DE2945599A1

DE2945599A1 - Einrichtung zur pendelungsdaempfung von geregelten elektrischen maschinen

Info

Publication number: DE2945599A1
Application number: DE19792945599
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. 8524 Neunkirchen Fork; Wolfgang Dipl.-Ing. Kaufhold; Ing.(grad.) Wolfgang 8520 Erlangen Meusel; Hermann Dr. 8521 Weiher Waldmann
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1979-11-12
Filing date: 1979-11-12
Publication date: 1981-05-21
Also published as: DE2945599C2; BR8007322A; AU6425880A; IN151770B; US4393345A; JPS5683300A; AU538438B2; CH655412B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 79 P 3 2 1 5 BRO

Einrichtung zur Pendelungsdämpfung von geregelten elektrischen Maschinen

Bei Drehfeldmaschinen treten gelegentlich Pendelungen des Rotors auf, die von der Last oder vom Netz verursacht werden. Bei spannungsgeregelten Synchrongeneratoren kann es während des Parallelbetriebs mit dem Netz zu Polradpendelungen kommen, die durch Schaltvorgänge oder Störungen im Netz angeregt werden. 10

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Dämpfung von derartigen Pendelungen bei elektrischen Maschinen zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Meßanordnung zur Erfassung der Pendelung und eine Identifiziererschaltung zur Ermitlung der Winkelkomponenten der Pendelung, sowie eine von den Winkelkomponenten der Pendelung beeinflußte Phasendrehschaltung zur Bildung einer um einen vorgegebenen Winkel phasenverschobenen Korrekturschwingung und eine Aufschaltung der Korrekturschwingung auf die Regelung der Maschine.

Die Erfindung geht davon aus, daß eine Pendelung als Schwingung aufgefaßt werden kann, die durch eine auf die Regelung aufgeschaltete phasenverschobene Korrekturschwingung ausgeregelt werden kann. Hierzu wird zunächst das Auftreten einer Pendelung meßtechnisch erfaßt und es werden ihre Winkelkomponenten identifiziert. Die KorrekturSchwingung wird durch überlagerung der beiden

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Winke!komponenten der Pendelung gewonnen, wobei der Drehwinkel durch unterschiedliche Gewichtung der beiden Winkelkomponenten vorgegeben wird.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Pendelungsdämpfung eines Synchrongenerators. Es zeigen:

FIG 1 ein Prinzipschaltbild der Spannungsregelung eines Synchrongenerators mit bürstenloser Erregung und einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

PIG 2 ein Blockschaltbild eines Vektoridentifizierers, PIG 3 ein Blockschaltbild eines Vektorfilters,

FIG 4 ein Blockschaltbild einer Phasendrehschaltung für kartesische Koordinaten,

FIG 5 ein Blockschaltbild einer Phasendrehschaltung für Polarkoordinaten.

FIG 1 zeigt das Prinzip der Spannungsregelung bei einem Turbosatz 1 mit einem Synchrongenerator mit bürstenloser Erregung, der in ein Netz 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 ungesteuerten Stromrichter 4 gespeist wird.Der rotierende Stromrichter 4 ist drehstromseitig an die rotierende Ankerwicklung 5 einer Haqpterregermaschine angeschlossen, die von einer im Ständer angeordneten Feldwicklung 6 erregt wird. Zur Speisung der Feldwicklung 6 der Haupterregermaschine 5 ist eine Drehstrom-Hilfserregermaschine mit einer im Ständer angeordneten Drehstromwicklung 7 und einem

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Permanentpolläufer 8 vorgesehen. Die Drehstromwicklung der Hilfserregermaschine speist über einen Thyristorsatz 9 die im Stator der Haupterregermaschine befindliche Feldwicklung 6. Der Thyristorsatz 9 bildet den variablen Gleichstrom für die Erregung der Haupterregermaschine. Die Drehstromwicklung 7 versorgt 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 Übersicht 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 Spannungssollwert mit dem Spannungsistwert verglichen. Der Spannungsistwert wird von einer an das Netz 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

Das Wirkleistungsmeßglied 19 enthält drei Multiplizierer 20, 21, 22, die jeweils einen von einer Stromwandler anordnung 18 gelieferten Strom-Meßwert für eine Phase mit dem zugehörigen Phasenspannungs-Meßwert von der

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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 Gleichgröße dar, die ein Maß für die vom Synchrongenerator ins Netz eingespeiste Wirkleistung darstellt. Beim Auftreten von Polradpendelungen ist der die Wirkleistung abbildenden Gleichgröße 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 Identifiziererschaltung kann gemäß FIG 2 als Vektoridentifizierer oder gemäß FIG 3 als Vektorfilter ausgebildet sein. Die Winkelkomponenten der Pendelung werden in der Phasendrehschaltung 25 in die Korrekturschwingung umgeformt, die um einen vorgegebenen Phasenwinkel gegenüber der identifizierten Pendelung gedreht ist. Die von der Phasendrehschaltung 25 erzeugte Korrekturschwingung wird auf den Vergleichspunkt 12 des Spannungsreglers 11 aufgeschaltet. Die Phasendrehschaltung kann gemäß FIG 4 für kartesische Koordinaten oder gemäß FIG 5 für Polarkoordinaten ausgeführt sein.

Anstelle der Erfassung der Polradpendelungen über ein Wirkleistungsmeßglied könne die Pendelungen auch unmittelbar mit einem geeigneten Rotorlagegeber erfaßt werden, der auf der Welle der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das Ausgangssignal eines derartigen Rotorlagegebers wird dann unmittelbar der Identifiziererschaltung zugeführt. Als Rotorlagegeber sind die bei Drehfeldmaschinen bekannten Polradlagegeber geeignet.

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Die Aufschaltung der Korrekturschwingung der Phasendrehschaltung 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 in Sinne einer Dämpfung von Polradpendelungen beeinflußt wird.

Die Identifizierung der Winke!komponenten 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 Gleichanteils verwendet. Ein derartiger Vektoridentifizierer ist bekannt aus Siemens Forsch.- u. Entwickl.-Ber. Bd. 6 (1977) , Seite 29 bis 38, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York.

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

P = A* cost) t + b (1)

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Dabei bedeutet: P ... Wirkleistung A ... Amplitude der Pendelung OO ··· Kreisfreguenz der Pendelung

t ... Zeit

b ... Gleichanteil der Wirkleistung

Der Vektoridentifizierer 24A enthält seinerseits zwei untergeordnete Vektoridentifizierer mit unterschiedlichen Zeitkonstanten, die jeweils vom Eingangssignal nach Gl.(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 Winkeioc bewirkt. Dem Verzögerungsglied 28 ist ein Proportionalver stärker 29 mit einem Verstärkungsfaktor V₃₉ nach Gl.(2) nachgeschaltet:

COS²OC

Das Eingangssignal des Verzögerungsgliedes 28 wird außerdem einem weiteren Proportionalverstärker 30 mit dem Verstärkungsfaktor V₃₀ nach Gl.(3) zugeführt:

V₃₀ * cot* (3)

Im Vergleichsglied 31 wird das Ausgangssignal des Proportionalverstärkers 30 vom Ausgangssignal des

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Proportionalverstärkers 29 subtrahiert. Das Ausgangssignal U₃₁ des Vergleichsgliedes 31 ergibt sich nach Gl. (4) zu

U-, = A · sinU) t + b · tan OC (4) 31 ρ

Der zweite untergeordnete Vektoridentifizierer enthält ein Verzögerungsglied 32 mit einer vorgegebenen zweiten Zeitkonstante, die beispielsweise bei der Pendelungsfrequenz eine Phasendrehung um einen Winkel^ bewirkt. Dem Verzögerungsglied 32 ist ein Proportionalverstärker 33 mit einem Verstärkungsfaktor V₃₃ nach Gl.(5) nachgeschaltet:

v„ « ££££. (5)

Das Eingangssignal des Verzögerungsgliedes 32 wird außer dem einem weiteren Proportionalverstärker 34 mit dem Verstärkungsfaktor V₃₄ nach Gl.(6) zugeführt:

V₃₄ = cot/3 (6)

Im Vergleichsglied 35 wird das Ausgangssignal des Proportionalverstärkers 34 vom Ausgangssignal des Proportionalverstärkers 33 subtrahiert. Das Ausgangssignal des Vergleichsgliedes 35 ergibt sich nach Gl.(7) zu:

U₃₅ = A · sinWt + b · tan^ (7)

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In einem weiteren Vergleichsglied 36 wird das Ausgangssignal U₃₁ des ersten untergeordneten Vektoridentifizierers 28 bis 31 vom Ausgangssignal U₃₅ des zweiten untergeordneten Vektoridentifizierers 32 bis 35 subträniert. Das Ausgangssignal U₃₆ des Vergleichsgliedes ergibt sich nach Gl.(8) zu:

U₃₆ ■ b(tan^ - tan or) (8)

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

V = 3 (9)

tan/3 - tan oc

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:

V₃₉ = tan OC (10)

In einem weiteren Vergleichsglied 40 wird das Ausgangssignal des Proportionalverstärkers 39 vom Ausgangssignal U₃₁ des ersten untergeordneten Vektoridentifizierers subtrahiert. Das Ausgangssignal U₄₀ des Vergleichsgliedes 40 stellt die Sinuskomponente der Pendelung nach Gl.(11) dar:
30

U₄₀ « A · sinc^t (11)

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In einem Vergleichsglied 38 wird der Gleichanteil b vom Proportionalverstärker 37 vom Eingangssignal nach Gl.(1) subtrahiert. Das Ausgangs signal U-. _g des Vergleichsgliedes 38 stellt die Kosinuskomponente der Pendelung nach Gl.(12) dar:

U₃₈ = A · cosut (12)

Der Vektoridentifizierer 24A liefert somit aus der die Pendelung enthaltenden Eingangsgröße nach Gl.(1) die Winkelkomponenten der Pendelung nach Gl.(11) und Gl. (12).

Ein Vektoridentifizierer mit dem beschriebenen Aufbau wird vorzugsweise dann zur Anwendung kommen, wenn die Pendelungsfrequenz wenigstens annähernd als konstant angesehen werden kann.

FIG 3 zeigt ein Vektorfilter 24B, das anstelle des Vektoridentifizierers 24A verwendet werden kann. Ein derartiges Vektorfilter ist im einzelnen beschrieben in der Dissertation von Felix Blaschke "Das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Drehfeldmaschine", Technische Universität Braunschwieg, 1974. Das Vektorfilter 24B enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 43, der zwei um 90° versetzte Schwingungen liefert, die als die Winkelkomponenten der Pendelung aufgefaßt werden. Die vom Oszillator 4 3 gelieferte Cosinuskomponente der Pendelung wird in einem Phasenvergleichsglied 41 mit dem Eingangssignal vom Wirkleistungsmeßglied 19 verglichen. Eine gegebenenfalls auftretende Phasendifferenz steuert einen Phasenwinkelregler 42 aus, der die Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Sinus-Cosinus-Oszillator 43 liefert. Hierdurch wird die Cosinuskomponente

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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 4 zeigt eine Phasendrehschaltung 25A für eine Phasendrehung der identifizierten Pendelung in kartesischen Koordinaten. Der Phasendrehschaltung 25A werden die Winkelkomponenten der Pendelung von der Identifizier schaltung 24 zugeführt. Die Phasendrehschaltung 25A enthält im wesentlichen zwei Potentiometer 44 und und ein nachgeschaltetes Summierglied 48, das als Summierverstärker dargestellt ist. Das Potentiometer ist mit einem Endanschluß unmittelbar an die Spannung für die eine Winkelkomponente der identifizierten Pendelling 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 Winkelkomponente der identifizierten Pendelung und mit seinem anderen Endanschluß über einen Invertierverstärker 47 ebenfalls an die andere Winkelkomponente 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 Potentiometerabgriffe kann jede beliebige Phasendrehung eingestellt werden. Damit ist es möglich, den Stabilisierungseingriff in den Spannungsregler optimal einzustellen.

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FIG 5 zeigt eine Phasendrehschaltung 25B 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 25B 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 liegen an Spannungen, welche die Werte +1 und -1 darstellen. Die am Potentiometer 50 abgegriffene Spannung stellt den gewünschten Drehwinkel S dar. Die Ausgangespannung des Funktionsgebers 51 ist demgemäß die Sinuskomponente des gewünschten Drehwinkels S und die Ausgangsspannung des Funktionsgebers 52 ist die Cosinuskomponente des gewünschten Drehwinkels d . In einem Multiplizierer 53 wird die Sinuskomponente der identifizierten Pendelung nach Gl.(11) mit der Sinuskomponente des gewünschten Drehwinkels S multipliziert. In einem weiteren Potentiometer 54 wird die Cosinuskomponente der identifizierten Pendelung nach Gl.(12) mit der Cosinuskomponente des Drehwinkels ο multipliziert. In einem Vergleicher 55 werden die Ausgangsspannungen der beiden Multiplizierer 53 und 54 miteinander verglichen. Die Ausgangsspannung des Vergleichsgliedes 55 ergibt sich nach Gl.(13) zu:

U₅₅ = A · coscjt · cos S - A · sincJ t · _sin£ (13) 30

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Die Ausgangsspannung des Vergleichsgliedes 55 wird noch über einen Proportionalverstärker 56 geführt, dessen Verstärkungsfaktor einstellbar ist. Die Ausgangsspannung des Proportionalverstärkers 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 Potentiometer 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.

10 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

Patentansprüche

( 1. /Einrichtung zur Pendelungsdämpfung von geregelten elektrischen Maschinen, gekennzeichnet durch eine Meßanordnung (19) zur Erfassung der Pendelung und eine Identifiziererschaltung (24) zur Ermittlung der Winkelkomponenten der Pendelung, sowie eine von den Winkelkomponenten der Pendelung beeinflußte Phasendrehschaltung (25) zur Bildung einer um einen vorgegebenen Winkel phasenverschobenen Korrekturschwingung und eine Aufschaltung der Korrekturschwingung auf die Regelung (2-12) der Maschine.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Meßanordnung zur Erfassung der Pendelung ein Wirkleistungsmeßglied (19) für die aufgenommene oder abgegebene elektrische Wirkleistung vorgesehen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßanordnung zur Erfassung der Pendelung ein Rotorlagegeber vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge~ kennzeichnet , daß zur Identifizierung der Winkelkomponenten der Pendelung ein Vektoridentifizierer (24) vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Vektoridentifizierer (24A) mit Eliminierung eines in seina Eingangssignal auftretenden Gleichanteils vorgesehen ist (FIG 2).

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ORIGINAL INSPECTED

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6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Identifizierung

der Winke!komponenten der Pendelung ein Vektorfilter (24B) vorgesehen ist (FIG 3).
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7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der vorgegebene Winkel für die Phasendrehschaltung (25) im Hinblick auf den Lastzustand der Maschine und/oder aufgrund einer Analyse der auftretenden Pendelung bestimmt wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufschaltung der Korrekturschwingung auf den Vergleichspunkt (12) der Regelung erfolgt.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufschaltung der Korrekturschwingung auf die Ausgangsspannung der Regelung erfolgt.
10. Anwendung einer Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9 zur Dämpfung von Polradpendelungen bei spannungsgeregelten Synchrongeneratoren, wobei die Korrekturschwingung auf die Spannungsregelung aufgeschaltet wird.

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