-
Regelung von Leistungsverteilung, Leistungsflüssen und Frequenz (Drehzahl)
in ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzen oder -netzverbänden Zur Regelung von
Leistungsverteilung, Leistungsflüssen und Frequenz (Drehzahl) in ein-oder mehrphasigen
Wechselstromnetzen oder -netzverbänden sind in letzter Zeit Verfahren bekanntgeworden,
die mit einem Normalspannungs- oder Richtvektor arbeiten und bei denen die Größe,
nach der die Regler der Maaschinen oder Umformer gesteuert werden, der Winkel- oder
Periodenunterschied-oder allgemein der Gangunterschied - zwischen dem Maschinen-
oder Netzspannungsvektor einerseits und dem Normalspannungs- oder Richtvektor anderseits
ist. Demgemäß ist bei diesen Verfahren die Frequenz des Normalspannungs- oder Richtvektors
konstant; sie ist entweder gleich dem Sollwert der Netzfrequenz oder steht in einem
festen Verhältnis zu ihm.
-
Da die Steuergröße bei diesen Verfahren das Zeitintegral der Frequenzabweichungvom
Sollwert ist, dauert es immer eine gewisse Zeit, bis eine Frequenz,abweichung eine
Änderun;g der Steuergröße nach sich zieht. Dies ist nicht störend, wenn man die
Gangregelung der .gewöhnlichen Drehzahlregelung als langsame Nachregelung überlagert,
da dann bereits die Drehzahlregler dafür sorgen, daß keine unzulässigen Frequenzabweichungen
entstehen können. Deshalb unterscheidet sich dieses Verfahren auch nur über längere
Zeiträume betrachtet von der gewöhnlichen Drehzahlregelung und wertet somit die
Vorteile, die inan mit der Gangregelung erzielen kann, nur zum kleineren Teile aus,
Die volle Ausnutzung erreicht man erst, wenn man die Empfindlichkeit und Genauigkeit
der Gangregelung so weit steigert, daß schon eine kleine Frequenzabweichung in kurzer
Zeit den zur Verstellung des Leistungssteuers der Kraftmaschinen erforderlichen
Ausschlag des den Regler steuernden Gliedes hervorruft. Man muß also mit .anderen
Worten diejenigen Gangunterschiede, die beispielsweise volles öffnen oder Schließen
des Leistungssteuers an den Kraftmaschinen veranlassen, mindestens in der Größenordnung
von wenigen Periodeni oder noch besser von elektrischen Graden wählen. Erst dieser
Übergang zur Vektorregelung erlaubt es, alle Möglichkeiten auszuschöpfen. Dies .bedingt
aber anderseits auch wieder, daß bei der Übertra gung des Normalspannungs- oder
Richtvektors
nur sehr kleine Fehler entstehen dürfen, da schon
geringfügige Abweichungen von der richtigen Phasenlage beträchtliche Fehlwirkungen
ergeben können. Dieses Verfahren erfordert daher einen ziemlich großen Aufwand und
.setzt somit auch eine entsprechend hohe Entwicklungsstufe des Netzbetriebs voraus.
-
Das nachfolgend -beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung gestattet
demgegenüber, die meisten Vorteile der Vektorregelung mit wesentlich einfacheren
Mitteln zu erreichen und hat nebenbei auch noch den Vorzug, daß sich bei :einem
(etwaigen späteren Übergang zur Vektorregelung die Regel- und Steuereinrichtungen
verhältnismäßig leicht umbauen lassen.
-
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die selbsttätigen Regler
der Maschinen nach dem Unterschied (Schlupf) zwischen der Netzfrequenz und einer
ihnen zugeführtenTakt-oderSteuerfrequenz gesteuert, und zwar so, daß sie Beziehungen
zwischen dem Unterschied (Schlupf) zwischen der Maschinen- oder Netzfrequenz und
einer Steuerfrequenz oder zwischen -diesen Frequenzen verhältnisgleichen Drehzahlen
und den Maschinenleistungen einregeln, die durch Schlupf/ Leistungs-Kennlinien nach
Art der Drehzahl/ Leistungs-Kennlinien darstellbar sind. Demgemäß werden die neuen
Regler im folgenden als Schlupffrequenz- oder Schlüpfdrehzahlregler oder kürzer
als Schlupfregler bezeichnet.
-
Im Gegensatz zur Vektorregelung, bei der die Frequenz des Normalspannungs-
oder Richtvektors einen konstanten, dein Sollwert. der Netzfrequenz. entsprechenden
Wert hat find die Regler nach dem Gangunterschied gesteuert werden, stimmt bei dem
Verfahren gemäß der Erfindung die Steuerfrequenz nicht mit der Netzfrequenz überein
und braucht auch nicht konstant zu sein, vielmehr wird man sie bei Bedarf so verändern,
daß die Netzfrequenz trotz wechselnder Netzbelastung ihren Sollwert behält.
-
Die Beschaffung der Steuerfrequenz an allen den Stellen, wo Schlupfregier
aufgestellt werden, kann: beispielsweise zentral durch einen Maschinen- oder Röhrengenerator
oder mittels Stimmgabelsteuerung, Quarzresonatoren, Präzisionsuhrwerken usw. erfolgen.
Zur Übertragung der erzeugten Frequenz kann man sich irgendeines der bekannten -Hilfsmittel
der Feinmelde- oder Sendetechnik bedienen. Dabei kann entweder diese Frequenz selbst
übertragen werden, oder aber .man kann irgendwelche Trägerfrequenzen benutzen, die
mit der Steuerfrequenz moduliert werden. Der heutige Stand der Technik gestattet
es, die erzeugte Frequenz mittels geeigneter Geber oder Sender und Empfänger so
zu übertragen und zu verstärken, daß an den Reglern . .eine der zentral erzeugten
genau gleiche oder verhältnisgleiche Steuerfrequenz zur Verfügung steht: Dabei kann
man die Übertragungswege durch elektrische Weichen auch noch für andere Zwecke ausnützen
oder bereits vorhandene Einrichtungen mitbenutzen.
-
Statt dessen kann man aber auch daran denken, auf die ununterbrochene
Übertragung der an der Zentralstelle erzeugten Frequenz zu verzichten und an Ort
und Stelle möglichst genau arbeitende Schwingungserzeuger aufzustellen, die nach
den gleichen Grundsätzen wie der zentrale Erzeuger gebaut sein können und die mit
diesem durch Zeichen in gewissen Zeitabständen selbsttätig oder von Hand in Übereinstimmung
gehalten werden.
-
Die Schlupfregler haben. als steuerndes Glied ein elektrisches bzw.
mechanisches Differential, das einerseits von der Steuerfrequenz, anderseits von
der Maschinen- oder Netzfrequenz gespeist bzw. mit Drehzahlen angetrieben wird,
die diesen Frequenzen verhältnisgleich sind. Die Abtriebswelle eines solchen Differentials
läuft bekanntlich mit einer Drehzahl um, die der Schlupffrequenz verhältnisgleich
ist. Als elektrische Differentiale kommen insbesondere Asynchronmaschinen in Betracht,
deren_Ständer(Läufer)widk-Jung beispielsweise an den Maschinenklemmen öder auch
an den Klemmen einer besonderen Hilfswicklung in der Maschine oder an den Klemmen
eines mit der Maschinenwelle gekuppelten Hilfsgenerators liegt, während die Läufer(Ständer)wickltuig
mit einer Spannung von der Steuerfrequenz oder von einer dieser verhältnisgleichen
Frequenz gespeist wird. Die Drehzahl des Läufers einer solchen doppeltgespeisten
Aspnchronmaschine ist dem Unterschied zwischen der Maschinen- oder Netzfrequenz
und der Steuerfrequenz, d. h. der Schlupffrequenz, verhältnisgleich.
-
Die Drehzahl der Abtriebswelle des Differentials wird auf irgendeine
bekannte Art und Weise, z. B. mittels eines Drehzahlpendels, festgestellt. Dieses
Drehzählmeßwerk wirkt wie beim Drehzahlregler üblicher Bauart unmittelbar oder mittelbar
auf das Leistungssteuer der zu regelnden Maschine ein. Ein Unterschied besteht nur
insofern, als. man darauf zu achten hat, daß die Abtriebswelle des Differentials,
je nachdem ob die Netz- oder die Steuerfrequenz den größeren Wert hat, im einen
oder im anderen Sinn umlaufen kann.
-
An Stelle der bekanntenDrehzahl/Leisturigs-Rennlinie beim Drehzahlregler
üblicher Bauart tritt beim Schlupfregler eine Schlupf/ Leistungs-Kennlinie. Wie
beim Drehzahlregler kann man zu dlesem Zweck auch beim Sc hlupfregler, statt die
Leistung vom Kraftrnaschinensteuer abzugreifen, ein besonderes
Meßwerk
für die vom Generator abgegebene Leistung benutzen.
-
Nimmt man an, daß die Schlupf/Leistungs-Kennlinien geradlinig verlaufen,
so wird die Beziehun, zwischen der Leistung N einer Maschine' oder eines Kraftwerks
und der Schlupffrequenz durch die Gleichung N=N"+c(fs-f) (i) ausgedrückt, wenn man
mit N, die Leistung beim Schlupf Null, mit c einen Proportionalitätsfaktor, der
die Kennlinienneigung bestimmt, mit f die Netz- und mit fis die Steuerfrequenz bezeichnet,
so d.aß fs.-f die Schlupffrequenz darstellt. Hiernach hängt die Netzfrequenz f,
wenn man, die Regler sich selbst überläßt, bei konstanter Steuerfrequenz fs von
der jeweiligen Kraftwerksbelastung ab.. Wenn man sich dagegen zum Ziel ,setzt, die
Netzfrequenz f gleich der Sollfrequenz f, zu
machen, kann man, entweder
N, oder c oder f s
in Abhängigkeit von f ändern, d. h. man kann entweder die
Kennlinie auf- und abwärts schieben (Änderung von NJ oder sie verdrehen
(Änderung von c) oder, wie bereits erwähnt, die Steuerfrequenz erhöhen oder erniedrigen.
Dies kann in allen: drei Fällen von Handoder durch zusätzliche Regeleinrichtungen
geschehen. Beispielsweise kann man im letzten Fall, d. h. wenn man die Steuerfrequenz
ändert, einen vom Netz aus angetriebenen Fliehkraftregler 'verwenden, der den Steuerfrequenzerzeuger
so beeinflußt,daß f = f o wird.
-
Im übrigen wird man selbstverständlich bei den Schlupfreglern die
bekannten Grundsätze der Regeltechnik und die im Reglerbau bewährten Mittel (z.
B. nachgiebige Rückführungen) zur Erhöhung der Stabilität anwenden. So kann man.
u. a. auch mehrere Generatoren mit waagerechten Kennlinien parallel arbeiten lassen,
indem: man ihre Steuerwerke durch mechanische oder elektrische Aus:gleichsverbindungen
voneinander abhängig- macht. Unter Umständen wird es sich empfehlen, bereits vorhandene
Drehzahlregler dadurch nachträglich in Schlupfregler zu verwandeln, daß man beispielsweise
das Gerät zur Messung des Schlupfs auf die Drehzahlverstellvorrichtung oder die
Öffnungsbegrenzung usw. einwirken läßt. Ein solcher Regler kann im Notfall selbsttätig
als Drehzahlregler eingreifen. Es kann auch zweckmäßig sein, die Schlupfregter -
wie dies auch bei den Drehzahlreglern üblich ist - mit einem groben CJberdrehzahlschutz
zu versehen, der bai Ausbleiben der Steuerfrequenz oder sonstigen Störungen ein
unzulässiges Ansteigen der Drehzahl verhindert.
-
Die praktische Durchführung dieser Maßnahmen ist so einfach, daß sie
keiner weiteren Erläuterung durch. Beispiele mehr bedarf. Ebensowenig braucht auch
der Fall, .daß ein-Drehzahlregler üblicher Bauart in: :einen Schlupfregler umgewandelt
wird, indem man das Pendel statt mit der Maschinendrehzahl mit einer dem Schlupf
verhältnisgleichen Drehzahl antreibt, .an: Beispielen im einzelnen erläutert zu
werden, zumal da auch die an Drehzahlreglern üblicher Bauart meist vorhandenen Einrichtungen
zum Heben oder Senken und Verdrehen der Kennlinie ohne weiteres beibehalten werden
können. Dagegen soll an Hand der Zeichnung noch ein von der üblichen Drehzahlreglerbauart
abweichender elektrischer Schlupfregler mit den verschiedenen Möglichkeiten für
die Nachregelung der Netzfrequenz f kurz beschrieben werden.
-
Mit dem Leistungssteuer- der zu regelnden Kraftmaschine, also etwa
mit den Leitschaufeln. einer' Turbine, sei die Kurbel i= eines Kurbelwiderstandes
2 irgendwie mechanisch gekuppelt. Der Widerstand 2 sei so gewickelt, daß durch die
Kurbel i in jeder Stellung eine Teilspannung :abgenommen wird; die sich .zu der
an den Klemmen .des Widerstands liegenden Spannung U so verhält wie die jeweilige
Leistung N der Kraftmaschine zu ihrer vollen Leistung. Der Grundleistung Na der
Maschine, d. h. der j enigen Leistung, die der Regler bei der Schlupffrequenz Null
einstellen soll, entspreche die Stellung der Kurbel i auf dem Punkt 3 des . Widerstands
2. Die Klemmenspannung U -sei beispielsweise eine von einer Batterie q. gelieferte
Gleichspannung. Zwischen dem Punkt 3 ,auf dem Widerstand 2 und dem Drehpunkt 5 der
Kurbel i sei eine fremderregte Gleichstrommaschine 6 eingeschaltet; die mit einer
der Schlupffrequenz .verhältnisgleichen Drehzahl umlaufen, also z. B. von einer
doppelt gespeisten Asynchronmaschine der bereits erwähnten Art an getriez ben werden
soll. Die Spannung E dieser Gleichstrommaschine 6 befolgt somit das Gesetz
E = a (fs - f) (2)
wobei a ein Proportionalitätsfaktor ist.
In dem Stromkreis dieser- Maschine 6 liege außerdem noch ein Relais 7, das den zur
Verstellung des Kraftmaschinensteuers dienenden, in der Zeichnung nicht dargestellten
Servomotor - und damit auch die Kurbel i -je nach der Stromrichtung im einen oder
anderen Sinn so lange steuert, bis: der Relaisstrom Null ist. Dies ist dann der
Fall, wenn die Spannung E der Maschine 6 entgegengesetzt gleich ist dem Spannungsabfall
zwischen dem Berührungspunkt 8 der Kurbel z auf dem Widerstand 2 und dem Punkt 3
des. Widerstandes z. Die Bedingung hierfür kann man, wenn man mit b den. Faktor
bezeichnet, der
die oben vorausgesetzte Proportiodalität zwischen
Maschinenleistung und abgegriffener Teilspannung ausdrückt, in der Farm a (fs
- f) = b (N - N,) oder
schreiben. Die Gleichung (3) zeigt, daß tatsächlich eine Schlupf fLeistungs-Kennlinie
eingeregelt wird. Will man diese Kennlinie heben öder senken, d. h. will man die
Grundleistung N, ändern, so braucht man nur den Anzapfpunkt 3 auf dem Widerstand
2 zu verschieben. Um d er Kennlinie eine andere Neigung, d. h. dem Verhältnis
einen anderen Wert zu geben, kann man entweder die Konstanten der Maschine 6, d.
h. etwa ihre Erregung, und damit den Faktor a ändern, oder aber man kann die Klemmenspannung
U, etwa mittels des Vorschaltwiders.tandes 9, und damit die Konstante b ändern.
Diese Verstellungen kann man bei den einzelnen Maschinen vornehmen oder aber auch
bei einer Mehrzahl oder allen parallel arbeitenden Maschinen, und zwar entweder
von Hand oder mit Hilfe selbsttätiger, von der Netzfrequenz abhängiger Regler, die
die Netzfrequenz gleich der Sollfrequenz machen.
-
Die praktisch wichtigste Möglichkeit, ui' mehrere oder alle Maschinen
gleichmäßig heranzuziehen, bleibt aber die Änderung der Steuerfrequenz, die, wie
bereits bemerkt, beispielsweise mit Hilfe eines Fliehkraftreglers erfolgen kann.
Um die Wirkung dieser Maßnahme auf die in der Zeichnung dargestellte Regelanordnung
im einzelnen übersehen zu können, schreibt man zweckmäßig die Gleichung (3) in der
Form:
wobei
die Leerlauffrequenz bezeichnen soll, die die Netzfrequenz f annimmt, wenn N = 0
wird. Zn dieser Form gibt die Gleichung nicht mehr eine Schlupf/ Leistungs-, .sondern
eine Frequenz (Drehzahl)/ Leistungs-Kennlinie wieder. Sie zeigt, daß eine Änderung
der Steuerfrequenz fs eine Änderung der Leerlauffrequenz fL, also. ein gleichzeitiges
Heben oder Senken der Frequenz (Drehzahl)fLei.stungs-Kennlinien bei allen so gesteuerten
Maschinen bedeutet.
-
Wenn man diese Art der FrequenzregAun,g mit der Regelung der Leistung
an einer bestimmten Stelle des Netzes verbinden will, sö kann man: dies durch Änderung
der Konstanten a öder b in Abhängigkeit von der Leistung an der gewünschten
Stelle erreichen. Ein an der betreffenden Stelle angebrachtes Leistungsrelais braucht
bloß die Steuerung eines Servomotors zu übernehmen, der seinerseits entweder die
Konstanten der Maschine 6 und damit den Faktor a oder den Vorschaltwiderstand 9
und damit den Faktor b ändert.
-
Unabhängig. davon, welches von diesen Verfahren man auch anwendet
und wie die Regeleinrichtungen im einzelnen gebaut sind, bringt :auf jeden Fall
die Schlupfregelung mit Hilfe der Steuerfrequenz den weiteren Vorteil mit sich,
daß die Regelung der Frequenz (Drehzahl) über die Regelung des Schlupfes als einer
Differenzgröße die Empfindlichkeit der Maschinenregler über das bei der gewöhnlichen
D@rehzahl(Frequenz)regelung erreichbare Maß hinaus wesentlich steigert. Man kann
deshalb u. U. auch auf das Nachregeln der Steuerfrequenz überhaupt verzichten, da
in-an wegen der größeren Genauigkeit die Kennlinien auch viel flacher einstellen
und so die Schwankungen der Netzfrequenz in Abhängigkeit vom Belastungszustand des
Netzes wesentlich kleiner halten kann als bei der DZehzahl(Frequenz)regelung.
-
Selbstverständlich sind die Schlupfregler nicht an den Ort gebunden,
an dem sie den Schlupf zu regeln haben, sondern sie können mittels irgendwelcher
Übertragungswege auch fernwirken. Ebenso ist es auch möglich, Einrichtungen, die
zur Übertragung, Verstärkung us:w. der Steuerfrequenz dienen, oder einzelne Teile
des Steuerwerkes örtlich getrennt vom Regler aufzustellen und für mehrere Regler
durch elektrische oderlmechanische Kupplungen gemeinsam zu verwenden. Die Vorteile;
die man dadurch erreicht, liegen einmal in der Ersparnis, dann in der außerordentlich
wertvollen Möglichkeit, ganze Maschinengruppen, Kraftwerke, Netzteile oder ganze
Netze .gemeinsam zu steuern. Wenn man beispielsweise in einen Übertragungsweg, der
die vom Zentralerzeuger gelieferte , Frequenz einem Kraftwerk, einem Netzteil oder
Netz zuführt, Einrichtungen (Frequenzumformer oder -überlaxerer) einbaut, die die
Steuerfrequenz zu erhöhen oder zu erniedrigen oder, ganz allgemein ausgedrückt,
den einzelnen Kraftwerken, Netzteilen oder Netzen verschiedene Steuerfrequenzen
zuzuführen gestatten, so kann man durch einen einzigen Handgriff an einer solchen
Vorrichtung ein Kraftwerk, einen Netzteil oder ein ganzes Netz von einer beliebigen
Entfernung aus be-oder entlasten. Da man die Steuerfrequenz voraussichtlich mittels
der vorhandenen Fernsprechleitungen verteilen wird, und da diese
jeweils
strahlenförmig von den vorgesetzten zu den nachgeordneten Stellen laufen, sich also
von der Hauptbefehlsstelle zu den Befehls,stellen:, von den Befehlsstellen zu den
Kraftwerken, von- den Kraftwerkswarten zu den einzelnen Maschinen verzweigen, so
kann der Vorgesetzte von sich aus mittels dieser Einrichtungen die ihm unterstehenden
Maschinen-, Kraftwerks-, Netz-Einheiten mecha-' nisch einzeln oder alle gemeinsam
beeinflussen, ohne eine Anweisung hierüber an die Be--legschaft geben zu müssen.