DE1463259A1

DE1463259A1 - Impedanznetzwerk zur Rekonstruktion des Verlaufes von Generatorspannungen

Info

Publication number: DE1463259A1
Application number: DE19641463259
Authority: DE
Inventors: Caldwell Samuel Craig; Peaslee Lawrence Rosell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-04-05
Filing date: 1964-04-06
Publication date: 1968-10-24
Also published as: GB1026293A; DE1463259B2; DE1463259C3; US3289070A

Description

General Electric Company, Scheneetady >i.Y./USA

Impedanznetzwerk zur Rekonstruktion äes Verlaufes von

Generatorspannungen.

.Die i^ru-üaung bezieh"..· sich auf Jtromerzeujurigsanla^en und oefa;>u sich im Besonderen mit einem verfahren, die Kurvenfonn der Ausgangsspamiung eines ?/eciiselstroir,^enert.tors zu vercesssrn.

nUf dem Gebiet der otromerzeu^uiig wurden zahlreiche Anstren.-.-Uii en unternommen, die Leistun.:en zu steigern, einen greiseren ireouenzuereich zu beherrschen sowie die ICurvenform der jpannun en zu ver'oessern. Dauei v_:r_ten bisher unbekannte Schwierigkeiten α..,f. üiine diejer üchwier.·./.-.feixen 1χβ·-ΐ auf dem all^eidei-ien ie.jiet der äoamiun.g .re ,el;.ii- von 3enerä.toren. Diese ioL.ieri tveit beet ht darin, elna Span, Un₁. von rein sinus-.. i'i.ii sm /erlauf zu erzeu .en, α "d <1;\χ .f'Vbrt auf .die-Aufgabe, e...ne u^-.:^ r....ig au erzeugen, üie in ihren Verlauf genau derjen_':en öaannung entspricht, die durch ß..,:netischen Fluß im Luftspalt des Generators bedingt ist.

.Js ist aeit lan em bekannt, dciB die .lus^.^n^ssp^nnun.^ eines ^eaerators mit aerjeni,^f;en Spani/unf, nicht identisch ist, die durch Jen magnetischen -ü'luß im Luftspalt hervorgerufen wird. Z- hlroiche mechanische und elektrische Faktoren tra£-en zu den /erl ^oäü bei, die die mögliche übereixistimmung dieser beiden .Jpannun ;en zerstören.

Um nun verstehen zu k nnen, v/ e eine Generatorspannung verzerrt werden kann, braucht man nur die Einflüsse zu erörtern, die auftreten, wenn ein ^esteue ter Gleicnrichter gezündet v.'ira, der direkt über die Ausgan^aKlem.aen eines Generators

gelegen ist» Offensichtlich tritt im Au ■ entlj.ük des 3Lindens über den 2ischlUiBklea.,!en des ^enerasora ein Kurzschluß auf. Da nun heute gesteuerte GleiCL.rlc:i\:-er (beispielsweise gesteuerte SiliziUiiisiieichriciiier) außerordentlich schnell gesundet v/erden wärmen, sind dadurch bisher nicht gekannte Schwierigkeiten ^edia. ζ, ds. es n^üilich bisher nicht uw< lieh γι τ, ■./Der_l._Jan-^r^er£che...--.uii.'-'cn in Zeitsp-η ien von L-iikroSekunden hervorzurufen.

lian kann zwar Spannunjen mit ei aera sauberen Verlauf mit Hilfe von jf'ilternetzwerken herstellen. Damit _-ind aber zahlreiche Nachteile ve bu^en. üin _t-;ut ausweis-tes filter, das in der Lage ist, bei eine, bestim. ten ü-ener^torirequenz Schultüber^n^e 3θ'ΛΪβ niederfrequente Verzerrungen aus der o-eneratorausgangs— spannung her_.us2uiiltern, ist für eine andere ueneratorfrequenz nicht mehr ^eei net, da es die Phase der Grundfrequenz verschiebt, «enn ali-o in einem ο ^romer.;eu,£;uu£ssysxem, wie es auch anachlieiSend bescnrieuen wird, mit einem Generator ^e-•?.rbeitet wrd, dessen frequenz innerhalb eines großen Frequenzbereiches geändert werden kann, lassen sich Filternetzwerke nur noch scnlecht ver, enden, außerdem 7/eist ein Filter eine so ungünstige Übergangsfunktion auf, daß auch aus diesem Grunde Ergebnisse entstehen, die nicht toleriert werden können.

Ziel der Erfindung i. t es daher, durch eine Rekonstruktion derjenigen Spannung, die von dem magnetischen Fluß im luftspalt hervorgerufen ist, eine Generatoraus_f;.;...n^sspannung von rein sinusförmigen Verlauf hervorzurufen.

Die E_rf.ndung ist dar.uf gerichtet, eine Spannung hervorzurufen, die zu jedem Zeitpunkt dem Spannung:..-fall gleich ist, der durch den inneren iViderstand des Gener.^tors hervorgerufen w^.rd. Um nun den inneren ..iderstand eines 3-ener-tors vollständig iing.-Len zu können, der einen Wechsels urom veränderlicher Frequenz abgecen kann, ist es notwendig, die Frequenzabhängigkeit des inneren ./iderst-indes des Generators innerhalb des in Frage kommenden Frequenzbereiches zu berücksichtigen. Als innerer Wideratandv'.eines Gener-.tors wird ■jeise diejenige Impedanz bezeichnet, die der !iene*rator im

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eingeschwunrenen Zustand aufweist, -./enn jedoch quasi-sprungaafte Änderungen in den .Belastungsbedingungen des Generators auftreten,die innerhalb einer Zeitspanne ablaufen, die nur eiiii, ,en wunif.en Perioden der Generat or spannung gleicht, tritt innerer v/iderstand auf, der im folgenden Übergangsimpedanz genannt werden soll, der nicht der gleiche wie im eingeschwungenen Zustand ist.

Bei dem Betrieb von Anlagen, in denen Lt.s «wechsel innerhalb von l.-ikr ο Sekunden häufig auftreten, macht sich eine weitere Eigenschaft des inneren Widerstandes des Generators bemerkbar. Diese weitere Ei.v-ensohi.ft soll im folgenden als "Sorungimpedr-iaz" Gezeichnet werden und ist derjenii-e Anteil des (jene— r-tor.i.nnenv^ider^tandes, der bei Laständerun.-en auftritt, die in einer Zeitspanne ablaufen, die kurzer als eine Perioue der vJener.:torausgä.ngsspannun£ ist. In dew Umfang, in dem die üeneritorausg .ii^s^röisen von dem üin.ilufs des ^eneratoriniienaiderdt-.ndes auf die an.ve..chlcssene SeIa^tun.-j abhi^;n en, müssen die.;e ver. nderiichen Komponenten des ienerc.toriiinenin Betr.-.cht · bezogen werden.

Ein v,citeres Jiel der jJ*^Li' .du:ig l.,e ;t daher darin, eine (Jener^ toraus_äin^ssp:..nriun£· mit einer solchen Kurvenforn hervorzurufen, daß der iäiniluß des Spannungsabfalls uUf Jruni cer inneren 3_t:ru.....impedanz des iener tors kompensiert ist.

-\j.ch der ^γ,_-lidu:;." ist eine Vorrichtung vor esehen, die den ctrom abfü.ilt, der an einen Verbr.-. ciier a"..-e eoen .vir;:. Diese Vorriciitur.g entwickelt aus dem Strom eine Spannung, die dem op^-iiiiun-vsverlust im G-enerr.-cor auf Srund der Sprungimpedanz des «venerators äquivalent ist. Die so erzeugte Spannung wird dann in Serie mit der Ausyan.vsspannung des G-enerators ,.eschaltet, so daß die originale Spannung rekonstruiert wird, a±e durch den itiagnetflufl im Laxtspalt des Gener .tors bedingt ist.

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Die vorliegende Erfindung macht sich mit Vorzug die Tatsache zu Nutze, daß die Form des Spunnun^sverlaufes, die durch den Magnetfluß im Luftspalt erzeugt ist, gut genug ist, um sie für weitere Zwecke verwenden zu können, sofern man diese Spannung gewinnen kann, bevor sie auf den zwischen dem Luftspalt und den Generatoranschlußklemmen liegenden Strecken verzerrt wird. Das Verfahren der E_rfindung besteht demzufolge darin, diese Spannung zu rekonstruieren.

v/_enn man auf eine zeitlich kontinuierliche Weise diejenigen Spannungsverluste erneut erzeugt, die auf Grund der inneren Impedanzen eines Generators bedingt sind, und diese Spannungsverluste wieder dem verzerrten Spannungsverlauf hinzufügt, der an den Generatoraus^c-nrsklemmen erscheint, kann man den ursprünglichen, reinen Spannungsverlauf rekonstruieren. Um nun genau verstehen zu können, welcher Art nun die ^nneren Impedanzen eines Generators sind, ist es notwendig, die Frequerizabhö.ngigkeit dieser Impedanzen in dem gesamten Frequenzbereich zu erörtern, den der Generator während seines Setr^eoes überstreicht. Wenn diese Frequenzabhän.^igkeit der Generatorimped;-.nz -enau erörtert ist, läßt sich ein äquivalentes Imoedanznetzwerk aufbauen.

La folgenden aoll die Erfindung in 7erüindu.:g mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Figur 1 ist ein Schaltbild und zeigt schematisch, wie die Epfiadung zusammen mit einer otroinerzeugeranlage für dreiphasigen Wechselstrom verwende·: v/erden kann.

Figur 2 ist ein Spannuri_: :sverlauf und zeigt den Einfluß de:·¹ Generatorausgangsspann.mg auf die Schalt- oder Zündschwelle von gesteuerten Gleichrichtern, die in einem System verwendet sind, wie es hier beschrieben ist.

Figur 3 ist ein ipannungcverlauf und ze±-_t:t den Einfluß einer xiOmiijutierung atuf die*"'iusgan s.%rü'Sen eines Generators.

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Fi ur 1 zeigt, wie die Erfindung in einem dreiphasigen Stromerzeugungssystem verwendet werden kann, das konstante Frequenzen abgibt, bei dem der Generator aber mit veränderlicher Geschwindigkeit läuft. Ein dreiphasiger Generator gibt über drei Leitungen Leistung ab. Jede der Phasen weist einen unabhängigen Frequenzumsetzer auf.Eb ist einer dieser Frequenzumsetzer gezeigt, und zwar der Frequenzumsetzer 20 für die Phase A, der rechts unten in der ^x'i^ur 1 zu sehen ist. Diese Frequenzumsetzer enthalten im wesentlichen mehrere gesteuerte Gleichrichter, die unter der Steuerung eines Modulators zu den richtigen Zeitpunkten gezündet werden. Als Beispiel dafür sind zwei gesteuerte Gleichrichter gezeigt, die der e?:-sten Phc.se des Generators 300 zugeordnet sind. Zwei weiter Gleichrichterpaare sind für die anderen beiden Generatorphasen verwendet. Der Modulator für die Phase A ist bei "19^W dargestellt. Dieser Modulator wird so gesteuert, daß er Zündsignale für die Gleichrichter liefert. Diese Steuerung des Modulators erfolgt untir dem gemeinsamen Einfluß der Gener .torenaus-,angsspannung sowie einer Bezugaspannung, die von einem stabilen Frequenzgenerator 3^:0 ablege en wird. Dt;r Strom für den Verbraucher, der an die Phase A angeschlossen ist, wird über eine .«icklung 420 ab.^enoinwen.

Einzelneiten der Schaltung, die mit dem Modulator 19 für die Phase A und :;it dem Frequenzumsetzer 20 verbu den sind, sind nicht Gegenstand der Erfindung und daher nicht gezeigt, um jedoch verstehen zu können, warum ein sauberer Sparmungsverlauf so wichtig ist, kann man einmal erörtern, wie das .LUo.,an.. ssi^.n&l des stabilen Bezugsciszillo.tors und des Geuer .tors gemeinsam die Zundimpulse für die gesteuerten Gleichrichter dee Frequenzumsetzer^ hervorrufen. Zu diesem Zweck sind die Spannungskurven in der Fi;ur 2 dargestellt.

^ ie i ur 2 zeisct die sinusförmige Grundwelle 25, die die .h_üe κ des Oszillators 320 darstellt. Dieser Grundwelle.

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ist Ine parmunr ;»6 von höherer 1?»·μ»·η* aberl-i-'trt, Äi· •In· ^t5h.*H· de.» ;-aerator· 500 l»t. "Jen od 1-tor 19 a&n la *··.·.«*«Il .cU·?! el· Triß v*«r«chel tun? n«ffae*#n_f b*i einer e 'ti» :.·η Jpaanun^e^efi»·!!· an*?rle t· ^T*na d^h#r die .feaein* *aen Spunnun ^ren .!i·*!· ^ycr. x»"li* ■ rreic^en, Bird η iaa in Fr gt Tonmeaden .lelcbrlehttr ta .?re;a*aa· uaset er 0 ein Λ* di?.pult an eleet, 4er dann · laeraeit« über die io>;l .>n?_r 4?0 5«r »inen ·'·:.·· de« /« t-r jeher· !•!•tür,,· zuf::-rt, Ter i.u»*enMiclc, η dee d,»» ,ladnpnnuiiiöi,'": *^rdle erreicht we?i*ea »uii» iet. u"eror-ientlch ■'νΓ,-Meöh, α - lurch ••»!•-.-'•η >eitpun.rt jo^oni dte ftere-Lene Lei ο tu.-^* "Is uah der ^r-rl?f:f Her ^.»--an «9?-n=:ung baitirn t i.*t« -enn nun i» Verlr.ut fl*r beiden » p;.nr.;-;;^ en_f iia den j^aJir .'; t'ir axt Gl*i.<-bric:-t*r horvorru en, ir eriJv«! ehe /erserrunrtn oder Utir -:\1ΐΓ^ν"1 kei^^n . ui- :. -tc-n_t i.J die «rf υ .nitrilen· ''βη 'i-iteit de» Z ladieitf;ir iie rle et rle*vter et rk b»»Lnt: icUti :t·

In der ¹I^r 2 i:;t eine iich--?yIXenf:..-'.:.■ :.v.f 23 ;2j«l t_t die JiO₄;* i ö ^p >: ur. 5».<o .ΐβΐΐβ «-elr all, el doren t:-r cLreitu?; de .^'ialat^r W) ·"* "r :'ec i" rue Kors-enioa -lei" ricr.ter im /ri^ueaaus stier .?0 ei.en uinäii-

ul π <;r..'f»·.' t, -nter β all noch -e-rcr-t ^»:Tden_f d-.»S noc^v eine or· P^n-¹U. '7 da/.u vv c-\ü*t int, d e Niveuu der fereii'.i 'en ; ί it η-en n'-'her an di*r β 'ψ η- un .=enc v#.el. β her η ο*!; ν c-iter von ihr **r urUf,:t-r_f t^o d ··.·.; r^ η dlee Von· i!.r,-r ι! .au vcr de» k:nn_t dt η .^c it pun-Λ *u iee-n-"Iu en_t .j de« die i.:viui^ de Ί -⁵ICuTiC;.' er -ua el-ftt *i; · iit-sr ^:u6"t τ χ mm dun "pn .ι; ■ ^rl^if u -·Ί ur ?_t ro >ΐ·-·ν. - n, d,*3 dio onwel1ei,np -.-..i . znet-t aa runkt ' »rreicbt i.«t. D«r ^oJul&tor 19 -r: irrtet --:jf diesen .',u.t i:d it V: r ..'rz.-a-.-ur,^ vo« *ί5ίιϋ:η^ :1π*η Γ'. - ie β-ntoue.ter. ilolc richer, -Ue i.»ia au.^aardaet «r.rj.-». inechllttScri ver ea t,n den Quakten i? u.-:d C u«* t :licke Λ ΛΙ ■"-.;.!! ·β or reu t»

ΨΙ ur 3 ze t nun «inen ty₅itchon p-nr.ua orerl yr w hr-»nd ein? _;erioJ· de·- Oeneri.tors· nn -.> r. Di· in Ue--

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Spannungsverlauf bei "30" dargestellte Verzerrung, die ein Kommütierungseffekt ist, soll nun graphisch zeigen, welche möglichen Einflüsse eine solche Verzerrung auf den Zündzeitpunkt ausüben kann. -.Venn die ganze Anlage nun in einer solchen Betrie sart arbeitet, daß die Zündimpulse normalerweise am Punkt E in Figur 3 erzeugt werden, kann dieser Kommutierungseinschnitt 30 in dem Spamiungsverlauf die Erzeugung von Zündimpulsen offensichtlich unterbinden.

Wie bereits in der Einleitung der Beschreibung gesagt worden ist, besteht dae Verfahren der Erfindung darin, diejenige Spannung zu rekonstruieren, die durch den magnetischen Fluß im Luftspalt dee Generators bedingt ist. 'wie sich nun der symbolichen Darstellung des Generators 300 entnehmen läßt, die unten links in der Figur 1 zu sehen ist, beinhaltet dieses Verfahren insbesondere eine Betrachtungsweise des Generators, ns cn der eine Spannung in den drei Ph.; nv/icklu-ijen A₁ 3? unä 33 erzeugt wird, die in Serie mit den inneren Sprungimped: nzen Z(p).., Z(p)₂ und Z(p), des Generators geschaltet sind, "p" bedeutet dabei das Symbol für eine "La Plüce"- oder "He .vyside '-Transformation.

«<ie man nun sin Impedanzner.zw.2rk aufbauen kann, das der inneren Sprungimpedanz des Generators ä^uiv^lent ist, und wie man ein solches Netzwerk dazu verwenden kann, um die Spannung zu rekonstruieren, die durch den magnetischen Fluß im Luftspalt des Generators bedin, t ist, lä^t sich am besten anhand der η;cüiolgenden mathematischen Untersuchung verstehen, die für eine der Phasen durchgeführt ist« für diese Untersuchen sind die fol- ' ,/enden Symbole verwendet worden t 1 - 'Jeneratorlastsbroifl
i = Strom in der S kundärwieklu^e: eines Stromtrc-±sformc.tors

S O -

ν = innere Spannung^ die durch der. :.i . ^exiachen Fluö im Luftsualt eines Generators bedin t ist.

ν = Spannung über dem Aquivalentnetzwerk für die Sprungs

impedanz

v₀ = rekonstruierte Spannung V₊. = Generatorklemmenspannung Z(p) = wirksame innere Impedanz des Generators z(p) = äquivalente Sprungimpedünz η = Windungsverhältnis des Stromtransformators.

Die Spannu g, die über der "quivdlenten Sprungimpedanz entsteht, ist in der Sekundärwicklung des Stromtransformators 10 äurch folgenden Ausdruck gegeben: v_s = i_sz(p) ■ (1).

da nun aber i -i/n ist, folgt

1 S
V = —Z (v) ('' )

Die Generat orklemi/iensp^miung beträgt pro Phuse

V_t = ν - iZ(p) (3)

Die Spannung, die durch den Pluß im Genera^J;orluftspalt hervorgerufen wird, "beträgt daher

"v = V_t + iZ(p) (4)

Der Ausdruck für die rekonstruierte .Spannung jjro Phase lautet:

^VU ^{= 7}t ^{+ V}s ⁽⁵⁾

Ersetzt man nun ν durch den Ausdruck (2), so folgt

^v0 = *t ⁺ I^{Z(P ) (lj)}

Wenn man nun z(p) wie folgt deiiniert:

z(ü) = nZ(p). (7)

er, ibt sich

V₀ = /_t + iZi.O (8)

Ersetzt man nun die rechte Seite dieser Gleichung durch

den Ausdruck (-■:), so folrt:

v₀ = ν (9)

Die Schaltung, die in der ^J-'i---ur 1 dargestellt ist, wird so auf ebaut, daß men :ich ^Is e..\-.tes über die Eigenschafien der Sprungimpedanz Gewißheit ver^c^afft und „.n:..chiiessend ein .wetzwerk konstruiert, das innerhalb ο es in urage

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kommenden Betriebsfrequenzbereiches die gleichen Impedanzeigens.haften aufweist. Wie man nun solche Impedanznetzwerke mit vorgegebenen Eigenschaften konstruieren kann, ist bekannter Stand der Technik. Wie in der ^igur 1 gezeigt ist, wird die Addition einer Spannung, die dem momentanen Spannungsabfall an der Sprungimpedanz in jeder Phase äquivalent ist, mit Hilfe eines Stromtransforaators 10, 11 oder 12 durchgeführt, der Strom an das Ersatznetzwerk 13, 14 oder 15 der Sprungimpedanz liefert. Dadurch wird eine Spannung erzeugt, die dem Spannungsabfall in jeder Phase gleich ist. -^ie Ausgangsspannungen der verschiedenen Sprungimpedanznetzwerke stellen dann rekonstruierte -Spannungen d.j.r, deren Verlauf imfoesentlichen mit dem Verlauf derjenigen Sp^nnun^en übereinstimmt, die ursprünglich durch den Magnetfluß im Luftspalt des Generators erzeugt sind.

In der ^igur 1 ist die rekonstruierte Spannung zwischen der dritten und der zweiten Phase über einen transformator .16 dem Modulator 19 zugeführt, um diesen Modulator 19 mit der spannung des Verlaufes 26 zu versorgen, die zur iirzeu ,un^ der richtigen Zündbedingun^en notwendig ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Schaltkreis zur Rekonstruktion des Verlaufes der spannung, die durch den ma neuischvn .Fluß im Luftspalt eines Generators erzeugt ist, g e k e η η ζ e i c h η e t durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Spannung, die zu jedem Zeitpunkt dem Spannungsabfall au unrund der 3prungimpedo.nzkL-mponen.te des Gener. tors bleich ist, sowie durch eine Vorrichtung, die diese so erzeugte Spannung der Ki emraenspannunir des Generators hinzuaddiert.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese sp...nnun- ser^eu·, ende Vorrichtung ein genau berechnetes netzwerk aufweist, dessen Imp Janz die gleiche.irequenzabuan; i keit wie die innere Impedanz des Generators in dem in a'r-.-.fje kommenden Frequenzbereich aufweist, und daß dieses genau berechnete Imped^..nznetzwerk mit einem Strom versorgt ist, der α em -iusgangsstrom des J-ener. tor» jropor iional ist.

3. Schaltkreis n-.-.ch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß CIe Stromversorgung des berechneten Ln_c;eda;.znetzwe ,.:es über einen Stromtransformator erfolgt, der an den Aus /-ng des Generators ^nsre nc Glossen ist.

4. Schaltkreis n.'ch Ansp; lichen 1, 2/oder 3, der einem Mehrphasengener,..tor zu ,eordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß :ür jede Phase ei..e eigene Schiltuir- zur ..ekonstruktion des Spannungsverla:;-fes vorgesehen ist.

o. System zur ir?que .^umsetzung mit einem .'/echselstromgenerutor sowie mit einem Oszillator zur Abgabe einer Spannung lconst ..nter Frequenz und mit ein'em Yerbra. eher, bei dem zwischen den ücner.-.toraus ;j.ng und dea Ve;:-brau-

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eher ein Frequenzumsetzer geschaltet ist, der Leistung aus dem Generator an den Verbraucher weitergibt j und in dem mit dem Oszillator und dem Generator ein Modulator verbunden ist, der den Frequenzumsetzer gemäß den gemeinsamen Spannungsamplituden der Oszillator- und der Gener ei tor spannung zusammen mit einem Schaltkreis zur Rekonstruktion eines Spannunrsverlaufes nach einem odeijmehreren der Ansprüche 1-4 ansteuert, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaltkreis zur Rekonstruktion des Spannungsverlaufes zwischen Generator und dem Modulator eingesetzt ist.