DE687084C

DE687084C - Device for balancing three-phase networks

Info

Publication number: DE687084C
Application number: DE1937A0084332
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Karl Hessenberg
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1937-09-28
Filing date: 1937-09-28
Publication date: 1940-01-27

Description

Einrichtung zur Symmetrierung von Drehstromnetzen Zum Ausgleich unsymmetrischer Belastungen in Drehstromnetzen können bekanntlich ruhende Ausgleichsblindlasten oder umlaufende Maschinen verwendet werden. Maschinen erfordern zwar im allgemeinen größere Aufwendungen für Anschaffung und Unterhaltung; sie bedingen ferner größere Verluste. Trotzdem ist die Verwendung von Maschinen zu Symmetrierungsz,.vecken unter Umständen vorteilhaft, und zwar besonders dann, wenn eine sehr genaue oder eine möglichst verzögerungsfreie Symmetrierung bei veränderlicher unsymmetrischer Last verlangt wird.Device for balancing three-phase networks To compensate for asymmetrical ones It is well known that loads in three-phase networks can lead to static compensating reactive loads or rotating machines are used. Machines generally require larger expenses for purchase and maintenance; they also require greater ones Losses. Nevertheless, the use of machines for symmetrization, .vecken under Circumstances advantageous, especially if a very precise or a Balancing with as little delay as possible in the case of a variable asymmetrical load is required.

Es ist an sich bekannt, daß Drehfeldmaschinen schon ohne irgendwelche besondere Einrichtungen einen Teil der von einphasigen Verbrauchern hervorgerufenen gegenläufigen symmetrischen Stromkomponente aufnehmen und hierdurch die Symmetrie des Netzes verbessern. Diese Wirkung ist darauf zurückzuführen, daß Drehfeldmaschinen für das gegenläufige symmetrische Stromsystem einen verhältnismäßig kleinen Scheinwiderstand besitzen. Je kleiner dieser Scheinwiderstand ist, um so vollkommener ist der Kürzschluß, den die Maschine für das Gegensystem darstellt. Schaltet man parallel zu einer unsymmetrischen Last in einem sonst symmetrischen Netz eine Drehfeldmaschine, deren Scheinwiderstand für die gegenläufige Komponente genau gleich o ist, so wird diese Maschine den gesamten gegenläufigen Strom aufnehmen, so daß das speisende Netz vollkommen symmetrisch belastet ist. Andererseits muß die betreffende Maschine, falls sie auschließlich dem Zweck der Symmetrierung dient, natürlich einen möglichst hohen Scheinwiderstand für das Mitsystem besitzen, um eine nutzlose Wirk- und Blindbelastung des Netzes zu vermeiden.It is known that rotating field machines already without any special facilities a part of those caused by single-phase consumers record opposite symmetrical current component and thereby the symmetry improve the network. This effect is due to the fact that rotating field machines a relatively small impedance for the opposing symmetrical current system own. The smaller this impedance, the more perfect the short circuit, that the machine represents for the counter system. If you switch in parallel to an unbalanced one Load in an otherwise symmetrical network a rotating field machine, its impedance is exactly equal to o for the opposing component, this machine will do the entire take up opposite current, so that the feeding network is completely symmetrical is burdened. On the other hand, the machine in question must, if it is exclusively the purpose of balancing is, of course, the highest possible impedance for the positive sequence system to have a useless active and reactive load on the network to avoid.

Es ist auch bereits eine Einrichtung zur Symmetrierung von Drehstromnetzen mittels zweier in Kaskade geschalteter Drehstrommaschinen und einer Kondensatorbatterie bekannt, die an den den beiden Maschinen gemeinsamen Stromkreis angeschlossen ist. Diese Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß sie bei Änderungen der unsymmetrischen Last eine Regelung erfordert. Dieser Mangel wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung behoben, womit auch die Verzögerungen entfallen, die bei Regelvorgängen unvermeidlich sind. Gemäß der Erfindung ist nun die Kondensatorbatterie so bemessen, daß sie den Blindleistungsbedarf des gegenläufigen Stromsystems in beiden lfaschinen deckt.It is also already a device for balancing three-phase networks by means of two three-phase machines connected in cascade and a capacitor battery known, which is connected to the circuit common to the two machines. These However, the device has the disadvantage that it changes the unbalanced Load requires regulation. This deficiency is caused by the device according to the invention fixed, which also eliminates the delays that are unavoidable in control processes are. According to the invention, the capacitor battery is now dimensioned so that it can The reactive power requirement of the opposing power system in both machines.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht. Die Anordnung gemäß Abb. i besteht aus zwei Drehfeldmaschinen A und B und einer Kondensatorbatterie C. . Beide Maschinen tragen im Ständer und Läufer Drehstromwicklungen. Diese Wicklungen sind sämtlich dreiphasig, und zwar in Sternschaltung dargestellt. Es können aber, soweit es die Anschlußbedingungen zulassen, auch beliebige andere Schaltun-,gen und Phasenzahlen gewählt werden. Die Ständerwicklung i der Maschine A wird an das zu symmetrierende Drehstromnetz angeschlossen, das z. B. mit einer größeren Einphasenlast E belastet ist. An die Klemmen der Läuferwicklung -- der Maschine A ist einerseits die Läuferwicklung der Maschine B, andererseits die Kondensatorbatterie C angeschlossen. Die Ständerwicklung 4. der Maschine B ist in sich kurzgeschlossen, wobei in besonderen Fällen für Regelzwecke noch Widerstände vorgeschaltet werden können; im allgemeinen ist eine Regelung nicht notwendig, so daß die Wicklung q. auch als Käfigwicklung ausgebildet werden kann. Darin bedeuten r1, x1 Ohmscher Widerstand und Streublindwiderstand der Ständerwicklung von Maschine A, r2, x2 Ohmscher Widerstand und Streublindwiderstand der Läuferwicklung von Maschine A, rg, x, Ohmscher Widerstand und Streublindwiderstand der Läuferwicklung von Maschine B, r4, x4 Ohmscher Widerstand. und Streublindwiderstand der Ständerwicklung von Maschine B, yA, y$ die Magnetisierungsblindleitwerte der Maschinen A und B, a) C den kapazitiven Blindleitwert der Kondensatorbatterie. Die Maschine A wird entweder synchron angetrieben, z. B. durch einen kleinen synchronen Antriebsmotor, oder sie besitzt eine Gleichstromerregerwicklung und läuft als Synchronmotor, oder sie läuft als Asynchronmotor mit einer etwas geringeren Drehzahl als der synchronen Drehzahl.The subject matter of the invention is illustrated in the drawing, for example. The arrangement according to Fig. I consists of two induction machines A and B and a capacitor battery C. Both machines have three-phase windings in the stator and rotor. These windings are all three-phase, shown in a star connection. However, as far as the connection conditions permit, any other circuits, circuits and numbers of phases can be selected. The stator winding i of the machine A is connected to the three-phase network to be balanced, the z. B. is loaded with a larger single-phase load E. The rotor winding of machine B on the one hand and the capacitor battery C on the other hand are connected to the terminals of the rotor winding of machine A. The stator winding 4. of the machine B is short-circuited in itself, it being possible for resistors to be connected upstream for control purposes in special cases; In general, a regulation is not necessary, so that the winding q. can also be designed as a cage winding. R1, x1 mean ohmic resistance and leakage resistance of the stator winding of machine A, r2, x2 mean ohmic resistance and leakage blind resistance of the rotor winding of machine A, rg, x, ohmic resistance and leakage resistance of the rotor winding of machine B, r4, x4 ohmic resistance. and leakage reactive resistance of the stator winding of machine B, yA, y $ the magnetization reactance of machines A and B, a) C the capacitive reactance of the capacitor bank. The machine A is either driven synchronously, e.g. B. by a small synchronous drive motor, or it has a DC excitation winding and runs as a synchronous motor, or it runs as an asynchronous motor with a slightly lower speed than the synchronous speed.

Würde die Maschine A mit kurzgeschlossenem Läufer, also nicht in Kaskade mit der Maschine B und ohne die Kondensatorbatterie C an das unsymmetrische Netz angeschlossen, so wäre die Symmetrierung nur unvollkommen, da die Gegenkomponente des Stromes in der Maschine sowohl Ohmsche als auch induktive Widerstände überwinden muß. Zur Deckung des Wirkleistungsbedarfs des gegenläufigen Stromsystems in derMaschine A dient die als Asynchrongenerator wirkende Hintermaschine B. Die Kondensatorbatterie C hat den Zweck, die gesamte von dem gegenläufigen System benötigte . Blindleistung zu liefern. Dabei ist es als ein besonderer Vorteil zu betrachten, daß die Ströme des Gegensystems im Läuferkreis die doppelte Netzfrequenz haben, so daß sie wesentlich besser ausgenutzt werden, als es bei einfacher Netzfrequenz der Fall wäre.Machine A would have a short-circuited rotor, i.e. not in a cascade with the machine B and without the capacitor bank C to the asymmetrical network connected, the balancing would only be imperfect, since the opposite component of the current in the machine overcome both ohmic and inductive resistances got to. To cover the active power requirement of the opposing power system in the machine A, the rear machine B acts as an asynchronous generator. The capacitor bank The purpose of C is to get all of the counter-system needed. Reactive power to deliver. It is to be regarded as a particular advantage that the currents of the negative system in the rotor circuit have twice the network frequency, so that they are significantly can be better utilized than would be the case with a simple mains frequency.

Die Beziehung zwischen den Strömen und Spannungen, die in den einzelnen Wicklungen auftreten, läßt sich am besten durch die bekannte Kettenbruchdarstellung wiedergeben. Zwischen einer symmetrischen Klemmenspannung Lit am Ständer der Maschine A und dem entsprechenden Strom J1 in der Ständerwicklung besteht die Beziehung: Es sei ferner der Scheinwiderstand der gesamten Anordnung für symmetrischen Drehstrom (Mitsystem), der Gesamtscheinwiderstand für das Gegensystem. Die Schlupfwerte Q"t und o;,t betragen für das Mitsystem und für das Gegensystem wenn f, die _Netzfrequenz, die der Drehzahl der Maschine A entsprechende Frequenz und die der Drehzahl der Maschine B entsprechende Frequenz ist.The relationship between the currents and voltages that occur in the individual windings can best be represented by the well-known continued fraction representation. The relationship between a symmetrical terminal voltage Lit at the stator of machine A and the corresponding current J1 in the stator winding is as follows: Let it be further the impedance of the entire arrangement for symmetrical three-phase current (positive sequence system), the total impedance for the negative system. The slip values Q "t and o;, t are for the positive sequence system and for the negative system if f, the _ mains frequency, the frequency corresponding to the speed of the machine A and is the frequency corresponding to the speed of the machine B.

Damit die Maschine b' gemäß ihrer Aufgabe als Generator für das Gegensystem wirkt, muß ßv- < o, also fB ? fo + fA sein. Diese Bedingung läßt sich z. B. dadurch erfüllen, daß Maschine A als Asynchronmotor läuft, Maschine B hingegen mit doppelter synchroner Drehzahl von einem kleinen Hilfsmotor angetrieben wird; dann ist. fB = 2 # fo, also Läuft die Maschine A synchron, so muß die Drehungsfrequenz der Maschine B etwas größer als 2 # fo sein. Eine unmittelbare mechanische Kupplung der beiden Maschinen ist dann möglich, wenn entsprechend verschiedene Polpaarzahlen p, und p, gewählt werden, z. B. p, = 2, p2 = 5.So that the machine b 'acts as a generator for the negative system according to its task, ßv- <o, i.e. fB ? fo + fA be. This condition can be z. B. meet the fact that machine A runs as an asynchronous motor, while machine B is driven by a small auxiliary motor at twice the synchronous speed; then. fB = 2 # fo, so If the machine A runs synchronously, the frequency of rotation of the machine B must be slightly greater than 2 # fo. A direct mechanical coupling of the two machines is possible if different numbers of pole pairs p and p are selected, e.g. B. p, = 2, p2 = 5.

Die einzelnen Widerstände, Streuungen usw. müssen so bemessen werden, daß für das Gegensystem der Ausdruck i verschwindet. Das läßt sich in vielfältiger Weise erreichen.The individual resistances, scatter, etc. must be measured in such a way that that for the negative sequence the expression i vanishes. That can be done in a variety of ways Way to achieve.

In Abb. 2 ist- eine abgeänderte Ausführungsmöglichkeit des Erfindungsgedankens dargestellt, die besondere Vorteile bietet. Es sind wieder die zwei Drehfeldmaschinen vorhanden, die der Übersicht halber nicht gesondert bezeichnet sind. Die Läuferwicklungen haben wieder die Bezugszeichen 2 und 3 erhalten. Die Vordermaschine trägt aber noch eine zusätzliche Gleiehstromerregerwicklung G, so daß sie zusätzlich zur Leistungsfaktorverbesserung ausgenutzt werden kann. L?nter der Annahme, daß diese Maschine synchron läuft, ergibt dies den weiteren Vorteil, daß die Hintermaschine völlig von den Strömen des Mitsystems befreit wird. Es muß dann nur dafür gesorgt werden, daß die Gleichstromwicklung nicht als Kurzschluß für die Ströme des Gegensystems wirkt. Deshalb muß der Gleichstromerregerkreis eine hohe _ Streuinduktivität besitzen, die am besten durch Vorschalten einer Drosselspule D erhöht wird. Zur Vermeidung von Frequenzspiegelungen wird zweckmäßig der Läufer der Vordermaschine noch mit einer zusätzlichen, gegenüber der Gleichstromwicklung um 9o° versetzten Hilfswicklung H ausgerüstet, die natürlich, um Symmetrie zu erzielen, die gleiche Streuinduktivität besitzen muß, also zweckmäßig ebenfalls eine Drosselspule D' erhält.In Fig. 2 is a modified embodiment of the idea of the invention shown, which offers special advantages. It's the two rotating field machines again are present, which are not separately designated for the sake of clarity. The rotor windings have again received the reference numerals 2 and 3. The front machine is still bearing an additional DC exciter winding G, so that in addition to the power factor improvement can be exploited. Longer assuming that this machine runs synchronously results this has the further advantage that the rear machine is completely affected by the currents of the positive sequence system is released. It then only has to be ensured that the DC winding does not act as a short circuit for the currents in the negative sequence. Therefore the DC exciter circuit must Have a high leakage inductance, which is best achieved by connecting a choke coil D is increased. The rotor is expedient to avoid frequency reflections the front machine with an additional winding compared to the direct current winding Equipped with auxiliary winding H offset by 9o °, which of course, in order to achieve symmetry, must have the same leakage inductance, so it is also expedient to have a choke coil D 'receives.

Die gemäß der Erfindung bemessene Anordnung zeichnet sich, wie bereits erwähnt, dadurch aus, daß im Gegensatz zu anderen Symmetrierungseinrichtungen bei Änderungen der unsymmetrischen Last keinerlei Regelung erforderlich ist. Besonders dann, wenn beide Maschinen mit konstanten Drehzahlen laufen und wenn außerdem der Einfluß der Eisensättigung auf die Blindwiderstände der Maschinen vernachlässigt werden kann, bleibt bei richtiger Bemessung der einzelnen Wirk- und Blindwiderstände in den Maschinen die Klemmenspannung des Netzes stets genau symmetrisch, da die Gegenkomponente der Spannung infolge der Bedingung äg = o kurzgeschlossen ist. Die bei Regelvorgängen im allgemeinen unvermeidliche und bestenfalls auf sehr kurze Zeitspanne zu verringernde Verzögerung fällt hier völlig fort.The arrangement dimensioned according to the invention is characterized as already mentioned, in that, in contrast to other balancing devices Changes in the unbalanced load no regulation is required. Particularly when both machines run at constant speeds and when also the Influence of iron saturation on the reactances of the machines neglected remains with the correct dimensioning of the individual active and reactive resistances in the machines the terminal voltage of the network is always exactly symmetrical, since the The opposite component of the voltage is short-circuited due to the condition äg = o. the generally unavoidable in control processes and, at best, very brief The delay to reduce the time span is completely omitted here.

Unter Umständen ist eine vollkommene Symmetrierung eines - Netzes nicht notwendig, ja sogar nicht einmal erwünscht, und zwar besonders dann, wenn ein einzelner Verbraucher seine Einphasenlast Symmetrieren will, tvenn jedoch die Spannungsunsymmetrie zu einem großen Teil durch fremde unsymmetrische Belastungen hervorgerufen wird. Auch in solchen Fällen kann die gemäß der Erfindung bemessene Anordnung mit Vorteil verwendet werden. Man braucht dann nur den Gegenscheinwiderstand 3g in der Weise zu verstimmen, daß ein kleiner Ohmseher oder induktiver Restwiderstand bestehen bleibt.Under certain circumstances there is a complete symmetry of a network not necessary, even not even wanted, especially when a single consumer wants to balance its single-phase load, but if the Voltage asymmetry to a large extent due to external asymmetrical loads is caused. Even in such cases, the dimensioned according to the invention Arrangement can be used with advantage. You then only need the counter-glare resistance 3g to detune in such a way that a small ohmic or inductive residual resistance remains.

Eine Veränderung des Scheinwiderstandes @e .läßt sich mit Hilfe von regelbaren Wirk-und Blindwiderständen, die z. B. in den Stromkreis der Ständerwicklung 4 der Maschine B (Abb. i) eingefügt werden, leicht durchführen. Eine solche Maßnahme kommt dann in Frage, wenn entweder aus besonderen Gründen eine vollkommene Symmetrierung der Netzspannung verhindert werden soll, oder auch z. B. dann, wenn der Motor A als Asynchronmotor läuft und infolgedessen bei Laständerungen die Bedingung 3g = o ohne eine Nachregelung nur angenähert gültig bliebe.The impedance @e. Can be changed with the help of adjustable active and reactive resistances, which z. B. in the circuit of the stator winding 4 of the machine B (Fig. I) can be inserted easily. Such a measure comes into question if either for special reasons a perfect symmetry the mains voltage should be prevented, or z. B. when the engine A as Asynchronous motor runs and, as a result, condition 3g = o without load changes a readjustment would only remain approximately valid.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for balancing three-phase networks by means of two three-phase machines connected in cascade and one on the two Machines common circuit connected capacitor bank, labeled by dimensioning the capacitor bank in such a way that it meets the reactive power requirement of the opposing current system in both machines. -. Device according to claim i, characterized by such a dimensioning of the two machines that the rear machine as an asynchronous generator that is generated by the opposing current system in the front machine covers incurred losses. 3. Device according to claim i and 2, characterized in that that the front engine carries an additional DC excitation winding. 4 .. establishment according to claim i to 3, characterized in that the direct current exciter circuit is a receives additional self-induction. 5. Device according to claim i to .4, characterized by designing the DC winding in such a way that it is suitable for asynchronous rotating fields represents a symmetrical three-phase winding.