DE749488C

DE749488C - Arrangement for compensating the harmonics occurring in power networks

Info

Publication number: DE749488C
Application number: DE1940749488D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Eduard Senn
Priority date: 1940-05-04
Filing date: 1940-05-04
Publication date: 1945-01-13

Description

Anordnung zur Kompensierung der in Starkstromnetzen auftretenden Oberwellen Bekanntlich wenden mitunter durch .die Maschinen oder Apparate eines Wechselstrom-Starkstromnetzes außer der geforderten Wechselstromfrequcnz noch unerwünschte Ströme oder Spannungen mit Oberwellenfrequenz erzeugt.Arrangement for the compensation of the harmonics occurring in power networks As is well known, sometimes through .the machines or apparatus of an alternating current power network In addition to the required alternating current frequency, there are also undesired currents or voltages generated with harmonic frequency.

Es ist bekannt, daß mit Eisensättigung arbeitende Transformatoren einen mit Oberwellen behafteten Magnetisierungsstrom aufnehmen. Ebenso weist der. Koronastrom von Hochspannungsleitungen Oberwellen auf. Ferner stellen die in einem Starkstromnetz vorhandenen Gleichrichter bzw. Stromrichter eine weitere Quelle für die Erzeugung von Oberwellenströmen oder -spannungen dar.It is known that transformers operating with iron saturation absorb a magnetizing current affected by harmonics. Likewise, the. Corona flow from power lines generates harmonics. Furthermore, the in one Power grid existing rectifier or converter is another source for the generation of harmonic currents or voltages.

Utn derartige Oberwellenströme oder -spannungen im Netz zu unterdrücken, ist es bekannt, in .das Netz eine Synchronmaschine einzuschalten, die mit der Grundfrequenz des Wechselstromnetzes umläuft und deren Erregerfeld zusätzliche Einrichtungen zur Erzeugung von Oberwellenspannungen oder -strömen beliebiger Phasenlage- und Form aufweist, so daß die Synchronmaschine derartige Oberwellen dem Starkstromnetz zuführt, die dann zur Kompensierung der Wirkung vorhandener Oberwellen dienen. Bei dieser bekannten Einrichtung sind die Pole der Synchronmaschine derart ausgebildet, daß sie außer der Gegenspannung mit Grundfrequenz noch ausgeprägte Oberwellen der in Frage kommenden höheren Frequenz erzeugt.To suppress such harmonic currents or voltages in the network, it is known to switch on a synchronous machine in .das network, which operates with the basic frequency of the alternating current network and its excitation field additional facilities for Generation of harmonic voltages or currents of any phasing and shape so that the synchronous machine feeds such harmonics to the power network, which then serve to compensate for the effect of existing harmonics. At this known device, the poles of the synchronous machine are designed such that In addition to the opposing voltage with the fundamental frequency, they also have pronounced harmonics of the in Question coming higher frequency generated.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine solche Anordnung zur Kotnpensierung der in Starkstromnetzen auftretenden Oberwellen mit Hilfe einer mit Grundfrequenz umlaufenden Synchronmaschine, deren Erregerfeld zusätzliche Einrichtungen zur Erzeugung der Oberwellen aufweist. Erfindungsgemäß besteht die induzierte Wicklung der Synchronmaschine aus zwei Wicklungen, von denen .die eine im wesentlichen eine sinusförm.ige Spannung der Grundfrequenz erzeugt, während in der zweiten Wicklung außer einer Spannung der Grundfrequenz auch noch die Oberwellenspannungen erzeugt werden. Eine derartige Anordnung bringt wesentliche Vorteile mit sich.The invention also relates to such an arrangement for Compensation of the harmonics occurring in power systems with the help of a Basic frequency rotating synchronous machine, the excitation field of which has additional facilities for generating the harmonics. According to the invention, there is the induced winding the synchronous machine consists of two windings, of which. the one in the essentially produces a sinusoidal voltage of the fundamental frequency, while in the In addition to a voltage of the fundamental frequency, the second winding also contains the harmonic voltages be generated. Such an arrangement has significant advantages.

Die induzierte Wicklung der Synchropmaschine ist bei normaler Ausführung als verteilte Wicklung ausgebildet, d. !h. also; die Windungen einer Phase der induzierten Wicklung sind nicht in einer Nut unter ge-' bracht, sondern in mehreren, einen gewissen Teil des Ankerumfanges bedeckenden, unmittelbar benachbarten Nuten. Dies Trat aber bekanntlich zur Folge, daß die resultierende, von den Windungen dieser benachbarten Nuten gelieferte Spannung in ihrer Kurvenform nicht mehr der Kurvenform des induzierenden Feldes entspricht, da infolge der räumlichen Versetzung der einzelnen Nuten in der resultierenden Spannung die Oberwellen weitgehend aufgehoben werden, so daß im wesentlichen nur noch die Grundfrequenz in der Spannungskurve zum Ausdruck kommt. Dieser Nachteil ist nun bei der Erfindung dadurch vermieden, daß die Synchronmaschine mit zwei Wicklungen ausgerüstet ist. Die eine dieser Wicklungen ist als normale, verteilte Wicklung ausgeführt und liefert die Spannung der Grundfrequenz. Die zweite Wicklung hingegen ist als konzentrierte Wicklung ausgeführt, d. h. sie ist je Phase nicht in mehreren benachbarten Nuten untergebracht, sondern beispielsweise nur in einer einzigen Nut. In dieser zweiten Wicklung wird daher eine Spannung induziert werden, die in ihrer Kurvenform genau der Kurvenform des Erregerfeldes entspricht, also auch die gewünschten Oberwellen in der Spannungskurve enthält. Da .man die Windungszahl der verteilten Wicklung und der konzentrierten Wicklung im allgemeinen nicht derart wählen kann, daß die in diesen beiden Wicklungen induzierten Spannungen der Grundwellenfrequenz gleiche Größe auf-,veisen (die Spannung in der konzentrierten Wicklung wird im allgemeinen geringer sein), so kann man diesem Umstand durch entsprechenden Anschluß der konzentrierten Wicklung an die Wicklung eines der Synchronmaschine vorgeschalteten Transformators Rechnung tragen. Man wird also die konzentrierte Wicklung an eine Anzapfung der Transformatorwicklung anseh.ließen. Iin übrigen ist es zweckmäßig, am Transforniator eine besondere Wicklung oder Anzapfung für den Anschltiß .der Oberwellensynchronmaschine vorzusehen, um die Oberwellensytichronniaschine für die günstigsten Spannungen auslegen zii können. Die zur Kompensation der Oberwellen dienende Synchronmaschine kann z. B. zu einem infolge Eisensättigung Oberwellen hervorrufenden Transformator parallel geschaltet sein. In diesem Falle werden die vom Transformator gelieferten Oberwellenströme statt in das Netz in die Synchronmaschine geleitet. Man könnte aber auch die Synchronmaschine in Reihe in dasr Netz einschalten, wobei dann die Oberwellenspannungen den im Netz vorhandenen Oberwellenspannungen entgegenwirken.The induced winding of the synchro machine is normal designed as a distributed winding, d. !H. so; the turns of a phase of the induced Windings are not placed in one slot, but in several, a certain one Part of the anchor circumference covering, immediately adjacent grooves. But this happened known to result in the resultant, from the turns of these neighboring Grooves supplied voltage in its curve shape no longer corresponds to the curve shape of the inducing Corresponds to the field, as a result of the spatial displacement of the individual grooves in the resulting voltage the harmonics are largely canceled, so that essentially only the fundamental frequency is expressed in the voltage curve. This disadvantage is now avoided in the invention that the synchronous machine with two windings is equipped. One of these windings is a normal, distributed winding and supplies the voltage of the fundamental frequency. The second winding, however is designed as a concentrated winding, i.e. H. it is not in several phases per phase housed adjacent grooves, but for example only in a single groove. A voltage will therefore be induced in this second winding, which in its The curve shape corresponds exactly to the curve shape of the excitation field, including the desired one Contains harmonics in the voltage curve. Since .man the number of turns of the distributed Winding and the concentrated winding in general cannot choose such a way, that the voltages induced in these two windings are of the fundamental frequency same size (the voltage in the concentrated winding is generally be less), this fact can be remedied by corresponding connection of the concentrated Winding on the winding of a transformer connected upstream of the synchronous machine Take into account. So you get the concentrated winding at a tap of the Have a look at the transformer winding. In other respects it is advisable to use the transformer a special winding or tap for the connection of the harmonic synchronous machine to be provided in order to design the harmonics system for the most favorable voltages zii can. The synchronous machine used to compensate for the harmonics can, for. B. parallel to a transformer causing harmonics due to iron saturation be switched. In this case, the harmonic currents supplied by the transformer instead of being fed into the network into the synchronous machine. But you could also use the synchronous machine Switch on in series in the network, in which case the harmonic voltages are those in the network counteract existing harmonic voltages.

Es ist zweckmäßig, die Oberwellensynchronmaschinebezüglich der Erzeugung der Oberwellenströme regelbar auszubilden, uni die Synchronmaschine einer jeweils gewünschten Kompensieru,mg der Oberwellehströme möglichst anpassen zu können. Diese Regelung der Oberwellenströme läßt sich beispielsweise durch eine Änderung des Stromes in der auf die Ober`vellenerzeugung einwirkenden Erregerwicklung herbeiführen. Ferner kann man die Maschine bezüglich der O'berwellenerzeugung auch durch Änderung der später geschilderten Anzapfungen der Erregerwicklung herbeifühj7en. Gegebenenfalls -kann man zu diesem Zweck mehrere Schleifringe vorsehen. Eine dritte Möglichkeit @estelit darin, daß man die induzierte Wicklung der Synchronmaschine mit Anzapfungen versieht und an diesen Anzapfungen Änderungen vornimmt.It is appropriate to use the harmonics synchronous machine in terms of generation to train the harmonic currents controllable, uni the synchronous machine one in each case to be able to adjust the desired compensation mg of the harmonic currents as far as possible. These The harmonic currents can be regulated, for example, by changing the current in the excitation winding acting on the harmonic generation. Further one can also change the machine with respect to the harmonic generation by changing the bring about the taps of the excitation winding described later. Possibly - several slip rings can be provided for this purpose. A third possibility @estelit in that one has the induced winding of the synchronous machine with taps and makes changes to these taps.

Im einzelnen ist zu der Ausführung der Erfindung zu sagen, daß der Erregerteil der Oberwellensynchronmaschine ein Hauptfeld bekommt, welches sinusförinig über den Luftspalt verteilt ist. Dieses Hauptfeld -erzeugt in der Wicklung des induzierten Teiles eine siniisförmige Spannung der Netzfrequenz, die der aufgedrückten Netzspannung L' das Gleichgewicht hält und das Drehmoment zur Deckung der Verluste liefert. Will man nun erreichen, daß die Synchronmaschine einen Strom gewünschter Form und Größe abgibt, so muß man der induzierten Spannung eine Spannung überlagern, die dein Spannungsabfall dieses Stromes an der Eigeninduktivität der Maschine entspricht. Für die grundsätzliche Betrachtung wird der Wattstrom und der Ohinsche Widerstand vernachlässigt.In particular, it should be said of the implementation of the invention that the The exciter part of the harmonics synchronous machine receives a main field which is sinusoidal is distributed over the air gap. This main field -generated in the winding of the induced Partly a sinusoidal voltage of the mains frequency, that of the imposed mains voltage L 'maintains equilibrium and supplies the torque to cover the losses. Want you can now achieve that the synchronous machine a stream of the desired shape and size emits, you have to superimpose a voltage on the induced voltage, which is your voltage drop this current corresponds to the self-inductance of the machine. For the fundamental Consideration is given to the watt current and the Ohin resistance.

Die Zeichnung zeigt die induzierte Spannung E, die .der Grundfrequenz entspricht. Ferner ist ein dieser Spannung nacheilender Zusatzstrom J, gezeichnet von der Form des Transformatormagnetisierungsstronies. Differenziert man diese Stromkurve, so erhält nian den Spannungsverlauf e,. Addiert man diese zusätzliche Spannung e, zur induzierten Spannung E" so erhält man einen Spannungsverlauf E = Fe -1- e,. Soll nun die Synchronmaschine zur Kompensierung des Oberwellen enthaltenden Stromes J, geeignet sein, dann muß sie -eine Spannung von der Kurvenform E, +. e, erzeugen. Um in einer Spule der Ankerwicklung einer Synchronmaschine diese Spannung `zu induzieren, muß die Feldverteilung im Luftspalt dieselbe Form wie die Kurve E, -E- e, haben. Zu diesem Zweck besitzt die Synchronmaschine außer dem Haupterregerfeld, das im wesentlichen die sinusförmige Spannung E" liefert,, noch ein Zusatzerregerfeld für die Erzeugung der Oberwellenspannung eZ. In der Zeichnung ist dies durch die dargestellte Verteilung der Amperewindungen des Haupterregerfeldes H und des Zusatzerregerfeldes Z angedeutet. Es wurde angenommen, daß 2¢ Doppelnuten zur Aufnahme der Erregerwicklungen vorhanden sind. Für den Fall der Komp-ensierung von Magnetisierungsströmen sind 6 Nuten unbewickelt und q. Nuten halbbewickelt. Daher kann der Erregerteil .gut ausgenutzt werden.The drawing shows the induced voltage E, that of the fundamental frequency is equivalent to. Furthermore, an additional current J i, which traces this voltage, is shown on the shape of the transformer magnetization tronies. If one differentiates this current curve, so nian receives the stress curve e ,. If one adds this additional stress e, for the induced voltage E ", a voltage curve E = Fe -1- e, is obtained. Intended to now containing the synchronous machine to compensate for the harmonics Current J, be suitable, then it must -a voltage of the curve form E, +. e, produce. To this voltage in a coil of the armature winding of a synchronous machine `To induce, the field distribution in the air gap must have the same shape as the curve E, -E- e, have. For this purpose, the synchronous machine has, in addition to the main excitation field, which essentially supplies the sinusoidal voltage E ", yet an additional exciter field for generating the harmonic voltage eZ. In the drawing this is indicated by the Distribution of the ampere turns of the main excitation field H and the additional excitation field shown Z indicated. It was assumed that 2 ¢ double grooves to accommodate the excitation windings available. In the event that magnetizing currents are compensated 6 grooves unwound and q. Half-wound grooves. Therefore, the exciter part can .gut be exploited.

Die für die Erzeugung bestimmter Oberwellenspannungen erforderliche Verteilung des Erregerfeldes der Synchronmaschine läßt sich am günstigsten herstellen, wenn man an der Erregerwicklung Anzapfungen anbringen kann, so daß die einzelnen Teile der Erregerwindungen verschieden starke Ströme führen.The one required to generate certain harmonic voltages Distribution of the excitation field of the synchronous machine can be produced in the most favorable way, if you can attach taps to the excitation winding, so that the individual Parts of the excitation windings carry currents of different strength.

Um dies zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, die ;nduzierte Wicklung der Synchronmaschine in bekannter Weise auf dem Läufer der Maschine unterzubringen und die Netzspannung über Schleifringe zuzuführen. Der äußere, ruhende Teil der Synchronmaschine erhält dann .die Erregerwicklung. In diesem Falle bereitet es keine Schwierigkeiten, die Erregerwicklung mit beliebig vielen Anzapfungen zu versehen und diese auch zu einem Klemmbrett herauszuführen, um eine beliebig feine Regelbark eit zu erreichen.To make this possible, it is advisable to use the induced winding to accommodate the synchronous machine in a known manner on the rotor of the machine and supply the mains voltage via slip rings. The outer, resting part of the The synchronous machine then receives the field winding. In this case it does not prepare any Difficulties in providing the excitation winding with any number of taps and to bring them out to a clipboard in order to be able to regulate as fine as desired time to achieve.

Die Synchronmaschine gemäß .der Erfindung kann gleichzeitig als Blindleistungsmaschine für die Erzeugung von Blindströinen mit Grundfrequenz dienen. Es genügt dazu, d.aß die Stärke des Erregerfeldes bezüglich der Grundfrequenz auf den entsprechenden Betrag gebracht wird (Phasenschieber mit Zusatzeinrichtung). In diesem Falle ist die Leistung der Synchronmaschine durch die Blindleistung für die Grunddrequenz und durch die Oberwellenleistung gegeben. Man kann aber auch die Synchronmaschine nur für die Lieferung von Oberwellenströmen auslegen. Das Erregerfeld für die Grundfrequenz istdann so eingestellt, daß die Synchronmaschine für die betreffende Netzspannung keinen Blindstrom aufnimmt oder abgibt. Die Leistung der Synch@ro:nmaschine fällt dann selbstverständlich viel kleiner aus, da nur Oberwellenströme zu liefern sind.The synchronous machine according to the invention can also be used as a reactive power machine are used to generate reactive currents with a fundamental frequency. It is enough to do this, that is the strength of the excitation field in relation to the basic frequency on the corresponding Amount is brought (phase shifter with additional device). In this case it is the power of the synchronous machine through the reactive power for the basic frequency and given by the harmonic power. But you can also use the synchronous machine only designed for the delivery of harmonic currents. The excitation field for the basic frequency is then set so that the synchronous machine for the relevant mains voltage does not consume or emit any reactive current. The performance of the Synch @ ro: n machine drops then of course much smaller, since only harmonic currents are to be delivered.

Es ist zweckmäßig, den erregenden Teil der Synchronmaschine nach der Erfindung mit einer Dampfervorrichtung auszurüsten, um die Ankerrückwirkung der Oberwellenströme auf das Erregerfeld möglichst zu unterdrücken. Eine solche in der üblichem Weise ausgebildete. Dampfervorrichtung wirkt sich dann auch für die Erzeugung vier gewünschten Oberwellenströme günstig aus.It is useful, the exciting part of the synchronous machine after Invention to equip a steamer device to counteract the anchor reaction To suppress harmonic currents on the excitation field as much as possible. One such in the usual way trained. Steam device then also affects the generation four desired harmonic currents.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Arrangement for compensating the harmonics occurring in power networks with the help of a synchronous machine rotating at the fundamental frequency of the AC network, the exciter field of which has additional devices for generating harmonic voltages or currents of any phase position and shape, which are fed to the power network, characterized in that the induced winding of the -Synchronous machine consists of two windings, one of which essentially generates a sinusoidal voltage of the fundamental frequency, while in the second winding, in addition to a voltage of the fundamental frequency, the harmonic voltages are also generated.

2. Arrangement according to claim i, characterized in that the winding designed for the basic frequency as a normal winding distributed over the armature circumference is, while the winding to generate O: over-wave voltages locally concentrated Owns coils. .

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the Winding to generate the harmonic voltages at taps on one of the synchronous machines upstream transformer is connected.

Arrangement according to claim i, characterized characterized in that the induced winding for the purpose of changing the harmonic currents the synchromesh is equipped with taps that can be changed during operation is.

5. Arrangement for compensating the harmonics occurring in power networks with the help of a synchronous machine rotating at the fundamental frequency of the AC network, the excitation field of which has additional devices for generating harmonic voltages or currents of any phase position and shape that are fed to the power network and their induced. Winding is located on the rotor, while the excitation winding is accommodated in the stator, in particular according to claim i, characterized in that the excitation winding is provided with taps to produce the field shape suitable for the harmonics, which can be changed operationally in order to change the harmonic currents. To distinguish the subject of the application from the state of the art, the following publications were considered in the granting procedure: German patents ... No. 683 749, 596 750, 407 1 95, 376 166, 379 526; British patent specification .... No. 392 953 USA patents ..... - 2008519, 2 oo8 5 i 5.