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Verfahren zum Synchronisieren von Konstantspannungsgeneratoren für
Schiffsnetze Allgemein werden die zu Drehstromversorgungsanlagen gehörenden Generatoren
so betrieben, daß sie je nach Bedarf parallel auf eine gemeinsame Netzsammelschiene
geschaltet werden.
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Diese Parallelschaltung erfolgte bisher meist mit Hilfe bekannter
Synchronisiergeräte, wie z. B. Spannungsmessern, Frequenzmessern, Synchronoskopen
oder Phasenlampenanordnungen in Hell- oder Dunkelschaltung.
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Die Bedienung dieser Synchronisiergeräte und die Wahl des richtigen
Schaltaugenblicks setzen beim Bedienungspersonal jedoch eine gewisse Erfahrung voraus.
Wird z. B. versehentlich in einem Augenblick der Phasenopposition geschaltet, so
können zwischen dem Netz und der zuzuschaltenden Maschine so große Ausgleichsströme
auftreten, daß Wicklungs- bzw. Schleifringschäden die Generatoren betriebsunfähig
machen. Häufiger noch tritt jedoch ein Verschweißen der Generator-Selbstschalterkontakte
auf. Zum Losbrechen derselben muß in vielen Fällen das Sammelschienensystem der
Zentrale spannungslos gemacht werden. Für diese Zeit wird, bei Drehstromanlagen
für den Schiffsantrieb, das Schiff manövrierunfähig.
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Bei dieselelektrischen Schiffs-Drestromversorgungsanlagen wird es
oft schwierig, die Frequenz der zuzuschaltenden Maschine genügend genau an die Netzfrequenz
anzugleichen, da die Dieseldrehzahlregeler bei Seegang und den starken Erschütterungen
an Bord keine genügende Drehzahlkonstanz halten. Dadurch ergeben sich so kurze Schwebungsfrequenzen,
daß die Zeiträume, während der Synchronisationsbedingungen bestehen, sehr kurz werden.
Es können dann leicht Fehlschaltungen in Phasenopposition vorkommen, wodurch ernste
Gefahrenzustände für das Schiff entstehen.
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Für Landnetze sind zwar schon selbsttätige Synchronisiereinrichtungen
entwickelt und seit längerer Zeit auch verwendet worden. Diese Einrichtungen arbeiten
in der Weise, daß, vor dem Zuschalten des Generators, mit Hilfe mehr oder weniger
verwickelter Regeleinrichtungen der Generator und seine Antriebsmaschine selbsttätig
so beeinflußt werden, bis zwischen dem Generator und dem Netz gleiche Frequenz,
gleiche Spannung und gleiche Phasenlage bestehen.
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Diese Einrichtungen sind jedoch nicht geeignet für kleine, selbständige
Stromversorgungsanlagen mit relativ wenigen Generatoren und mit Großverbrauchern,
deren Nennleistungen denjenigen der Generatoren gleichkommen, wie sie an Bord von
Schiffen vorwiegend vorkommen, da die Frequenz und auch die Spannung in diesen Netzen
unter Umständen starken Schwankungen unterworfen sind. Diese Schwankungen treten
vor allem durch das Zu-und Abschalten größerer Verbraucher auf. Sie dauern dann
eine bestimmte Zeit, und zwar so lange, bis sich das Netz wieder auf einen neuen
statischen Zustand eingestellt hat.
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Der zuzuschaltende Generator müßte deshalb das gleiche Verhalten zeigen
wie das Netz, um die für die obigen bekannten selbsttätigen Synchronisiereinrichtungen
angegebenen Synchronisationsbedingungen zu erfüllen. Infolge der vorhandenen Regelzeiten
und des trägen Drehzahlverhaltens der Kraftmaschine ist dies aber während des Auftretens
der Schwankungen nicht möglich.
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Es sind auch für Landnetze Verfahren mit Handbetätigung bekannt, bei
denen der anzuschaltende Generator über eine Drossel synchronisiert wird. Das hierfür
angewendete Verfahren eignet sich jedoch schlecht für gleichartig aufgebaute Schiffsdrehstromanlagen,
da bei einer solchen Parallelschaltung wegen der im Vergleich zur Netzleistung großen
Einzelverbraucher starke betriebsgefährdende Spannungseinbrüche zu erwarten sind.
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In neuerer Zeit ist ein Synchronisierverfahren für Schiffsnetze vorgeschlagen
worden, bei dem unter Verwendung von Konstantspannungsgeneratoren, wie kompoundierten
oder kompoundierten und geregelten Generatoren der zuzuschaltende Generator mittels
einer zweistufigen Schaltung zunächst über eine Drosselspule und dann direkt mit
dem Netz verbunden wird.
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Hierzu ist - da die Spannung der vorgenannten Generatoren nahezu bei
allen Betriebszuständen konstant
bleibt - nur ein näherungsweiser
Angleich der Generatorfrequenz an die Netzfrequenz erforderlich. Die auf der ersten
Schaltstufe zwischen Netz und Generator geschaltete Drossel begrenzt in bekannter
Weise die bei ungleicher Phasenlage entstehenden Ausgleichströme zwischen Generator
und Netz auf ein zulässiges Maß, während auf die Läufer ein synchronisierendes Moment
einwirkt, das zum Einschwingen der Polräder in den Synchronismus führt.
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Bei diesen Synchronisiereinrichtungen wird die Frequenz des zuzuschaltenden
Generators vom Bedienungspersonal von Hand in die Nähe der Netzfrequenz gebracht
und dann der Generator zugeschaltet.
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Nach erfolgter Zuschaltung muß der Drehzahlregler der dem Generator
zugeordneten Kraftmaschine durch Handbetätigung in kürzester Zeit so verstellt werden,
daß Neigung zu schnellerem Lauf eintritt und dadurch Wirklast vom Generator übernommen
wird. Wird dieser Vorgang, besonders während größerer Lastschwankungen und dem damit
verbundenen dynamischen Netzverhalten, nicht schnell genug durchgeführt, so besteht
die Gefahr, daß der Generator durch die ihm zugeordneten Rückleistungsschutzeinrichtungen
wieder abgeschaltet wird.
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Es ist außerdem bekannt, Resonanzkreise zur Synchronisierung zu verwenden.
Jedoch erfolgt bei den bisher bekannten Anlagen die Beaufschlagung eines solchen
Resonanzkreises über zusätzlich vorgesehene Hilfsmaschinen. Bei einer solchen Anordnung
ist, abgesehen vom erhöhten Aufwand, die Tatsache nachteilig, daß keine ausreichende
Regelbarkeit vorliegt. Bei Anwendung eines Resonanzkreises in der bekannten Art
und Weise ist es nicht möglich, die Richtung zu erfassen, aus der sich die zuzuschaltende
Synchronmaschine dem Synchronismus nähert.
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Die beiden bisher bekannten, zum Synchronisieren verwendeten Einrichtungen
beschriebenen Nachteile sollen durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen vermieden werden.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum selbsttätigen Synchronisieren von Generatoren,
insbesondere von geregelten und/oder kompoundierten Synchrongeneratoren für Schiffsnetze,
wobei zur Synchronisierung eine Drossel zwischen Netz und Generator einschaltbar
und der Drehzahlregler des Generatorantriebes mit einem in Abhängigkeit von der
Frequenzdifferenz zwischen Netz und Generator gesteuerten Stellantrieb versehen
ist, und ist im wesentlichen gekennzeichnet durch mindestens ein frequenzabhängiges,
nichtlineares Meßglied, das eine der Frequenzdifferenz proportionale Steuerspannung
erzeugt, und daß von der Größe und/oder Richtung dieser Steuerspannung abhängige
Schaltelemente vorgesehen sind, die den Stellantrieb der Drehzahlregelung selbsttätig
steuern und nach erfolgter Synchronisierung den Generator zuschalten. Vorteilhaft
dienen als frequenzabhängige, nichtlinear arbeitende Meßglieder Schwingkreise, deren
maximale Empfindlichkeit im Bereich der Netzfrequenz liegt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine Lastvergleichseinrichtung
vorgesehen ist, die Stromwandler in Differentialschaltung aufweist und durch Vergleich
der Ströme aller an das Netz geschalteten Generatoren eine der vom zugeschalteten
Generator zu übernehmenden Bürde entsprechende Stehgröße für den Stellantrieb des
Betriebsstoffreglers erzeugt. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des Synchronisierverfahrens gemäß
der Erfindung, und zwar in der Form eines einpolig dargestellten Prinzipschemas.
Die Darstellung zeigt zwei Generatoren mit den ihnen zugeordneten Schaltgeräten,
dazwischen, in dem strichpunktierten Rechteck, die auf die Schalteinrichtungen eines
jeden Generators umschaltbaren Synchronisiergeräte und -schaltmittel sowie darüber
zwei Synchronisierschalteinrichtungen, wovon die eine dem rechten Generator und
die andere dem ihm benachbarten, linken Generator zugeordnet ist.
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Die Netzschiene 1 ist über die Drosselspule 2 mit der Nebenschiene
3 verbunden. Die Generatoren G sind über fernbetätigte Schalter 4 an die Nebenschiene
3 und über fernbetätigte Selbstschalter 5 an die Netzschiene 1 angeschlossen.
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Jedem Selbstschalter 5 ist ein Selbstunterbrecher 6 vorgeschaltet,
der die Schaltspule 5 a des Selbstschalters 5, nachdem sie geschaltet hat,
stromlos macht. Jeder Synchronisierschalteinrichtung 7 ist eine Schaltsperre 8 zugeordnet.
Die Schaltsperren 8 sind so miteinander verbunden, daß beim Einschalten einer Synchronisierschalteinrichtung
7 die Schaltsperren 8 aller anderen Synchronisierschalteinrichtungen 7 eingeschaltet
sind.
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Die in dem strichpunktierten Rechteck liegenden Synchronisiergeräte
und -schaltmittel bestehen aus der Steuereinrichtung 9 mit ihrer aus den Schaltelementen
10 a bis 10 d bestehenden Schalteinrichtung 10, dem dem Schalter
4 zugeordneten Verzögerungsrelais 11, dem dem Selbstschalter 5 zugeordneten
Zeitrelais 12, dem von dem Selbstschalter 5 betätigten Zeitrelais 13 und dem von
diesem Zeitrelais 13 betätigten Relais 14.
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Die Steuereinrichtung 9 besteht aus den zwei resonanzfähigen Schwingkreisen
9 a und 9 b, deren Stromresonanz bei etwa 60 Hz liegt und in dem Bereich um 47 Hz
beginnt und deren Wechselspannungen über Gleichrichter gleichgerichtet und an einem
Arbeitswiderstand 9 c überlagert werden. Die entsprechende Gleichspannung ist in
ihrer Größe der Differenzfrequenz zwischen Netz und Generator proportional. Die
Richtung dieser Gleichspannung hängt davon ab, ob die Generatorfrequenz jeweils
über oder unter der Notfrequenz liegt.
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Der Motor des Betriebsstoffreglers 15 der Antriebsmaschine des Generators
G wird von dem durch Fern- oder Handbetätigung nach rechts oder links bewegbaren
Schalthebel 16 in die eine oder die andere Drehrichtung eingeschaltet, wodurch
der Betriebsstoffregler 15 der Kraftmaschine mehr oder weniger Betriebsstoff zuführt.
Der Schalthebel 16 ist federnd in seiner Nullstellung gehalten.
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Zum selbsttätigen Synchronisieren wird zunächst die Synchronisierschalteinrichtung
7 eingeschaltet. Dadurch werden die Schwingkreise 9 a und 9 b an die Spannung des
zuzuschaltenden Generators G bzw. der Netzschiene 1 gelegt. Infolge der dadurch
am Arbeitswiderstand 9 c entstehenden Differenzgleichspannung wird entweder bei
zu hoher Generatorfrequenz das Schaltelement 10 a oder bei zu niedriger Generatorfrequenz
das Schaltelement 10 b betätigt und damit das Schaltelement (Kontaktverstärker)
10 c bzw. 10 d eingeschaltet, so daß über die Kontakte 14/1,14/2 und die Synchronisierschalteinrichtung
7 ein Strom fließt, durch den der Schalthebel
16, fernbetätigt,
nach rechts oder links bewegt wird und damit den Stellmotor so lange einschaltet,
bis die Differenzfrequenz zwischen Netz und Generator unter etwa 0,5 Hz absinkt.
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Ist die Differenzfrequenz unter 0,5 Hz abgesunken, dann wird das Schaltelement
10 a bzw. 10 c infolge der ungenügenden Restspannung am Arbeitswiderstand 9 c abgeschaltet.
Damit sind wieder beide Schaltelemente 10 c und 10 d spannungslos und schalten über
ihre in Reihe geschalteten Kontakte 10 c/1 und 10d/1 das Verzögerungsrelais 11,
das nach kurzer Verzögerung über die Synchronisierschalteinrichtung 7 den Schalter
4 einschaltet und damit den Generator G über die Nebenschiene 3 und die Schaltdrossel
2 mit der Netzschiene 1 verbindet.
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Gleichzeitig hat das Verzögerungsrelais 11 das Zeitrelais 12 eingeschaltet,
das nach Ablauf der an ihm eingestellten Zeit, die etwa der Zeit entspricht, in
der der Generator synchronisiert wird, über seinen Kontakt 12/1 die Synchronisierschalteinrichtung
7 und den Selbstunterbrecher 6 den Selbstschalter 5 einschaltet.
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Das Zeitrelais 12 bleibt über seinen Kontakt 12/2 so lange eingeschaltet,
bis die Synchronisierschalteinrichtung 7 in die »Aus«-Stellung gebracht wird. Damit
wird vermieden, daß bei Fehlschaltungen des Selbstschalters 5 unkontrollierte Schaltwiederholungen
vorkommen, da der Selbstunterbrecher 6 unter Spannung bleibt und damit nach erfolgter
Schaltung den Selbstschalterantrieb 5 a gegen eine erneute Schaltung (Pumpen)
sperrt. Die Sperrung erfolgt über den Kontakt 5a/1 und kann auch durch einfaches
Tippen dieses Kontaktes 5 a/1 für den Fall erreicht werden, daß anschließend
an die Einschaltung der Selbstschalter 5 durch Ansprechen seiner angebauten Schutzauslösevorrichtungen
5 b
ausfällt.
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Der ordnungsgemäß eingeschaltete Selbstschalter 5 schaltet das Zeitrelais
13 ein, das das Relais 14 betätigt, das dann über seinen Kontakt 14/3 und die Synchronisierschalteinrichtung
7 einen Steuerstrom führt. durch den, fernbetätigt, der Schalthebel 16
den
Stellmotor des Betriebsstoffreglers 15 im Sinne einer Drehzahlerhöhung der Kraftmaschine
einschaltet und der Generator dadurch Last übernimmt.
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Nach Ablauf der am Zeitrelais 13 eingestellten, der vorgegebenen Wirklastübernahme
proportionalen Zeitspanne öffnet sein Kontakt und macht damit das Relais 14 spannungslos,
wodurch der Kontakt 14/3 sich öffnet und damit der Stellmotor des Betriebsstoffreglers
15 stillgesetzt wird.
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Der Synchronisiervorgang ist jetzt beendet. Die Synchronisierschalteinrichtung
wird von Hand wieder in die »Aus«-Stellung gebracht, wodurch die Sperren 8 an den
anderen Synchronisierschalteinrichtungen 7 wieder ausgeschaltet werden und die Synchronisiergeräte
für die Synchronisierung eines beliebigen anderen zuzuschaltenden Generators verfügbar
sind.
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Zur Überwachung des Synchronisiervorganges dient die Phasenlampe 17,
die mit dem Schalter 4 über den Kontakt 4/1 eingeschaltet wird. Sie zeigt durch
Frequenzunterschied bedingtes, wechselndes Aufleuchten und Erlöschen das Einschwingen
des Generatorläufers in die Netzfrequenz an.
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Damit jeder Generator auch mit dem üblichen Feinsynchronisierverfahren
synchronisiert werden kann, hat jede Synchronisierschalteinrichtung noch eine zweite
zusätzliche Einschaltstufe, mit der über den Kontakt 7/1 die Phasenlampe 17 eingeschaltet
und über die Kontakte 7/3 und 7/6 die Einschaltdrucktaste 18 in den Schaltkreis
des Selbstschalters 5 gelegt wird, während alle anderen Synchronisiergeräte unwirksam
geschaltet sind.
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Durch Handbetätigung des Schalthebels 16 wird mit Hilfe der von der
Phasenlampe 17 gegebenen Lichtsignale die Drehzahl der Kraftmaschine in bekannter
Weise so lange verstellt, bis der Synchronismus erreicht ist. Hierauf wird durch
Betätigen der Drucktaste 18 der Selbstschalter 5 eingeschaltet und damit der Generator
G unmittelbar mit der Netzschiene 1 verbunden.