält, entgegengesetzt gleiche Spannung U_a — — £/₂ erzeugt wird, die die Spannung U_s kompensiert. Unkondensiert bleibt der scheinbare Spannungsabfall im Ankerkreis der Hintermaschine —J₂ · R_a, der sich zusammensetzt aus dem Ohmschen Spannungsabfall im Ankerkreis derselben —J₂ · R_a' und der durch den Strom J₂ in der Reihenschlußwicklung 7 induzierten Spannung —J₂ · D₂. Der scheinbare Spannungsabfall —J₂ · R_a nun wird gedeckt durch zwei weitere Rotationsspannungen im Anker der Hintermaschine, die Selbsterregungsspannung Vs und die Fremderregungsspannung V_T, welche durch entsprechende Erregerströme in der Erregerwicklung 9 erzeugt werden. Diese Erregerströme wiederum werden von den beiden Frequenzumformern 10 und 13 mit den Spannungen v_s und v_r geliefert, und zwar ist 10 ein Schrageumformer mit überwiegender Ständerwicklung und 13 ein normaler Frequenzumformer, der auch mit Kompensationswicklung versehen werden kann. Der Frequenzumformer 10 ist mit seiner Schleifringseite über einen Regel- (Doppeldreh-) Transformator 12 an die Klemmen der Hauptmaschine angeschlossen. Die Richtung von v_s ist demnach durch die Richtung der Hauptklemmenspannung U₁ gegeben. Die Größe von v_s kann mittels des Regeltransformators 12 bei Nennwirklast so gewählt werden, daß V_s gleich dem Spannungsabfall des Nennwirkstromes längs des .Widerstandes R_a, also gleich —/_2l„ · R_a ist. Durch die Wirkung des Schrageumformers ändert sich nun unter Annahme einer geradlinig abfallenden Drehzahlkennlinie der Antriebsmaschine mit dem Wirkstrom proportional auch die Span- no nung Vs, so daß diese also bei jeder Belastung dem Spannungsabfall des Wirkstromes —Lu-' R_? gleich ist.

Für die Fremderregungsspannung V_n die über den Frequenzumformer 13 und den Regel- (Doppeldreh-) Transformator 14 aus einem Hilfsnetz 15 geliefert wird, bleibt somit nur noch die Deckung des Spannungsabfalls des sekundären Blindstromes —J_2b · R₁₁, der sich aus dem primären Blindstrom und 12a dem eigenen Magnetisierungsstrom des Generators zusammensetzt, übrig. Damit liegen

Größe und Richtung der Spannung v_r fest. Da diese für die Magnetisierung, also auch für die Klemmenspannung der Hauptmaschine maßgebend ist, kann die Klemmenspannung durch Regelung von v_r geregelt werden. Dies geschieht im Erregerkreis der synchronen Erregermaschine 16 (kleiner Synchrongenerator), die das Hilfsnetz 15 speist, mittels eines (Schnell-(Reglers 17. Da die Frequenz des Hauptnetzes gleich der des Hilfsnetzes sein muß, kann die Frequenz des Hilfsnetzes durch Steuerung des Antriebsmotors 18 der synchronen Erregermaschine, z. B. mittels eines Synchronzeitgebers 19, konstant gehalten werden.

Wählt man also, wie beschrieben, die Selbsterregungsspannung I '_s gleich dem Spannungsabfall des Wirkstromes —J._2w · R₁₁, so wird die Spannung F₁. gleich dem Spannungsabfall des sekundären Blindstromes —J_ih · R_a-Da der Blindstrom immer senkrecht auf der Klemmenspannung steht, behält demnach auch die Fremderregungsspannung bei jeder Belastung ein und dieselbe relative Lage (90 °) gegenüber der Klemmenspannung bei, d.h. da die vom fremden Hilfsnetz gelieferte Spannung als ein unabhängiger Bezugs vektor angesehen werden kann, ist in diesem Fall die Neigung der Deklinationskennlinie gleich 0 (astatisch). Hierbei ist die Deklination als Winkel zwischen der Klemmenspannung der Hauptmaschine und der Spannung des Hilfsnetzes definiert.

Macht man dagegen dadurch, daß man die Primärspannung des Schrageumformers auf 0 reguliert, die Spannung V_s gleich 0, so wird jetzt die Fremderregungsspannung F/ gleich —/o · R_a, dem Spannungsabfall des Gesamtstromes. In diesem Fall tritt eine relative Drehung der Klemmenspannung U₁ gegenüber F/ im Sinne der Nacheilung um den Betrag & zwischen Leerlauf und Vollast auf, um denselben Betrag, um den sich auch bei dem normalen Synchrongenerator die Klemmenspannung gegenüber der Polradspannung dreht (s. oben). In diesem Fall ist die Neigung der Deklinationskennlinie gleich derjenigen des normalen Synchrongenerators bei konstanter Drehzahl.

Ein Parallelbetrieb zweier oder mehrerer derartiger Anordnungen nach Fig. 1 auf dasselbe-Hauptnetz ist nun in einfacher Weise dadurch möglich, daß allen Anordnungen, z. B. in einem Kraftwerk, dieselbe Fremderregungsspannung zugeführt wird, die ja für alle dann gleiche Frequenz und Phasenlage hat. Es müssen also die jeweiligen Frequenzumformer 13 der einzelnen Anordnungen gemeinsam aus demselben Hilfsnetz, wie schon im Vorhergehenden und in der Fig. 1 angedeutet, gespeist werden. Es kann nun bei jeder Anordnung durch Regelung des Regeltransformators 12 die Neigung der Deklinationskennlinie zwischen 0 und # gewählt und außerdem die Kennlinie durch Bürstenver-Schiebung bei dem Frequenzumformer 13 (α) parallel mit sich selbst verschoben werden. So ist es möglich, bei Parallelbetrieb den einzelnen Anordnungen bei konstanter Frequenz untereinander die Arbeitsweise als Spitzen- oder Grundlastmaschine zuzuweisen analog zu der bei den normalen Synchronmaschinen mittels der Drehzahl- (Frequenz-) Kennlinien (Frequenzregelung) geübten Weise.

Die richtige oder gewünschte Blindlastverteilung kann durch Regelung des Regeltransformators 14 erreicht werden.

Ein Parallelbetrieb ist aber auch möglich, wenn mehrere Gruppen von Anordnungen nach Fig. 1 durch getrennte Hilfsnetze, etwa in getrennten Kraftwerken, erregt werden. Nur müssen die Hilfsnetze dann durch ein besonderes Steuerorgan (z. B. einen automatischen Phasenvergleicher) auf gleiche Frequenz und Phasenlage gesteuert werden.

Die beschriebene Regelung ist, da die Frequenz konstant bleibt und für die Leistungsverteilung die Vektordrehung der Klemmenspannung maßgebend ist, als Vektorregelung zu bezeichnen, im Gegensatz zu der normalen go Frequenzregelung bei synchronen Maschinen, bei der Frequenzänderungen auftreten; die beschriebene Maschine selbst ist also ein Asynchrongenerator für Vektorregelung mit, hinsichtlich ihrer Neigung zwischen den Werten 0 und §, veränderlicher Deklinationskennlinie.

Die beschriebene Anordnung ist durchaus in der Lage, auch zusammen mit Synchronmaschinen in frequenzgeregelten Netzen zu arbeiten. Hierbei wird sie wegen der konstanten Frequenz den Charakter einer frequenzhaltenden Spitzenmaschine annehmen, während die Synchronmaschinen als Grundlastmaschinen unter gleichzeitiger Entlastung von pendelanregenden Laststößen arbeiten werden.

Die bei der Anordnung gemäß der Erfindung durchgeführte völlige Lösung des Drehfeldes der Hauptmaschine von der Rotormasse und Bindung desselben an eine unabhängige fremde Netzspannung und die damit zusammenhängende Unabhängigkeit von Frequenz und Drehzahl der Anordnung voneinander bedingen gegenüber dem Synchron- »15 generator und dem Asynchrongenerator in den normalen Schaltungen folgende Vorteile:

1. Es kann mit einer festen Frequenz gearbeitet werden.

2. Die Antriebsmaschine kann eine nor- lao male mit der Belastung abfallende Drehzahlkennlinie haben, wobei eine stärkere Heran-

ziehung der Schwungmassen von Generator und Antriebsmaschine zur Deckung der Energie bei starken Stoßen ohne Beeinflussung der Frequenz möglich ist.

3. Der Generator kann beliebig als Spitzenoder Grundlastmaschine eingestellt werden, wobei die Einstellung rein elektrisch ohne Beeinflussung der Drehzahlkennlinie der Antriebsmaschine erfolgt.

ίο Weiterhin bestehen folgende Vorteile gegenüber dem Synchrongenerator:

4. Das schwingungsfähige System, das die Synchronmaschine durch Zusammenwirken von Rotormasse und Hauptreaktanz bildet, ist beseitigt, daher besteht auch keine Pendelgefahr.

5. Es tritt keine Verringerung des Kippmomentes des Generators auf eine bei Synchronmaschinen durch das Uberschwingen der Rotormasse bedingte dynamische Stabilitätsgrenze auf, daher kann das statische Kippmoment geringer gewählt werden.

6. Ein Auseinanderlaufen parallel arbeitender Maschinen im Kurzschluß kann nicht eintreten.

7. Nach Abschalten des Kurzschlusses tritt der normale Betriebszustand ohne Synchronisierung sofort von selbst wieder ein.

8. Ein Auseinanderlaufen parallel arbeitender, aber hinsichtlich ihrer Wirkleistungsregelkennlinie verschieden eingestellter und verschieden belasteter Maschinen bei plötzlicher voller Entlastung tritt nicht ein.

9. Der Synchronisiervorgang beim Neuzuschalten einer Maschine beschränkt sich auf Vergleich der Phasenlage, da die Frequenz ohnehin stimmt.

10. Wenn ein ganzes Kraftwerk mit Asynchrongeneratoren gemäß der Erfindung ausgerüstet wird, besteht die Möglichkeit der Beschränkung auf einen Schnellregler für das ganze Werk.

11. Wenn in einem Netz mehrere Werke mit Asynchrongeneratoren nach der Erfindung gekuppelt sind, besteht die Möglichkeit des Fortfalles komplizierter Fernmeß- und S teuer verfahren zur Einregelung und Konstanthaltung der Übergabeleistung der Kraftwerke untereinander. Letztere kann hier durch die Wahl der Bürstenverschiebung der Frequenzumformer 13 eingestellt werden und bleibt dann unabhängig von den übrigen Laständerungen konstant.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ι. Asynchroner Drehstromgenerator für Wirk- und Blindleistungsbetrieb mit läuferseitiger Erregung durch eine ständerseitig direkt oder mittels besonderer Erregermaschine indirekt erregte Kornmutatorhintermaschine, wobei bei direkter Erregung eine Erregerwicklung im Ständer der Kommutatorhintermaschine, bei indirekter Erregung dagegen im Ständer der besonderen Erregermaschine von einem mit der Hauptmaschine mechanisch gekuppelten, schleifringseitig durch eine von der Hauptmaschine unabhängige Stromquelle gespeisten Frequenzumformer erregt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei direkter Erregung eine Erregerwicklung im Ständer der Kommutatorhintermaschine, bei indirekter Erregung im Ständer der besonderen Erregermaschine zusätzlich an die Schleifringe der Hauptmaschine angeschlossen ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei direkter Erregung eine weitere Erregerwicklung im Ständer der Kommutatorhintermaschine, bei indirekter Erregung im Ständer der besonderen Erregermaschine von einem mit der Hauptmaschine mechanisch gekuppelten und schleifringseitig von den Primärklemmen der Hauptmaschine aus erregten Schrageumformer gespeist ist.
3. 3. Parallelbetrieb mehrerer Anordnungen nach Anspruch j oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Frequenzumformer einer jeden Anordnung erforderliche, von der jeweiligen Hauptmaschine unabhängige Stromquelle eine für alle Frequenzumformer gemeinsame Stromquelle ist.
4. 4. Parallelbetrieb mehrerer Gruppen von Anordnungen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jede Gruppe durch eine besondere, für die einzelnen Anordnungen dieser Gruppe gemeinsame Stromquelle fremderregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander getrennten Stromquellen aller Gruppen gleiche Frequenz und Phasenlage besitzen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen