VDI VDE 3680-2002 Control of synchronous machines.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKRegelung von SynchronmaschinenControl of synchronous machinesVDI/VDE 3680Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachausschuss Regelung von Synchronmaschinen

2、und TransformatorenVDI/VDE-Handbuch RegelungstechnikVDI-Handbuch EnergietechnikVDI/VDE-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available from Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2002Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zweck

3、e nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedICS 29.160.01Oktober 2002October 2002Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Zweck und Geltungsbereich . . . . . . . . . . 42 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Formelzeichen und Benenn

4、ungen. . . . . . . 54 Netzmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . 104.1 Inselnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Leistungsstarkes Netz . . . . . . . . . . . . 104.3 Verbundnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 125.1 Arten der Synch

5、ronmaschine . . . . . . . . 125.1.1 Synchrongeneratoren . . . . . . . . . 135.1.2 Synchronblindleistungsmaschinen . . 135.1.3 Synchronmotoren. . . . . . . . . . . 135.1.4 Betrieb der Synchronmaschine am Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . 135.2 Kenngren der Synchronmaschine. . . . . 145.2.1 Reak

6、tanzen . . . . . . . . . . . . . . 155.2.2 Widerstnde. . . . . . . . . . . . . . 195.2.3 Zeitkonstanten . . . . . . . . . . . . 205.2.4 Bemessungs-Anlaufzeit J. . . . . . 225.3 Beschreibung der Synchronmaschine . . . . 225.3.1 Park-Transformation . . . . . . . . . 235.3.2 Bezugsgren. . . . . . . . .

7、 . . . . 245.3.3 Parksche Gleichungen . . . . . . . . 265.3.4 Bestimmung der Kenngren des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . 295.3.5 Behandlung des stationren Betriebs der Synchronmaschine . . . . . . . . 325.3.6 Dynamisches Verhalten der Synchronmaschine . . . . . . . . . . 33Contents PagePrel

8、iminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Objective and scope. . . . . . . . . . . . . . . 42 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Symbols and terms . . . . . . . . . . . . . . . 54 Network modelling. . . . . . . . . . . . . . . . 104.1 Separate network . . . . . . . . .

9、 . . . . . . 104.2 High-power network . . . . . . . . . . . . . 104.3 Interconnected network . . . . . . . . . . . 105 Synchronous machines . . . . . . . . . . . . . 125.1 Types of synchronous machines . . . . . . . 125.1.1 Synchronous generators. . . . . . . . 135.1.2 Synchronous condensors . . . .

10、 . . . 135.1.3 Synchronous motors. . . . . . . . . . 135.1.4 Operation of the synchronousmachine connected to a converter. . . 135.2 Characteristic quantities of a synchronousmachine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145.2.1 Reactances. . . . . . . . . . . . . . . 155.2.2 Resistances . . . . .

11、. . . . . . . . . 195.2.3 Time constants. . . . . . . . . . . . . 205.2.4 Rated run-up time constant, J. . . . 225.3 Description of the synchronous machine . . 225.3.1 Park transformation . . . . . . . . . . 235.3.2 Reference quantities. . . . . . . . . . 245.3.3 Parks equations . . . . . . . . . .

12、. . 265.3.4 Determination of the characteristic quantities of the model . . . . . . . . 295.3.5 Consideration of the steady-stateoperation of the synchronous machine 325.3.6 Dynamic response of the synchronous machine . . . . . . . . . 33Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The Ge

13、rman version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Frhere Ausgaben: 6.00 Entwurf,deutschBlatt 1 (9.74) und Blatt 2 (12.83), zurckgezogenFormer editions: 6/00 draft, in German onlyPart1 (9/74) and Part2 (12/83), withdra

14、wnB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 20022 VDI/VDE 3680Seite6 Erregereinrichtungen, Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.1 Erregermaschine. . . . . . . . . . . . . . . 366.1.1 Gleich

15、stromerregermaschine. . . . . 366.1.2 Drehstromerregermaschine. . . . . . 376.2 Statische Erregereinrichtungen . . . . . . . 406.2.1 Stromrichtererregung mit einer Drehstrombrcke . . . . . . . . . . . 406.2.2 Stromrichtererregung mit gegen-parallelen Drehstrombrcken . . . . 416.2.3 Kompound-Erregere

16、inrichtungen . . 426.3 Oberschwingungen und Netzrckwirkung . 437 Regeleinrichtungen, Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.1 Analoge Regler . . . . . . . . . . . . . . . 457.1.1 Fhrungsgrengeber . . . . . . . . 457.1.2 Regler. . . . . . . . . . . . . . . . . 457.1.3 Erfassun

17、g der Regelgren. . . . . . 457.1.4 Begrenzungen . . . . . . . . . . . . 457.1.5 Verbesserung der Stabilitt. . . . . . 477.2 Digitale Regler. . . . . . . . . . . . . . . . 477.2.1 Aufbau und Funktion digitaler Regler 477.2.2 Struktur und Elemente digitaler Regler. . . . . . . . . . . . . . . . . 488

18、Regelverhalten im stationren Betrieb . . . . 508.1 Ursachen und Arten der Abweichungen . . 508.2 Kenngren zur Kennzeichnung des Regelverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . 508.3 Prfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 528.4 Regelkennlinien, Fhrungsgren . . . . . 528.4.1 Spannungsregelung mit

19、Begrenzungen . . . . . . . . . . . . 528.4.2 Kombination von Spannungsregelungmit Blindleistungsregelung. . . . . . 538.4.3 Fhrungsgre . . . . . . . . . . . . 548.4.4 Kombination von Spannungs-regelung und Regelung nach konstantem Spannungs-Frequenz-Verhltnis . . . . . . . . . . . . . . . 549 Verhal

20、ten bei kleinen Abweichungen . . . . . 559.1 Ursachen und Arten der Abweichungen . . 559.2 Statische Stabilitt . . . . . . . . . . . . . . 559.3 Kenngren zur Kennzeichnung des Regelverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . 569.3.1 Kenngren der Synchronmaschine . 569.3.2 Kenngren der Erregereinrichtun

21、g . 57Page6 Excitation equipment, design, and functioning principle . . . . . . . . . . . . . . 356.1 Exciter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.1.1 DC exciter . . . . . . . . . . . . . . . 366.1.2 Three-phase AC exciter . . . . . . . . 376.2 Static excitation equipment . . . . . . . . . 40

22、6.2.1 Power converter excitation withthree-phase bridge connection . . . . 406.2.2 Power converter excitation with inverse-parallel three-phase bridge connections . . . . . . . . . . . . . . 416.2.3 Compound-soruce excitation equipment . . . . . . . . . . . . . . . 426.3 Harmonics and network pertur

23、bation . . . . 437 Control equipment, design, and functioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.1 Analog controllers . . . . . . . . . . . . . . 457.1.1 Setpoint adjuster. . . . . . . . . . . . 457.1.2 Controller . . . . . . . . . . . . . . . 457.1.3 Sensing of controlled-variable value .

24、457.1.4 Limiters . . . . . . . . . . . . . . . . 457.1.5 Improving stability . . . . . . . . . . 477.2 Digital controllers . . . . . . . . . . . . . . 477.2.1 Structure and functioning of digitalcontrollers . . . . . . . . . . . . . . . 477.2.2 Structure and components of digitalcontrollers . . . .

25、. . . . . . . . . . . 488 Control response during steady-state operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508.1 Causes and types of deviations. . . . . . . . 508.2 Characteristic quantities describing thecontrol response . . . . . . . . . . . . . . . 508.3 Testing methods . . . . . . . . .

26、. . . . . . 528.4 Control characteristics. reference inputvariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528.4.1 Voltage control with limit values . . . 528.4.2 Combination of voltage control andreactive-power control . . . . . . . . 538.4.3 Reference input variable . . . . . . . 548.4.4 Combinatio

27、n of voltage control and control according to a constantvoltage-to-frequency ratio. . . . . . . 549 Response to small deviations . . . . . . . . . 559.1 Causes and types of deviations. . . . . . . . 559.2 Steady-state stability . . . . . . . . . . . . . 559.3 Characteristic quantities describing the

28、control response . . . . . . . . . . . . . . . 569.3.1 Characteristic quantities of thesynchronous machine . . . . . . . . . 569.3.2 Characteristic quantities of theexcitation equipment . . . . . . . . . 57B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Ve

29、rein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2002 VDI/VDE 3680 3Seite9.3.3 Kenngren der Spannungs-regeleinrichtung . . . . . . . . . . . 579.3.4 Kenngren des geschlossenenRegelkreises . . . . . . . . . . . . . 589.3.5 Stabilittsgrenzen. . . . . . . . . . . 609.3.6 Wichtige Betriebspunkte . . . . . . . 619.4

30、 Kenngrenermittlung . . . . . . . . . . . 629.4.1 Ermittlung der Kenngren derSynchronmaschine . . . . . . . . . . 629.4.2 Messen der Kenngren der Erregereinrichtung . . . . . . . . . . 629.4.3 Bestimmen der Reglerkenngren. . 639.4.4 Ermittlung der Kenngren desgeschlossenen Regelkreises . . . . . 639

31、.4.5 Bestimmen der Stabilittsgrenzen . . 6310 Regelverhalten bei groen Abweichungen. 6310.1 Ursachen der Abweichungen. . . . . . . 6310.1.1 Lastnderungen durch Schalt-handlungen. . . . . . . . . . . . 6410.1.2 Strungen durch 3-polige Netzkurzschlsse. . . . . . . . . 6410.1.3 Sprung des Betrages der

32、Netzspannung . . . . . . . . . . 6510.1.4 Sprung der Wirk- und Blind-leistung . . . . . . . . . . . . . . 6510.1.5 Lastabschaltungen . . . . . . . . 6610.2 Kenngren zur Kennzeichnung des Regelverhaltens. . . . . . . . . . . . . . 6610.2.1 Deckenspannung upL. . . . . . . 6610.2.2 Anfangs-Erregergesch

33、windig-keit Ea. . . . . . . . . . . . . . 6610.2.3 Mittlere Erregergeschwindig-keit Em. . . . . . . . . . . . . . 6610.3 Prfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 6710.3.1 Einzelgerteprfungen. . . . . . 6810.3.2 Ermittlung der Erreger-geschwindigkeit . . . . . . . . . 6810.4 Ermittlung des bergangs

34、verhaltens ausden Einzelgerteprfungen. . . . . . . . 69Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Page9.3.3 Characteristic quantities of the voltage control equipment. . . . . . . 579.3.4 Characteristic quantities of theclosed control loop . . . . . . . . . . 589.3.5 Stability limits .

35、 . . . . . . . . . . . . 609.3.6 Important operating points . . . . . . 619.4 Determination of characteristic quantities . . 629.4.1 Determination of the characteristicquantities of the synchronous machine . . . . . . . . . . . . . . . . 629.4.2 Measurement of the characteristicquantities of the exc

36、itation equipment 629.4.3 Determination of the controllercharacteristics . . . . . . . . . . . . . 639.4.4 Determination of the characteristicquantities of the closed control loop . 639.4.5 Determination of stability limits . . . 6310 Control response to large deviations . . . . 6310.1 Causes of dev

37、iations. . . . . . . . . . . . 6310.1.1 Load changes caused by switching operations . . . . . . . 6410.1.2 Disturbance due to three-phase network short-circuits. . . . . . . 6410.1.3 Step change in the magnitude of the network voltage . . . . . . 6510.1.4 Step change in active and reactive power. .

38、. . . . . . . . . 6510.1.5 Load rejection. . . . . . . . . . . 6610.2 Characteristic quantities describing thecontrol response . . . . . . . . . . . . . . 6610.2.1 Ceiling voltage, upL. . . . . . . . 6610.2.2 Initial excitation response, Ea. . 6610.2.3 Mean excitation response, Em. . 6610.3 Test met

39、hods. . . . . . . . . . . . . . . . 6710.3.1 Testing of individual items of equipment . . . . . . . . . . . . . 6810.3.2 Determination of excitation response . . . . . . . . . . . . . . 6810.4 Determination of the transient response from tests of individual items of equipment . . . . . . . . . . . .

40、 . . . . . 69Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 20024 VDI/VDE 3680VorbemerkungDas Betriebsverhalten der Synchronmaschine wirddurch das angeschlossene N

41、etz, die Turbine sowie dieRegeleinrichtungen von Maschine und Turbine mit-bestimmt. Die vorliegende Richtlinie bezieht sich aufdie Spannungsregelung der Synchronmaschine so-wohl im Generator- als auch im Motorbetrieb. Umihren Einfluss zu bercksichtigen, kann die Antriebs-bzw. Arbeitsmaschine hufig d

42、urch ein konstantesAntriebs- bzw. Lastmoment nachgebildet werden, sodass eine Beschrnkung auf das System Netz Syn-chronmaschine Erregereinrichtung Regler mg-lich ist. Dies gilt vornehmlich bei Synchronmaschi-nen, die direkt mit dem Netz gekoppelt sind. Bei Syn-chronmaschinen, insbesondere Motoren, d

43、ie berUmrichter an das Netz angeschlossen sind, ist eineDrehzahlregelung auch fr die Spannungsregelungvon Bedeutung. Dieser Effekt ist jedoch nicht Gegen-stand der vorliegenden Richtlinie.Die Richtlinie wurde vom Fachausschuss VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik(GMA) Regelung von

44、Synchronmaschinen undTransformatoren“ neu bearbeitet.1 Zweck und GeltungsbereichZiel der Richtlinie ist es, eine einheitliche Grundlagefr die Bewertung von Erreger- und Regeleinrichtun-gen zu schaffen. Hierzu ist es notwendig, Kenn-gren und Schnittstellen zu definieren. Die meistenverwendeten Begrif

45、fe und Kenngren sind bereits inanderen Normen definiert und werden bernommen.Von grundlegender Bedeutung fr die vorliegendeRichtlinie sind:DIN EN 60 034-1Drehende elektrische Maschinen; Bemessung undBetriebsverhalten (IEC 60 034-1, modifiziert)DIN EN 60 034-3Drehende elektrische Maschinen; besondere

46、 Anforde-rungen an Dreiphasen-Turbogeneratoren (IEC 60 034-3)DIN EN 60 034-4Drehende elektrische Maschinen; Verfahren zur Er-mittlung der Kenngren von Synchronmaschinendurch Messungen (IEC 60 034-4, modifiziert)DIN EN 60 034-16-1Drehende elektrische Maschinen; Erregersysteme frSynchronmaschinen; Kap

47、itel 1: Begriffe (IEC 60 034-16-1)DIN EN 60 034-16-1 Beiblatt 1Drehende elektrische Maschinen; Teil 16 Erreger-systeme, Kapitel 2: Modelle fr Netzstudien (sollnoch erscheinen, IEC 60 034-16 Kapitel 2)Preliminary noteThe performance characteristics of a synchronousmachine are determined, among other

48、things, by theconnected network, the turbine, and the controlequipment of machine and turbine. This guideline ap-plies to the voltage control of the synchronous ma-chine when used as a generator or as a motor. The in-fluence of the driving, or driven, machine may oftenbe emulated by assuming a const

49、ant driving torque orload torque, respectively, so that only the system con-sisting of network, synchronous machine, excitationequipment, and controller must be considered. This isparticularly true in the case of synchronous machinesconnected directly to the network. In synchronousmachines which are coupled to the network via a con-verter, speed control also affects voltage control. Thiseffect, however, is not covered in this guideline.This guideline h