Turbogeneraattorin jännitteen säätäjien ja niiden esitystapojen tutkiminen

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähköteknillinen osasto

DIPLOMITYÖ

Teknillisen korkeakoulu n SÄhköteknlliieer» osastQCV

kiisi kirjasto

U 9 8 11

Manninen, Reijo

Turbogeneraattorin jännitteen säätäjien ja niiden esitystapojen tutkiminen.

Erkki Voipio

Annettu 11.12.1973

Jätettävä tarkastettavaksi viimeistään 11.10.1974.

Diplomityön suoritusohjeet annettu.

Seminaariesitelmä pidetty

Jätetty tarkastettavaksi Tarkastettu

Arvosana

ALKULAUSE

Diplomityön aiheen olen saanut Imatran Voima Osakeyhtiöltä, jonka lämpövoimaprojektiryhmässä työ on tehty.

Työn ohjaajana ja valvojana on toiminut professori Erkki Voipio, jolle lausun parhaimmat kiitokseni saamastani opastuksesta kaikissa työhöni liittyvissä kysymyksissä. Kiitän myös projektipäällikkö Tauno Baskia ja dlpl.ins. Tapio Pärssistä saamastani tuesta Ja vai­

kutusvaltaisesta avusta. Lisäksi haluan kiittää tekn.lis. Yrjö Laihoa niistä monista vihjeitä ja virikkeitä antaneista keskusteluista, joi­

ta olen hänen kanssaan aiheesta käynyt, sekä kaikkia muita henkilöitä, jotka ovat minua työni eri vaiheissa auttaneet.

Helsingissä huhtikuun 25» päivänä 1974

Reijo Hanninen TKY 2A 154

02150 отлитая

puh. toimeen 6090702

" kotiin 4682245

II

SISÄLLYSLUETTELO

sivu

ALKULAUSE I

SISÄLLYSLUETTELO II

MERKINNÄT JA LYHENNYKSET VI

LIITELUETTELO IX

1. JOHDANTO 1

1.1 Jännitteen säädön merkityksen kasvu 1 1.2 Tutkimustehtävä ja sen rajoittaminen 2

1.5 Selostuksen jäsentely 2

2. JÄNNITTEEN SÄÄTÖJÄRJESTELMÄN PÄÄPIIRTEET 3

2.1 Säätöjärjestelmän tehtävät 3

2.2 Magnetointilaitteistot 3

2.2.1 Tasavirtaherätinkoneeseen perustuva magnetointi 4 2.2.2 Vaihtovirtaherätinkoneeseen perustuva magne­

tointi 5

2.2.3 Harjaten magnetointi 6

2.2.4 Staattinen tyristorimagnetointi 8

2.3 Säätöjärjestelmän osalaitteet 10

3. JÄNNITTEEN SÄÄTÖJÄRJESTELMÄN KUVAUSTAPA I5

3.1 Rajoituksia I5

3.2 Lohkokaavio- ja siirtofunktioesitys I5

3.2.1 Laplace-muunnoksen käyttö 17

3.2.2 Per-unit-järjestelmä I7

3.3 Jännitteen säätöjärjestelmän pääkomponenttien

lohkokaaviot ja siirtofunktiot 18

3.3.1 Käytetyimmät jännitteen säätäjän lohkokaavio-

esitykset 19

З.З.1.1 Herätinkonemagnetoinnin ja staattisen tyristorimagnetoinnin lohkokaavio 19 3*3.1.2 Harjattoman magnetoinnin lohkokaavio 21 3.3.2 Generaattorin lohkokaavio ja siirtofunktio 22 3*3.2.1 Tyhjäkäyvä generaattori 22 З.З*2.2 Verkkoon liitetty generaattori 22 3.4 Jännitteen säätöjärjestelmän harmoninen analyysi 23

sivu

3-4-1 Takaisinkytkentä 23

3.4*2 Askelvaste ja taajuusvaste 24

3*4*5 Tärkein taajuusalue 25

3.4*4 Rajoitinlohkot, kyllästymisfunktiot ja itse- herätteinen tasavirtaherätinkone harmonisessa

analyysissä 26

3*4*5 Säätövahvistimen ja sisäisen stabiloinnin

vaikutus säätäjän ominaisuuksiin 26 3*5 Jännitteen säädön käsitteet ja määritelmät 27 4. JÄNNITTEEN SÄÄDÖN VAIKUTUS GENERAATTORIN STABIILI-

SUUTEEN JA LISÄSTABILOINNIN PERUSTEET 28

4*1 Heilahteluilmiö 28

4.1.1 Tahdistava ja vaimentava momentti 28 4.1.2 Jännitteen säätäjän vahvistuksen vaikutus

tahdistavaan ja vaimentavaan momenttiin 29 4*2 Lisästabilointi (napakulmastabilointi) 30 4.2.1 Pätötehomittaukseen perustuva lisästabilointi 3I 5. SELOSTUS TUTKIMUSTAVASTA JA LASKENTAMENETELMÄSTÄ 35 5.1 Tavoite ja tutkimusalueen rajaus 35

5.2 Lähdemateriaali ' 55

5*3 Tutkimustapa 36

5*4 Tietokoneohjelmat harmonisen käyrän ja Bode-

diagrammin laskemiseksi 37

5*4*1 Siirtofunktion F(s) laskentamalli 37 5*4*2 BASIC-kielinen osituskäyttöohjelma 37 5*4*5 FORTRAN-kielinen ohjelma HARMO 38 5*4*5*1 HARMO-ohjelman toiminnan pääpiirteet 38

6. ERÄITÄ EDUSTAVAMPIA SÄÄTÄJIÄ 40

6.1 Klassinen tasavirtaherätinkonemagnetointi 40 6.1.1 Eräiden amerikkalaisten voimalaitosten

säätäjät 40

6.1.2 Valley Steam Plant (USA)-voimalaitoksen jän­

nitteen säätäjä 47

6.1.3 Hanford-atomivoimalaitoksen (USA) jännitteen

säätäjä 48

6.2 Tasa- tai vaihtovirtaherätinkonemagnetointi, sää­

täjä päärakenteeltaan elektroninen 52

IV

sivu 6.2.1 Transduktori-puolijohde-säätäjä 52 6.2.2 Elektroninen säätäjä ja vaihtovirtaherätin-

kone 53

6.2.5 Erään suuren ruotsalaisen höyryvoimalaitoksen

jännitteen säätäjä 55

6.5 Harjätön magnetointi 59

6.5.1 Diablo Canyon Site-atomivoimalaitoksen (USA)

jännitteen säätäjä 59

6.5.2 Kincaid-voimalaitoksen (USA) jännitteen

säätäjä 61

6.5.5 Lead-lag-suodattimella säädetty harjaten

magnetointi 64

6.5.4 Erään ruotsalaisen valmistajan harjaten

säätöjärjestelmä 64

6.4 Staattinen tyristorimagnetointi 66 6.4.1 2x750 MVA ristiin kompoundoidun turboaggre-

gaatin jännitteen säätäjä * 69 6.4.2 1500 MVA turbogeneraattorin jännitteen sää­

täjä 69

6.4.3 Lead-lag-suodattimella varustetun säätäjän

ohjearvot ja tyypilliset arvot 71 7. VESIVOIMAGENERAATTOREIDEN JÄNNITTEEN SÄÄTÄJIÄ JA

YLEISLUONTOISIA SÄÄTÄJÄESITYKSIÄ 75

7.1 Vesivoimageneraattoreiden jännitteen säätäjät 75 7.2 Tyypilliset turbogeneraattorin jännitteen säätäjät

USA:ssa 76

7.5 Yleisluontoisissa tarkasteluissa käytettyjä säätä-

jäesityksiä 76

8. YHTEENVETO LUVUISTA 6 JA 7 78

8.1 Ekvivalenttisen vahvistuksen ja vastaavan vaihe^

kulman suuruus 78

8.2 Säätäjän kuvaaminen ekvivalenttisella vahvistuk­

sella ja vastaavalla vaihekulmalla 82 8.5 Ekvivalenttinen vahvistus ja generaattorin teho 85

8.4 Harmonisten käyrien muoto 85

8.5 Vahvistussuhteet yleensä 84

8.6 Vertailukelpoisuus ja virhemahdollisuudet 85

rivi 9. JÄNNITTEEN SÄÄTÖ ERÄISSÄ SUOMEN VOIMALAITOKSISSA 86

9.1 Naantali III, 159 MVA 86

9.1.1 Säätöjärjestelmän lohkokaavio ja siirto-

funktiot 86

9.1.1.1 Säät övahvis tin 86

9.1.1.2 Tyristorisuuntaaja 87

9.1.1.5 Oloarvomittaus 88

9.1.1.4 Lohkokaavio ja siirtofunktiot

pu-järjestelmässä 88

9.2 Inkoo 1, 296 MVA 91

9.2.1 Säätövahvistin 91

9.2.2 Tyristorisuuntaaja 91

9.2.5 Oloarvomittaus 9I

9.2.4 Lohkokaavio ja siirtofunktiot pu-järjestel­

mässä 91

9.5 Kymijärven voimalaitos, 150 MW 92 9.4 Loviisan atomivoimalaitos, 2 x 220 MW 100 9.5 Erään 75 MW höyryvoimalaitoksen jännitteen säätäjä 102 9.6 Jännitteen säätö kahdessa vesivoimalaitoksessa I04

9.6.1 Vanttauskoski, 50 MVA IO4

9.6.2 Pitkämö, 7,5 MVA IO6

10. LOPPUYHTEENVETO 108

LÄHDELUETTELO 111

LIITTEET

VI

MERKINNÄT JA LYHENTEET

*'2

c1,Q2 D

E f

P(s)

G(s) H H(s)

i I 4 3 k K KA

Ke’Ke1’Ke2 Kn ,K.

On’ 1u Kf S

*Е

kompleksisen kulmataajuuden reaaliosa rajoitusarvo

kapasitanssi

ylitys askelvasteessa, vaimentavan momentin kerroin sähkömotorisen voiman hetkellisarvo, luonnollisen logaritmijärjestelmän kantaluku

erosuure taajuus

säätöjärjestelmän siirtofunktio ( kts. kohta 5.1 ), siirtofunktio yleensä ( kts. alaindeksit )

siirtofunktio yleensä inertiavakio

siirtofunktio yleensä

virran hetkellisarvo ( kts. alaindeksit ) virran tehollisarvo ( kts. alaindeksit )

loisvirta

imaginaariyksikkö kerroin yleensä

vahvistuskerroin yleensä

jännitteen säätäjän vahvistuskertoimia

taajuusrajoittimen vahvistuskerroin

jännitteen säätäjän stabilointipiirin vahvistuskerroin itseherätteisen herätinkoneen siirtofunktion vakio KVK2,K3,K4'

) lisästabilointipiirin vahvistuskertoimia

tyhjäkäyvän generaattorin vahvistuskerroin

Kg,K »Kp,Kg verkkoon liitetyn generaattorin kuvauksen kertoimia

L induktanssi

M generaattorin hitauskerroin, keskinäisinduktanssi K0f,K1f

K1i

KQ

n N,N P P

1

m

Q E RVR2

8

S SI t t E

t

,

2,

5

T4,T5,T6 T,A

Tdo'

V

TE

TF,TF1,TF2 TR

Tf1,Ti

T p’ p1 Q

TQ1,TQ1 '

m m i

Q2#1Q2

u U

w X x,

*d

pyörimisnopeus käämin kierrosluku napapariluku

pätöteho

mekaaninen teho

generaattorin sähköteho loisteho

poikkeamia askelvasteessa, resistanssi resistanssi

Laplace -operaattori

näennäisteho, loisvirtastatiikka kyllästymisfunktio

aika

asettumisaika

huipun saavuttamisaika

> askelvasteessa nousuaika

viiveaika J

i aikavakioita

säätövahvistimen aikavakio

tyhjäkäyvän generaattorin muutosaikavakio kuormitetun generaattorin muutosaikavakio herätlnkoneen aikavakio

jännitteen säätäjän stabilointipiirin aikavakio oloarvomittauksen aikavakio

taajuusrajoittimen aikavakio

> lisästahilointipiirin aikavakioita

jännitteen hetkellisarvo ( kts. alaindeksit ) jännitesignaali ( kts. alaindeksit ), jännitteen tehollisarvo ( kts. alaindeksit )

sysäysmagnetointijännite kulmataajuus s -tasolla muuttuva suure yleensä

pitkittäisen tahtireaktanssin suhteellisarvo

pitkittäisen muutostahtireaktanssin suhteellisarvo impedanssi

VIII

a ß 6

Д в X

л

<р

0

си соn си

Alaindeksit:

f g h N s st ty o

sytytyskulma, kulmakiihtyvyys aikavakion kerroin

napakulma

jännitteen vaihekulma pieni muutos

kulmamuut tuja vaimennuskerroin pexmeanssi

aikavakion kerroin summa

herätinkoneen tyh j äkäyntimuut o saikavak io kuormituskulma, magneettivuon hetkellisarvo

siirtofunktion F(s) ( kts. kohta 5.1 ) vaihekulma kulmataajuus, kulmanopeus

voimansiirtojärjestelmän luonnollinen taajuus tahtinopeus

generaattorin magnetointi generaattori

herätin nimellisarvo säätäjä, säätö stabilointipiiri tyristorisuuntaaj a asetusarvo, alkutila

CIGRE IEC IEEE

Conférence Internationale des Grands Réseaux Eletriques International Electrotechnical Commission

The Institute of Electrical and Electronics Engineers

Lisäksi on käytetty matematiikassa yleisesti käytettyjä merkitse­

mistapoja.

LIITELUETTELO

1. Naantalin III voimalaitoksen jännitteen säätökaavio 2. Esimerkit siirtofunktioiden johtamisesta

- Stabiloiva takaisinkytkentä

- Herätinkone ja kyllästymisfunktio SE 3. Jännitteen säädön käsitteitä

- Staattinen vahvistus - Dynaaminen vahvistus - Ekvivalenttinen vahvistus - Kattojännite

- Säätönopeus - Säädön tarkkuus

4» BASIC-kielinen osituskäyttöohjelma - Listaus

- Tulostusesimerkki - Soveltamismalli

3* FORTRAN-kielinen piirturiohjelma - Listaus

- Tulostusesimerkki - Soveltamismalli

- Muutokset ohjelmaan eräiden säätäjien yhteydessä

6. Valmistajan laskelmiin perustuvat säätäjien käyrät seuraavissa amerikk. voimalaitoksissa

6-1 Pittsburg 4

6-2 Pittsburg 5HP ja Pittsburg 5LP 6-3 Moss Landing 6HP

6- 4 Moss Landing 6LP

7» Vesivoimalaitosten säätäjien käyriä 7- 1 Glen Canyon (USA)

7-2 Yellowtail "

7-3 J.B. Black »t

7-4 Otter Rapids (Kanada)

X

7-5 Aj aure (Ruotsi) 7-6 Grand Coulee (USA) 7-7 (Asea)

7- 8 (Siemens)

8. Tyypilliset turhogeneraattorin säätäjät USAîssa 8- 1 Pyörivä vahvistin ja tasavirtaherätinkone 8-2 Magneettinen säätäjä ja tasavirtaherätinkone 8-5 Harjaten magnetointi

9. Yleisluonteisten säätäjäesitysten käyriä Liitteiden 9-1 ••• 9-9 erittely sivulla

76

1. JOHDANTO

1•1 Jännitteen säädön merkityksen kasvu

Sähköenergian tuotannon optimointi johtaa yhä suurempitehoisten gene—

raattoreiden käyttöön. Nykyisellä tekniikalla kaksinapaisen turboge- neraattoriyksikön rajatehoksi katsotaan jäähdytystavasta ja pyörimis­

nopeudesta riippuen 1300...1600 MVA. Neljänapaisella generaattorilla nämä arvot ovat 1,5...1,7 -kertaiset.

Generaattorin koon kasvaessa sen vakiot muuttuvat dynaamisen käyttäy­

tymisen kannalta epäedullisiksi. Erityisesti konekoon kasvulle on omi­

naista muutostahtireaktanssin x ^ suureneminen. Tämä ominaisuus vai­

kuttaa negatiivisesti generaattorin staattiseen ja dynaamiseen stabii—

lisuuteen. Tämän vuoksi stabiilisuustarkasteluissa joudutaan päähuomio kiinnittämään niihin säätömahdollisuuksiin, joilla stabiilisuuden huo­

noneminen voidaan kompensoida.

Generaattoreiden stabiilisuuden huonontuminen ei ole aina pelkästään suuren konekoon syytä. Klassisesta tasavirtaherätinkoneeseen perustu­

vasta magnetointijärjestelmästä on usemmissa tapauksissa siirrytty joko kokonaan tai osaksi tyristoreilla toteutettuun magnetointijärjes­

telmään. Tyristorimagnetoinnilla on se etu, että generaattorin magne—

tointijännitettä voidaan säätää käytännöllisesti katsoen hitauksetto- masti. Täten tyristorimagnetoinnilla on mahdollista vaimentaa jännite- heilahtelut nopeammin ja siten parantaa generaattorin stabiilisuutta.

Tyristorimagnetointia kehitettäessä kiinnitettiin päähuomio säädön nopeuteen ja jännitteen säätäjien suunnittelussa tehtiin tässä suh­

teessa virhe, jonka vaikutuksesta uudet jännitteen säätöjärjestelmät parantamisen sijasta huononsivat stabiilisuutta.

Huolella suunnitellun jännitteen säätöjärjestelmän avulla generaatto­

rin ja koko voimansiirtojärjestelmän stabiilisuutta voidaan kuitenkin merkittävästi parantaa. Erityisesti on havaittu hyödylliseksi gene­

raattorin roottorin napakulman muutoksia kuvaavien lisästabilointisig­

naali en käyttö jännitteen säädössä normaalin jännitepoikkeamasignaalin lisäksi. Näiden lisäsignaalien avulla saadaan voimansiirtojärjestelmän heilahteluihin lisävaimennusta. Lisäsignaalit voivat perustua mitat—

tutin generaattorin pätötehoon, pyörimisnopeuteen tai taajuuteen.

Mainittujen suureiden välillä on yksikäsitteinen riippuvuus, joten kysymys on kaikissa tapauksissa samasta asiasta.

1.2 Tutkimustehtävä ja sen rajoittaminen

Kirjallisuudessa on verrattain paljon käsitelty erilaisia käytössä olevia jännitteen säätöjärjestelmiä. Näiden ominaisuuksien vertailu ilman lähempiä tarkasteluja on varsin vaikeaa johtuen erilaisista esitystavoista ja toimintaolosuhteista. Tämän vuoksi on tunnettu tar­

vetta tutkia esitettyjä jännitteen säätöjärjestelmiä tämän työn puit­

teissa, jotta saataisiin käsitys siitä, minkälaisia käytettyjen sää­

töjärjestelmien pääominaisuudet ovat.

Jännitteen säätöjärjestelmän ominaisuuksien täydellinen selvittäminen , vaatii suuren määrän laskelmia kaikissa mahdollisissa generaattorin ja voimansiirtojärjestelmän toimintapisteissä. Tässä työssä tehtävä on rajoitettu koskemaan vain varsinaista jännitteen säätäjää, mm. gene­

raattori on jätetty kokonaan tarkastelujen ulkopuolelle. Kirjallisuu­

desta ja valmistajilta saatujen jännitteen säätöjärjestelmien lohko- kaavioiden ja siirtofunktioiden perusteella on laskettu ja piirretty tietokoneen avulla, generaattorin liitinjännitteestä alkavan ja gene­

raattorin magnetointijännitteeseen päättyvän säätöpiirin harmoninen käyrä ja Bode-diagrammi.

Lisästahilointisignaalien käytön tutkiminen on työn laajuuden supis­

tamiseksi sivuutettu lukuunottamatta perustietojen ja käytettyjen siirtofunktioiden esittämistä.

1.3 Selostuksen jäsentely

Luvuissa 2-4 on kartoitettu aiheen käsittelyssä tarvittavat taustatie­

dot. Luvuissa 5-8 on käsitelty lähinnä ulkomaisissa voimalaitoksissa käytettyjen jännitteen säätöjärjestelmien esityksiä ja niiden lasken­

taa sekä laskentatuloksia. Luvussa 9 on keskitytty uusimpien Suomen lämpövoimalaitosten jännitteen säätäjien käsittelyyn.

2. JÄNNITTEEN SÄÄTÖJÄRJESTELMÄN PÄÄPIIRTEET

2.1 Säätöjärjestelmän tehtävät

Säätöjärjestelmällä on kolme päätehtävää /1, s. I64/, /2/:

1. Generaattorin liitinjännitteen suuruuden säätö ja vakiona pitäminen.

2. Generaattorin loistehon säätö.

3. Generaattorin staattisen ja dynaamisen stahiilisuuden ylläpito ja parantaminen.

Voimansiirtojärjestelmässä yleensä "kaikki riippuu kaikesta". Esimer­

kiksi siirtoverkon viat tai suuret kuormitusmuutokset saavat aikaan koko järjestelmässä tuntuvaa heiluntaa, jolloin kaikki suureet,mm.

jännite, vaihtelevat heilunnan tahdissa. Näin ollen jännitteen säädön tehtävä voidaan kiteyttää mahdollisimman nopeaan jännitevaihteluiden tasoittamiseen. Ydinprohleemaksi muodostuu täten jännitteen säädön optimaalisen nopeuden määrääminen niiden rajojen puitteissa, jotka generaattori ja muu voimansiirtojärjestelmä asettavat.

2.2 Magnetointilaitteistot

Generaattorin jännitteen säätö tapahtuu muuttamalla magnetointivirtaa.

Käytössä olevat keskisuurten ja suurten tahtigeneraattoreiden magne­

tointilaitteistot voidaan fysikaalisen rakenteensa perusteella jakaa seuraaviin, tässä työssä käytettyihin ryhmiin:

1. pyörivään herätinkoneeseen perustuva magnetointi a. klassinen tasavirtaherätinkonemagnetointi, jossa

jännitteen säätäjä on joko mekaaninen, magneettinen, pyörivään vahvistimeen perustuva tai näiden yhdistelmä b. uudempi tasa- tai vaihtovirtaherätinkonemagnetointi,

jossa jännitteen säätäjä on elektroninen

2. harjaten vaihtovirtaherätinkonemagnetointi, joka perus­

tuu generaattorin akselille sijoitettuun diodi- tai tyris- torisuuntaajaan ja jossa säätäjä on elektroninen

- 4 -

3. täysin staattinen tyristorisuuntaajaan perustuva mag- netointi, säätäjä elektroninen

Raja ryhmien välillä on liukuva, koska magnetointilaitteisto sisältää useasti piirteitä kaikista ryhmistä, esim. harjaten magnetointi kuu­

luu itse asiassa ryhmään 1Ъ, mutta tässä se on haluttu erottaa muista uusimpana ja tulevaisuudessa todennäköisesti käyt e tyimpänä magnetoin—

tilajina.

Uudempien voimalaitosten magnetointijärjestelmät ovat poikkeuksetta puolijohdesäätöisiä ja päämielenkiinto kohdistuu niihin. Klassinen tasavirtaherätinkonemagnetointi on kuitenkin lukumääräisesti vielä

70

2.2.1 Tasavirtaherätinkoneeseen perustuva magnetointi

Käytetyimpiä peruskytkentöjä esittävät kuvat 1...3. Magne­

tointi laitteiston pääkomponent- tina on generaattorin akselille suoraan tai vaihteen välityk­

sellä kytketty tasavirtagene- raattori.

Yksinkertaisin ja halvin, mutta dynaamisilta ominaisuuksiltaan epäedullinen ratkaisu on itsehe- rätteinen tasavirtaherätinkone, kuva 1. Generaattorin jännitteen säätö suoritetaan herätinkoneen sivumagnetointipiirissä.

Dynaamisilta ominaisuuksiltaan hieman parempi järjestelmä saadaan käyttämällä apuherätinkonetta, kuva 2. Apuherätinkoneesta saadaan jännitteen säätäjään vakiona pysy­

vä ja muista laitteista riippumaton Kuva 2* Apuherätinkone ja päähe- apujännite. Jännitteen säätäjän rätinkone

Kuva 1. Itseherätteinen herätin- kone

tyypin mukaan voidaan käyttää joko tasa- tai vaihtovirta- apuherätinkonetta /?/.

Varustamalla herätinkone kah­

della säätökäämillä saadaan ns. buck-boost -kytkentä, kuva 5» Säätöominaisuuksil­

taan tämä on edellisiä edul­

lisempi mm. siinä, että gene­

raattorin magnetointijännit­

teen napaisuus saadaan nope­

asti vaihtumaan.

Kuvassa 4 on esimerkki pyörivän vahvistimen käytöstä magnetointi- järjestelmässä.

Kuva 5» Kahdella säätökäämillä varustettu herätinkone

Kuva 4. Esimerkki pyörivän vahvis­

timen käytöstä magnetointi- järjestelmässä

Suuritehoisia tasavirtaherätinkoneita on mahdollista rakentaa vain matalille pyörimisnopeuksille. Tämän vuoksi suurten turbogeneraatto- reiden herätinkoneet täytyy liittää generaattorin akselille vaihteen välityksellä.

2.2.2 Vaihtovirtaherätinkoneeseen perustuva magnetointi

Tavallisin rakenne on esitetty kuvassa 5» Generaattorin jännit­

teen säätö tapahtuu kuten edel- läkin herätinkoneen magnetointi- piirissä. Kuvan tapauksessa sää­

dössä tarvittava jännite on otet­

tu apuherätinkoneesta, jona voi toimia esim. kestomagnetoitu, keskisuurella taajuudella (50...

400 Hz /4/) toimiva generaattori

Kuva 5. Vaihtovirtaherätinkone ja staattinen diodi- suuntaaja

- 6 -

tai verkkotaajuinen vakio- jännitegeneraattori.

Kuvan 5 kytkennällä on se hait­

tapuoli , että ilman erityisiä kytkentäjärjestelmiä ei ole mah­

dollista vaihtaa generaattorin magnetointijännitteen napaisuutta.

Kun dynaamisille ominaisuuksille asetetaan korkeampia vaatimuksia, on magnetointijärjestelmä konstru­

oitava niin, että herätinkoneesta tuleva aikavakio eliminoituu. Tämä saadaan aikaan siten, että jännit­

teen säätö suoritetaan suoraan gene­

raattorin magnetointipiirissä tyris- torisuuntaajan avulla, kuva 6. Jär­

jestelmässä oleva kolmivaiheinen he- rätinkone toimii vakiojännitteellä.

Kuva 6. Vaihtovirtaherätin- kone ja staattinen tyristorisuuntaaja’

Kuvan 6 kaltaisessa järjestelmässä tarvittava herätinkone on suhteel­

lisen kallis ja sen vuoksi tästä järjestelmästä on siirrytty täysin staattiseen magnetointijärjestelmään, jossa magnetointienergia otetaan generaattorin liittimistä.

2.2.3 Harjaten magnetointi

Generaattorin magnetointienergian tarve on n. 0,3..,0,5 fo generaatto­

rin näennäistehosta SN /5/. Suurten turbogeneraattoreiden magnetointi- virta on jo niin suuri, että sitä ei vaikeuksitta pystytä enää hiili- harjojen välityksellä siirtämään generaattorin roottoriin. Tämä seikka ja toisaalta suuria virrantiheyksiä ja suuria kiihtyvyysvoimia kestä­

vien piidiodien ja tyristoreiden markkinoille tulo ovat lyhyessä ajas­

sa johtaneet harjattoman magnetoinnin käyttöönottoon.

Järjestelmän käytetyin rakenne on esitetty kuvassa 8. Säädössä tarvit­

tava jännite otetaan kolmivaiheisesta tahtigeneraattorista, jonka root­

tori on kestomagnetoitu. Apukoneen taajuus on yleensä 400 Hz tai 420 Hz verkko taaj uudesta riippuen. Apukoneen antama jännite johdetaan elektro-

nisen säätäjän ohjaaman tyris­

tori suuntaajan kautta pääherä- tinkoneen staattorissa olevaan magnetointikäämiin. Pääherätin- kone on ulkonapainen kolmevai- heinen tahtigeneraattori, jonka taajuus on tavallisesti 100-150 Hz, Joissain tapauksissa voidaan

käyttää myös epätahtimuuttajaa tai pyörivää muuntajaa /4/. Pää- herätinkoneen vaihtojännite tasa- suunnataan generaattorin akselil­

le konstruoidulla dioditasasuun- taajalla ja johdetaan generaatto­

rin magnetointikäämiin suoraan.

9000

5000

S Ж VA Kuva 7« Suurturhogeneraattorei-

den nimellinen magne- tointivirta funktiona generaattorin tehosta/?/

1 kaksinapainen kaasujäähdytetty generaattori

2 neljänapainen kaasujäähdytetty generaattori

5 kaksinapainen vesijäähdytetty generaattori

Kuva 8. Harjaton magnetointi

Harjattoman magnetoinnin suurin etu muihin magnetointijärjestelmiin nähden on nopeasti kuluvien ja paljon huoltoa vaativien hiiliharjojen ja liukurenkaiden puuttuminen. Herätinkoneen aikavakion vuoksi se on hieman hitaampi kuin täysin staattinen tyristorimagnetointi. Staatti­

sen tyristorimagnetoinnin ja harjattoman magnetoinnin edut voidaan kuitenkin yhdistää käyttämällä harjattomassa magnetoinnissa pyörivän

- e -

diodisuuntaajan sijasta pyörivää tyristorisuuntaajaa. Eräs tällainen sovellutus on esitetty kuvassa 9»

Tällainen magnetointi on sove­

lias sellaisissa erikoistapauk­

sissa, joissa ei haluta käyttää harjoja ja liukurenkaita, ja joissa vaatimukset dynaamisille ominaisuuksille ovat erittäin korkeat. Tekniset probleemat ovat kuitenkin paljon vaikeammat kuin dioditasasuuntaajaa. käytet­

täessä. Pääongelmana on tyristo- reiden sytytysimpulssien johtami­

nen harjattomasti säätäjältä ty­

ristoreille ja toisaalta taas sy­

tytysimpulssien oikeaan ajoituk­

seen tarvittavan synkronointijän­

nitteen johtaminen harjattomasti herätinkoneelta säätäjälle.

Näiden ongelmien ratkaisut ovat vielä kehittelytyön alla. Eräitä ratkaisumahdollisuuksia on esitet­

ty esim. viitteissä /4/ ja /6/.

Kuva 9. Harjätön magnetointi pyörivällä tyristori- suuntaajalla /

4

2.2.4 Staattinen tyristorimagnetointi

Staattisen tyristorimagnetoinnin rakenne on esitetty kuvassa 10. Mag­

netointi jännite otetaan magnetointimuuntajan avulla generaattorin liittimistä, joten generaattori on periaatteessa itsemagnetoitu. Ty- ristorisuuntaajalla magnetointijännitettä voidaan säätää käytännölli­

sesti katsoen hitauksettomasti. Ainoa energiaa varaava ja täten hita­

utta aiheuttava elementti on itse generaattorin magnetointikäämi. Jän­

nitteen säädössä saavutettavissa oleva suuri nopeus onkin staattisen tyristorimagnetoinnin tärkein ominaisuus säädön kannalta. Dynaamiset ominaisuudet määrää lähes yksinomaan säätäjä, joka ohjaa tyristori­

suuntaajaa, ja toisaalta ominaisuuksiin vaikuttaa suuntaajan rakenne.

Tavallisimmin käytetään 6-pulssista 2-tie -suuntajaa, jossa on useita rinnakkaisia tyristorihaaroja virrantiheyden alentamiseksi, ja toi-

saalta kussakin haarassa on use­

ampia tyristoreita sarjassa riit­

tävän jännitekestoisuuden saavut­

tamiseksi. Pikakentänheikennystä varten suuntaaja voidaan ohjata myös vaihtosuuntauksen puolelle, jolloin magnetointijännite muut­

tuu negatiiviseksi edellyttäen, että magnetointipiirissä kulkee virtaa sillä hetkellä, jolloin vaihtosuuntauskäsky annetaan.

Negatiivista virtaa suuntaaja ei voi johtaa.

Tyristoreiden sijalla voidaan käyt­

tää myös elohopeahöyryventtiileitä.

Näiden käyttö rajoittuu kuitenkin vain erikoistapauksiin. Erään val­

mistajan mukaan toimitettavista staattisista magnetoinneista 80 % pe­

rustuu tyristoreihin, 20 ‘/o elohopeahöyryventtiileihin /?/•

Staattisessa tyristorimagnetoinnissa jännitteen säätäjälle asetetaan tiukempia vaatimuksia kuin pyöriviä herätinkoneita sisältävissä mag- netoinneissa. Ilman lisästahilointitoimenpiteitä ja säätäjän tarkkaa virittämistä jännitteen säädön stabiilisuus on tässä huonompi kuin pyörivien herätinkoneiden tapauksessa. Oikein suunnitellulla tyristo- rimagnetoinnilla stabiilisuus voidaan kuitenkin taata ja stabiilisuus- alue saadaan laajaksi. Lisäksi saavutetaan eräitä muita etuja pyöri­

viin herätinkoneisiin nähden. Järjestelmä on ensinnäkin huomattavasti halvempi sekä mitoiltaan ja painoltaan pienempi. Esim. 300 MW gene­

raattorin pyörivä herätinkone on n. seitsemän kertaa painavampi ja kaksi kertaa kalliimpi kuin staattinen tyristorimagnetointilaitteisto /8, s. 49/« Tyristorimagnetointilaitos voidaan sijoittaa erilleen ge­

neraattorista ja lyhyemmän akselipituuden vuoksi konehalli voidaan tehdä pienemmäksi ja näin säästää rakennuskustannuksia. Tyristorisää- dön aikavakiot ovat pieniä ja säätökytkentöjen toteuttaminen helppoa.

Lisäksi säätötehon tarve pyöriviin herätinkoneisiin verrattuna on mitätöntä.

Suomen olosuhteita ajatellen on merkittävä seikka se, että suuren tah- tireaktanssin omaavaa, pyörivällä herätinkoneella magnetoitua turboge-

Kuva 10. Staattinen tyristori- magnetointi

- 10 -

neraattoria ei voimansiirtojärjestelmän stabiilisuussyistä johtuen voida käyttää alimagnetoituna. Suomen kantaverkko on huomattavan laa­

ja verrattuna niihin konetehoihin, jotka verkkoon on liitetty. Siirto- etäisyydet ovat pitkät ja lisäksi verkon reaktiivisen loistehon tarve vaihtelee melkoisesti. Tämän vuoksi turbogeneraattoreita olisi pystyt­

tävä käyttämään sekä yli- että alimagnetoituina, jottei verkon lois- tehotasapainon saavuttamiseksi tarvitsisi käyttää rinnakkaisreakto- reita. Tyristorimagnetoinnilla ja lisästabiloinnilla varustettu tur- bogeneraattori voi toimia myös alimagnetoituna, joten verkon loiste­

hon säätö voidaan ainakin osaksi hoitaa voimalaitoksilla.

Muun muassa edellä esitettyjen seikkojen perusteella on Imatran Voima Osakeyhtiö asettanut staattisen tyristorimagnetoinnin etusijalle mui­

hin magnetointijärjestelmiin nähden uusien lämpövoimalaitosten han­

kinnoissa.

2.3 Säätöjärjestelmän osalaitteet

Kuvassa 11 on esitetty yleistetty jännitteen säätöjärjestelmän raken­

ne lohkokaaviona. Kuvasta nähdään osalaitteiden välinen kytkeytyminen ja nimitykset.

Herätin

Herättimenä voi olla joko pyörivä herätinkone tai tyristorisuuntaaja, vrt. kuvat 1...10.

Esivahvistin ja tehovahvistin

Uudemmissa säätöjärjestelmissä on tavallisesti vain yksi säätövahvis- tin, joka on elektroninen. Useampiasteisia säätövahvistimia on vanhem­

missa järjestelmissä ja nämä ovat etupäässä transduktoreita tai pyöri­

viä koneita.

Asetusarvon säätö ja oloarvon muodostaja

Käytössä on useita erilaisia kytkentöjä, jotka saattavat sisältää esim. differentiaalivahvistimia, impedanssikytkentöjä ja siltakytken-

Te k n iTH fee n korkeakoulun Sähköteknilliset, _-,~ston

käsikirjasto

asetusarvo magnetointijännite generaattorinjännite

- 12 -

töjä. Oloarvon muodostajaan kuuluu mm. jännitemuuntaja ja mittamuun- nin. Mittasuureena on tavallisesti generaattorin liitinjännitteen myötäkomponentti tai kolmivaiheisen tasasuuntauksen avulla muodostet­

tu jännitteen keskiarvo. Oloarvomittauspiiriin liittyy myös loisvir- tastatiikka, joka tässä on käsitelty kompensaattoreiden yhteydessä.

Jännitteen säädön stabilointi

Stabilointi suoritetaan tavallisesti takaisinkytkentämuuntajan avulla.

Säätöjärjestelmä voi sisältää useitakin takaisinkytkentöjä.

Uudemmista säätöjärjestelmistä varsinainen stabilointitakaisinkytken- tä useasti puuttuu, ja stabilointi hoidetaan ns. lead-lag -suodatti­

men (kohta 6.4, s. 66) avulla.

Stabilointielementti vaikuttaa ratkaisevasti säätöjärjestelmän dynaa­

misiin ominaisuuksiin kuten jäljempänä käy ilmi.

Lisästabilointi

Tällä tarkoitetaan generaattorin roottorin napakulman vaihteluita ku­

vaavaa signaalia ja sen muodostamista. Lisästabiloinnin tarkoituksena on aikaansaada vaimennusta voimansiirtojärjestelmässä esiintyvään hei­

luntaan. Suomessa tästä käytetään nimitystä kulmasäätö tai napakulma- stabilointi.

Rajoittimet

Jännitteen säätäjään kuuluu tavallisesti joukko rajoitussäätäjiä, joiden tehtävänä on suojata generaattoria ylilämmöltä ja tahdista - toamiselta.

a. Generaattorin roottorivirran rajoitussäätäjä estää magnetointi- käamin ylikuormituksen. Jos magnetointivirta ylittää sallitun arvon, kytkeytyy rajoitussäätäjä päälle ja vaikuttaa jännitteen säätäjään siten, että magnetointivirta rajoittuu sallittuun maksimiarvoonsa.

Roottorivirran rajoitussäätö tapahtuu hidastettuna, jottei generaatto­

rin dynaaminen stabiilisuus vaarantuisi verkkohäiriöiden yhteydessä/10/.

b. Generaattorin staattorivirran rajoitussäätäjä suojaa generaattoria termiseltä ylikuormittumiselta. Rajoitussäätäjä vaikuttaa päällekyt- keytyessään jännitteen säätäjään alentaen magnetointivirtaa siten,

että staattorivirta laskee sallittuun arvoonsa. Ylimagnetoidulla alu­

eella rajoitussäätäjän toiminnan tulee olla hidastettu, jottei dynaa­

minen stabiilisuus vaarautuisi ohimenevien ylikuormien ja verkkohäiri­

öiden yhteydessä. Alimagnetoidulla alueella toiminnan tulee tapahtua ilman hidastusta /10/.

c. Alimagnetoinnin (napakulman) rajoitussäätäjä vaikuttaa päällekyt- keytyessään jännitteen säätäjään magnetointivirtaa kohottavasti ja es­

tää täten generaattorin napakulman kasvamisen yli staattisen stabiili- suusrajan ja tahdista putoamisen. Toiminta ei voi olla hidastettua.

Tämä rajoitussäätäjä voidaan joissain tapauksissa korvata halvalla Telejärjestelmällä, jos generaattorin suojareleistykseen kuuluu ali- magnetointirele /4/.

Alimagnetoinnin rajoitussäätäjä on turbogeneraattorin säädössä erit­

täin tärkeä, koska turbogeneraattorilla ei ole reluktanssimomenttia.

Kohdissa a...c esitettyjen rajoitussäätäjien toiminta-arvot saadaan

Rajoitussäätäjien toiminta-alueet ovat:

- väli AB: alimagnetoinnin (napa- kulman) rajoitus

- väli BC: roottorivirran rajoitus - väli CD: staattorivirran rajoitus Rajaviivan EP määrää turpiinista saa­

tava max.teho.

kuva 12. P„

R 1—Г

\ \ \ \ \

/ \\

/ \4 / \4

V \ '

/ D 1 11 '

1

0 >

Kuva 12. Turbogeneraattorin PQ-diagrammi

d. Muista mahdollisista rajoitussäätäjistä voidaan mainita esimerk­

kinä alitaajuusrajoitin, joka vaikuttaa jännitteen säätäjään siten, että generaattorin magnetointivirta laskee, jos generaattorin taajuus pienenee. Tätä rajoitussäätäjää käytetään blokkikytkentäisissä lai­

toksissa estämään päämuuntajan magnetointivirtaa kasvamasta liian suu­

reksi taajuuden pienentyessä.

Kompensaattorit

Kompensaattoreista tavallisin on ns. loisvirtastatiikka. Tämä tarkoit­

taa sitä, että jännitteen oloarvoon lisätään generaattorin loisvirtaan verrannollinen komponentti, jolloin generaattorijännitteelle saadaan

loisvirran mukaan laskeva ominaiskäyrä, kuva I3. Käyrän kaltevuutta kutsutaan loisvirtastatiikaksi s.

- 14 -

Kuva 13. Loisvirtastatiikka

Loisvirtastatiikan arvo asetellaan laitoksen toimintaolosuhteiden mu­

kaan. Se sallii tietyn suuruisen joustavuuden jännitteen säätöjärjes­

telmälle generaattorin jännitteen vakiona pitämisessä. Loisvirtasta- tiikan merkitys on tärkeä etenkin rinnankäyvien generaattoreiden yh­

teydessä, jolloin loisteho on jaettava sopivasti eri generaattoreille

/

/.

Jännitteen säätöjärjestelmän yksityiskohtaisemmasta rakenteesta on esimerkkinä liitteessä 1 erään voimalaitoksen jännitteen säädön sää­

tökaavio.

3. JÄNNITTEEN SÄÄTÖJÄRJESTELMÄN KUVAUSTAPA

3.1 Rajoituksia

Tutkittaessa jännitteen säätöä kokonaisuudessaan, on koko voimansiirto- järjestelmä otettava huomioon mahdollisimman täydellisen kuvauksen saa­

miseksi , kuva 14

Verkko ja kuormitus Generaa t tori

Säätäjä

Kuva 14. Jännitteen säädössä vaikuttavat pääkomponentit

Kuvasta nähdään, että järjestelmä muodostaa suljetun säätöpiirin. Kos­

ka säätöpiirin parametrit lähinnä kahden jälkimmäisen lohkon osalta muuttuvat käyttötilanteen mukaan, on näin laajan säätöjärjestelmän hal­

litseminen teoreettisissakin tarkasteluisssa suuritöistä. Useimmiten tyydytäänkin tarkastelemaan vain kahden ensimmäisen lohkon yhteistoimin­

taa, jolloin verkko ja kuormitus huomioidaan generaattorin kuvauksessa.

Tällöinkin on erotettava toisistaan tyhjäkäyntitilanne ja kuormitusti­

lanne ja määriteltävä kuvauksessa pätevät parametriarvot näiden mukai­

sesti. Toisaalta parametriarvoja tulisi tarkastella niissä käyttötilan­

teissa, jotka ovat säätöjärjestelmän toiminnan kannalta tärkeimmät.

Säätöjärjestelmää käsiteltäessä tehdään yleensä seuraavat yksinkertais­

tavat oletukset:

- järjestelmä oletetaan lineaariseksi

- generaattorissa ja säätäjässä tapahtuva kyllästys jätetään vaille huomiota

- järjestelmässä vaikuttava sähkömekaaninen vaimennus lasketaan likimääräisesti

3.2 Lohkokaavio- ja siirtofunktioesitys

Jännitteen säätöä voidaan parhaiten tutkia lohkokaavioiden ja siirto- funktioiden käyttöön perustuvan piensignaalimallin avulla. Piensignaa- limalli on matemaattinen esitys säätöjärjestelmässä vaikuttavien suu­

reiden riippuvuudesta toisistaan ja järjestelmän fysikaalisesta raken­

teesta. Usein jo pieni määrä parametreja riittää järjestelmän riittävän

- 16 -

tarkkaan kuvaukseen. Niinpä mallin ei tarvitse vastata joka suhteessa järjestelmän fysikaalista rakennetta, koska malli tällöin sisältäisi turhan paljon epäolennaisia yksityiskohtia. Sen miten tarkkaa mallia on käytettävä, määrää tutkimuksen tyyppi.

Järjestelmän kuvaukseen käytettävät parametrit ovat tavallisimmin 1. vahvistuskertoimia

2. aikavakioita 3. raja-arvoja

4« kyllästymistä tms. kuvaavia funktioita

Kuvauksessa tarvittavat siirtofunktiot saadaan Laplace-muunnoksella jär­

jestelmän differentiaali- tms. yhtälöistä tai mittaamalla kuvattavan järjestelmän laitteiden taajuusvasteet. Lohkokaavio laaditaan säätötek­

niikasta tutulla tavalla yhdistämällä osalohkot ja niitä vastaavat siir­

tofunktiot toisiinsa järjestelmän fysikaalisen rakenteen määräämällä tavalla, tai esim. generaattorin tapauksessa "kirjoittamalla auki" säh­

köteknisten suureiden väliset yhtälöt.

Lohkokaavioiden muodostamisen ja siirtofunktioiden laskemisen voi par­

haiten suorittaa säätöjärjestelmän valmistaja komponenttitietojen perus­

teella. Käyttöpaikalla suoritettu mittaus antaa usein luotettavamman kuvan säätöjärjestelmän lopullisista parametreistä, sillä laitteiden viritys tapahtuu kuitenkin vasta laitoksen käyttöönoton yhteydessä ja jännitteen säätöjärjestelmän toimintaominaisuuksien tunteminen juuri käyttöolosuhteissa on tärkeintä. Käytössä olevan säätöjärjestelmän pa­

rametrit saattavat poiketa huomattavastikin siitä, mitä laboratorio-olo­

suhteissa tai paperilla sille on saatu.

Säätöjärjestelmän taajuusvastemittauksia on käsitelty useissa julkai­

suissa, esim. viitteet /12/, /13/ ja /14/.

Lohkokaavioiden ja siirtofunktioiden laadinta on lähinnä laitetekniik­

kaa, eikä sitä ole tässä työssä eräitä tapauksia lukuunottamatta käsi­

telty, vaan työ pohjautuu valmiina saatujen säätöjärjestelmäesitysten hyväksikäyttöön.

3.2.1 Laplace-muunnoksen käyttö

Laitteen siirtofunktio määritellään ulostulosuureen ja sisäänmenosuu­

reen Laplace-muunnoksien suhteena. Jännitteen säädössä nämä suureet, esim. generaattorin liitinjännitteen muutos AUg ja magnetointijännite Uf, ovat todellisuudessa ajan t funktioita.

Laplace-muunnos muuntaa aikafunktion tässä tapauksessa kompleksisen kulmataajuuden funktioiksi. Muunnoksen suurin etu on se, että integ­

rointi ja derivointi voidaan korvata algebrallisilla operaatioilla.

Kompleksisen taajuustason käyttö selventää usein säätöjärjestelmän suu­

reiden välisiä riippuvuuksia tavalla, joka ei ole mahdollista jos käy­

tetään aikatasoa /15/.

Vaimentumattoman, sininmotoisesti muuttuvan suureen kompleksinen kulma- taajuus merkitään yleensä

s = a + jw (3.1)

Jatkuvuustilaa ja pieniä muutoksia koskevissa tarkasteluissa reaaliosa a» 0, joten se voidaan jättää vaille huomiota ja merkitä

s = jw (3.2)

3.2.2 Per-unit-järjestelmä

Lohkokaavio- ja siirtofunktioesityksissä on tarpeen käyttää sopivaa pu-järjestelmää esitysten yksinkertaistamiseksi. Perusarvoina käyte­

tään yleisesti seuraavia jännitearvoja /9/»/16/s

Perusarvona on generaattorin nimellinen liitinjännite Ug^, joka siis vastaa 1 pu yksikköä generaattorin jänniteportaassa.

Magnetointilaitteiston jänniteportaassa määritellään 1 pu yk­

sikön suuruiseksi se generaattorin magnetointijänni­

te, joka vastaa generaattorin nimellistä liitinjännitettä tyhjäkäyntiominaiskäyrän ilmaväliviivalla.

Muut järjestelmässä mahdollisesti tarvittavat pu-yksiköt johdetaan näi­

den arvojen perusteella.

18 -

Ellei toisin ole mainittu on tässä työssä käsitellyissä säätäjäesityk- sissä lähdetietojen mukaan noudatettu yllä olevaa perusarvojen valintaa.

Käytännössä magnetointijännitteen perusarvo määritellään kuitenkin usein nimelliskuormituspisteen eikä tyhjäkäyntipisteen mukaan.

3.3 Jännitteen säätöjärjestelmän pääkomponenttien lohkokaaviot ja siirtofunktiot

Pääkomponenttien sarjaankytkentä on esitetty kuvassa 15«

iI

Kuva 15» Pääkomponenttien sarjaankytkentä

Kuvassa kunkin lohkon sisään on merkitty vastaava siirtofunktio ; a. Jännitteen säätäjä

(3.3)

E(s) = Uo(s) - Ug(s)

- Vs) - (Vs) +AVs)) (

3

4

= - л y e)

Säätäjän sisäänmenosuureena on siis generaattorin jännitepoikkeamaa AUg vastaava erosuure, joka tavallisesti merkitään E(s). Ulostulosuu­

re UQ(s) on herättimen säätöjännite.

h. Herätin

, , Vs)

“ ÏÏT ^b )

Generaattori

, . Vs) Vs) - xgiy

(3.5)

c

(3.6)

3.5.1 Käytetyimmät jännitteen säätäjän lohkokaavioesitykset

Huom. Jännitteen säätöä tutkittaessa joudutaan säätäjää ja herä- tintä käsittelemään elimellisenä kokonaisuutena ja puhutta­

essa käytännössä jännitteen säätäjästä sisällytetään siihen myös herätin vastoin kuvaa 11.

Tätä periaatetta on noudatettu jatkossa myös tässä työssä;

mainittaessa säätäjä ja säätäjäesitys, on näihin siis sisäl­

lytetty myös herätin.

Lohkokaavion rakenteen määrää jännitteen säätöjärjestelmän fysikaalinen rakenne. Lohkokaavioita olisi tämän mukaan hyvin monenlaisia. Lohkokaa- vioesitys on kuitenkin aina pelkistetty kuvaus säätöjärjestelmästä ja näin ollen niitä voidaan jossain määrin yhtenäistää stabiilisuus- ja

systeemitutkimuksia varten. Tähänastisista yhtenäistämispyrkimyksistä huomattavin on IEEE:n erään työryhmän tekemä ehdotus Computer Represen­

tation of Excitation Systems, viite /16/, jossa esitetyt lohkokaaviot ovat vakiintuneet käyttöön etenkin amerikkalaisissa lehtiartikkeleissa.

Myös useat eurooppalaiset valmistajat käyttävät näitä mikäli niitä vain voidaan soveltaa ko. säätöjärjestelmään.

Mainitussa ehdotuksessa säätöjärjestelmät on jaettu neljään eri tyyp­

piin ja näille on määritelty peruslohkokaavio. Näiden tulisi kattaa kaikki käytössä olevat säätöjärjestelmät lukuunottamatta kaikkein vanhempia.

Seuraavassa on esitetty kaksi tärkeintä ja eniten käytettyä IEEE:n lohkokaaviomallia.

3.3.1.1 Herätinkonemagnetoinnin ja staattisen tyristorimagnetoinnin lohkokaavio

Ug(S)

V. 1 ^KA

/ 1+sTr 1‘STA

U<(s)

Kuva 16. Herätinkonemagnetointiin ja staattiseen tyristorimagne- tointiin soveltuva lohkokaavio

20

Sisäänmenosuureena on generaattorin liitinjännite Ug. Ensimmäinen lohko kuvaa oloarvomuunninta ja siihen liittyvää suodatinpiiriä, jonka aikavakio on Tr. Suodattimen tehtävä on poistaa oloarvomittaukseen usein liittyvä sykkeisyys. Aikavakion

T

Ensimmäisessä summauspisteessä muodostetaan asetusarvon Uq ja oloarvon Ug välinen ero, yhtälö 5.4. Samaan summauspisteeseen johdetaan myös mahdollinen lisästabilointisignaali ja rajoitussäätäjien signaalit.

Toisessa summauspisteessä muodostetaan jännitepoikkeamasignaalin ja jännitteen säätäjän sisäisen stabilointisignaalin erotus, joka johde­

taan säätövahvistimeen. Stabiloiva takaisinkytkentä otetaan generaatto­

rin magnetointijännitteestä esim. muuntajan avulla. Takaisinkytkennäs- sä käytettävä siirtofunktio on derivoiva, joten takaisinkytkennän vai­

kutus on vain hetkellinen, ts. takaisinkytkentäsignaali syntyy vain silloin, kun magnetointijännite Uf muuttuu. Signaali stabiloi säätäjää siten, että se pienentää jännitepoikkeamasignaalia E jo ennen kuin ge­

neraattorin magnetointijännite on itse asiassa ehtinyt edes muuttua.

Säätövahvistin voidaan yksinkertaistettuna kuvata vahvistuskertoimel­

la KA ja aikavakiolla Тд. Per-unit-järjestelmää käytettäessä kerätään tavallisesti kaikki säätöpiirin suorassa haarassa olevat vahvistusker- toimet kertoimeen Кд, jolloin vahvistus voidaan esittää vain yhden ker­

toimen avulla. Säätövahvistinta seuraa rajoitinlohko, joka kuvaa sää­

tö jännitteen Ug maksimi- ja minimiarvot, joista riippuu esim. magnetoin­

ti jännitteen vastaavat arvot. Lohkokaavio saattaa sisältää myös useam­

pia rajoituslohkoja, joilla otetaan huomioon säätöjärjestelmän epäli­

neaarisuudet. Rajoituksen toimintaa kuvaa kuva 17• Pienillä muutoksil­

la rajoittimella ei ole mitään vaikutusta säädön kannalta, mutta kun tapahtuu suuri muutos, ohjaus nousee vain rajaan saakka.

Rajoituslohkoa seuraavassa summaus- pisteessä muodostetaan säätöjännit­

teen ja herättimen kyllästymistä ku­

vaan, kyllästymisfunktion Sr = f(Uf) määräämän takaisinkytkentäsignaalin erotus. Kyllästymisfunktio Sg kuvaa sitä lisäystä herätinkoneen magne-

toinnissa, joka tarvitaan kompensoimaan Kuva 17. Rajoittimen magneettisen kyllästymisen aiheuttama toiminta poikkeama lineaarisesta jännitteennou-

susta. Herätin voidaan kuvata yleisesti

ilman rajoitatte

kuvaan merkityllä siirtofunktiolla. Vakion Ke arvoon vaikuttaa herät- timen tyyppi; itseherätteisen sivuvirtamagnetoidun herätinkoneen tapauk­

sessa Kg on negatiivinen.

Kuvan 16 lohkokaavio on johdettu pyörivään herätihkoneeseen perustuvan magnetoinnin mukaan. Staattisen tyfistorimagnetoinnin kuvaamiseen si­

tä voidaan käyttää merkitsemällä Kg = 1, TE = 0 ja Sg = 0 .

Liitteessä 2 on esitetty viitteeksi siirtofunktioiden johtotavasta jän­

nitteen säädön stabiloinnin ja tasavirtaherätinkoneen siirtofunktioi­

den johto sekä kyllästymisfunktion Se määritelmä.

3.5.1.2 Harjattoman magnetoinnin lohkokaavio

Lohkokaavio ja siirtofunktiot eivät poikkea edellä esitetystä muussa kuin stabiloivan takaisinkytkennän osalta. Uarjattomassa magnetoinnissa

takaisinkytkentä joudutaan ottamaan herätinkoneen säätöjännitteestä koska magnetointijännitteen mittaaminen on hankalasti järjestettävis­

sä. Takaisinkytkentäelimen siirtofunktiossa on yksi aikavakio enemmän kuin edellä. Tämä kompensoi sen, että herätinkone ja pyörivä diodi-

suuntaaja eivät kuulu takaisinkytkentäsilmukkaan. Muutoin lohkokaavio on toiminnallisesti sama kuin edellä.

Kuva 18. Harjattoman magnetoinnin lohkokaavio

Aikavakio Tp2 edustaa lohkokaaviossa herätinkoneen magnetointikäämin aikavakiota. Koska tämä jossain määrin riippuu herätinkoneen kuormi­

tuksesta ja kyllästyksestä, ei sitä voida käyttää suoraan. Eräs val­

mistaja ilmoittaa nyrkkisäännöksi /45/:

22

TF2;s0'5-Tdô (5.7)

т,» = herätinkoneen tyhjäkäynti- do

aikavakio 3.3.2 Generaattorin lohkokaavio ja siirtofunktio

Vaikka generaattori ei kuulu tämän työn tutkimusalueeseen, on seuraa­

vassa esitetty tyhjäkäyvän ja kuormitetun generaattorin lohkokaavioi­

den perusrakenteet, jotta käyttötilanteen vaikutus koko jännitteen sää­

töjärjestelmän toiminnassa tulisi näkyviin. Yksityiskohtaisempi Parkin yhtälöihin perustuva generaattorikuvaus on esitetty mm. viitteessä /18/.

Lisästahilointisignaalien käyttöä koskevissa julkaisuissa on tullut tavaksi käyttää viitteessä /19/ esitettyä generaattorikuvausta. Gene­

raattoreille johdettuja siirtofunktioita on esitetty mm. viitteessä /54/.

3.3.2.1 Tyhjäkäyvä generaattori

Tyhjäkäyvän generaattorin siirtofunktioksi voidaan johtaa /17» s.

367/:

TUs) K

1+sTao

Is] K0

l

ib

1 _♦sTdo

7

(5.8)

UglS)

Kuva 19. Tyhjäkäyvä generaattori

3.5.2.2 Verkkoon liitetty generaattori

Verkkoon liitetyn generaattorin jännitteen säätöominaisuudet riippu­

vat verkon ja kuormituksen ominaisuuksista sekä siitä elektromekaani- sesta systeemistä, jonka generaattori muiden verkkoon liitettyjen ge­

ner aa t tor e iden kanssa muodostaa /20/. Tällöin generaattorin tarkaste­

lussa erittäin keskeinen tekijä on sähkömekaaninen vaimennus. Tämän

huomioiminen tekee generaattorikuvauksen huomattavasti mutkikkaammaksi kuin tyhjäkäyntitilanteessa. Tekemällä tiettyjä oletuksia voidaan gene­

raattorille johtaa kuvassa 20 oleva yksinkertaistettu lohkokaavio- ja siirtofunktioesitys /20/, /21/.

Kuva 20. Verkkoon liitetty generaattori

Lohkokaavio jakautuu kahteen haaraan, joista ylempi on sähköinen haara ja alempi mekaanisesta heilahtelusta riippuva haara. Parametrit ovat funktioita mm. generaattorin kuormituskulmasta 8 sekä generaattorin ja verkon reaktansseista. Alemmassa haarassa Kg tulee huomattavan suurek­

si generaattorin sähkömekaanisen resonanssitaajuuden lähistössä, joka tavallisesti on kulmataajuusalueella 1... 10 Га<^/в. Kg ;n vaikutuksesta jännitteen vaihtelu tällä taajuusalueella saattaa tulla varsin suureksi.

3» 4» Jännitteen säätöjärjestelmän harmoninen analyysi

3.4»1 Takaisinkytkentä

Jännitteen säätöjärjestelmä on aina periaatteessa kuvan 21 kaltainen takaisinkytketty säätösysteemi. Tällaisen säätöjärjestelmän dynaamisia ominaisuuksia voidaan tunnetusti tutkia seuraavien siirtofunktioiden avulla:

a. suljetun säätöpiirin siirtofunktio G(s) (3.9) 1 + G(s) • H(s)

h. avoimen säätöpiirin siirtofunktio G(s) « H(s) (3.10)

Edellisen muodostaminen ja käsittely on huomattavasti hankalampaa kuin jälkimmäisen, jota sen vuoksi käytetäänkin enemmän.

Kuva 21. Takaisinkytketty- säätöjärjestelmä

* - 24 -

5*4*2 Askelvaste ja taajuusvaste

Siirtofunktiot (5* 9) ja (5*10) määräävät säätöjärjestelmän ulostulo- suureen muutosvasteen aikatasolla. Muutosvasteista tärkein jännitteen säädössä on askelvaste, kuva 22.

ty = viiveaika

tn = t9o - t-)o = nousuaika th = huipun saavuttamisaika ta = asettumisaika

D = ylitys

v *io *so tf, tQ t ^ _ gaiiittu poikkeama Kuva 22. Generaattorijännitteen askelvaste

Askelvastetta käyttökelpoisempi säätöjärjestelmän dynaamisia ominai­

suuksia kuvaava vaste on kuitenkintaajuusvaste, joka osoittaa säätö­

järjestelmää kuvaavan siirtofunktion vahvistuksen ja vaihekulman muut­

tumisen kulmataajuuden funktiona. Säätöjärjestelmän kannalta taajuus- vaste kuvaa sitä kuinka ulostulosuure vaihtelee sisäänmenosuureen vaih­

dellessa sinimuotoisesti.

Taajuusvaste voidaan tunnetusti kuvata harmonisella käyrällä tai Bode -diagrammilla.

Harmoninen käyrä sisältää informaatiota enemmän kuin Bode-diagrammi ja soveltuu siten paremmin säätöjärjestelmien vertailuun. Bode-diagrammin etuna on suurempi havainnollisuus, sen vahvistuskäyrästä nähdään hel­

posti mm. säädön pääluonne (P, PI, PID).

Askelvasteen ja taajuusvasteen välillä on kiinteä yhteys: edellinen voidaan laskea jälkimmäisestä käänteisen Laplace-muunnoksen avulla.

Muunnoksen suorittaminen on kuitenkin varsin hankalaa.

Säätötekniikassa on johdettu menetelmiä, jolla askelvastetta voidaan approksimoida suoraan taajuusvasteen perusteella. Viitteessä /15/ on esitetty yksinkertaisen esimerkin avulla ne nyrkkisäännöt, joiden avul­

la askelvasteen approksimointi voidaan suorittaa,kun tunnetaan avoimen

ja suljetun säätöpiirin siirtofunktioiden Bode-diagrammit. Esimerkiksi säätöjärjestelmän nopeutta kuvaava nousuaika saadaan avoimen säätöpii­

rin Bode-diagrammista cross-over kulmataajuudesta wc yksinkertaisesti seuraavasti:

t ~ 3 (5.11)

n ~ 2wc

Gross-over kulmataajuus on havainnollinen myös sikäli, että suljetun säätöpiirin kaistaleveys on verrannollinen siihen. Kaistaleveys määrää suurimman sisäänmeno suure en taajuuden, jonka säätöjärjestelmä pystyy käsittelemään.

Askelvasteen ja avoimen säätöpiirin Bode-diagrammin välistä yhteyttä kuvaa yleisesti kuva 2).

15dB-

-15 dB - -

Kuva 2?. Askelvasteen ja Bode-diagrämmin vastaavuus /15/

Säätöjärjestelmän stabiilisuuden arvioimiseen voidaan käyttää harmo­

nisen käyrän yhteydessä Nyqvistin kriteeriä ja Bode-diagrammin yhtey­

dessä vahvistus- ja vaihevaraa.

5.4.3 Tärkein taajuusalue

Generaattorin ja verkon välisen sähkömekaanisen heilahtelun taajuus määrää sen taajuusalueen, jolla jännitteen säätäjän ominaisuuksien tun­

teminen on tärkeintä. Luonnollinen, vapaan heilahtelun taajuus on ta­

vallisesti alueilla 0.3 ... 2 Hz. Keskimääräisenä arvona pidetään ar­

voa 1 Hz. Sähkömekaaninen heilunta tapahtuu luonnollisen taajuuden lä­

histöllä. Tämä merkitsee sitä, että jännitteen säätäjän tarkasteluissa rad /

on tärkeintä kulmataajuusalue 1 ... 10 /s.

- 26 -

Järjestelmän luonnollinen taajuus voidaan laskea vapaan heilahtelun karakteristisesta yhtälöstä, joka esiintyy mm. verkkoon liitetyn gene­

raattorin lohkokaaviossa, kuva 20 e. 2$.

3.4.4 Rajoitinlohkot, kyllästymisfunktiot ja itseherätteinen tasa- virtaherätinkone harmonisessa analyysissä

Harmonisessa analyysissa rajoitutaan hyvin pienten muutosten vaikutus­

ten tutkimiseen. Tällöin järjestelmää voidaan pitää täysin lineaarise­

na. Lineaarisuusalue voidaan määrätä laskemalla tai mittaamalla. Sen suuruus on tavallisesti n. 2 ... 5

/ 20 А

Lineaarisuusolettamuksen perusteella lohkokaaviossa esiintyviä rajoi- tinlohkoja ja kyllästymisfunktioita ei tarvitse huomioida säätöjärjes­

telmän harmonista käyrää ja Bode-diagrammia laskettaessa.

Kohdassa 3.3.1.1 IEEEîn lohkokaavioehdotuksen yhteydessä sekä liittees­

sä 2 tuli esiin itseherätteisen tasavirtaherätinkoneen kuvauksessa tarvittavan vakion Kg negatiivisuus ja pieni arvo. Negatiivisuus joh­

tuu sivuvirtakäämin aiheuttamasta positiivisesta takaisinkytkennästä.

Sivuvirtakäämin resistanssi asetellaan tavallisesti niin, että jatku- vuustilassa nimellispisteen läheisyydessä tämä takaisinkytkentä kumoaa kyllästyksen vaikutuksen, jolloin jänniteominaiskäyrän resistanssivii- va yhtyy magnetointikäyrään ja herätinkone voidaan kuvata puhtaana in- tegraattorina. Harmonista käyrää tai Bode-diagrammia laskettaessa tä­

mä merkitsee sitä, että itseherätteisen herätinkoneen tapauksessa va­

kio Kg on jätettävä vaille huomiota.

3.4.3

Säätövahvistimen ja sisäisen stabiloinnin vaikutus säätäjän ominaisuuksiin

Merkitsemällä säätövahvistimen,herättimen ja takaisinkytkennän siirto- funktioita Fg(s), *h(s) ja Fg^(s), saadaan kuvasta 16 g. 19 siirto- funktioksi

ïïf(s) Fs(s).Fh(s)

Ж7Г " 1 + î,s(s)*ï’h(s)*Fst(s)

(

.

)

Siirtofunktioiden lausekkeista voidaan päätellä seuraavaa!

a. Alhaisilla kulmataajuuksilla FBt(s) » 0 ja voidaan merkitä Uf(s)

1 UT -Fs(s)# Fh(s) (5.15)

b. Korkeilla kulmataajuuksilla Fg(s)•Fy(s)•Fgt(s) lähestyy arvoa nolla, kun kulmataajuus kasvaa, ja saadaan

Uf(s) .

■Щ7Г * Fg(B)# Vs) (5-14)

c» Keskisuurilla kulmataajuuksilla (dynaamisella alueella) useimmat jännitteen säätöjärjestelmät on suunniteltu siten, että

Fs(s) * Fh(s) ' Fst(s) » 1, joten

Uf(s) 1

E(s) ~ Fst(s) (5.15)

Lausekkeesta nähdään, että dynaamisella alueella säätäjän toiminnan määrää pelkästään takaisinkytkentäelementti, ts. sen vahvistuskerroin ja aikavakiot. w- 1.„ 1o c-^^/s

5« 5 Jännitteen säädön käsitteet ja määritelmät

Jännitteen säädöstä ja sen käsitteistöstä ei ole toistaiseksi olemassa kansainvälisiä suosituksia tai standardeja. Ehdotuksia näiksi on val­

misteltu ja erään IEEE:n komitean julkaisema ehdotus Proposed Excitation System Definitions for Synchronous Machine s (/

on vakiintunut käyt­

töön julkaisuissa. Helppokäyttöisiä, säätäjien suorituskyvyn arvoste­

lemiseen ja ominaisuuksien vertailuun soveltuvia parametreja on valmis­

teltu myös CIGBEîn työryhmässä, viite /20/.

Liitteeseen 3 on kerätty eräitä käsitteitä ja määritelmiä, jotka tulevat

esiintymään jatkotekstissä.

28 ^-

4.

JÄNNITTEEN SÄÄDÖN VAIKUTUS GENERAATTORIN STABIILISUUTEEN JA LISÄSTABILOINNIN PERUSTEET

4.1 Heilahteluilmiö

Generaattorin stabiilisuus vaarantuu, kun mekaanisen ja sähköisen momentin välinen tasapaino häiriintyy esimerkiksi voimansiirtojärjes­

telmään ilmestyvän vian tai suuren kuormitusmuutoksen seurauksena.

Jännitteen säädön tutkimuksissa pääpaino tätä nykyä on siinä miten jännitteen säädön avulla voidaan vaimentaa em. tilanteessa syntyvää heilahtelua. Perusilmiö, jota tällöin joudutaan tarkastelemaan, on momentti-napakulma -säätöpiirin stabiilisuus, siis se miten gene­

raattorin napakulma ô ja kulmanopeus ш käyttäytyvät momenttimuutoksen seurauksena.

Jännitteen säädön vaikutusta generaattorin staattiseen ja dynamiseen stabiilisuuteen on käsitelty lukuisissa ansiokkaissa julkaisuissa, esim. viitteet /2/, /l4/» /19/» /23/ ••• /35/• Seuraavassa on yhteen­

vedon tapaan esitetty tärkeimmät seikat näistä tarkasteluista.

4.1.1 Tahdistava ja vaimentava momentti

o Generaattorin napakulman heilahteluihin vaikuttaa aina järjestelmän luonnollinen, sähkömekaaninen vaimennus. Sähköisen vaimennuksen ai­

kaansaa pääasiassa vaimennuskäämitys. Mekaanisen vaimennuksen aiheut­

taa turpiini, sen osuus kokonaisvaimennuksesta on kuitenkin vain n.

1

/

.

Vaimennukseen vaikuttavat momentit voidaan jsikaa aina kahteen kompo­

nenttiin:

a. tahdistava momentti, joka on samanvaiheinen napakulman kanssa b. vaimentava momentti, joka on samanvaiheinen pyörimisnopeuden

kanssa.

Vaimentava momenttikomponentti on siis 90 edellä napakulman vaihte­o luita, koska

O

(4.1)

Jotta järjestelmä säilyisi stabiilina, tulee kummankin momenttikompo- nentin olla positiivinen.

Aiemmin stabiilisuurtarkasteluissa määrättiin ainoastaan tahdistava momenttikomponentti ja vaimentava momenttikomponentti jätettiin tar­

kastelujen ulkopuolelle, koska ei ollut kehitettynä sopivaa laskenta­

menetelmää, jolla olisi voitu määrätä milloin vaimentava momentti tu­

lee negatiiviseksi. Voimansiirtojärjestelmiin syntyvä negatiivinen vaimennus on viime vuosina ollut pääsyy näissä esiintyvään stabiili-

suu den huononemiseen.

4.1.2 Jännitteen säätäjän vahvistuksen vaikutus tahdistavaan ja vaimentavaan momenttiin

Generaattorin taajuusvasteanalyysin avulla on johdettavissa seuraavat yleisesti tunnetut johtopäätökset /19/s

Tahdistava momentti kasvaa jännitteen säätäjän vahvistuksen kasvaessa. Tahdistavan momentin kasvu on voimakkainta mata­

lilla taajuuksilla. Hyvin suurilla taajuuksilla tahdistava momentti pienenee ja saattaa tulla negatiiviseksi.

Vaimentava momentti vähenee jännitteen säätäjän vahvistuksen kasvaessa. Useissa tapauksissa järjestelmän luonnollinen vai­

mennus on niin pieni, että suuri säätäjän vahvistus mitätöi sen tai tekee sen negatiiviseksi, ja vaikka vahvistus olisi likimain nolla, saataisiin vain hyvin vähän vaimennusta.

Suurentamalla jännitteen säätäjän vahvistusta (lisäämällä säätönopeut- ta) joudutaan siis ristiriitaiseen tilanteeseen: tahdistava momentti saadaan kasvamaan, mutta samalla tuhotaan vähäinen luonnollinen vaimen nus, josta on seurauksena sähkömekaanisen heilahtelun vaimentumatto- muus huolimatta kasvaneesta tahdistavasta momentista.

Oikean vahvistusarvon määrääminen muodostuu täten optimointitehtäväksi Optimaalinen ratkaisu saadaan vahvistuskertoimella, joka tuottaa riit­

tävästi tahdistavaa momenttia ilman, että se kumoaa koneen vaimentavaa

K