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Einrichtung zur Regelung der Leistungsbeteiligung mehrerer auf das
gleiche Netz arbeitender Synchronmaschinen Arbeiten mehrere Synchronmaschinen, die
entweder durch Kraftmaschinen oder als Umformer arbeitend durch elektrische Motoren
angetrieben werden, gemeinsam auf ein elektrisches Netz, dann richtet sich die Leistungsverteilung
nach einer durch eine Regelanordnung festgelegten statischen Leistungskennlinie,
d. h. nach einer Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen Frequenz und abgegebener
Maschinenleistung angibt. Durch eine besondere Zusatzregelung wird dabei die Leistungskennlinie
verschoben, so daß die Frequenz konstant bleibt. Handelt es sich hierbei um gleich
große Maschinen, die übereinstimmende Leistungskennlinien besitzen, dann beteiligen
sich alle Maschinen mit gleichen Anteilen an der im Netz anfallenden Belastung,
unabhängig davon, an welchen Stellen die Last im Netz abgenommen wird. Eine solche
Lastverteilung ist in Abb. i der Zeichnung dargestellt.
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Die Grundlinie I-I stellt eine Netzleistung clar, welche an den Stellen
a, b, c und n von Kraftwerken W1, W2, W3 und W4 mit Synchronmaschinengespeist wird.
An der Stellex greife die Belastung L1, an der Stelle y die Belastung L2 an. Dann
fließen in den einzelnen Leitungsabschnitten Leistungen, die durch die Höhe der
Rechtecke des Diagramms dargestellt sind. Diese Belastungsverhältnisse bedeuten
bei den- einzelnen Synchronmaschinen, daß die inneren EMKK E'1 bis E'4 der Maschinen
gegenüber den Klemmenspannungen Ui bis U4 jeweils um die Winkel ß1, ß2, ß3 und ß4
verschoben sind. Dabei sind die Winkel ß in den einzelnen Fällen einander gleich,
da ja die Maschinen bei gleicher Kennlinie gleichmäßig belastet werden. Es sind
also auch die Leistungen NI bis N4 der Kraftwerke W1 bis W4 gleich groß.
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Die verschiedene Höhe der einzelner. die Leistungsflüsse in den einzelnen
Leitungsabschnitten darstellenden Rechtecke rührt davon her, daß infolge der unsymmetrischen
Verteilung der Lasten L1 und L2 zwischen den einzelnen Speisestellen und Belastungspunkten
Querleistungen fließen. Diese Querleistungen sind mit den Pfeilen N@bx, NQbY, NQCY
und NYad bezeichnet, die Gesamtleistungen mit fax, -1#lbx, Nb" N" und Nad. Diese
Leistungsverteilung hat zur Folge, daß die Vektoren der Klemmenspannungen U1,
U2, U3 und U4 in ihrer Lage nicht miteinander übereinstimmen, sondern verschiedene
Winkel miteinander einschließen. Diese Winkel sind mit a1, a2, a3 und 24 bezeichnet.
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Ganz ähnliche Verhältnisse liegen natürlich auch dann vor, wenn es
sich um verschieden große Maschinen mit verschiedenen Regelkennlinien
handelt.
Auch dann treten entsprechende Querleistungen auf, die den Blindleistungsaufwand
erhöhen und Spannungsverlagerungen bedingen. ;,_^ Ähnliche Nachteile sind auch dann
vö@i=' banden, wenn man nach einem anderen Rega" verfahren allen Werken eine gemeinsame
Phasenlage der Klemmenspannung vorschreibt, die sie unabhängig von der jeweiligen
Belastung einzuhalten haben. Die Durchführung dieses Verfahrens geschieht im allgemeinen
mit Hilfe eines Leitvektors. Auch dieser Fall ist in Abb. z in den Diagrainmen III
und IV dargestellt. Die Vektoren U fallen miteinander zusammen; die Winkel ß werden
aber ungleich groß. Es ist zu ersehen, daß hierbei das Auftreten von Querleistungen
unterbunden wird, da die Verteilung der Netzlast auf die einzelnen Speisestellen
entsprechend den Leitungsimpedanzen zwischen dein Belastungspunkt und den Speisestellen
erfolgt. Die Belastungen der einzelnen Kraftwerke sind daher verschieden groß. Bei
dem zugrunde gelegten Beispiel ist die Belastung des Kraftwerkes W4 gleich Null.
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Die Verwendung eines allen Speisewerken gemeinsamen Leitvektors hat
den Nachteil, daß eine gewisse Starrheit in den Netzverband gebracht wird. Außerdem
werden zwischen den einzelnen Werken besondere übertragungseinrichtungen für die
Regelung des Leitvektors erforderlich. Ferner läßt sich auch hier der Einfluß der
Blindlastlieferung auf die Leistungsfähigkeit der Maschine nicht berücksichtigen,
wenn man nicht besondere Hilfseinrichtungen hierzu verwenden will. Auch ist es hierbei
nicht möglich, der Eigenart der einzelnen Umforrnerwerke Rechnung zu tragen.
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Die Erfindung sucht nun die Mängel der bisher bekannten Regelverfahren
zu beseitigen und in den ganzen 'Netzbetrieb eine gewisse Elastizität und eine freie
Einstellmöglichkeit der einzelnen Maschinen zu bringen, ohne die Stabilität des
Zusammenarbeitens zu gefährden.
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Hierzu wird die Leistungsbeteiligung mehrerer auf das gleiche iNetz
arbeitender Synchronmaschinen mit beliebiger Antriebsmaschine gemäß einer frei einstellbaren
Leistungskennlinie unter Heranziehung des inneren Spannungsabfalls zwischen innerer
Maschinen-EMK und Klemmenspannung dadurch geregelt, daß diese Kennlinie gemäß der
Erfindung fahrplanmäßig dadurch beeinflußt wird, daß die zur Regelung erforderliche
Meßgröße gemäß dem Spannungsabfalls ES in einer Widerstandsnachbildung .der Maschinenwiderstände
gebildet wird, .` ,kc lche von dem Laststrom oder einem diesem
| @portionalen Strom durchflossen @ ist, und |
| iS- diese Nachbildungswiderstände zusätz- |
4@cli entsprechend der gewünschten Leistungskennlinie regelbar sind. Dadurch kann
man für jede Maschine eine Einstellung erreichen, die ihrem inneren Verhalten angepaßt
ist, also zunächst grundsätzlich das gleiche wie bei der Leitvektorregelung. Es
sind hierzu keine besonderen Übertragungseinrichtungen zwischen den einzelnen Speisewerken
erforderlich. Ferner fallen die starren Bindungen, die bei einer Leitvektorregelung
in Kauf genommen werden müssen, fort, da die Leistungsbeteiligung der einzelnen
Maschinen unabhängig voneinander geregelt werden kann. Die Regelung erfolgt dabei
nach einem bestimmten Fahrplan, der während des Betriebes beliebig abliängig von
irgendeiner Größe verändert werden kann, beispielsweise so, daß die eine Maschine
mehr Grundlast übernimmt, die andere mehr Spitzenlast usw. Auch lassen sich alle
Regelmöglichkeiten für die Frequeiizhaltung im Netzverband durchführen, ohne daß
die Leistungsbeteiligung der einzelnen Maschinen, die ja entsprechend der gewünschten
Leistungskennlinie geregelt wird, hierdurch bceinflußt wird.
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Um das Regelverfahren nach der Erfindung durchzuführen, ist es erforderlich,
die Lage der Klemmenspannung gegenüber ihrer Leerlaufslage jeweils zu überwachen,
also eine Größe zu finden, welche dieser Abweichung entspricht. Als eine solche
Größe wird zweckmäßig der Spannungsunterschied zwischen der Klemmenspannung und
der inneren EMK der Maschine bzw. eine Komponente derselben herangezogen, wie an
Hand des V ektordiagrammes der Abb. 2 erläutert sei. In dieser sind mit
AB die Klemmenspannung U,
mit J der Stromvektor bezeichnet, der durch
B verläuft und mit dein Vektor der Maschinenklemmenspannung U den Winkel q) einschließt.
BC bezeichnet den Ohmschen Spannungsabfall E,., der zum Stromvektor J in Gegenphase
liegt, CD die Streuspannung E6, die senkrecht zum Stromvektor J steht, D
1I die Querspannung E und <1I4 schließlich die innere EMK E der ;Maschine. Die
Querspannung F'" ist dabei so definiert, daß sie auf der inneren EMILE der Maschine
senkrecht steht.
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Es gilt also die Vektorgleichung U -E- E,. -[- E,. -{-
E j - E = U -j- ES, wobei E"=-MB die Spannungsdifferenz zwischen
der Maschinenklemmenspannung U und der inneren EMK E der Maschine darstellt, die
als 'Maß für die Abweichung der Maschinenklemmenspannung U von der Leerlauf-EMK,
die in ihrer Phasenlage mit der inneren ZMIZ E der
iL\Iaschine zusammenfällt,
herangezogen werden kann.
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Die Spannungsdifferenz Es kann nun gewonnen werden als Vektorsumme
der Komponente.T # RS = BAT, welche mit dein Vektor des Laststromes
J in Phase liegt, und der Komponente JcoLs = Ni1I, welche senkrecht auf dem
Maschinenstromvektor J steht. Statt dessen kann man auch den Vektor ES aus der Komponente
E, = BP, welche parallel zu der inneren EMK E der Maschine liegt, und der
Komponente F_, = P M, welche senkrecht zu der inneren EMK E der Maschine steht,
bilden.
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Zum besseren Verständnis ist Glas Vektordiagrarnin in die magnetische
Kennlinie OK eingetragen, bei der als Abszisse der Erregerstrom i. gewählt ist.
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Das Diagramm .der Abb. z, an Hand dessen der Nachweis geführt wird,
daß ein bestimmter Zusammenhang zwischen der Spannungsdifferenz Es und dem Winkel
/3 besteht, wurde für einen ganz bestimmten Belastungsfall aufgestellt. Es. ist
daher zu untersuchen, in welcher Weise sich dieser Zusammenhang ändert, wenn sich
der Leistungsfaktor ändert.
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Aus Abb. 3 ist zu ersehen, daß die Spannungsdifferenz Es tatsächlich
für verschiedene Werte des Leistungsfaktors in Abhängigkeit von der Durchgangsleistung
N1 einen anderen Wert annimmt. Der Verlauf der Spannungsdifferenz ES in Abhängigkeit
von N1 ist dabei nahezu linear. Wenn inan nun in gleicher Weise die Änderungen der
beiden Komponenten JcoLs und J # RS, in Abhängigkeit von N1 für verschiedene
Werte des Leistungsfaktors betrachtet, dann ergeben sich nach Abb.4 Kurvenscharen,
deren Verlauf nicht mehr linear ist.
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Eine für praktische Zwecke günstigere Kennlinie erhält man dagegen
nach Abb. 5 in derAbhängigkeit der beiden Spannungen J#Rs und JcoLs. Diese Kennlinien
werden aus Abb.4 dadurch gewonnen, daß man die dort angegebenen Werte der beiden
Spannungen für verschiedene konstante Leistungen in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor
aufträgt. Für verschiedene Werte des Leistungsfaktors lassen sich nun aus den Kurven
der Abb. 3, 4 und 5 die Kennlinien der Abb. 6 gewinnen, die zeigen, in welcher Weise
die beiden Widerstände R, und coLs geändert werden müssen, wenn man durch diese
Widerstände den Leistungsstrom schickt und 'als Summe der - Spannungsabfälle die
Spannungsdifferenz ES gewinnen will. Es ist zu ersehen, daß man diese Widerstände
lediglich in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor zu regeln und den Leistungström 'hindurchzuschicken
braucht, um dann als Summe der Spannungsa , bfa älle die Sp,-,iniitingsdifferenz
1 E, zu gewin- t' nen. Die Maschinen müssen dann so geregelt werden, daß
die Spannungsdifferenz Es immer einen gewünschten Wert besitzt.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Abb.7 dargestellt. Mit T ist
eine primäre Kraftmaschine, z. B. eine Dampfturbine, bezeichnet, die eine Synchronmaschine
Sibl antreibt. Diese Maschine speist ein Netz N. Zur Gewinnung der Spannungsdifferenz
ES sind zwei Widerstände RS und wLs vorgesehen, die von einem in der Verbindungsleitung
der Maschine SJI zurr Netz N liegenden Stromwandler W1 gespeist werden. Auf den
Widerständen 1i1 und coLs schleifen die Zeiger ZR und ZZ, die durch ein cos cp
- abhängiges Relais 1VIcp angetrieben werden. Die nicht näher bezeichnete
Stromspule dieses Gerätes ist dabei über einen Wandler U'2, die ebenfalls nicht
näher bezeichnete Spannungsspule über einen `'Wandler g'3 an das Netz
N
angeschlossen. Die Summe der Spannungsabfälle zwischen den Zeigern ZR und
ZL und den linken Klemmen der Widerstände RS und cuLs wird einem Gerät JH, zugeführt,
das einen Widerstand R"" entsprechend verstellt. Die -Größe dieses Widerstandes
ist demnach proportional dem Wert der Spannungsdifferenz Es. Um nun diesen Wert
beliebig zu beeinflussen, ist der Widerstand R", mit seiner linken Klemme an den
Mittelpunkt eines Spannungsteilers Sp angeschlossen, der von einer Batterie B1 gespeist
wird. Diese Größe der an dein Spannungsteiler Sp abgegriffenen Spannung wird durch
eine Einrichtung R2 bestimmt, die den Schleifkontakt 7_' des Spannungsteilers Sp
nach einem Fahrplan einstellt. Es kann natürlich auch statt dessen eine konstante
Spannung verwendet werden, wenn man lediglich den Wert der Spannungsdifferenz ES
um einen bestimmten Betrag verändern will. An den Klemmen K1 wird demnach ein Wert
abgenommen, der dem Sollwert entspricht, den die Spannungsdifferenz Es in der Maschine
annehmen soll. Dieser Wert wird in einem Gerät :17o in einem Zeigerausschlag umgesetzt,
der an dem Zeiger Z, in Erscheinung tritt. Dieser Zeiger ist als Schleifkontakt
ausgebildet, der sich über einen Widerstand R, bewegt, welcher von einer Batterie
B2 gespeist wird. Über den gleicben Widerstand wird ein anderer Schleifkontakt bewegt,
der v an einem Zeiger Zn gesteuert wird. Dieser Zeiger wird von einer Einrichtung
ilI" verstellt, deren Ausschlag proportional der Durchgangsleistung N1 der Maschine
SyT ist. Diese Leistung wird mit Hilfe der Wandler W1 und Ws gewonnen. Der Winkel
zwischen den Zeigern Z" und Z, verschwindet also nur dann, wenn die Maschine SIlI
die gewünschte Kennlinie besitzt. Durch die Winkeldifferenz zwischen den Zeigern
Z"
und Zn wird dabei mittels des Verstellmotors VIbl eine an sich bekannte Regeleinrichtung
beeinflußt, die am Drehzahlregler DR angreift und die Dampfzufuhr zur Turbine 7'
entsprechend verstellt.
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Durch die Regelung nach der Erfindung erhält man entsprechend der
Abb. 8 dadurch, daß man die Drehzahl und damit die Frequenz f bzw. deren
Änderung d f entsprechend den nach links gezeichneten Kennlinien in Abhängigkeit
von den Größen N, oder ES ändert, Maschinenkennlinien, die in Abb.8 rechts oben
(Drehzahl bzw. Frequenz f bzw. Frequenzänderung 4 f in Abhängigkeit von der Leistung
Ni) aufgetragen sind. Die zusammengehörigen Kennlinien sind jeweils mit gleichen
Ziffern bezeichnet. Die Linie f o-S stellt die Kennlinie für konstante Netzfrequenz
dar, die Linie c,. die normale, d. h. die natürliche Leistungskennlinie des Maschinensatzes.
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Um eine der Spannungsdifferenz ES proportionale Größe zu gewinnen,
kann man, wie aus Abb. 2 zu ersehen, unmittelbar den Winkel ß heranziehen, da mit
genügender Genauigkeit beide Größen einander proportional sind. Auch hier muß untersucht
werden, wie sich der Winkel ß bei verschiedenen Belastungsarten, d. h. bei verschiedener
Verteilung von Wirk- und Blindlast, ändert. In Abb. 9 ist der Verlauf des Winkels
ß in Abhängigkeit von der Leistung N1 für verschiedene Leistungsfaktoren aufgetragen.
Es ergeben sich Strahlen, die durch den Nullpunkt verlaufen.
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Für verschiedene konstante Werte der Leistung N. ändert sich der Winkel
ß in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor nach den Kennlinien der Abb. i o. Die Änderung
d ß des Winkels in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor ist aus Abb. i i zu ersehen.
Man muß also den tatsächlichen Winkel ß, den die Maschine aufweist, entsprechend
dem Leistungsfaktor der abgenommenen Last ändern. Wie dies im einzelnen zu geschehen
hat, ist beispielsweise in Abb. 12 dargestellt. In dieser ist mit SM wieder die
Maschine bezeichnet, die das Netz N speist. Auf der Welle der Maschine sitzt eine
unbelastete Hilfssynchronmaschine HS, deren Läufer über einen regelbaren, nicht
näher bezeichneten Widerstand mit Gleichstrom erregt ist, während der Ständer
St frei drehbar angeordnet ist. Dieser Ständer ist über einen Hilfstransformator
HT vom Netz aus erregt. Der Ständer trägt einen Zeiger Zß, welcher über einen Widerstand
Rß schleift. Durch eine Feder F erfährt der Ständer St ein Drehmoment, das ihn in
diejenige Lage zurückzuziehen versucht, die er bei unbelasteter Maschine einnimmt.
Bei Belastung der Maschine S11 zeigt der Zeiger Zß einen dem Winkel ß proportionalen
Ausschlag an und greift einen entsprechenden Teilwiderstand auf dem Widerstand Re
ab. Die Summe der Spannungen, die an den Widerständen Rß und I2. abgegriffen werden
(wobei R9, ein Widerstand ist, auf dem der Zeiger eines Leistungsfaktormeßgerätes
iVh schleift), wird nun an den Zeiger Z" geführt, der ebenso wie beim Ausführungsbeispiel
der Abb.7 von einem Gerät R2 nach einem bestimmten Fahrplan verstellt wird und dadurch
die Größe der an dem Spannungsteiler Sp entnommenen Spannung bestimmt. Hierbei können
die Widerstände Rß und R", entweder für sich an einer nicht dargestellten Spannungsquelle
konstante Spannung oder, wie in Abb. 12 dargestellt, über die auf ihnen schleifenden
Zeiger hintereinander an eine ebenfalls nicht dargestellte Batterie gelegt sein,
wobei dafür zu sorgen ist, daß die Widerstände von einem dem Maschinenstrom jeweils
proportionalen Strom durchflossen werden. Die Größe der an dem Widerstand R, abgegriffenen
Spannung wird dabei, wie erwähnt, durch die Stellung des Zeigers Zß bestimmt, der
von dem Leistungsfaktormeßgerät 1V1, verstellt wird. Dessen Stromspule ist an den
Stromwandler WI, die Spannungsspule an den Spannungswandler 972
angeschlossen.
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Die an dem Spannungsteiler Sp abgegriffene Spannung wird demnach über
die beiden Widerstände RP und Rß an die Klemmen K, geführt. Von dort aus entspricht
die weitere Schaltung derjenigen der Abb. 7.