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-Synchronisiereinrichtung für elektrische Krafterzeugungsanlagen und
Verfahren zu ihrem Betrieb Die Erfindung bezieht sich auf Krafterzeugungsanlagen,
und zwar insbesondere auf Anlagen mit irgendeinem Antriebsaggregat, wie z. B. Synchrongeneratoren
mit Gasturbinenantrieb, bei denen der Generator außer zur Speisung des Netzes mit
elektrischer Energie, auch zur Erzeugung kapazitiver Blindleistung für den Phasenausgleich
betrieben werden kann. Bei der letzterwähnten Betriebsweise würden durch den Mitlauf
der Antriebsmaschine mit der elektrischen Maschine zu große Verluste entstehen,
und zu diesem Zweck sind die Maschinen durch eine Kupplung verbunden, die ein Abkuppeln
der Antriebsmaschine ermöglicht. Bei abgekuppelter Antriebsmaschine ist es erwünscht,
die elektrischen Stromerzeugungsmaschinen wieder einkuppeln zu können, ohne daß
die elektrische Maschine erst zum Stillstand gebracht werden muß. Bei Maschinen
geringer Leistung kann dies durch-- Reibungskupplungen erfolgen, dagegen können
bei dem Auftreten großer Kräfte die Unterschiede in der Umlaufgeschwindigkeit nicht
durch Schlupf beseitigt werden, da es schwierig ist, Kupplungen zu bauen, die den
dabei auftretenden schweren Beanspruchungen widerstehen können.
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Zweck der Erfindung ist sowohl die Schaffung einer verbesserten Synchronisiereinrichtung,
insbesondere für Maschinen hoher Leistung, als auch die Entwicklung eines - besonders
vorteilhaften Verfahrens zum Kuppeln .solcher Maschinen.
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Die Erfindung bedient sich dabei eines Aggregates,. das aus einem
elektrischen Synchrongenerator für die Speisung eines Netzes und einer mit diesem
durch eine Kupplung verbundenen Antriebsmaschine mit Hilfssynchrongenerator besteht.
Gemäß der Erfmdung ist der Hilfssynchrongenerator in an sich bekannter Weise über
das Netz auf den von der Antriebsmaschine abgekuppelten Hauptgenerator schaltbarund
dient zur elektrischen Vorsynchronisierung für, das mechanische Zusammenkuppeln
der Antriebsmaschine mit dem Hauptgenerator. Durch das elektrische Vorschalten des
Hilfssynchrongenerators, der zweckmäßig ein für seine Abmessungen großes Kippmoment
bei kurzzeitiger Belastung aufweist, ist eine im Verhältnis zu der mechanischen
Zusammenkupplung große »Federung« erreichbar. Die Erfindung ermöglicht eine Regelung
der Antriebsmaschine und die für die Sicherheit erforderlichen Messungen, bevor
der mechanische Kupplungsvorgang erfolgt.
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Es ist bereits eine Synchronisiereinrichtung für elektrische Krafterzeugungsanlagen
bekannt, bei der ein ':.Hilfssynchrongenerator mit der abkuppelbaren Antriebsmaschine
bleibend verbunden ist. Es handelt sich dabei aber um einen Generator kleiner Leistung,
der lediglich ein Synchronoskop, also ein Meßinstrument, speist und nicht über das
Netz auf den Hauptgenerator schaltbar ist; um eine elektrische kraftübertragende
Kupplung zu bewirken.
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Eine andere bekannte Einrichtung zum Grobsynchronisieren verwendet
einen Hilfssynchrongenerator für das elektrische Einschalten eines Synchrongene=
rators hoher Leistung an das Netz. Dabei sind jedoch die Antriebsmaschine sowie
Haupt- und Hilfsgenerator stets bleibend miteinander verbunden. Dies ist auch bei
einer anderen bekannten Synchronisierein- -richtung der Fall, bei welcher der Hilfsgenerator
als Impulsorgan für die Regelung der Antriebsmaschine dient. Diese Einrichtungen
können -deshalb keine elektrische kraftübertragende Kupplung im Sinne dieser Erfindung
bilden und sind somit auch nicht für eine Krafterzeugungsanlage mit abkuppelbarer
Antriebsmaschine verwendbar. Hinzu kommt noch, daß bei jenen der Hilfsgenerator
aus verschiedenen Gründen klein bemessen ist. Bei der Synchronisiereinrichtung nach
der Erfindung wird dagegen die Vorsynchronisierung um so zuverlässiger, je kräftiger
der Hilfsgenerator ist.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt. Es zeigt -
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Kraft= erzeugungsanlage mit der Einrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 einte Kupplung
im Längsschnitt, Fig. 3 bis 6 einige Zähne der Kupplung in Schematischen Darstellung
bei verschiedenen Betriebsstellungen und Fig.7 einen Teil der Kupplung von Fig.2
im Längsschnitt.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist 1. ein Synchrongenerator, der an ein Netz
2 nrtgesehlQSaen fit. Mittels einer Klauenkupplung 3 kante der Generator mit einer
Antriebsmaschine verbunden werden, die - in dem vorliegenden Fall eine Gasturbine
4 ist. Auf dem dem Generator 1 abgekehrten Ende der Gasturbinenwelle ist eine Hilfssynchronmaschine
5 angebracht, deren Kippmoment im Verhältnis zu den Abmessungen dieses Generators
groß ist bei kurzzeitiger Belastung.
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Wenn der Generator 1 als Synchronkondensator betrieben wird, ist die
Kupplung 3 ausgerückt, so daß die Turbine 4 und der Hilfsgenerator 5 sich außer
Betrieb befinden. Wenn der Synchronkondensator als Generator zu betreiben ist, muß
die Turbine 4 in Betrieb gesetzt und mit dem Generator verbunden werden. Hierzu
wird der starr mit der Turbine 4 verbundene Hilfsgenerator 5 nach Erreichen der
Nenndrehzahl synchron an das Netz 2 geschaltet. Dadurch werden der Generator 1 und
der Generator 5 elektrisch miteinander verbunden. Es wird nun infolge der Geschwindigkeitsschwankungen
um die mittlere Synchrongeschwindigkeit, die durch die Netzfrequenz bestimmt ist,
nicht möglich sein, die Klauenkupplung 3 unmittelbar einzurücken. Zu diesem Zweck
ist die Kupplung so ausgebildet, daß die Verbindung stufenweise erfolgt, Ein Kupplungsteil
besitzt die Form einer Hülse 6 (Fig.2) mit an seinen Enden nach innen hervorstehenden
Zähnen 7 bzw. B. Die Hülse ist längs der Welle 9 der Turbine 4 verschiebbar, zu
diesem Zweck ist die Welle mit Zähnen 10 versehen, die mit den Zähnen 7 im
Eingriff stehen, so daß das Drehmoment von der Welle auf die Hülse übertragen werden
kann. Die Zähnte 8 an dem gegenüberliegenden Ende können bei Einser Axialverschiebung
der Hülse mit Zähnen 11 in Eingriff kommen, die auf dem Kupplungsteil 12 des Generators
1 angebracht sind. Die Axialverschiebung erfolgt mit Hilfe .eines hydraulischen
Servomotors 13, dessen Kolbenstange 14 auf einen längs einer Führungsbahn 15 verschiebbaren
Ring 16 einwirkt, der seinerseits mit den seitlichen Schultern einer am Umfang der
Hülse angebrachten Ringnut in axialem Eingriff steht.
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Wie bereits vorher erwähnt wurde, erfolgt die Verbindung der Teile
in Stufen, die in Fig. 3 bis 6 schematisch dargestellt sind, in denen einige Zähne
ß und 11 der entsprechenden Kupplungsteile in verschiedenen Betriebsstellungen gezeigt
sind. Die jeweils zweiten Zähne $' und 11' sind länger als die dazwischenliegenden
Zähne und erstrecken sich axial nach dem gegenüberliegenden Kupplungsteil zu. Die
Fig. 3 zeigt die Kupplung in ihrer ausgerückten Stellung. Nachdem die Generatoren
1 und 5 in der bereits beschriebenen Weise elektrisch miteinander verbunden sind,
wird die gegenseitige Lage der Kupplungsteile in an sich bekannter Weise mit Hilfe
von Zahnrädern 17 (Fig.1) ermittelt. Danach wird ein Kupplungsteil gegen den anderen
so weit verschoben, daß nur die verlängerten -Zahnteile mit entsprechend größerer
Teilung ineinandergreifen können. Diese Stellung ist in Fig.4 veranschaulicht. Die
größere Zahnteilung läßt dies zu, selbst wenn eine gewisse plötzliche Abweichung
von der gemeinsamen Synchrongeschwindigkeit auftreten sollte. Durch leichte Erhöhung
des Drehmomentes der Gasturbine, das immer noch im vollen Umfang von dem Generator
5 aufgenommen wird, ändert sich der Polwinkel, so daß die verlängerten Zahnteile
8`, 11' zur Anlage gebracht werden können, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. In dieser
Stellung kann die Kupplung bereits ein Drehmoment von einer gewissen Größe übertragen.
Eine weitere Erhöhung des von der Gasturbine ausgeübten Drehmomentes hat ein festes
Andrücken der Zahnflanken gegeneinander zur Folge. Die Kupplung befindet sich nunmehr
in einer Stellung, in der die letzte Einrückstufe erfolgen kann, die darin besteht,
daß der ersterwähnte Kupplungsteil in axialer Richtung weiter vorgeschoben wird,
so daß alle Zähne miteinander in Eingriff kommen und die in Fig. 6 gezeigte Endlage
einnehmen, in der die Kupplung das volle Drehmoment von der Gasturbine auf den Generator
1 übertragen kann.
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Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, sind die einander zugekehrten
Stirnseiten der Zähne zugeschärft, um ihre Eingriffsbewegung zu erleichtern.
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Zum Zweck des Auskuppelns wird das Drehmoment der Gasturbine vermindert,
wonach ein Kupplungsteil in einer einzigen Stufe aus seinem Eingriff mit .dem anderen
Teil zurückgezogen wird.
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In Fig. 7 ist die Bauart des Servomotors 13 gezeigt, der die stufenweise
Axialverschiebung ausführen kamt. In einem Gehäuse 19 sind zwei Kolben 20 und 21
verschiebbar. In der ausgerückten Stellung wird die Hülse 6 (Fig. 2) dadurch gehalten,
daß Drucköl über eine Leitung 22 zugeführt wird, während die Leitungen 23 und 24
mit dem Ablauf verbunden sind. Zur Erzielung der für die erste Stufe des Kupplungseingriffes
dienenden Axialverschiebung wird Druckbi der Leitung 24 zugeführt. Die Leitung
23 ist noch mit dem Ablauf verbunden. Da die wirksame Fläche des Kolbens
20 größer ist als die des Kolbens 21, werden .die Kolben Tiber die Länge 25 nach
rechts verschoben, in der die verlängerten Zahnteile 8' und 11' miteinander in Eingriff
gelangen können. Die Verschiebung wird durch einen Anschlag 26 begrenzt, gegen dessen
Schulter an dem Kolben 20 vorgesehene Ansätze 27 zur Anlage kommen. Für die
nächstfolgende Eingriffsstufe der Kupplung wird Drucköl auch durch die Leitung 23
zugeführt. Dieses öl dringt ist den Zwischenrauen zwischen den beiden Kolben, und
da es auf eine größere Kolbenfläche wirkt als das von der Leitung 22 zutretende
C51, wird der Kolben 21 um die Strecke 28 nach rechts verschoben, wodurch die Kupplung
voll eingerückt ist.
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Bevor .die Kupplungsteile in Eingriff gelangt sind, wird. die Hülse
6 (Fig. 2) zusätzlich zu der durch den Eingriff der Zähne 7 und 10 bewirkten Führung,
noch mit Hilfe eines auf der Welle 9 vorgesehenen Zapfens 29 geführt. Dieser Zapfen
send die auf ihm gleitende Hülsenfläche besitzen abgeschrägte Kanten, so daß die
Führung völlig unterbrochen wird, nachdem die Kupplungsteile in Eingriff gelangt
sind.
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An Stelle der Verlängerung des jeweils zweiten Zahnes können auch
andere Ausführungen treten, bei denen jeder dritte oder vierte Zahn eine größere
Länge aufweist als die dazwischenliegenden Zähne.
Wie die Zeichnung
in Fig.2 erkennen läßt, sind die Zähne 11 bogenförmig gestaltet.