DE2945599C2

DE2945599C2 - Einrichtung zur Pendelungsdämpfung von geregelten elektrischen Maschinen

Info

Publication number: DE2945599C2
Application number: DE2945599A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr.-Ing. 8524 Neunkirchen Fork; Wolfgang Dipl.-Ing. Kaufhold; Wolfgang Ing.(grad.) 8520 Erlangen Meusel; Hermann Dr.-Ing. 8521 Weiher Waldmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-11-12
Filing date: 1979-11-12
Publication date: 1985-07-11
Also published as: IN151770B; DE2945599A1; JPS5683300A; BR8007322A; AU538438B2; US4393345A; AU6425880A; CH655412B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Pendclungsdämpfung von geregelten elekt "(sehen Maschinen gemäß dem Oberbegriff der beiden nebengeordneten Hauptansprüche. Eine derartige Einrichtung ist gemäß der Zeitschrift Brown Boveri Mitteilungen. Band 51.1964, Nr. 1/2, Seiten 10 bis 20 bekannt. Bei dieser bekannten Einrichaing wird als Korrektursignal die zeitliche Ableitung einer dem Polradwinkel entsprechenden Spannung verwendet Phasenverschiebungen dieser Korrekturspannungen relativ zu der dem Polradwinkcl entsprechenden Spannung sind aber nur in einem Winkelbcreich von 0 bis 90° el. möglich.

Nach dem DE-Buch »Elektrische und elektronische Schaltelemente«. Bohmann-Noltemeyer Verlag, 1973. S. 93 sind RC-Phasenschieber bekannt, bei welchen die Reihenschaltung eines kapazitiven Blindwiderstandes und eines veränderbaren Wirkwiderstandes in einer wechselspannungsgespeisten Brücke angeordnet sind.

Es läßt sich zwar durch Veränderung des Phasenwinkels zwischen 0 und 180° si. durch entsprechende Veränderungen des Wirkwiderstandes einstellen. Für die Zwekke der vorliegenden Erfindung steht jedoch einer definierten Einstellung im Wege, daß die Phasenverschiebung auch frequenzabhängig ist.

Es wurde nun erkannt, daß zur optimalen Peride lungsdämpfung Phasenverschiebungen im Winkelbereich von 0 bis 2 si el erforderlich werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die eingangs genannte Einrichtung bezüglich der Erfassung der Rotor-Pendelungsschwingung und deren Bedämpfung zu verbessern, indem der Phasenverschiebungsbereich erweitert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 b/w. 2 angegebenen Merkmale.

Die [Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen welche in Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles im einzelnen erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Pcndelungsdämpfung eines Synchrongenerators. Es zeigt

Fig. ! ein Prinzipschaltbild der Spannungsregelung eines Synchrongenerators mit bürstenloser Erregung und einer erfindungsgemäßen Eini ichtung.

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Vektoridentifizierers. F i g. 3 ein Blockschaltbild eines Vektorfilters, F i g. 4 ein Blockschaltbild einer Phasendrehschaltung für kartesische Koordinaten,

F ι g. 5 ein Blockschaltbild einer Phasendrehschaltung für Polarkoordinaten.

Fig. I zeigt das Prinzip der Spannungsregelung bei einem Turbosatz 1 mit einem Synchrongenerator mit bürstcnloser Erregung, der in ein Net/ RST einspeist.

Der rotierende Erregerteil 2 ist in der strichpunktierten Umrahmung gezeichnet. Der rotierende Erregerteil 2 enthält eine Haupterregerwicklung 3, die von einem rotierenden, gesteuerten oder ungestcuerten Stromrichter 4 gespeist wird. Der rotierende Stromrichter 4 ist drehstromseitig an die rotierende Ankerwicklung 5 einer Haupterregermaschinc angeschlossen, die von einer im Ständer angeordneten Feldwicklung 6 erregt wird. Zur Speisung der Feldwicklung 6 der Hauptcrregcrmaschi-

ne 5 ist eine Drehstrom-Hilfserregermaschine mit einer im Ständer angeordneten Drehstromwicklung 7 und einem Permanentpolläufer 8 vorgesehen. Die Drehstromwicklung 7 der Hilfserregermaschine speist über einen Thyristorsatz 9 die im Stator der Haupterregermaschine befindliche Feldwicklung 6. Der Thyristorsat? 9 bildet den variablen Gleichstrom für die Erregung der Haupterregermaychine. Die Drehstromwicklung 7 versorg, weiterhin über eine Gleichrichterschaltung 13 den Steuersatz, den Regler und die übrige Elektronik mit einer unabhängigen Versorgungsspannung. Die entsprechenden Verbindungen sind in der Zeichnung nicht dargestellt, um die Obersicht zu wahren.

Der Thyristorsatz 9 wird von einem Steuersatz 10 gesteuert, dessen Steuerspannung von einem Spannungsregler 11 mit PID-Charakteristik gebildet wird. Der Vergleichspunkt 12 des Spannungsreglers 11 ist zur Verdeutlichung herausgezeichnet. Im Vergleichspunkt 12 wird der an einer Einstellvorrichtung 26 eingestellte Spannung3so!!wert mit dem Spannungsistwert verglichen. Der Spannungsistwert wird von einer an o?s Neu RST angeschlossenen Spannungswandleranordnung 14 abgegriffen und in einer Gleichrichterschaltung 16 gleichgerichtet und über ein Glättungsglied 17 geführt

Die Einrichtung zur Pendelungsdämpfung umfaßt ein Wirkleistungsmeßglied 19, eine Identifiziererschaltung 24 und eine Phasendrehschaltung 25. Der Ausgang der Phasendrehschaltung 25 wirkt auf den Vergleichspunkt 12.

Das Wirkleistungsmeßglied 19 enthält drei Multiplizierer 20,21,22, die jeweils einen von einer Stromwandleranordnung 18 gelieferten Strom-Meßwert für eine Phase mit dem zugehörigen Phasenspannungs-Meßwert von der Spannungswandleranordnung 14 multiplizieren. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 20,21,22 werden in einem Summierglied 23 addiert. Im eingeschwungenen symmetrischen Zustand stellt das Ausgangssignal des Summiergliedes 23 eine oberschwingungsfreie Gleichgroße dar, die ein Maß für die vom Synchrongenerator ins Netz eingespeiste Wirkleistung darstellt. Beim Auftreten von Polradpendelungen ist der die Wirkleistungen abbildenden Gleichgroße eine entsprechende Schwingung überlagert.

Die vom Wirkleistungsmeßglied 19 ausgegebene Meßspannung für die ins Netz abgegebene Wirkleistung wird einer Identifiziererschaltung 24 zugeführt, die die Winkelkomponenten von Polradpendelungen ermittelt Die ldentifi/iercrschaltung kann gemäß Fig. 2 als Vekloridentifi/iercr odt*r gcniüß F ι g. 3 als Vektorfilter ausgebildet sein. Die Winkelkomponenten der Pendelung wjrdcn in der Phasendrchsehaltung 25 in die Korrekturschwingung umgeformt, die um einen vorgc gebenen Phasinwinkcl gegenüber der identifizierten Pendelung gedrehl ist. Die von der Phusentlrehschalliing 25 erzeugte Korrcklurschwingung wird ;uif den Vergleichspunkt 12 des Spannungsreglers 11 uufgeschaltet. Die Phasendrehschaltung kann gemäß F i g. 4 für kartesische Koordinaten oder gemäß F ι g. 5 für Polarkoordinaten ausgeführt sein.

Anstelle der Erfassung der Polradpendelungen über ein Wirkleistungsmeßglied können die Pendelungen auch unmittelbar mit einem geeigneten Rotorlagegeber erfaßt werden, der auf der Welle der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das Ausgangssignal eines derartigen Rotorlagcgebers wird dann unmittelbar der Identifi/.icrcrschaltung zugefühif .Als Rotorlagcgcbcr sind die bei Drchfcldinaschirien bekannten Polradlagcgcber gc-Die Aufschaltung der Korrekturschwingung der Phasendrehschakung 25 kann auch auf den Ausgang des Spannungsreglers 11 erfolgen. Wesentlich ist lediglich, daß die Steuerspannung für den Steuersatz 10 des Thyristorsatzes 9 von der Korrekturschwingung im Sinne einer Dämpfung von Polradpendelungen beeinflußt wird.

Die Identifizierung der Winkelkomponenten der Pendelung kann mit Hilfe von bekannten Vektoridentifizierern erfolgen. Da das Ausgangssignal des Wirkleistungsmeßgliedes 19 den stationären Wert der ins Netz abgegebenen Wirkleistung als Gleichanteil enthält, wird ein Vektoridentifizierer mit Eliminierung des Gieichanteils verwendet Ein derartiger Vektoridentifizierer ist bekannt aus Siemens Forsch.- und Entwickl. -Ber. Bd. 6 (1977), Seite 29 bis 38, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild eines Vektoridentifizierers 24A lirit Eliminierung des Gleichanteils im Eingangssignal. Der Vektoridentifizierer ZiA ist eingangsseitig an das Wirkleistungsmeßglied 19 angeschlossen, das beim Auftreten einer Polradpendelung eine Gleichspannung mit einem überlagerten Schwingungsanteil liefert Das Eingangssignal des Vektoridentifizierers 24Λ kann oOmit beschrieben werden durch die Gl. (1):

P - A ■ cos COp t + b
Dabei bedeutet:

P ... Wirkleistung

A ... Amplitude der Pendelung

ω_Ρ ... Kreisfrequenz der Pendeiung

t ... Zeit

b ... Gleichanteil der Wirkleistung

Der Vektoridentifizierer 24,4 enthält seinerseits zwei untergeordnete Vektoridentifizierer mit unterschiedlichen Zeitkonstanten, die jeweils vom Eingangssignal nach 11.(1) beaufschlagt werden. Die untergeordneten Vektoridentifizierer bestehen jeweils aus einem Verzögerungsglied, zwei Proportionalverstärkern und einem Vergleichsglied.
Der erste untergeordnete Vektoridentifizierer enthält ein Verzögerungsglied 28 mit einer vorgegebenen ersten Zeitkonstante, die beispielsweise bei der Pendelungsfrequenz eine Phasendrehung um einen Winkel cc bewirkt. Dem Verzögerungsglied 28 ist ein Proportionalverstärker 29 mit einem Verstärkungsfaktor V₂<> nach Gl. (2) nachgeschaltet:

Das Eingangssignal des Verzögerungsgliedes 28 wird außerdem einem weiteren Proportionalverstärker 30 mit dem Verstärkungjfaktor Vjo nach Gl. (3) zugeführt:

V₃₀ = cot κ

Im Vergleichsglied 31 wird das Ausgangssignal des

Proportionalverstärkers 30 vom Ausgangssignal des Proportionalverstärker 29 subtrahiert. Das Ausgangs-

b5 signal t/ji des Vergleichsgliedes 31 ergibt sich nach Gl. (4) zu

A · sin M_nI + b ■ tan λ

Der zweite untergeordnete Vcktoridentifizierer enthält ein Verzögerungsglied 32 mit einer vorgegebenen zweiten Zeitkonstante, die beispielsweise bei der Pendclungsfrequenz eine Phasendrehung um einen Winkel β bewirkt. Dem Verzögerungsglied 32 ist ein Proportionalverstärker 33 mit einem Verstärkungsfaktor Vjj nach Gl. (5) nachgeschaltet:

(5)

Das Eingangssignal des Verzögerungsgliedes 32 wird außerdem einem weiteren Proportionalverstärker 34 mit dem Verstärkungsfaktor V_M nach Gl. (6) zugeführt:

cot β

- A ■ sin ω_ρ t + b ■ tan β

Zj₆ = b{ianß - tan λ)

tan β — tan /ν

tan χ

IO

(6)

iiii Vcigicichsgiicd 35 wird das Äüsgangssigna! des Proportionalverstärkers 34 vom Ausgangssignal des Proportionalverstärkers 33 subtrahiert. Das Ausgangssignal Un des Vergleichsgliedcs 35 ergibt sich nach Gl. (7) zu:

(7)

25

In einem weiteren Vergleichsglied 36 wird das Ausgangssignal L/31 des ersten untergeordneten Vektoridentifizierer 28 bis 31 vom Ausgangssignal Uis des zweiten untergeordneten Vektoridentifizierers 32 bis 35 subtrahiert. Das Ausgangssignal U_Sb des Vergleichsgliedes 36 ergibt sich nach Gl. (8) zu:

(8)

Das Ausgangssignal des Vergleichsgliedes 36 wird über einen Proportionalverstärker 37 mit einem Verstärkungsfaktor V₃7 nach Gl. (9) geführt:

(9)

Das Ausgangssignal des Proportionalverstärkers 37 entspricht dem Gleichanteil b. Der Gleichanteil b wird über einen weiteren Proportionalverstärker 39 mit dem Verstärkungsfaktor V₃₉ nach Gl. (10) geführt:

45

(10)

In einem weiteren Vergleichsglied 40 wird das Ausgangssignal des Proportionalverstärkers 39 vom Ausgangssignal L/31 Jes ersten untergeordneten Vektoridentifizierers subtrahiert Das Ausgangssignal U» des Vergleichsgliedes 40 stellt die Sinuskomponente der Pendelung nach Gl. (11) dar:

Um = A · sin cup t (11)

In einem Vergleichsglied 38 wird der Gleichanteil b vom Proportionalverstärker 37 vom Eingangssignal nach GL(I) subtrahiert Das Ausgangssignal Ua des Vergleichsgliedes 38 stellt die Kosinuskomponente der Pendelung nach Gl. (12) dar:

L/i« = A cos cop t

(12)

Der Vektoridentifiziercr 24>4 liefert somit aus der die Pendelung enthaltenden Eingangsgröße nach GI. (1) die Winkelkomponenten der Pendelung nach GI. (11) und GL Π 21

Ein Vektoridenlifizicrer mit dem beschriebenen Aufbau wird vorzugsweise dann zur Anwendung kommen, wenn die Pcndclungsfrcquenz wenigstens annähernd als konstant angeschen werden kann.

Fig.3 zeigt ein Vektorfilter 245, das anstelle des Vekloridentifizierers 244 verwende! werden kann. Ein derartiges Vektorfilter ist im einzelnen beschrieben in der Disserlation von Felix Blaschke »Das Verfahren der Feldorienticrung zur Regelung der Drehfeldmaschine«, Technische Universität Braunschweig, 1974. Das Vektorfilier 245 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 43, der zwei um 90° versetzte Schwingungen liefert, die als die Winkelkomponenten der Pendelung auf gefaßt werden. Die vom Oszillator 43 gelieferte Cosinuskomponenic der Pendelung wird in einem Phascnverglcichsglicd41 mildem Eingangssignal vom Wirkleistungsmeßglicd i9 verglichen. Eine gegebenenfalls auftretende Phasendiffcrcn·' «ιριιρπ einen Phasenwinkelregler 42 aus, der die Steuerspannung für den spannungsgesieucrtcn Sinus-Cosinus-Oszillator 43 liefert. Hierdurch wird die Cosinuskomponente der Pendelung mit der zu identifizierenden Schwingung auf Phasengleichheit geregelt. Ein derartiges Vektorfilter arbeitet auch bei unterschiedlichen Frequenzen und kommt daher bevorzugt bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen die Pendelungsfrequenz veränderlich ist.

Fig.^ zeigt eine Phasendrehschaltung 25A für eine Phasendrehung der identifizierten Pendelung in kartesischen Koordinaten. Der Phasendrehschaltung 25A werden die Winkelkomponenten der Pendelung von der Identifizierschaltung 24 zugeführt. Die Phasendrehschaltung 25A enthält im wesentlichen zv/ei Potentiometer 44 und 46 und ein nachgeschaltetes Summierglied 48, das als Summierverstärker dargestellt ist. Das Potentiometer 44 ist mit einem Endanschluß unmittelbar an die Spannung für die eine Winkelkomponente der identifizierten Pendelung und mit seinem anderen Endanschluß über einen Invertierverstärker 45 an die gleiche Winkelkomponente geschaltet. Das Potentiometer 46 ist mit seinem einen Endanschluß unmittelbar an die Spannung für die andere Winkelkomponenle der identifizierten Pendelung und mit seinem anderen Endanschluß über einen Invertierverstärker 47 ebenfalls an die andere Winkelkomponcnte geschaltet. Die Spannungen an den Abgriffen der beiden Potentiometer 44 und 46 werden zur gewünschten Korrekturschwingung addiert. Befinden sich beispielsweise beide Abgriffe in der oberen Endstellung, so ergibt sich eine Korrekturschwingung, die um 45° gegenüber der identifizierten Pendelung versetzt ist. Durch Verstellen der Potention. :terabgriffe kann jede beliebige Phasendrehung eingestellt werden. Damit ist es möglich, den Stabilisierungseingriff in den Spannungsregler optimal einzustellen.

F i g. 5 zeigt eine Phasendrehschaltung 255 für eine Phasendrehung der identifizierten Pendelung in Polarkoordinaten, bei der eine getrennte Einstellung der Phasendrehung und der Amplitude der Korrekturschwingung möglich ist Dies erlaubt bei einigen Anwendungsfällen eine leichtere Optimierung der Pendelungsdämpfung. Die Phasendrehschaltung 255 enthält einen Sinus-Funktionsgeber 51 und einen Cosinus-Funktionsgeber 52, die beide eingangsseitig an den Abgriff eines Potentiometers 50 angeschlossen sind. Die Endanschlüsse des Potentiometers 50 liegen an Spannungen, welche die Werte + 1 und — 1 darstellen. Die am Potentiometer 50 abgegriffene Spannung stellt den gewünschten Drchwinkel δ dar. Die Ausgangsspannung des Funktionsgebers 51 ist demgemäß die Sinuskomponente des ge-

wünschten Drehwinkels δ und die Ausgangsspannung des Funktionsgebers 52 ist die Cosinuskomponente des gewünschten Drehwinkels δ. In einem Multiplizierer 53 wird die Sinuskomponente der identifizierten Pende-Iung nach GL(U) mit der Sinuskomponcnte des gcwünschten Drehwinkels δ multipliziert. In einem weiteren Potentiometer 54 wird die Cosinuskomponente der identifizierten Pendelung nach Gl. (12) mit der Cosinuskomponente des Drehwinkels δ multipliziert. In einem Vergleicher 55 werden die Ausgangsspannwigen der beiden Multiplizierer 53 und 54 miteinander verglichen. Die Ausgangsspannung des Vergleichsgliedes 55 ergibt sich nach Gl. (13) zu:

\J%% = A ■ cos ΐύρ t ■ cos δ — A ■ sin ω_ρ t ■ sin δ (13) is

Die Ausgangsspannung des Vergleichsgliedes 55 wird noch über sirsen Proportionalverstärker 56 opfnhrt^ dp<;-sen Verstärkungsfaktor einstellbar ist. Die Ausgangsspannung des Proportionalverstärker 56 wird als Korrekturschwingung auf die Spannungsregelung des Synchrongenerators aufgeschaltet.

Beim Phasendrehglied 25A nach Fig.4 wird die gewünschte Phasendrehung durch die Einstellung der Potentiometer 44 und 46 vorgegeben. Beim Phasendrehglied 25B gemäß Fig. 5 wird die gewünschte Phasendrehung durch die Einstellung des Potentiometers 50 vorgegeben. Im einfachsten Falle ist es möglich, durch Versuche oder durch Berechnungen eine Einstellung der Po'.ntiometer zu finden, bei der eine befriedigende Pendelungsdämpfung für alle Betriebszustände erreicht wird. Es ist jedoch auch möglich, eine Optimierung der Pendelungsdämpfung dadurch herbeizuführen, daß der vorgegebene Winkel für die Phasendrehschaltung im Hinblick auf den Lastzustand der Maschine und/oder aufgrund einer Analyse der auftretenden Pendelung bestimmt wird. Hierzu können beispielsweise Motorpotentiometer verwendet werden, die in Abhängigkeit vom gemessenen Lastzustand auf unterschiedliche Werte gestellt werden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist als zusätzliche Pendelungsdämpfung für Synchrongeneratoren geeignet, die eine Dämpferwicklung aufweisen. Ein besonders vorteilhafter Einsatz ist bei supraleitenden Generatoren gegeben, die im infragekommenden Frequenzbereich praktisch keine Dämpfung besitzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Pendelungsdärnpfung von geregelten elektrischen Maschinen mit einer von der Last oder vom Netz verursachten Pendelungsschwingung des Rotors, mit einer ersten Schaltung, die die Pendelungsschwingung erfaßt und aus ihr eine pendelungsfrequente Spannung erzeugt und einer zweiten Schaltung, die aus der pendelungsfrequenten Spannung eine zu dieser phasenverschobenen Korrekturspannung bildet, die auf die Regelung aufgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung als Meßanordnung zur Erfassung der Pendelungsschwingung ein Wirkleistungsmeßglied (19) für die aufgenommene oder abgegebene elektrische Wirkleistung aufweist, das die zweite Einrichtung aus einer Identifizierschaliung (24Λ, 24B) -nd aus einer Phasendreheinrichtung (25.4. 25 B) besteht, wobei die Identifizierschaltung aus der pendelungsfrequenten Spannung eine gleichfrequente, um 90° phasenverschobene Spannung bildet und beide pendelungsfrequenten Spannung der Phasendreheinrichtung zugeführt sind, welche in einem Bereich des Winkels von 0 bis 2 „τ beliebig phasenverschiebbare und in der Amplitude einstellbare Korrekturspannung bildet, indem die beiden pendelungsfrequenter. Spannungen amplitudengewichtet addiert werden.

2. Einrichtung zur Pendelungsdämpfung von geregelten elektrischen Maschinen mit einer von der Last oder vom Neu verursachten Pendelungsschwingung des Rotors, .ni? einer ersten Schaltung, die die Pendel ungsschwingung .-rfaßt und aus ihr eine pendelungsfrequente Spannung erzeugt und einer zweiten Schaltung, die aus der pendelungsfrequenten Spannung eine zu dieser phasenverschobenen Korrekturspannung bildet, die auf die Regelung aufgeschaltet ist. dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung ali Meßanordnung Erfassung der Pendelungsschwingung einen Rotorlagegeber aufweist, daß die zweite Einrichtung aus einer Identifizierschaltung (244. 24S^ und aus einer Phasendreheinrichtung (254. 25B) besteht, wobei die Identifizierschaltung aus der pendelungsfrcquenten Spannung eine gleichfrequente. um 90° phasenverschobene Spannung bildet und beide pendelungsfrequenten Spannung der Phasendreheinrichtung zugeführt sind, welche in einem Bereich des Winkels von 0 bis 2 π beliebig phasenverschiebbare und in der Amplitude einstellbare Korrekturspannung bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel für die Phasendrehschaltung (25) im Hinblick auf den Lastzustand der Maschine und aufgrund einer Analyse der auftretenden Pendlung bestimmt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, d.iß die Aufschaltung der Korrekturschwingung auf den Vergleichspunkt (12) der Regelung erfolgt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Aufschaltung der Korrekturschwingung auf die Ausgangsspannung der Regelung erfolgt.

6. Anwendung einer Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur Dämpfung von Polradpendelungen bei spannungsgeregeltcn Synchrongeneratoren, wobei die Korreklurschwingung auf die Spannungsregelung aufgcschaltet wird.