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Es ist üblich, Synchronmaschirlen zur Lieferung von Blindlast durch
entsprechende Polraderregung heranzuzichen. Zwar ist im stationären Betrieb der
Synchronmaschine die abgegebene Blindleistung nur von der Größe der Erregung und
die Wirkleistung nur von dem Abtriebs- bzw. Antriebsmoment ab-hängig, aus
jeder Änderung der Erregung resultieren jedoch vorübergehend, bedingt durch die
mechanische Trägheit der rotierenden Massen, nicht be-
absichtigte und oft
störende Rückwirkungen auf der Wirkleistungsseite.
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So sind z.B. bei Synchronmotoren zum Antrieb von Turbo-Kompressoren
Drehmomentstöße bei Erregerstromänderungen besonders störend, da diese eine zusätzliche
mechanische Belastung für das Getriebe und den Kompressor darstellen. Man wird daher
in den meisten Fällen davon Abstand nehmen müssen, derartige Synchronmaschinen durch
Anwendung einer schnell wirkenden Übererregung zusätzlich zur Blindleistungskompensation
heranzuziehen. Von Vorteil wäre, eine Möglichkeit zu schaffen, den Erregerstrom
zur gewünschten Blindstromänderung ändern zu können, ohne dabei das Drehmoment auch
nur vorübergehend zu beeinflussen.
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Es ist bei einer Synchronmaschine mit zweiachsigem Läufer bekannt,
einen kGmbinierten Vektorbetrags- und Polradwinkelregler vorzusehen, der eine Aufteilung
der Erregerleistutig auf die zwei Felderregerachsen bewirkt. Dadurch kann zwar einem
Außertrittfallen der Synchronmaschine begegnet werden, jede Veränderung der Erregerleistung,
beispielsweise zur Blindlastkompensation, führt dabei jedoch zwangläufig zu vorübergehenden
Rückwirkungen auf der Wirklastseite.
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Um den Veränderungen des Polradwinkels und der dadurch bedingten Frequenzänderung
beim übergang von induktiver Last zur Wirklast eines frequenzempfindliche Verbraucher
speisenden Wechselstromgenerators entgegenzuwirken oder um Leistungspendelungen
zu verhindern, ist es weiterhin bekannt, diesen mit einer zusätzlichen, räumlich
gegenüber der Normalerregerwicklung versetzten Wicklung zu versehen und diese Zusatzwicklung
vom Generatorwirkstrom oder vom Generatorscheinstrom erregen zu lassen. Zur Lösung
der vorgenannten Aufgabe wäre diese Einrichtung allerdings nicht brauchbar, da infolge
des ohmschen Widerstandes im Ankerkreis des Wechselstromgenerators die Feldachse
der Normalerregerwicklung in der Regel einen vom Wert 901 abweichenden Winkel
mit dem Netzspannungsvektor bildet. Ein weiteres Hindernis, welches sich der Verwendung
dieser bekannten Anordnung zur Blindlastkompensation entgegenstellt, ist, daß sie
im unter- bzw. gegenerregten Bereich ein stabiles Betriebsverhalten nicht erwarten
läßt.
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Die Erfmdung löst demgegenüber die Aufgabe der rückwirkungsfreien
Blindlastkompensation mit einer Regeleinrichtung für Synchronmaschinen mit Längs-und
Querfelderregung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der einen Felderregerwicklung
ein Regler zugeordnet ist zur Einhaltung eines dem Winkel zwischen Quer- und Längsfelderregerachse
entsprechenden Winkels zwischen der Netzspannung und der von ihr induzierten Polradspannung
(entspricht dem Polrad- oder Lastwinkel) und daß der anderen Felderregerwicklung
ein Blindlastregler zugeordnet ist. Es wird damit sichergestellt, daß, unabhängig
von den Widerstandsverhältnissen im Ankerkreis der Synchronmaschine sowie sonstiger
Einflüsse, die Erregerfeldachsen mit dem Zeiger der Netzspannung stets Winkel von
90 bzw. 01 bilden und somit in jedem Bereich eine Änderung der vom
Blindlastregier verursachten Erregung keinen Einfluß auf die Wirklastseite und damit
auf die Stellung des Polrades ausübt.
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Vorzugsweise wird die Erregerachse der einen Wicklung um 9011p räumlich
versetzt gegenüber der Erregerachse der anderen Wicklung, wobei p die Polpaarzahl
der Synchronmaschine bedeutet. Die beiden Erregerwicklungen brauchen nicht unbedingt
auf dem Polrad derselben Maschine angeordnet zu werden, vielmehr können auch nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung zwei getrennte Synchronmaschinen normaler Bauart
Verwendung finden, deren Polräder unter Versetzung um eine Polteilung mechanisch
miteinander gekuppelt sind. Auf diese Weise sind die Felderregerachsen der einzelnen
Polräder um 901 elektrisch versetzt. Dieser Maßnahme kann beispielsweise
dann Bedeuttmg zukommen,
wenn eine bereits vorhandene Anlage durch Parallelanordnung
einer zweiten Synchronmaschine erweitert und zur rückwirkungsfreien Blindlastkompensation
ertüchtigt werden soll.
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Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen soll nachstehend
im Zusammenhang mit den Figuren erläutert werden, wobei der besseren Übersicht
halber eine zweipolige Maschine (Polpaarzahl 1)
zugrunde gelegt werden soll.
Eine Erweiterung auf höherpolige Synchronmaschinen ist ohne weiteres möglich, wenn
man- berücksichtigt, daß ein räumlicher Winkel x, einem elektrischen Winkel
von ,xr . p (p = Polpaarzahl) entspricht.
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In F i g. 1 ist zunächst zur Verdeutlichung des der
Erfindung zugrunde liegenden Problems das Zeiger-diagramm einer üblichen
Synchronmaschine gezeichnet. Der Ständerstrom I setzt sich aus dem Magnetisierungsstrom
Ulj - X und aus dem auf die Ständerseite bezogenen Erregerstrom
I, zusammen. Der zwischen dem Magnetisierungsstrom und dem Erregerstrom auftretende
Winkel ö entspricht dabei dem Winkel zwischen dem Vektor der Polradspannung
E, und der Klemmenspannung U und wird üblicherweise als Polrad- oder
Lastwinkel bezeichnet. Legt man z. B. eine schnelle Verdoppelung des Erregerstroms
l', zugrunde, wie er bei einer Blindlastregelung ohne weiteres vorkommen kann, so
wird sich infolge der mechanischen Trägheit des Polrads samt der mit ihm mechanisch
gekappelten Schwungmassen der Polradwinkel ö zunächst nicht ändern, und es
ergibt sich das in F i g. 1 gestrichelt gezeichnete Zeigerdiagramm, aus dem
abzulesen ist, daß vorübergehend auch eine Verdoppelung des Wirkstromes I" auf den
Wert I"' und damit auch eine Verdoppelung des Drehmoments auftritt. Erst nach einiger
Zeit ist der stationäre Zustand erreicht, bei dem sich der dem größeren Erregerstrom
zugeordnete stationäre Blindstrom IJ bei gegenüber dem vorherigen Zustand unveränderten
Wirkstrom einstellt. Der vorübergehend sich ergebende Wirklast-bzw. Drehmomentstoß
soll durch die Erfindung vermieden werden.
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Hierzu ist in F i g. 2 eine Möglichkeit angedeutet. Im linken
Teil der F i g. 2 ist der Rotor einer Synehronmaschine mit zwei gegeneinander
um 901
elektrisch versetzten Felderregerwicklungen 1 und 2 dargestellt.
Diesen werden die Erregerströme 1"
Und 12 so zugeführt, daß die
jeweils mit den Buchstaben N und S angegebene Polverteilung
herrscht, wobei N einen Nordpol und S einen Südpol bedeuten möge.
Die Synchronmaschine wird nun erfindungsgemäß so betrieben, daß beispielsweise der
von der Felderregerwicklung 1 induzierten Polradspannung ein Polrad- bzw.
Lastwinkel von 90' zugeordnet ist, was durch einen an sich bekannten Polradwinkelregler
erfolgen kann, in dessen Eingangskreis der von einer Meßeinrichtung gelieferte Polradwinkel
mit einem konstanten, einem Winkel von 90' el. entsprechenden Wert verglichen
und diese Differenz über ein geeignetes Stellglied einen entsprechenden Erregerstrom
I" , veranlaßt. Wenn auf diese Weise ein konstanter Polradwinkel von
901 el. bei der von der Felderregerwicklung 1 induzierten Polradspannung
eingehalten wird, ergibt sich durch die geometrische Anordnung der anderen Felderregerwicklung
2 bei dieser zwangläufig ein Winkel von 0'.
Das Zeigerdiagramm der erfindungsgemäßen
Einrichtung hat dabei prinzipiell die ün rechten Teil der Figur dargestellte Form.
Der Ständerstrom 1 setzt sich dabei aus dem Magnetisierungsstrom
Uli - X
und der Summe der beiden auf die Ständerseite
bezogenen Erregerströme I,1 und 1,2 zusammen, welche immer einen Winkel von
901 einschließen. Um die Synchronmaschine zur erhöhten Abgabe von Blindleistung
zu veranlassen, ist es lediglich erforderlich, den Erregerstrom I" zu vergrößern,
wie in F i g. 2 dargestellt. Dabei bleibt der Wirkanteil des Ständerstroms bzw.
das abgegebene Drehmoment stets konstant und ist durch die zuvor erwähnte Polradwinkelregelung
der jeweils auftretenden'Drehmomentbelastung angepaßt. Die Regelung einer derartigen
Maschine kann daher mittels zweier voneinander unabhängiger Regelkreise erfolgen,
wobei der eine ein Polradwinkelregelkreis mit der Stellgröße I, ,
und
der andere ein Blindleistungsregelkreis mit der Stellgröße I, , ist, Durch entsprechende
Einstellung des Erregerstroms I, , kann man sich freizügig und beliebig schnell
den jeweiligen Verhältnissen des Netzes anpassen, ohne daß dadurch störende Drehmomentschwankungen
auftreten.
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Bei kleinen bzw. verschwindenden Erregerströmen 12 stellt der Polradwinkel
A = 90' eine Stabilitätsgrenze dar. Der den Erregerstrom I,
, veranlassende Polradwinkelregler muß daher so ausreichend dimensioniert
werden, daß er nur möglichst geringe überschreitungen dieses Wertes zuläßt. Für
geringere, an den Polradwinkelregler zu stellende Ansprüche ist es gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung möglich, die Achsen der beiden Felderregerwicklungen
1 und 2 sich nicht unter 90' el., sondern unter einem kleineren Winkel
kreuzen zu lassen. Entsprechend diesem Winkel, der in F i g. 3
mit o# bezeichnet
ist, wird dann der Sollwert ö* des Polradwinkelreglers eingestellt, so daß nunmehr
der Vektor der der Felderregerwicklung 1 zugeordneten Polradspannung mit
der Klemmenspannung den Winkel a bildet. Wesentlich ist wie bei der der F i
g. 2 zugrunde liegenden Anordnung, daß im Zeigerdiagramm der Vektor des auf
die Ständerseite bezogenen Erregerstromes 1' 2 der Felderregerwicklung 2 stets parallel
der mit IB bezeichneten Blindstromachse zu liegen kommt, so daß aus Betragsänderungen
des Erregerstroms 1' 2 keine Wirklast-bzw. Drehmomentänderungen resultieren können.
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F i g. 4 zeigt schließlich ein Blockdiagramm für die erfindungsgemäße
Regeleinrichtung. Die Erregerwicklung 1 einer an ein Wechselstromnetz mit
der Spannung U angeschlossenen Synchromnaschine 4 wird durch ein Stellglied
5 mit dem Erregerstrom I" ,
gespeist. Der Eingang des Stellgliedes
5 steht mit dem Ausgang eines Polradwinkelreglers 6 in Verbindung,
in dessen Eingangskreis ein von einem Polradwinkelmeßgerät 7 gelieferter
Winkelwert ö als Istwert und der konstant eingegebene Wert ö* als Sollwert
wirken. Der Sollwert ö* entspricht dabei dem räumlichen Winkel zwischen den Achsen
E, und E, der Felderregerwickungen 1 und 2. Das Polradwinkelmeßgerät
7 bildet die Winkeldifferenz ö nach zwischen der Polradspannung, die
aus der Spannung der Tachodynamo 17 abgeleitet werden kann, und der Klemmenspannung
U der Synchronmaschine 4.
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Die Erregerwicklung 2 kann nun mit dem StromI, beaufschlagt werden,
und zwar unabhängig von dem bisher beschriebenen Regelkreis je nach den Blindlastanforderungen
des Netzes, wozu dem mit 8 bezeichneten Blindlastregler ein entsprechender
Sollwert 1,*2 vorgegeben wird. Dem Eingang des Blindlastreglers 8 ist weiterhin
ein dem Erregerstrom 1, 2 entsprechender Istwert zugeführt, welcher von einem Meßwandler
9 geliefert wird. Ausgangsseitig ist der Blindlastregler 8 mit einem
geeigneten Stellglied 10
verbunden.
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Zur Lieferung großer kapazitiver Blindleistung kann es sich
als zweckmäßig oder erforderlich erweisen, die Richtung des Erregerstroms 1, 2 umzukehren,
wie es dem in F i g. 2 und 4 gestrichelt gekennzeichneten Richtungspfeil
I., entspricht. Ist dabei gleichzeitig mit Wirklaststößen zu rechnen, welche der
Polradwinkelregler 6 nicht schnell genug ausgleichen kann, dann kann
es zu einer kritischen überschreitung des Lastwinkels und damit zu einem Außertrittfallen
der Synchronmaschine kommen. Um dem vorzubeugen, kann mittels den in F i
g. 4 gestrichelt eingezeichneten Schaltverbindungen 11 und 12 eine
auf den Sollwert des Blindlastreglers 8 einseitig wirkende Begrenzungseinrichtung
eingesetzt werden, welche dem Sollwert des Erregerstroms 1,*2 in Abhängigkeit von
dem den Betrag von 90' el. übersteigenden Wert des Polradwinkels
ö einen Höchstbetrag in negativer Richtung und einen Mindestbetrag in positiver
Richtung vorschreibt, wodurch ein zusätzlich stabilisierender Einfluß erreicht wird.
Bei einem Polradwinkel 3 von 900 el. und weniger ist die Begrenzung
selbsttätig außer Betrieb.
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Diese Begrenzungseinrichtung besteht im wesentlichen aus einem gegengekoppelten
Proportionalverstärker 13 und einer Diode 14. Bei fehlender Spannung an der
Klemme 16 ist der Verstärker 13
durch die Wirkung der Spannung
+ U, voll ausgesteuert, so daß die Ausgangsspannung UB einen
maximalen negativen Wert aufweist. Eine an der Klemme 16 auftretende Spannung
muß nun zunächst die übersteuernde Wirkung der Eingangsspannung U,
aufzuheben
versuchen, ehe eine Änderung der Ausgangsspannung UB auftreten kann. Die
konstante Spannung U, wird so gewählt, daß dies gerade bei einer Ausgangsspannung
des Polradwinkelmeßgerätes 7 der Fall ist, welche einem Winkel ö von
900 el. entspricht. Ab dann tritt eine Begrenzung des Erregerstromsollwertes
1,*2 ein, der zuvor ungehindert im Eingangskreis des Blindlastreglers
8 wirksam werden konnte.
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F i g. 5 veranschaulicht die Charakteristik der
BegrenzungseinÜchtung.
Ab dem durch den Winkel Öl = 901 el. bestimmten Ansprechwert setzt
durch die Veränderung der Spannung UB eine Begrenzung des Erregerstromsollwertes
1,*, in einem die Stabilität der Synchronmaschine erhöhenden Sinn ein.