DE1438624C - Anordnung zum Parallelschalten von Synchron-Synchron-Umformern - Google Patents

Description

Die für die bekannten Zwecke benutzten Synchron-Synchron-Umformer bestehen vielfach zur besseren Ausnutzung der Anlagen aus mehreren entsprechend kleineren Umformereinheiten, von denen je nach Bedarf eine oder mehrere oder auch alle parallel arbeiten. Damit ein Parallelschalten möglich ist, müssen hinsichtlich des Aufbaues und des Betriebes der Umformer bestimmte Bedingungen erfüllt werden. Es ist bekannt, daß ein stoßfreies Parallelschalten von Synchrongeneratoren nur dann möglich ist, wenn die Spannungsvektoren der gleichen Phasen der parallel zu schaltenden Generatoren schon vor dem Zusammenschalten übereinstimmen.

Es bedarf hierzu des gleichen Drehsinns, der gleichen Spannungsamplituden, der gleichen Frequenz sowie der gleichen Phasenlage der parallel zu schaltenden Drehstromsysteme. Bei Antrieb der Synchrongeneratoren durch Synchronmotoren ist die Frequenz der Generatorspannungen festgelegt. Ihre Phasenlage ist durch die Anordnung der Wicklungen bzw. die Stellung der Kupplung ebenfalls in ganz bestimmter Weise definiert. Damit die Umformer fur den Parallelbetrieb geeignet werden, ist dafür zu sorgen, daß es für sämtliche parallel zu betreibenden Einheiten bei gleichen Lastzuständen, z. B. bei Leerlauf, mindestens eine gemeinsame stationäre Phasenlage der Generatorspannungen gibt. Diese gemeinsame stationäre Leerlaufphasenlage gilt es vor dem Parallelschalten zu finden.

Die Welle eines Synchronmotors mit p_M- Polpaaren kann bei synchronem Betrieb gegenüber der Welle eines anderen gleichartigen und ebenfalls synchron am gleichen Netz laufenden Synchronmotors die in Gleichung (1) angegebenen p_M verschiedenen Winkellagen a_w einnehmen.

Pm

K₁ =0; 1; 2;... (p_M - \),

Schritt: eine Polpaarteilung;

IC -π- ^l · 1- ³ · 2· ⁵ in
Schritt: eine Polteilung.

Dabei ist W₀ der durch die Festlegung der Bezugspunkte (z. B. der Lage der Keilnuten) und die räumliche Anordnung der Wicklungen sich ergebende Winkel in der synchronen Ausgangs- oder Bezugslage. Läßt man den Läufer des einen Synchronmotors der Reihe nach um je eine Polypaarteilung oder z. B. durch Umpolen der Erregung nur um je eine Pol teilung schlüpfen, so erhält man bis zur Wiedererreichung der Ausgangswinkellage die durch das zweite Glied in Gleichung (1) bestimmten möglichen Winkellagen. Mit Hilfe eines Stroboskops lassen sich die relativen Winkellagen der beiden synchron laufenden Wellen gut sichtbar machen.

Die Spannungsvektoren der starr mit den Motoren gekuppelten Generatoren nehmen die gleiche Anzahl verschiedener Phasenlagen ein, die den relativen Winkellagen der Motorwellen entsprechen. Die räumlichen, auf die Welle bezogenen Winkel erscheinen im Spannungssystem der Generatoren um den Faktor p₀ vergrößert, so daß die verschiedenen Phasen- winkel [i_u zwischen den Spannungen der mit gleicher Last (z. B. Leerlauf) betriebenen Generatoren sich durch die Gleichungen (2) und (3) ausdrucken lassen.

Ii₀ = a_w ■ p_G ;
mit (1) ergibt sich aus (2)

fic = "»' ' Pg +

-~- ■ 2 π
Pm

(2)

(3)

P₀ Pv K₁

Winkellage der Welle eines synchron laufenden Synchronmotors, bezogen auf die Welle eines anderen gleichartigen am gleichen Netz synchron laufenden Synchronmotors,

Phasenwinkel zwischen den Generatorspannungen zweier am gleichen Netz synchron laufender gleichartiger Synchron-Synchron-Umformer,

Polpaarzahl der Synchrongeneratoren,
Polpaarzahl der Synchronmotoren,
0; 1; 2; ... (p_M - 1)

bedeutet die verschiedenen möglichen Winkellagen, wenn die Motorwelle der Reihe nach je um eine PoI₇ paarteilung schlüpft.

K₇ = O; —; 1; I ^-

₂ -^- eine ganze Pm

bedeutet die verschiedenen möglichen Winkellagen, wenn die Motorwelle um je eine Polteilung schlüpft.

Zwischen den parallel zu betreibenden Synchron-Synchron-Umformern muß a_Wo durch gleichartigen Aufbau (z. B. bei Einwellensätzen) oder durch stetig verdrehbare Kupplungen oder verdrehbare Ständer zu Null gemacht werden. Bei Umformern mit ungleichen Polpaarzahlen auf der Motor- und der Generatorseite (Umformer mit Frequenzübersetzung) erlauben, wie Gleichung (3) zeigt, nur einzelne der möglichen stationären Phasenlagen das Parallelschalten, nämlich jene, für welche ^

Zahl ist.

Bei SO/oO-Hz-Synchron-Synchron-Umformern, bestehend aus z. B. lOpoligen Motoren (p_u = 5) und 12poligen Generatoren (p_c = 6), wiederholt sich die für das richtige Parallelschalten notwendige Uberein-Stimmung der Leerlaufphasenlage jeweils nach fünfmaligem Schlüpfen um eine Polteilung oder auch eine Polpaarteilung.

Wenn weitere Umformer nur bei Leerlauf der bereits laufenden Umformer parallel geschaltet werden sollen, so können für die Auffindung der richtigen Synchronisierungsbedingungen die üblichen und bekannten Synchronisierungshilfsmittel verwendet werden. Man läßt nur den Läufer z. B. durch Umpolen der Motorerregung so oft relativ zum Motordrehfeld schlüpfen, bis man vor und hinter dem Kuppelschalter neben der mit Hilfe der Erregung leicht einstellbaren Übereinstimmung der Amplituden auch die gleiche Phasenlage erhält.

Die Schwierigkeit im vorliegenden Fall besteht aber nun darin, daß zu einer oder mehreren belasteten Einheiten eine unbelastete Einheit zugeschaltet werden soll. In diesem Fall stimmen die vorerwähnten Winkel nicht mehr überein, da bekanntlich die belastete

Einheit gegenüber der leerlaufenden eine Phasenverschiebung um den Lastwinkel I)₁ hat. Dieser Lastwinkel setzt sich zusammen aus dem Polradwinkel des Generators und dem mit dem Verhältnis der Polpaarzahlen ρ₍·,'·Ρ\ι multiplizierten Polradwinkel 5 des Motors.

(4)

mit tt_M als Polradwinkel des Motors, ß_G als Polradwinkel des Generators, p_G; p„ als Polpaarzahl von Generator und Motor.

Damit der noch leerlaufende, parallel zu schaltende Umformer richtig Last übernehmen kann, muß im Zuschaltaugenblick eine Phasenverschiebung O_1- zwisehen der Spannung der unter Last arbeitenden Umformer und der Spannung des zuzuschaltenden Umformers vorhanden sein, wobei die Generatorspannung des zuzuschaltenden Umformers um diesen Winkel voreilen muß. Der Lastwinkel O₁ kann einen Wert annehmen, der einer durch eine falsche Synchronstellung vorgegebenen Phasenverschiebung entspricht. Wenn also an sich bekannte Synchronisiereinrichtungen wie üblich verwendet werden, können die parallel zu schaltenden Umformer niemals eindeutig in der richtigen Phasenlage zugeschaltet werden. Beim Parallelschalten werden dann die Spannungsvektoren zwangsweise zur Übereinstimmung gebracht, wobei der zugeschaltete Umformer Last übernimmt und die anderen Umformer entlastet werden. Die Lastaufteilung kann in gewissen Grenzen noch durch die Beeinflussung der Lastwinkel über die Erregung beeinflußt werden.

Es ist eine Synchronisiereinrichtung bekanntgeworden, bei welcher eine belastungsproportionale Spannung passender Größe und Phasenlage zu der Spannung der Sammelschiene addiert und so eine unter bestimmten Bedingungen der Leerlaufspannung der 60-Hz-Sammelschiene entsprechende Hilfsspannung erhalten wird. Eine dieser Bedingungen ist z. B., daß die verwendeten Synchronmotoren stets mit konstantem Leistungsfaktor betrieben werden. Bei einer Umformung von 50 auf 60 Hz reicht diese angenäherte Nachbildung des Polradwinkeleinflusses mittels einer belastungsproportionalen Spannung aus, um ein sieheres Intrittfallen der zuzuschaltenden Maschine zu gewährleisten. Liegt jedoch ein anderes Umformungsverhältnis vor, bei dem zwischen einer größeren Anzahl von möglichen Winkelstellungen zu unterscheiden ist, dann steigen die Anforderungen an die Genauigkeit der Abbildung der Leerlaufspannung, wozu sich · die bekannte Synchronisiereinrichtung als weniger geeignet erweist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zum Parallelschalten von Synchron-Synchron-Umformern mit Synchronmotoren, welche Synchrongeneratoren über eine starre Kupplung antreiben, wobei die parallel zu schaltenden Umformer unterschiedliche Lastzustände aufweisen, unter Verwendung eines Nachbildungsgliedes für den Leerlaufzustand des oder der bereits laufenden und belasteten Umformer. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Nachbildungsglied einen an die Motorspannung angeschalteten Frequenzumformer enthält, dessen Ausgangsimpulse Generatorfrequenz aufweisen und in ihrer Phasenlage durch das Ausgangssignal einer Phasen Vergleichsanordnung veränderbar sind, welches eingangsseitig von der Spannung des belasteten Generators und den polradwinkelabhängig verzögerten Impulsen des Frequenzumformers beaufschlagbar ist. Bei dieser elektronischen Nachbildung dieses Leerlaufzustandes wird einerseits der Polradwinkeleinfluß unmittelbar erfaßt, wodurch eine wesentlich höhere Genauigkeit erzielbar ist, zum anderen gestattet die große Arbeitsgeschwindigkeit der verwendeten Frequenzvervielfacher bzw. Frequenzteiler die Anwendung der erfindungsgemäßen Synchronisiereinrichtung auch bei recht hohen Frequenzen.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen näher veranschaulicht.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 wird aus der Frequenz/, des die Synchronmotoren speisenden Netzes mit einem Frequenzvervielfacher 1 eine Frequenz f = fi ■ ~ gebildet, die mit m als ganze, möglichst größe Zahl, ein gemeinsames Vielfaches von J_x und f₂ ergibt, wobei f₂ die Frequenz auf der Generatornetzseite ist.

Mit einem Frequenzteiler 2 wird die Frequenz/ im

Verhältnis 7- unterteilt, so daß man am Ausgang die

Vl

besagte Generatornetzfrequenz f₂' erhält. Diese Ausgangsfrequenz f₂ des Frequenzteilers 2 kann ''- verschiedene Phasenlagen annehmen, je nachdem, wie der Frequenzteilerdurchlauf einsetzt.

Zur überwachung wird die Ausgangsfrequenz J₂ des Frequenzteilers 2 einer Phasenverschiebeanordnung 4 zum nachfolgend dargelegten Zweck zugeführt. Eine vom Wirkstrom oder von der Wirkleistung auf der Motorseite des eingeschalteten Umformers / abhängige Meßanordnung 3, z. B. ein Meßwertumformer Für Wirkleistung oder Wirkstrom bekannter Art, hat ausgangsseitig eine dem Lastwinkel 0 nahezu pro- ' portionale Größe, die eine Phasenverschiebeanordnung so beeinflußt, daß deren Ausgangsfrequenz J₂" um den Lastwinkel 0 gegen diese Eingangsfrequenz// verschoben ist. Die Ausgangsfrequenzf₂" wird in einer Vergleichsanordnung 6 mit der Ausgangsfrequenz /₂" eines Justiergliedes 5 auf gleiche Phasenlage überprüft. Diese Justieranordnung 5 ist hierzu über einen Spannungswandler von der Generatornetzseite, d. h. von der Frequenz/₂ der Generatorspeisespannung beaufschlagt. Bei Übereinstimmung der Phasenlage der Ausgangsgröße ^₂" des Justiergliedes 5 mit derjenigen der Ausgangsgröße^'" der Phasenverschiebeanordnung 4 läßt die Vergleichsanordnung 6 ein Sperrsignal auf einen normalerweise Korrekturimpulse abgebenden Impulsgeber 7 gelangen, so daß dieser währenddessen keine Korrekturimpulse abgeben kann. Bei Nichtübereinstimmung der beiden Ausgangsgrößen f₂" und f{" entfällt das Sperrsignal, so daß der Impulsgeber 7 nunmehr so lange Korrekturimpulse auf den Frequenzteiler 2 geben kann, bis die Ausgangsfrequenz f₂ des Frequenzteilers 2 wieder um den Lastwinkel 0 gegenüber der Eingangsfrequenz /₂ des Justiergliedes 5 voreilt, d. h. die Leerlaufphasenlage des belasteten Generators hat. Diese korrigierte Ausgangsfrequenz f₂ des Frequenzteilers 2 wird einem Phasenvergleichsglied 8 zugeführt.

Mit dieser elektronischen Nachbildung läßt sich also die Phasenlage der belasteten Umformer genauso nachbilden wie mit einem nicht dargestellten kleinen Umformersatz mit rotierenden Maschinen. In beiden Fällen können also die Ausgangsfrequenzen der Nachbildung, wie in F i g. 2 noch eingehender gezeigt ist,

auf ein Phasenvcrgleichsglied gegeben werden, das zweckmäßigerweise ebenfalls mit elektronischen Mitteln die Phasenlage der Ausgangsfrequenz/,' des Frequenzteilers 2 mit der Generatorfrequenz f₂ der zuzuschaltenden Einheit vergleicht. Dieser Vergleich kann mit Hilfe von Kurzimpulsen erfolgen, die man aus den Nulldurchgängen der beiden Frequenzen ableitet oder, falls diese Frequenzen als Impulsfolgen vorliegen, aus Anstiegs- bzw. Abfallflankcn der Einzelimpulse. Ein Frequcnzverglcich kann außerdem durch Gegeneinandcrschaltcn der beiden Wechselgrößen nach Art der bekannten Dunkelschaltung vorgenommen oder mit einem anderweitig vorgeschlagenen Phasenwinkelmeßgerät durchgeführt werden.

Mit Hilfe einer Amplitudcnvcrgleichseinrichtung 9 kann nach F i g. 2 vor dem Parallelschalten die Übereinstimmung der Amplituden der vor und hinter dem Kuppelschalter anstehenden Spannungen überprüft werden. Bei Nichtübereinstimmung der Phasenlage der beiden dem Phasenverglcichsglicd 8 zugeführten Frequenzen J₂ wird mit Hilfe einer Umschalteinrichtung 10 die Motorerregung so oft umgepolt und damit der Umformerrotor um entsprechende Polteilungen schlüpfen gelassen, bis die richtige Leerlaufphascnlagc gefunden ist. Die Ausgangsgrößen des Phasenvcrglcichsglicdcs 8 und des Amplitudcnverglcichsglicdcs 9 können auf nicht dargestellte Anzeigegeräte gegeben werden, die gegebenenfalls beim Parallelschalten von Hand beobachtet werden müssen. Andererseits können diese Größen auch als Steuergrößen für eine automatische Parallelschalteinrichtung Verwendung finden.

Die Amplitudenvergleichseinrichtung 9 kann unter Umständen in Wegfall kommen, wenn der zuzuschaltende Generator G₂ auf eine Spannung mit einer Phasenwinkeldifferenz von der Größe des Lastwinkcls 0 geschaltet werden muß und der Generator G₂ nach dem Auffinden der richtigen Leerlaufphasenlage hierzu unerregt parallel geschaltet wird.

Die Einrichtungen für die Erregung der übrigen Motoren und Generatoren sind hierbei der Einfachheit halber weggelassen worden, da deren Betätigung an sich bekannt ist und nicht zum Gegenstand der Erfindung gehört.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zum Parallelschalten von Synchron-Synchron-Umformern mit Synchronmotoren, welche Synchrongeneratoren über eine starre Kupplung antreiben, wobei die parallel zu schaltenden Umformer unterschiedliche Lastzustände aufweisen, unter Verwendung eines Nachbildungsgliedes für den Lecrlaufzustand des oder der bereits laufenden und belasteten Umformer, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachbildungsglied einen an die Motorspannung angeschalteten Frequenzumformer (1,2) enthält, dessen Ausgangsimpulse Generatorfrequenz aufweisen und in ihrer Phasenlage durch das Ausgangssignal einer Phascnvergleichsanordnung (6) veränderbar sind, welches eingangsseitig von der Spannung des belasteten Generators und den polradwinkclabhängig verzögerten Impulsen des I-'rcqucnzumformers bcaufschlagbar ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen