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Anordnung zur Blindleistungs-Kompensation bei wenigstens einem Wechselstromverbraucher mit starken und schnellen Änderungen des Blindleistungsverbrauches Durch Wechselstromverbraucher mit grosser und schnellwechselnder induktiver Blindstromaufnahme, die aus öffentlichen Versorgungsnetzen gespeist werden, wird die Spannungshaltung im Netz sehr erschwert. Die Elektrizitätsversorgungs-Unternehmen machen deshalb ihren Abnehmern häufig Vorschriften, nach denen die Blindleistungsentnahme und die zeitlichem Änderungen derselben gewisse Höchstwerte nicht überschreiten dürfen.
Die Einhaltung dieser Vorschriften macht bei manchen Stromverbrauchern, insbesondere bei grossen, über Stromrichtern gespeisten Umkehrantrieben, vielfach erhebliche Schwierigkeiten.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu überwinden.
Im folgenden ist unter Blindleistung stets indukti- ve Blindleistung zu verstehen.
Um die Blindleistungsentnahme aus einem Netz zu verringern, ist es bekannt, Kondensatorenbatterien vorzusehen, die den Verbrauchern parallel geschaltet werden. Mit diesen Mitteln, gelingt es jedoch nicht, die Blindleistungserzeugung dem wechselnden Blindlei- stungsbedarf mit genügenderSchnelligkeit anzupassen.
Es ist ferner bekannt, übererregte, mechanisch unbelastete Synchronmaschinen als Blindleistungser- zeuger zu verwenden. Solche Maschinen werden z. B. an Knotenpunkten eines Versorgungsnetzes aufgestellt und ihre Erregung wird so geregelt, dass die Netzspannung an dem betreffenden Knotenpunkt möglichst konstant bleibt, oder sich nach einem zeitlichen Programm ändert. Auf diese Weise gelingt es wohl, die Spannungshaltung im Netz - über längere Zeiträume gesehen - zu verbessern, jedoch ist es nicht möglich,
den Blindleistungsverbrauch der Stromabnehmer und insbesondere stossartige Blindlasten bei schnellen Änderungen des Blindleistungsbedarfes der Verbraucher vom Netz fernzuhalten.
Um dies zu erreichen, muss einmal die Blindlei- stungsmaschine den betreffenden Verbrauchern zugeordnet sein, d. h. sie muss den Blindstrom inner- halb des an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossenen Verbrauchernetzes erzeugen. Ausserdem muss die für die Blindleistungserzeugung massgeben- de Stärke des Erregerfeldes mit einer Geschwindigkeit geändert bzw. geregelt werden, die etwa der Änderungsgeschwindigkeit des Blindleistungsverbrau- chers entspricht.
Es ist wohl bekannt, dass man die Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfeldes einer Synchronma- schine beträchtlich erhöhen kann, wenn man den Erregerstrom mit Hilfe von Stromrichtern -erzeugt und den Aussteuerungsgrad derselben mit elektronischen Mitteln steuert bzw. regelt.
Da aber die Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfeldes vor allem durch die magnetische Trägheit des Erregerstromkreises bedingt ist, und andererseits die insbesondere bei stromrichtergesteuerten Umkehrantrieben auftretenden Änderungen des Blindleistungsbedarfes als nahezu trägheitslos verlaufend angesehen wurden, wurde eine Anpassung der Änderungsgeschwindigkeit der Blindleistungserzeugung durch eine Synchronmaschine an die Änderungsgeschwindigkeit des Blindlei- stungsverbrauches der genannten Stromverbraucher nicht für möglich gehalten.
Durch die Erfindung wird dieses Vorurteil überwunden.
Genauere Untersuchungen haben ergeben, dass die Änderungen des Blindleistungsverbrauches bei Antrieben der erwähnten Art in Wirklichkeit nicht trägheitslos verlaufen, sondern einem durch eine kei-
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nesfalls zu vernachlässigende Zeitkonstante bedingten Gesetz folgen. Diese Zeitkonstante ist durch die magnetische Trägheit der betreffenden Stromkreise und bei geregelten Antrieben ausserdem durch das zur Erzielung einer stabilen Regelung erforderliche Zeitverhalten der Regelglieder bedingt.
In manchen Fällen kann die Regelung der Stromverbraucher auch etwas träger gemacht werden, als es zur Stabilisierung der Regelung unbedingt notwendig ist, ohne dass dadurch der Betrieb der Verbraucher nennenswert beeinträchtigt wird.
Praktische Versuche haben zu dem überraschenden Ergebnis geführt, dass es unter Ausnützung aller bekannten, insbesondere elektronischen Mittel möglich ist, bei der Regelung des Erregerfeldes und damit der Blindleistungserzeugung verhältnismässig grosser Synchronmaschinen eine Regelgeschwindigkeit zu erzielen, die der Änderungsgeschwindigkeit des Blindleistungsverbrauches der genannten Stromabnehmer durchaus vergleichbar ist.
Um auf Grund dieser Erkenntnisse eine Lösung der eingangs genannten Aufgaben zu ermöglichen, ist es erforderlich, als Regelgrösse für die Regelung einer synchronen Blindleistungsmaschine im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen nicht die Spannung im Netz bzw.
an der Maschine zu benutzen, sondern die Regelung unmittelbar abhängig von der Blindleistungsaufnahme der Stromverbraucher durchzuführen, da die Spannung kein eindeutiges Mass für den Blindleistungsverbrauch darstellt, sondern sich auch durch andere, ausserhalb der zu kompensieren- den Stromverbraucher liegende Einwirkungen ändern kann.
Unter Berücksichtigung aller der vorgenannten Gesichtspunkte und Erkenntnisse sieht die Erfindung zur Blindleistungskompensation bei wenigstens einem Wechselstromverbraucher mit starken und schnellen Änderungen des Blindleistungsverbrauches, insbesondere bei einem über Stromrichter gespeisten Umkehrantrieb eine Anordnung vor, bei welcher dem Stromverbraucher eine Synchronmaschine als Blind- leistungserzeuger zugeordnet ist,
deren .durch Stromrichter erzeugte Erregerstrom in Abhängigkeit von dem jeweiligen Blindleistungsverbrauch des Stromverbrauchers mittels einer elektronischen Regelvorrichtung so geregelt ist, dass der Blindleistungsver- brauch wenigstens zum Teil durch die Synchronmaschine gedeckt wird.
Weitere Einzelheiten sollen anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden.
In der Fig. 1 sind bei 1 ein oder mehrere Wech- selstromverbraucher, wie insbesondere über Stromrichter gespeiste Motorantriebe angedeutet, die über eine Sammelschiene 2 bei 3 aus einem Drehstromversorgungsnetz gespeist werden. Mit 4 ist eine synchrone Blindleistungsmaschine bezeichnet, deren Erregerstrom durch einen über den Transformator 5 an die Sammelschiene 2 angeschlossenen Stromrichter 6 geliefert wird. Die Regelung des Erregerstromes der Blindlei- stungsmaschine erfolgt durch eine elektronische Regelvorrichtung, die auf ein ebenfalls mit elektronischen Mitteln arbeitendes Gittersteuergerät 8 des Stromrichters 6 einwirkt.
Als Regelgrösse dient die bei 3 aus dem Versorgungsnetz entnommene Blindleistung. Eine dieser Blindleistung proportionale Grösse, die den Istwert der Regelung darstellt, wird aus der Netzspannung und dem aus dem Netz entnommenen Strom in einer Messvorrichtung 9 gebildet, die über Spannungs- und Stromwandler 10 an die Zuleitung aus dem Netz an- geschlossen ist.
Die Messvorrichtung 9 soll unter Vermeidung von trägheitsbehafteten, in den üblichen Messinstru- menten verwendeten Stellvorrichtungen, wie Drehspulen oder dergl. die Blindleistung trägheitslos ermitteln und daraus eine elektrische, als Regelungs- -Istwert verwendbare Grösse bilden. Dies kann z. B. in der Weise geschehen, dass mit bekannten Mitteln aus der Spannung und dem Strom unter Berücksichtigung der Phasenverschiebung zwischen beiden eine der Blindleistung proportionale elektrische Grösse, vorzugsweise eine Spannung abgeleitet wird.
Diese Grösse wird dem Regler 7 als Istwert zugeleitet. Eine entsprechende, als Sollwert dienende Grösse wird in den Regler 11 eingeführt.
Dieser Sollwert kann den Wert Null haben, wenn der Blindleistungsbedarf der Verbraucher 1 möglichst vollständig durch die Blindleistungsmaschine 4 gedeckt werden soll. Der Sollwert kann aber auch auf einen anderen, etwa nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten gewählten Wert eingestellt sein oder nach einem vorbestimmten Zeitprogramm geändert werden.
Schliesslich ist es auch möglich, den Regelungs- Sallwert von der jeweiligen Wirkleistungsaufnahme der Anlage abzuleiten. Dadurch ist es möglich, dass durch die Regelung ein bestimmter Leistungsfaktor konstant gehalten wird.
Zur Erzielung einer grossen Regelgeschwindigkeit werden zweckmässig alle bekannten hierzu dienenden Mittel benutzt. Dazu gehört in erster Linie die Bemessung des Stromrichters 6 für eine Spannung, die wesentlich grösser ist, als die im stationären Zustand zur Lieferung des Erregerstromes nötige Spannung, so dass Änderungen des Erregerstromes unter be- trächtlicher Spannungsüberhöhung durchgeführt werden können (Stosserregung).
Vorteilhaft wird ein Stromrichter verwendet, der aus zwei Gruppen von in Kreuzschaltung oder Antiparallelschaltung betriebenen Gruppen von steuerbaren Ventilstrecken besteht, um schnelle Änderungen des Erregerstromes in beiden Richtungen zu ermöglichen.
Weiter gehört zu diesen Mitteln ein nach bekannten Grundsätzen möglichst günstig eingestelltes Zeitverhalten der elektronischen Regelglieder, durch welche in Verbindung mit der erwähnten Bemessung des Stromrichters höchste Stellgeschwindigkeit bei sehr
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hoher Proportionalverstärkung im Regelkreis und damit höchste Änderungsgeschwindigkeit des Erreger- feldes der Blindleistungsmaschine erzielt werden kann.
Bei Beachtung dieser Gesichtspunkte gelingt es mit einer Anordnung nach der Erfindung stossartige Belastungen des speisenden Netzes mit Blindstrom bis auf geringfügige Reste zu unterbinden.
In der Fig. 2 ist ein etwas anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Nach dieser Figur, in dem im übrigen die gleichen Bezugszeichen verwendet sind, wie in der Fig. 1, dient nicht die gesamte aus dem Versorgungsnetz entnommene Blindleistung als Regelgrösse, vielmehr beruht die Regelung auf einem Vergleich der durch das Gerät 12 als eine elektrische Grösse dargestellten, tatsächlich verbrauchten mit der von der Blindleistungsmaschine erzeugten und durch das Gerät 13 als elektrische Grösse dargestellten Blindleistung. Der Blindlei- stungsverbrauch dient dabei als Sollwert und die erzeugte Blindleistung als Istwert der Regelung.
Die Geräte 12 und 13 können ebenso gestaltet sein, wie das Gerät 9 in der Fig. 1. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass mit dieser Anordnung im Ergebnis der gleiche Zweck erreicht wird, wie mit der Anordnung nach der Fig. 1.
Da grössere Stromverbraucheranlagen gewöhnlich einen. ständigen Mindestbedarf an Blindleistung haben, kann es zweckmässig sein, einer solchen Anlage eine diesem Mindestbedarf etwa entsprechende Kondensatorbatterie als Grundblindleistungser- zeuger parallel zu schalten, um auf diese Weise mit einer entsprechend kleineren Blindleistungsmaschine auszukommen. Dabei kann die Kondensatorbatterie auch in mehrere getrennt schaltbare Gruppen unterteilt sein, die je nach der Anzahl der jeweils im Betrieb befindlichen Stromverbraucher zugeschaltet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine Massnahme vorgesehen werden, um ein Aussertrittfallen der Blindleis,tungsmaschine zu verhindern.
Da die Blindleistungsmaschine im wesentlichen verhältnismässig kurzzeitige, stossweise auftretende Belastungen mit Blindleistung zu bewältigen hat, kann sie so bemessen werden, dass die höchsten vorkommenden Blindlaststösse ein Mehrfaches der zulässigen Dauerleistung betragen.
Bei derartig hohen Belastungen treten erhebliche Eigenverluste in der Maschine auf, die für dieselbe eine mechanische Belastung bzw. eine in der Maschine zu erzeugende Wirkleistung bedeuten und dementsprechend eine merkliche Verdrehung des Polrades gegenüber seiner Einstellung bei fehlender Wirklast bedingen. Das Polrad wird dadurch als schwingungsfähiges Gebilde zu Pendelungen angeregt, die normalerweise sehr bald abklingen.
Wenn aber zufällig einmal mehrere starke Blindlaststösse nacheinander im Rhythmus der Polradpendelungen auftreten, so können sich dadurch diese Pendelungen soweit aufschaukeln, dass die Maschine in die Gefahr gerät, ausser Tritt zu fallen.
Um dies zu verhindern, kann eine Vorrichtung vorgesehen werden, die vorübergehend die Regelung des Erregerstromes unterbindet, oder die Wirkungs- richtung derselben umkehrt, solange der-Polradwinkel der Maschine Werte annimmt, bei denen die Gefahr des Aussertrittfallens der Maschine besteht.
Die jeweilige Grösse des Polradwinkels kann dabei nach verschiedenen bekannten Methoden bestimmt werden. Beispielsweise können von der Phasenlage der Netzspannung abgeleitete Impulse verglichen werden mit anderen Impulsen, die durch einen mit der Maschinenwelle gekuppelten Impulsgeber erzeugt werden. Der zeitliche Abstand der beiden Impulsreihen, der ein Mass für den jeweils vorhandenen Polradwinkel darstellt, kann mit bekannten Mitteln leicht fortlaufend messtechnisch erfasst und bei Überschreitung eines vorbestimmten Höchstwertes in der erwähnten Weise zur Einwirkung auf die Regelvorrichtung gebracht werden.
Wenn die Erfindung auch in erster Linie zur Kompensation des Blindleistungsverbrauches von über Stromrichtern gespeisten Umkehrantrieben bestimmt ist, so kann sie doch auch bei anderen elektrischen Anlagen mit Vorteil angewendet werden, insbesondere auch in solchen Fällen, in denen ausser solchen Antrieben auch andere Stromverbraucher z. B. Induktionsmotoren mit stark wechselnder Belastung in Frage kommen.