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Synchronisiereinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Synchronisiereinrichtung
zur automatischen Kupplung von Netzen mit Hilfe einer Frequenzabgleich- und einer
Parallelschalteinrichtung, wobei in die ParalleIschalteinrichtung eine veränderliche
Gleichspannung eingeführt wird, die aus gleichgerichteten Spannungsdifferenzen der
verschiedenen Netzsysteme besteht.
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Es sind bereits Synchronisiereinrichtungen bekanntgeworden, bei denen
das Minimum einer »Schwebespannung«, gemessen zwischen einander entsprechenden Phasen
zweier Netze, als Kriterium für den Einschaltbefehl verwendet wird. Der Nachteil
besteht hierbei darin, daß schon bei geringen Abweichungen in der Größe oder der
Kurvenform der Spannungssysteme die Schwebespannung kein eindeutiges Minimum mehr
aufweist (Fig.1). Bei Verwendung von Gleichrichtern bewirkt darüber hinaus die Gleichrichterschwellspannung
eine Ungenauigkeit des Spannungskleinstwertes. In Fig.2 ist der Verlauf der gleichgerichteten
Schwebespannung wiedergegeben. Die bisher verwendeten Synchronisiereinrichtungen
neigen vielfach auch zu Fehlschaltungen und weisen zahlreiche mechanisch beanspruchte
Teile bzw. geheizte Röhren auf, welche die Lebensdauer des Gerätes verkürzen.
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Die Mängel des Bekannten lassen sich durch die erfindungsgemäße Einrichtung
vermeiden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die auf eine gemeinsame Last arbeitenden
Differenzspannungen von einer Phase des einen Netzes und zwei gegenüber ihrer normalen
Lage verschobenen Phasen des anderen Netzes gebildet sind.
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Der Vorteil der Erfindung ist zunächst darin zu sehen, daß die Auslösung
des Parallelschaltbefehles stets durch ein eindeutig ausgeprägtes Spannungsminimum
erfolgt. Darüber hinaus kann die Lebensdauer der Einrichtung, die hauptsächlich
mit Kaltkathodenröhren arbeitet, als praktisch unbegrenzt angesehen werden. Schließlich
ist es möglich, die Parallelschaltung der Netze auch unter Berücksichtigung der
Eigenzeit des Kupplungsschalters vorzunehmen.
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In den Zeichnungen beziehen sich die Fig.3, 10 und 11 auf Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes, während die Fig.4 bis 9 und die Fig.12 der Erläuterung
der Wirkungsweise dienen.
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In Fig. 3 sind mit R, S, T die Phasen eines Netzes 1, mit
U, V, W diejenigen eines Netzes 2 bezeichnet. Beide Netze werden mit Hilfe
des Schalters 3 gekuppelt. Der Nulleiter O ist unmittelbar durchgeführt. Am Netz
1 ist der Einphasentransformator 4, am Netz 2 der Dreiphasentransformator 5 angeschlossen.
Der Einphasentransformator wird mit den Sekundärwicklungen des Dreiphasentransformators
so zusammengeschaltet, daß am Transformator 6 die vektorielle Spannungsdifferenz
zwischen den Phasen -V und R auftritt. Entsprechend liegt der Transformator
7 an der vektoriellen Spannungsdifferenz zwischen der Phase - W und der Phase R.
Schließlich sind noch zwei weitere Transformatoren 8 und 9 vorhanden, wobei der
Transformator 8 an die Phasenpunkte R und U, der Transformator 9 an die Punkte
R und O angeschlossen ist. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 6, 7, 8 und
9 führen zu Gleichrichteranordnungen 10, 11, 12 und 13. Die Gleichrichterbrücken
10 und 11, an welche ein Kondensator 14 angeschaltet ist, arbeiten auf eine
gemeinsame Last, die durch die Widerstände 15, 16 dargestellt wird. An die Brücke
12 sind Glättungsglieder 17, 18,
19, 20 und ein RC-Glied (Widerstandskapazitätsglied)
angeschlossen, welches die Widerstände 21, 22 und den Kondensator 23 enthält. Ferner
ist die Gleichrichteranordnung 12 mit einer Frequenzabgleicheinrichtung 24 verbunden.
Diese weist die Kaltkathodenröhren 25, 26, 27 auf, in deren Anodenleitung der Widerstand
28 eingeschaltet ist. Im Anodenkreis der Röhren 25 und 27 liegen außerdem die Relais
29 und 30, deren Kontakte mit A und B
bezeichnet sind. Zwischen den
Startern und den Kathoden sind Kondensatoren 31, 32, 33 angeordnet. Ferner steht
der Starter der Röhre 25 über einen Widerstand 34 mit der Gleiechrichteranordnung
10 und der Starter der Röhre 27 über einen Widerstand
35 mit der
Gleichrichteranordnung 11 in Verbindung. Der Starter der Röhre 26 führt über einen
Widerstand 36 zu einem RC-Glied, bestehend aus der Kapazität 37 und dem Widerstand
38, welchem ein Gleichrichter 39 parallel geschaltet ist. Schließlich zeigt die
Fig.3 noch die eigentliche Parallelschalteinrichtung 40. Hierbei speist die Gleichrichterbrücke
13 über einen Widerstand 41 und ein Relais 42, das einen Kontakt C besitzt, eine
Kaltkathodenröhre 43. Zur Glättung der Gleichrichterspannung ist ein entsprechend
bemessener Kondensator 44 vorgesehen. Der Starter der Röhre 43 ist über Widerstände
45, 46 mit dem schon erwähnten RC-Ghed 21, 22, 23 verbunden. Weiterhin ist zwischen
Starter und Kathode ein Kondensator 47 und ein Gleichrichter 48 angeordnet, der
der Verhinderung von Rückzündungen dient. Ferner weist die Parallelschalteinrichtung
eine Röhre 49 und zugehörige Kondensatoren 50, 51 sowie Widerstände 52, 53, 54 auf.
Mit 55 ist ein Potentiometer, mit 56 ein Widerstand bezeichnet.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig.3 wiedergegebenen Einrichtung
dienen die Fig. 4 bis 9. In Fig. 4 sind die Spannungssterne der beiden Netze 1 und
2 für den Fall dargestellt, daß die Phasenverschiebung (p zwischen den Dreiphasensystemen
gleich Null ist. Man erkennt, daß die Spannung U8 des Transformators 8, die der
Spannungsdifferenz zwischen den Phasenpunkten R und U entspricht, ebenfalls gleich
Null ist. U6 und U7 besitzen hingegen den eingezeichneten Wert. Bei (p gleich 180°
(Fig.5) erreicht U8 den Maximalbetrag.
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Mit Hilfe der vorgenannten Zeigerdiagramme läßt sich auf einfache
Weise der Verlauf der Schwebespannungen ermitteln, und die von den Brücken 10, 11,
12 gleichgerichteten Spannungen U", U7, U8 können der Fig. 6 entnommen werden.
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Da die Gleichrichteranordnungen 10 und 11 auf eine gemeinsame Last
arbeiten, liegt an dieser eine Gleichspannung U', welche stets der größern der beiden
Schwebespannungen U6, U7 entspricht, da die Gleichrichterbrücke mit der kleineren
Spannung gesperrt wird. In Fig. 7 ist der Verlauf von U' gezeigt. Man kann daraus
entnehmen, daß für p = 0, d. h. bei Phasenübereinstimmung der beiden Netze, U' ein
Minimum aufweist. Dieses wird, wie weiter unten eingehend beschrieben ist, als Kriterium
für den Parallelschaltbefehl verwendet. Es ist darauf hinzuweisen, daß das Minimum
von U' auch dann eindeutig ausgeprägt ist, wenn die Spannungen der parallel zu schaltenden
Netze nicht gleich groß sind oder wenn ihre Kurvenformen infolge von Oberwellen
nicht übereinstimmen.
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Die Frequenzabgleicheinrichtung 24 wirkt nun folgendermaßen: Es sei
zunächst angenommen, daß sich das System U, V, W langsamer drehe als das
System R, S, T und der Winkel 99 in diesem Falle positiv gezählt werde. Dann
ist mit zunehmender Spannung U8, welche die Anodenspannung für die Röhren 25, 26,
27 darstellt, die Spannung U7 im Anwachsen, die Spannung U6 hingegen im Abnehmen
begriffen (Fig. 6). U6 und U7 liegen an den Startern der Röhren 25 und 27. Es wird
also die Röhre 27 gezündet und das Relais 30 erregt, welches den Kontakt B betätigt.
Es kann nun von Hand oder automatisch die Geschwindigkeit der das Netz 2 speisenden
Maschinen erhöht werden. Dreht sich aber das System U, V, W rascher
als das System R, S, T, so gelten die negativen Werte von p. Die Spannung
U, steigt, während die Spannung U7 abnimmt. Daher zündet jetzt die Röhre 25 und
kann zur Auslösung entsprechender Schaltbefehle für den Frequenzabgleich herangezogen
werden. Der Widerstand 28 bewirkt, daß nur eine der Röhren 25, 27 zündet. Brennt
beispielsweise die Röhre 27, so ist der Spannungsabfall am Widerstand 28 so hoch,
daß die für die Röhre 25 zur Verfügung stehende Anodenspannung nicht mehr ausreicht,
um eine Zündung zu ermöglichen. Das Verlöschen der Röhren erfolgt automatisch, wenn
die Anodenspanung unter die Brennspannung absinkt. Sobald die Frequenzdifferenz
zwischen den parallel zu schaltenden Netzen kleiner als ein vorbestimmter Betrag
ist, kann die Impulsgabe der Röhren 25 und 27 unterbleiben. In dem genannten Falle
wird der Kondensator 37 über den Widerstand 38 aufgeladen und zündet die Röhre 26.
Wegen des hierdurch bedingten Spannungsabfalles am Widerstand 28 ist eine Zündung
der Röhren 25 und 27 unmöglich. Beim Absinken der Anodenspannung entlädt sich die
Kapazität 37 über den Gleichrichter 39, so daß in der nächsten Periode der Schwebespannung
die Aufladung von neuem erfolgen kann.
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Die Parallelschalteinrichtung 40 hat folgende Wirkungsweise: Es sei
zunächst angenommen, daß der Starter der Röhre 43 an dem Punkt P des RC-Gliedes
21, 22, 23 (Fig.3) liege. Bezeichnet man nun die Spannung zwischen dem Abgriff des
Potentiometers 55 und der Kathode der Röhre 43 mit AU, so ergibt sich in einfacher
Weise aus der entsprechenden Maschengleichung, daß die Spannung zwischen der Kathode
und dem Starter der Röhre 43 gleich ist der Differenz AU - U'. Diese Starterspannung
zeigt Fig. B. Hierbei ist vorausgesetzt, daß AU vollständig geradlinig verläuft.
Es ist zu erkennen, daß das Spannungsminimum von U' am Starter als positives Spannungsmaximum
auftritt, welches unter Vernachlässigung der Röhre 49 bei 99 = 0 zur Zündung
der Röhre 43 verwendet werden könnte. Das Relais 42 würde dann den Kontakt C betätigen
und damit den Kupplungsschalter 3 einlegen. Nun ist es jedoch notwendig, den Parallelschaltbefehl
zu sperren, wenn die Frequenzdifferenz der beiden Dreiphasensysteme noch zu groß
ist. Dies wird mit Hilfe der Röhre 49 erreicht. Solange diese nicht gezündet hat,
bleibt der Spannungsabfall an den parallel zur Röhre liegenden Widerständen 41 und
55 so groß und AU so klein, daß die Starterspannung an der Röhre 43 keine
Zündung herbeiführen kann. Auch die Anodenspannung der Röhre 43 liegt dann unter
ihrem Mindestwert. Die Zündung der Röhre 49 erfolgt durch Aufladung des Kondensators
50 über den Widerstand 54. Bei großer Frequenzdifferenz der zusammenzuschaltenden
Netze sprechen die Relais 29 und 30 an, wie es vorher beschrieben wurde, und betätigen
die Kontakte A und B. Hierdurch wird der Kondensator 50 immer wieder entladen, und
die Röhre 49 bleibt gelöscht. Sobald aber die Frequenzdifferenz der beiden Dreiphasensysteme
unter einen vorbestimmten Betrag gefallen ist, zünden die Röhren 25 und 27 der Frequenzabgleicheinriehtung
nicht mehr, und die Kontakte A und B bleiben offen. Es zündet also die Röhre 49,
wodurch der Spannungsabfall an den Widerständen 41, 55 auf die Brennspannung sinkt
und A U eine solche Größe annimmt, daß auch die Röhre 43 zünden kann und die Betätigung
des Schalters 3 bewirkt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht
nun auch noch die Berücksichtigung der Eigenzeit des Kupplungsschalters 3. Um die
Kontaktberührung dieses Schalters genau bei der Phasenübereinstimmung herbeizuführen,
muß der Einschaltbefehl vor cp = 0 gegeben werden. Es wird deshalb eine Zusatzspannung
in den Starterkreis der Röhre 43 eingeführt, die der ersten zeitlichen Ableitung
der Spannung U" proportional ist. Dies l'äßt sich mit Hilfe eines RC-Gliedes 21,
22, 23 erzielen. Da der Strom des Kondensators 23 dem Differentialquotienten der
Spannung U, entspricht, gilt dies auch für die Spannungen an den Widerständen 21,
22. Bei entsprechender Wahl der Anschlußpunkte an diesen Widerständen (strichpunktiert
dargestellt) hat dann die Steuerspannung U,t den in Fig. 9 angegebenen Verlauf,
und die Röhre 43 zündet um die Schaltereigenzeit t früher. Die Widerstände 21, 22
können selbstverständlich zum Zwecke der genauen Einstellung von t auch mit entsprechenden
Abgriffen versehen sein.
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Gemäß Fig. 3 wird als Anodenspannungsquelle für die Parallelschalteinrichtung
40 eine normale Gleichrichterbrücke 13 verwendet. Sofern größere Netzspannungsänderungen
auftreten, hat es sich für die einwandfreie Wirkungsweise der Synchronisiereinrichtung
jedoch als zweckmäßig erwiesen, die Speisespannung mit einer Anordnung zu erzeugen,
welche in Fig.10 wiedergegeben ist. Dort sind mit 57, 58 Gleichrichterbrücken, mit
59, 60 Kondensatoren, mit 61 ein veränderbarer Widerstand, mit 62 Stabilisierungsröhren
und mit 63, 64 die Ausgangsklemmen bezeichnet. Eine der Brücken 57, 58 wird an eine
Teilspannung des Netzes 1, die andere an eine Teilspannung des Netzes 2 angeschlossen.
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Falls die Aufgabe besteht, den Synchronisator an beiden Netzen einphasig
anzuschließen, kann man das erforderliche Dreiphasensystem mit Hilfe der in Fig.11.
dargestellten Schaltung aufbauen. Der Kondensator 65, der Widerstand 66 und die
Drosselspule 67 liegen in Reihe an der Einphasenspannung U. Fig.12 zeigt die Phasenbeziehungen
zwischen den einzelnen Größen. U66 liegt in Phase mit dem Strom J, U615 eilt um
90° nach und U67 näherungsweise um 90" vor. Zwischen den Punkten 68, 69 und 70 ist
dann eine Dreiphasenspannung vorhanden.
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Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung werden die Phasenspannungen
der Drehstromsysteme für die Synchronisiereinrichtung verwendet. Es ist jedoch auch
ohne weiteres möglich, sinngemäß mit den verketteten Spannungen zu arbeiten.