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Sicherheitseinrichtung für parallel arbeitende elektrische Maschinen
Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für mehrere parallel arbeitende
elektrische Maschinen.
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Bei mehreren parallel arbeitenden Synchronmaschinen tritt oft der
Fall ein, daß an einer der Maschinen ein Fehler entsteht, der zumindest nach einer
bestimmten Zeit zur Zerstörung derselben oder zur Störung der ganzen Anlage führen
kann. Jedenfalls besteht die Notwendigkeit, die schadhafte Maschine möglichst schnell
abzuschalten. Es bereitet aber immer Schwierigkeiten, mit wirtschaftlich vertretbaren
Mitteln eine eindeutige Abschaltung zu erzielen.
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Oft werden die Erregerwicklungen der parallel arbeitenden Synchronmaschinen
mit Ausgleichsleitungen verbunden. Der im Störungsfall in diesen Ausgleichsleitungen
fließende Strom ist bei einem Teil der Fehlerursachen zu der jeweils gestörten Synchronmaschine
hin gerichtet. Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, in die Ausgleichsleitungen
ein stromrichtungsabhängiges Schaltelement zu legen, das entsprechend der Größe
und Richtung des Ausgleichsstromes die Abschaltung der jeweils untererregt arbeitenden
Synchronmaschine vornimmt.
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Jedoch sind auch Fehlerursachen möglich, die zu einer Übererregung
der gestörten Maschine führen, so daß der Strom in der Ausgleichsleitung zu der
nicht gestörten Synchronmaschine hinfließt. Es ist also nur durch ein Schaltelement
in den Ausgleichsleitungen eine eindeutige Anzeige für alle Fehlerursachen nicht
gewährleistet.
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Ist z. B. ein Kurzschluß am Hauptgleichrichter einer Synchronmaschine
die Fehlerursache, so entregen sich die parallel arbeitenden Maschinen nach ihrer
Feldzeitkonstante. Dabei fließt in den Ausgleichsleitungen ein Strom in Richtung
der schadhaften Maschine. Die Netzspannung an der Sammelschiene sinkt dabei ab.
Die gleiche Wirkung hätte z B. ein Windungsschluß in der Ankerwicklung der Maschine.
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Es ist aber auch eine Unterbrechung des gesamten spannungsabhängigen
Regelkreises in einer Synchronmaschine denkbar, und diese Ursache hätte zur Folge,
daß das schadhafte Erreger- und Regelgerät einen erhöhten Erregerstrom liefern würde,
wodurch ein Ausgleichsstrom hervorgerufen wird, der von der schadhaften zu den intakten
Maschinen hinfließt, also die umgekehrte Richtung hat wie in den zuvor beschriebenen
Fällen. Gleichzeitig wird hierdurch die Sammelschienenspannung angehoben. Diese
unterschiedlichen Auswirkungen konnten von den bisher bekannten Sicherheitseinrichtungen
noch nicht eindeutig erfaßt werden. Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Sicherheitseinrichtung
für mehrere parallel arbeitende elektrische Maschinen zu schaffen, durch die eine
für alle Fehlerursachen eindeutige Abschaltung der jeweils schadhaften Maschine
erzielt wird.
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Es ist bekannt, zur Überwachung der Arbeitsweise einer elektrischen
Maschine die Maschinenspannung oder die Sammelschienenspannung zu überwachen und
aus den Abweichungen von einem vorgegebenen Sollwert Signale zu bilden, die zur
Korrektur der Abweichungen verwendet werden.
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Die Erfindung ist im wesentlichen durch zwei Meßglieder gekennzeichnet,
deren Eingangssignale einerseits in an sich bekannter Weise von der Sammelschienenspannung
und andererseits vom Ausgleichsstrom oder von der Erregerspannung und/oder dem Erregerstrom
gebildet sind, wobei aus der Kombination der Eingangssignale ein resultierendes
Ausgangssignal erzeugt wird, das die eindeutige Abschaltung der defekten Maschine
und/oder die Auslösung eines Warnsignals erzielt.
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Zweckmäßig werden dabei Schaltungselemente vorgesehen, die die Kombination
der Eingangssignale und die Bildung des reusultierenden Ausgangssignals nach den
Gesetzen der Schaltungsalgebra mittels logischer Verknüpfungselemente durchführen.
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Die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung enthält also im wesentlichen
zwei Schaltungseinrichtungen zur Bildung der Eingangssignale und ein Kombinationsglied
zur Umformung dieser Eingangssignale in ein resultierendes Ausgangssignal.
Die
eine der beiden Schaltungseinrichtungen soll erfindungsgemäß spannungsabhängig arbeiten
und zwei Ausgänge aufweisen, von denen der eine beim Überschreiten eines vorgegebenen
Wertes der Sammelschienenspannung und der andere beim Unterschreiten desselben ein
Signal abgibt. Die Schaltungseinrichtung wird also mit spannungsabhängig arbeitenden
Schaltelementen versehen, die vorteilhaft kontaktlos ausgeführt und als Meßkipper
in Schmitt-Triggerschaltung mit antivalenten Ausgängen ausgebildet sind.
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Die andere, zur Bildung der Ausgangssignale dienende Schaltungseinrichtung
gemäß der Erfindung wird bei Verbindung der Erregerwicklungen- mehrerer parallel
arbeitender Maschinen in den dazu dienenden Ausgleichsleitungen angeordnet und enthält
stromrichtungsabhängig arbeitende Schaltelemente mit jeweils zwei Ausgängen, wobei
der eine Ausgang ein Signal abgibt, wenn der in positiver Richtung fließende Ausgleichsstrom
einen vorgegebenen Wert überschreitet, und der andere Ausgang ein Signal abgibt,
wenn der in negativer Richtung fließende Ausgleichsstrom einen vorgegebenen Wert
überschreitet.
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Als stromrichtungsabhängig arbeitende Schaltelemente eignen sich günstig
polarisierte oder durch vorgeschaltete Gleichrichter gesteuerte Relais oder auch
magnetische Gleichstromwandler mit nachgeschalteten Meßgliedem. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Ausgleichsleitungen sämtlicher parallel
arbeitender Maschinen an einen gemeinsamen Knotenpunkt geführt und dort elektrisch
verbunden sind und daß die die Ausgleichsströme erfassenden Schaltungseinrichtungen
in den Verbindungsleitungen zwischen diesem Knotenpunkt und der jeweiligen Erregerwicklung
der zugeordneten Maschine liegen.
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Für parallel arbeitende Maschinen ohne Ausgleichsleitungen wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, diesen Maschinen Schaltungseinrichtungen mit jeweils zwei Ausgängen
zuzuordnen, wobei der eine Ausgang ein Signal abgibt, wenn der Erregerstrom oder
-spannungswert gegenüber denselben Werten der anderen parallel arbeitenden Maschinen
überschritten wird, während der andere Ausgang ein Signal abgibt, wenn der Erregerstrom
oder -spannungswert gegenüber denselben Werten der anderen parallel arbeitenden
Maschinen unterschritten wird.
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Das dritte Element der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung ist
ein zweckmäßigerweise ebenfalls aus logischen Verknüpfungselementen bestehendes
und nach den Gesetzen der Schaltungsalgebra aufgebautes Kombinationsglied, das für
die Kombination folgender Merkmale ausgebildet ist: 1. überspannung an der Sammelschiene;
2. Unterspannung an der Sammelschiene; 3. Erregerspannung oder -strom zu groß; 4.
Erregerspannung oder -strom zu klein.
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Bei Betrieb der paralell arbeitenden Maschinen mit Hilfe von Ausgleichsleitungen
werden Erregerspannung und -ströme durch die entsprechenden Stromänderungen innerhalb
der Ausgleichsleitungen erfaßt. Wenn jedoch diese Ausgleichsleitungen nicht vorhanden
sind, können ebensogut Erregerspannung und -strom direkt gemessen und entsprechend
auf die Eingänge des Sicherheitsgerätes gegeben werden. Um ein vorzeitiges Schalten
der Sicherheitseinrichtung bei nur kurzzeitig auftretenden Unregelmäßigkeiten zu
verhindern, werden den das resultierende Ausgangssignal abgebenden Elementen des
Kombinationsgliedes Zeitglieder zugeordnet, die die Abgabe dieses Signals erst nach
einer vorgegebenen Zeit zulassen. Dabei ist das Zuordnen dieser Zeitglieder sowohl
vor als auch hinter den Elementen des Kornbinationsgliedes möglich.
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Die einzelnen Bauteile der Sicherheitseinrichtung können nach Bedarf
in dem Erreger- oder Regelgerät der jeweils zugehörigen Maschine angeordnet sein,
es ist aber auch denkbar, daß die Sicherheitseinrichtungen aller parallel arbeitenden
Maschinen zentral zusammengefaßt und an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen
sind.
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Die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung hat nicht nur den Vorteil
einer eindeutigen Abschaltung der jeweils defekten Maschine mit einem relativ geringen
Aufwand an technischen Mitteln, sondern sie ist auch durch ihre überwiegend kontaktlose
Ausführung mechanisch stark beanspruchbar und erfordert bei geringem Verschleiß
wenig Wartung.
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Die Zeichnung zeigt die Schaltung einer Sicherheitseinrichtung für
zwei parallel arbeitende Synchronmaschinen mit Ausgleichsleitung und dient zur näheren
Beschreibung der Erfindung.
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Ein Synchrongenerator 10 mit seiner Hauptwicklung 11 und seiner Erregerwicklung
12 arbeitet über einen Leistungsschalter 13 mit seinen Kontakten 14 auf das Netz
RST. Die Erregerwicklung 12 des Synchrongenerators 10 wird über ein Erregergerät
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gespeist. Parallel zu diesem Synchrongenerator 10 arbeitet ein weiterer
Synchrongenerator 16 mit seiner Hauptwicklung 17 und der Erregerwicklung 18, die
aus einem Erregergerät 19 gespeist wird. Zur Verbindung mit dem Netz dient ein Leistungsschalter
20 mit seinen Kontakten 21. Die beiden Erregerwicklungen 12 und 18 sind während
des Parallelbetriebes über ein Schütz 22 verbunden. Zur Versorgung der erfindungsgemäßen
Sicherheitseinrichtung dient ein Netzteil, das im wesentlichen aus dem Transformator
23, den Gleichrichtern 24 bis 28 und den Kondensatoren 29 besteht.
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Zur Erzeugung der erforderlichen Eingangssignale dienen zwei Schaltungseinrichtungen,
von denen die eine zur Erfassung der über- und Unterspannungen dient. Sie besteht
aus einem Potentiometer 30 mit einem nachgeschalteten logischen Verknüpfungselement
31, das bei einer am Potentiometer 30 einstehbaren überspannung umschaltet und ein
entsprechendes Signal abgibt, und einem Potentiometer 32 und einem weiteren logischen
Verknüpfungselement 33, das bei einer am Potentiometer 32 einstellbaren Unterspannung
umschaltet und ein Signal abgibt.
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Die zweite erfindungsgemäße Schaltungseinrichtung greift in die Ausgleichsleitungen
ein und ist entsprechend der Zeichnung geschaltet. Durch diese Schaltungseinrichtung
werden die Höhe des Ausgleichsstromes und seine Richtung erfaßt. Beim überschreiten
eines vorgegebenen Wertes spricht entweder über den Gleichrichter 34 das Relais
35 oder über den Gleichrichter 36 das Relais 37 an. Hierdurch werden entsprechende
Signale erzeugt und ebenfalls auf das Kombinationsglied gegeben.
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Das Kombinationsglied enthält die logischen Verknüpfungselemente 38
bis 47. Dabei sind die Elemente
38 bis 41, 44 und 45 als aktive-
UND-Elemente und die Elemente 46 und 47 als aktive ODER-Elemente ausgebildet, während
die Elemente 42 und 43 als passive ODER-Elemente ausgeführt sind. Das logische Verknüpfungselement
47 dient insbesondere als Zeitglied und bewirkt, daß die Signalabgabe, die über
die Elemente 44 bis 46 erfolgt, erst nach einer bestimmten vorgegebenen Zeit freigegeben
wird.
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Das als ODER-Element ausgebildete logische Verknüpfungselement 46
dient zur Abgabe der Warnsignale. Den Elementen 44 bis 46 sind Verstärker 48 bis
50 und Relais 51 bis 53 nachgeschaltet. Die Relais 51 und 52 bewirken jeweils die
Auslösung eines der Leistungsschalter 13 und 20 im Störungsfalle,
während das Relais 53 eine akustische Warnvorrichtung 54 betätigt.
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Die Funktion der Sicherheitseinrichtung soll an einem Fehler beschrieben
werden, der das Fließen eines Ausgleichsstromes von der Erregerwicklung 12 des Synchrongenerators
10 zur Erregerwicklung 18 des Synchrongenerators 16 und eine Unterspannung am Netz
RST verursacht. Ein solcher Ausgleichsstrom bewirkt über den Gleichrichter 34 das
Ansprechen des Relais 35, während die Unterspannung an der Sekundärwicklung des
Transformators 23 über den Gleichrichter 28 und das Potentiometer 32 mittels der
ihr proportionalen Gleichspannung eine Signalabgabe des logischen Verknüpfungselementes
33 bewirkt, d. h., dieses Element schaltet von seinem A-Ausgang auf seinen B-Ausgang.
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Das durch das Ansprechen des Relais 35 erzeugte Signal gelangt auf
die logischen Verknüpfungselemente 38 und 39 und auf das Zeitelement 47. Letzteres
gibt nach Ablauf der an diesem Elementeingestellten Zeit ein Signal an die Elemente
44, 45
und 46 weiter. Außerdem schaltet das Element 39, dessen zweite Schaltbedingung
über den B-Ausgang des Elementes 31 erfüllt wird, auf seinen A-Ausgang um und gibt
ein Signal sowohl über das passive ODER-Element 43 auf das zur Auslösung eines Warnsignals
dienende ODER-Element 46 als auch über das passive ODER-Element 42 auf das UND-Element
44. Somit sind nach Ablauf der am Zeitelement 47 eingestellten Zeit alle drei Schaltbedingungen
des UND-Elementes 44 erfüllt, da die dritte Schaltbedingung durch das gleichzeitige
Schließen des Hilfkontaktes 55 am Leistungsschalter 20 und des Hilfskontaktes 56
am Leistungsschalter 13 gegeben ist. über den Verstärker 48 und das Hilfsrelais
51 wird der Leistungsschalter 20 zum Abfallen gebracht.
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Als weiterer Fehler soll diesmal angenommen werden, daß am Netz eine
überspannung auftritt, während der Ausgleichsstrom in der gleichen Richtung fließen
soll wie beim vorbeschriebenen Störungsfall. Dies entspräche einem Fehler an der
Synchronmaschine 10, der einen übererregten Betrieb dieser Maschine bewirkt. Eine
der überspannung proportionale Spannung gelangt von der dafür vorgesehenen Sekundärwicklung
über den Gleichrichter 27 und das Potentiometer 30 auf das als Meßkipper ausgebildete
logische Verknüpfungselement 31. Hierdurch wird dessen A-Ausgang leitend
und dessen B-Ausgang nichtleitend, d. h., es gelangt ein Signal auf die logischen
Verknüpfungselemente 38 und 40. Das Verknüpfungselement 40 kann dabei nicht umschalten,
da nur ein Eingang Spannung erhält, während das Verknüpfungselement 38 auf seinen
A-Ausgang umschaltet, da seine zweite Schaltbedingung durch die vom Relais 35 kommenden
Signale erfüllt ist. Das vom Element 38 erzeugte Signal gelangt wiederum einmal
auf das ODER-Element 46 und bewirkt die Auslösung eines akustischen Warnsignals;
außerdem gelangt das Signal über das passive ODER-Element 43 auf das UND-Element
45, dessen weitere Schaltbedingungen durch über das Zeitelement 47 und über die
Kontakte 55 und 56 an den Leistungsschaltern 20 und 13 kommende Signale
erfüllt sind. Bei diesem Störungsfall wird also nun über den Verstärker 49 und das
Hilfsrelais 52 der Leistungsschalter 13 zum Abfallen gebracht.
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Die Sicherheitseinrichtung gemäß der Erfindung arbeitet bei den außerdem
möglichen Störungsfällen in gleicher Weise.