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Einrichtung zum selbsttätigen Synchronisieren oder Synchronhalten
parallel arbeitender Generatoren In dem Patent q.8o 897 ist eine Einrichtung beschrieben,
welche das selbsttätige Synchronisieren oder Synchronhalten parallel arbeitender
Generatoren bei oder nach Störungen in den Leitungsanlagen gestattet. Dies wird
dadurch erreicht, daß bei Eintritt der Störungen auf die Kraftmaschinen oder deren
Regler in Richtung auf Synchronismus eingewirkt wird.
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Handelt es sich g,,un nichl..um eine Xraftmaschine, sondern um einen
Umformer, z. B. einen Gleiclistrom-Drehstromuirifornier,'sö ist es möglich, anstatt
der Einwirkung auf den Regler der Kraftmaschine bei Störungen in dem Drehstromnetz
auf die Gleichstromleistung einzuwirken. Handelt es sich um einen Motorgenerator,
so wird eine Veränderung der Gleichstromleistung erzielt durch Einwirken auf die
Erregung der Gleichstrommaschine oder Vorschaltung eines Widerstandes vor den Anker.
Auch bei einem Einankerumformer kann durch Beeinflussung der Gleichstromerregung
eine Veränderung der Gleichstromleistung oder der Drehzahl erzielt werden, insbesondere
dann, wenn der Einankerumformer auf der Dreh- oder Wechselstromseite aus dem Synchronismus
geraten dst. Eine besondere Rolle spielen nun die neuerdings entwickelten Synchrongeneratoren,
welche mit Hilfe einer Asynchronmaschine, die in -der Regel durch Komutatorhintermaschinen
beeinflußt wird, angetrieben werden, etwa in der Weise, daß aus dem einen Netz in
das andere Netz konstante Leistung übertragen wird. Schaltungen, welche bei derartigen
asynchronen Schlupfumformern eine konstante Leistungsübertragung aus einem Netz
in ein anderes asynchronbetriebenes Netz gestatten, ohne daß hierbei durch die gewöhnlichen
Frequenzänderungen Veränderungen der Leistungsabgabe bedingt werden, sind bekannt.
Es ist auch bekannt, wie man bei diesen Schaltungen Wirk- und Blindleistung des
Umformers verändert.
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Tritt nun beispielsweise in dem Netz, an welchem die,Synchronmaschine
des Umformers arbeitet, infolge einer Störung ein !Stoß oder eine Spannungssenke
oder beides zugleich auf, so ist die Gefahr, daß die Synchronmaschine außer Tritt
gerät, noch größer als bei einer mit einer gewöhnlichen Kraftmaschine angetriebenen
Synchronmaschine. Der asynchrone Antrieb des Synchrongenerators sucht nämlich Leistungsabgabe
oder Leistungsbezug der Synchronmaschine unabhängig von Frequenz-und
Spannungsschwankungen
auf einem konstanten Wert aufrechtzuerhalten. Wenn jedoch beispielsweise die Netzspannung
in dem Netz der Synchronmaschine erheblich abfällt, so ist die Synchronmaschine,
weil ihr synchronisierendes Moment dann ebenfalls erheblich sinkt, überhaupt nicht
mehr in der Lage, die ihr aufgedrückte oder die von ihr entnommene Leistung zu übertragen.
Sie wird also in diesem Falle zwangsläufig außer Tritt geworfen und nunmehr beschleunigt
oder verzögert, bis die Sättigungsgrenze der asynchronen Hintermaschine erreicht
ist, welche in der Regel über ao bis ao°jo der normalen Drehzahl liegt. Die Synchronmaschine
wird daher so weitgehend über den für das Fangen der Maschine bei Wiederkehr der
Spannung günstigen Drehzahlbereich beschleunigt oder verzögert, daß ihr selbsttätiges
Wiedereintrittkommen ziemlich unmöglich sein dürfte.
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Erfindungsgemäß wird diese Schwierigkeit analog, wie in dem Hauptpatent
beschrieben, dadurch beseitigt, daß bei Spannungsrückgang oder Ansprechen von stromempfindlichen
Organen auf die Kraftentwicklung des asynchronen Hintermaschinensatzes eingewirkt
wird, etwa in der Weise, daß bei derartigen Störungen an Stelle einer Reglung des
asynchronen Hintermaschinensatzes auf konstante Leistung eine Reglung auf eine konstante,
für das Wiederintrittkomm@en günstige Drehzahl eintritt oder auch eine Reglung auf
konstanten Schlupf. Auch dann, wenn bei einem asynchronen Schlupfumformer beide
Maschinen durch einen Hintermaschinensatz selbsttätig gesteuert werden, wird die
in der Regel mit kurzgeschlossenem Läufer betriebene andere Asynchronmaschine in
derselben Weise, wie oben für die Synchronmaschine erläutert, außer Tritt geworfen,
wenn die Spannung in ihrem Netz erheblich sinkt. Erfindungsgemäß kann dieser Mangel
in der gleichen Weise durch Einwirkung auf die Hintermaschinenschaltung beseitigt
werden. Ferner kann bei einem derartigen Asynchrongenerator in den Rotorkreis ein
besonderer Schlupfwiderstand eingeschaltet werden, der für sich oder allein mit
den bereits angegebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen das Wiederintritt.kommen des
Maschinensatzes bei Wiederkehr der Spannung erleichtert.
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Die bisher beschriebenen Einrichtungen haben noch den Mangel, daß
unter Umständen, wenn beispielsweise eine noch synchron zusammenhängende Maschinengruppe
infolge von Überlastung ihre Drehzahl erheblich erniedrigt hat, die für die Wiederherstellung
des normalen Parallelbetriebes eines außer Tritt gefallenen Synchrongenerators günstige
Drehzahl nicht mehr die normale Drehzahl ist, sondern eine entsprechend tiefer gelegene
Drehzahl, wie sie der Frequenz der noch miteinander synchronen, infolge Überlastung
langsamer laufenden Maschinengruppe entspricht. Um diese Schwierigkeiten ;.u beseitigen,
ist es in erfindungsgemäßer Weise möglich, durch ein Fühlorgan die günstige Drehzahl
der Wiedersynchronisierung festzustellen. Beispielsweise kann dies nach der Erfindung
dadurch geschehen, daß man eine kleine, an derselben Spannung wie die Synchronmaschine
liegende Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer verwendet, welche in ihrer Drehzahl
der am meisten hervortretenden Frequenz unter den verschiedenen einander zum Teil
widersprechenden Frequenzen folgen wird. Diese Schaltung hat jedoch noch den Mangel,
daß sie unter Umständen durch die eigene Spannung der Synchronmaschine zu stark
beeinflußt wird. Erfindungsgemäß läßt sich dieser Mangel dadurch beseitigen, daß
man eine Hilfsmaschine mit Schleifringläufer verwendet, deren Rotor man möglichst
unmittelbar an .die zu synchronisierende Maschine legt, während man den Stator jenseits
einer Reaktanz, wofür im allgemeinen der Maschinentransformator herangezogen werden
kann, an die Netzspannung legt. In der Netzspannung wird infolge der Einwirkung
der Reaktanz bzw. der Streureaktanz der Maschinentransformatoren die Periode der
anderen, mit anderer Frequenz laufenden Synchronmaschinen vorherrschen, während
unmittelbar an den Klemmen der zu synchronisierenden Maschine die Periode der Maschine
selbst mehr hervortreten wird. Infol,ged.essen wird derRotor, der asynchronen Hilfsmaschine
Bewegungen ausführen, welche der Schlupffr.equenz entsprechen. Die Bewegung des
Rotors kann man daher zur BetätigLing der Drehzahlverstellung der Maschine verwenden.
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Um die Eigenperiode der Maschine mit un zweifelhafter Deutlichkeit
zu ermitteln, ist e ls möglich, diese Eigenperiode von einer mit der zu synchronisierenden
Maschine unmittelbar gekuppelten Wechselstromhilfsmaschine oder einer besonderen
Hilfswicklung zu entnehmen. Schließlich ist es auch möglich, die mechanische Drehung
der zu synchronisierenden Maschine mechanisch oder auf dem Umwege der bekannten
synchron oder asynchron wirkenden >rrbertragungsmittel der Hilfsmaschine zuzuführen,
welche die Beeinflussung der Drehzahlverstellung übernimmt.
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Die Abb. I zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. lall sei die
zu synchronisierende Maschine, welche über einem Maschinentransformator ebenso wie
die anderen Maschinen N12 und 1113 an die Sammelschiene S. angeschaltet ist. Auf
der Welle der Maschine Ml
bringt man beispielsweise eine asynchrone
Hilfsmaschine H, mit Kurzschlußläufer an, deren Stator an dem Schlzifringrotor der
gleichfalls asynchronen Hilfsmasch.ine H2 angeschaltet ist. Der Stator der letzteren
wird an die,S.ammelschieneS geschaltet. Di.eHilfsmaschine H , regelt die Drehzahlverstellung
der die Maschine L11, antreibenden Kraftmaschine K. Die Polzahl der Hilfsmaschine
H, wird gleich der Polzahl der Hauptmaschine 31, gewählt. Die Wirkungsweise der
Einrichtung ist folgende: Solange M, synchron mit der Sammelschienenspannung rotiert,
läuft auch der Rotor der Hilfsmaschine H, synchron in dem Drehfeld um, welches unter
Zwischenschaltung der Hilfsmaschine H2 von der Sammelschienenspannung induziert
wird. Die Hilfsmaschine H. bleibt also in diesem Falle stehen. Wird nun anderseits
die Maschine 1l!, asynchron, d. h. fängt sie an zu schlüpfen, so wird dieser Gleichgewichtswiderstand
gestärt, und die Hilfsmaschine H= beginnt entsprechend der Schlupffrequenz zu rotieren.
Läßt man nun die Hilfsmaschine H, die Drehzahlverstellung der Kraftmaschine K betätigen,
so kann man hierdurch die Steuerung der Kraftmaschine so verstellen, daß der Schlupf
der Maschine M, sich gegen die Sammelschienenspannung verkleinert bzw. nahezu auf
Null gebracht wird.
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Verwendet man an Stelle des asynchronen Kurzschlußläufers in der Hilfsmaschine
H. einen mit Gleichstrom erregten Synchronläufer, so kann man sogar die Drehzahlreglung
der Maschine so beeinflussen, daß die richtige Phasenlage der Maschine 31, zur Sammelschienenspannung
erzielt wird.
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Die bisher beschriebene Schaltung hat noch den Nachteil, daß die Sammelschienerispannung
sich nicht nur aus der Betriebsspannung der anderen Maschinen Ih, 111; usw. zusammensetzt,
sondern jedenfalls auch noch einen Anteil enthält, welcher von der Maschine M, herrührt.
Erfindungsgemäß läßt sich nun dieser Mangel dadurch beseitigen, daß man je nach
der Zahl der parallel arbeitenden Maschinen eine entsprechende Zusatzspannung in
den Hilfsmaschinenkreis einführt, welche geeignet ist, diese Störung zu kompensieren.
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Die Abb.2 stellt eine entsprechende Ausführungsform der Erfindung
dar. Alle Teile, welche den gleichen Zwecken, wie bei der Schaltung nach Abb. i,
dienen, sind ebenso wie dort bezeichnet. Hifizugefügt ist beispielsweise im Sternpunkt
der Hilfsmaschine H, ein dreischenkeliger Transformator T, dessen Primärwicklung
möglichst unmittelbar an die Klemmenspannung der Maschine angeschaltet wird. Durch
diesen Transformator wird in den Maschinenkreis eine Hilfsspannung induziert, welche
zweckentsprechend nach der Zahl der arbeitenden Maschinen abgestuft und den Einfluß
der Spannung der Maschine 31, auf die Sammelschienenspannung zu kompensieren
gestattet.
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Die beschriebene Einrichtung hat noch den Mangel, daß eine Spannungskompensation,
wie sie in Abb. 2 dargestellt ist, nach der Zahl der arbeitenden Maschinen verschiedenartig
abgestuft werden muß. Es ist nun möglich, diese Spannungskompensation in naheliegender
Weise durch eine Stromkompensation zu ersetzen, welche von den bekannten Eigenschaften
des Maschinenstromes ausgeht und in ähnlicher Weise den Einfluß der eigenen :Maschinenspannung
auf die Sammelschienenspannung beseitigen kann, wie dies nach Abb. 2 durch die Spannungskompensation
erzielt wird. Die Schwierigkeit der Abstufung der Kompensationseinrichtung nach
der Zahl der arbeitenden Maschinen läßt sich aber erst dann beheben, wenn im wesentlichen
nur der Maschinenstrom selbst zur Betätigung der Hilfsmaschine für die Beeinflussung
des Turbinenreglers oder sonstiger selbsttätiger Vorrichtungen benutzt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Schwierigkeit dadurch behoben, daß an Stelle
der Spannungskompensation die Stromkompensation tritt.
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Die Abb. 3 zeigt eine entsprechende Ausführungsform der Erfindung.
S sind Sammelschienen, an welchen die zu synchronisierende Maschine M,, gegebenen
Falles unter Zwischenschaltung eines Maschinentransformators, welcher jedoch hier
weniger nötig ist und unter Zwischenschaltung der Stromwandler W angeschlossen ist.
Mit der zu synchronisierenden Maschine M, unmittelbar gekuppelt ist eine Hilfsmaschine
H" welche gleiche Polzahl erhält oder mit entsprechender übersetzung angetrieben
wird, so daß bei der zweckmäßig zu wählenden Gleichstromerregung ihres Rotors in
ihrem Stator eine synchrone Wechselspannung induziert wird. Diese Wechselspannung
wird dem Schleifringrotor der Hilfsmaschine der Maschine H, zugeführt, welche wieder,
wie bei den Ausführungsformen nach Abb. i und 2, zum Antrieb der Drehzahlverstellung
der Kraftmaschine K dienen kann. Der Stator der Hilfsmaschine HZ erhält zweckentsprechend
zwei Wicklungen. Die eine Wicklung wird durch den Strom der Stromwandler gespeist,
während die zweite Wicklung zweckentsprechend über Widerstände oder die Drosselspulen
D an die Spannung der Hilfsmaschine H, gelegt wird. Die Wirkungsweise ist auf dem
Vektordiagramm (Abb. 4.) ersichtlich. F_, ist die Spannung der Maschine i, E'2 die
um dem Winkel 9 zurückgedrehte
Spannung der übrigen Maschinen
bzw. der Sammelschienen. Wird die Spannung E2 allmählich nach rechts um einen vollen
Umlauf gedreht, so wird ein Strom entstehen, welcher zunächst nahezu als Wattstrom
in Erscheinung tritt, bei Phasenopposition jedoch ein wattlos nacheilender Strom
wird, um bei Annäherung an die Phasengleichheit sich wiederum in einen Wattstrom,
jedoch mit umgekehrten Vorzeichen zu verwandeln. Die Stromvektoren liegen hierbei
auf einem Kreise oder einer kreisähnlichen Kurve R, welche in Abb. 4 näherungsweise
eingezeichnet ist. Fügt man zu den Stromvektoren, welche durch den Kreis begrenzt
sind, den in Abb.4 gestrichelt gezeichneten Zusatzstrom, so ergibt der Summenstrom
einen drehenden Stromvektor, der zur Betätigung der Hilfsmaschine HZ unter dem Einfluß
des durch die Hilfsmaschine H, oder unmittelbar von den Klemmen der Maschine M,_
entnommenen Maschinenspannungsfeldes geeignet ist. Die Hinzufügung des konstanten
Hilfsstromes, zu dessen Erzeugung die zweite, durch Drosselspulen D gespeiste Statorwicklung
der Hilfsmaschine H, dient (s. Abb. 3), hat ferner noch den Vorteil, daß auch bei
Parallellage der Spannungsvektoren und Gleichheit der Maschinen- und Sammelschienenspannung
die Hilfsmaschine Hz eine bestimmte Drehkraft besitzt, so daß sie auch bei kleinen
Störungen der Parallellage der Maschine am Netz nachfolgt. Insbesondere wird auch
durch die Anordnung des Hilfsstromkreises vermieden, daß Fehler in der Einstellung
der Maschinenerregung zu fehlerhaften Bewegungen des Hilfsmaschinenrotors Hz führen.
Die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Schaltung können in vielfacher Weise variiert
werden. Wesentlich ist für die Erfindung die Heranziehung der mehr oder weniger
unvollständigen Drehbewegung des Maschinenstromes, welche durch eine geeignete Zusatzspannung
in eine beinahe symmetrische Drehbewegung umgewandelt werden kann, die zur Betätigung
einer Hilfsmaschine und damit zur Verbesserung des Synchronismus dient.