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Publication number: DE257688C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 257688 KLASSE 21 e. GRUPPE

OTTO HERAIN in BERLIN.

Synchronismusanzeiger. Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. Januar 1912 ab.

Es ist für das Parallelschalten von Wechselstrom- (Ein- wie Mehrphasen-) Maschinen von Vorteil, den Moment der Phasengleichheit derselben möglichst genau und zuverlässig zu erkennen. Die bislang bekannte empfindlichste Schaltung, bei der die Spulen eines Instruments, dessen Angaben von dem Produkte· zweier Ströme abhängig sind, von Strömen konstanter Amplitude, die im Moment der Phasengleichheit den hinsichtlich der Entstehung eines Drehmomentes unwirksamsten Winkel miteinander einschließen, durchflossen werden, weist zwar große Genauigkeit auf, doch ist diese von der exakten Erfüllung des unwirksamsten Winkels im Moment der Phasengleichheit im hohen Maße abhängig. Abweichungen von ein paar Graden von dem das richtige Anzeigen des Instruments bedingenden Vor- oder Nacheilen des Stromes in einem der Stromzweige bedingt gleich größe Fehler in der Angabe der Phasengleichheit und macht dann die hohe Empfindlichkeit illusorisch. In nachfolgend beschriebener Erfindung ist eine Instrumentenschaltungsmethode beschrieben, der nicht nur hohe Empfindlichkeit, sondern auch große Unabhängigkeit der richtigen Angaben von zu erfüllenden Phasenverschiebungsbedingungen und mithin erhöhte Zuverlässigkeit eigen ist.
In Fig. ι sind M₁ und m_% parallel zu schaltende Maschinen, α ist ein Instrument, dessen Angaben von dem Produkte zweier aufeinander oder mehrerer in Summe auf einen Strom unmittelbar oder mittelbar wirkender Ströme abhängig sind, z. B. ein Dynamometer.

b und c sind die aufeinander wirkenden Spulen desselben. Von diesen liegt die eine an der Netzspannung, die andere zwischen zwei gleichen Phasen der parallel zu schaltenden Maschinen. In diesen Spulenkreisen kann eine Einrichtung getroffen sein, den einen oder beide Ströme um einen möglichen Winkel der Spannung vor- oder nacheilen zu lassen. In Fig. 1 besteht diese Einrichtung aus einer in den vom Netz abgezweigten Stromkreis eingeschalteten Drosselspule d.

Fig. 2 zeigt das hierzu gehörige Vektorendiagramm. 0-1 ist die Netzspannung, 0-1' die Spannung der parallel zu schaltenden Maschine, die, wie im Diagramm übertrieben angedeutet, von jener abweicht, α ist der Phasenverschiebungswinkel zwischen der Netzspannung und der Spannung der parallel zu schaltenden Maschine. 1-1' ist dann die zwischen den Polen 1 und 1' (s. Fig. 1) herrschende Spannung. Diese läßt sich nun wieder in die Komponenten α-τ und a-i' zerlegen, von welchen die erstere, im folgenden Phasenverschiebungskomponente genannt, gleich 2 0-1 sin —

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ist und mit o-i den Winkel 90 ° — einschließt, während die zweite, Differenzkomponente genannt, stets gleich groß 0-1 — 0-1' ist und mit 0-1 den Winkelet einschließt. Die Phasenverschiebungskomponente ist mithin eine Funktion des Phasenverschiebungswinkels und wird mit diesem Null und steht dann senkrecht auf 0-1.

Der durch die Spule b fließende Strom sei proportional der Spannung o-i und mithin konstanter Amplitude.

Teilt man, wie die Spannung i-i', den von ihr erzeugten, in der Spule c fließenden Strom in zwei Komponenten, und zwar in den von der Phasenverschiebungskomponente und den von der Differenzkomponente erzeugten Strom ein, so schließt ersterer unter Voraussetzung ίο gleicher Nacheilung der Ströme in den beiden Spulen b und c mit dem in der Spule h fließenden Strom konstanter Amplitude den Winkel 00° — — ein.
^ 2

Für a = ο ist dieser Winkel dann 90 °. Je nachdem man die einzelnen Ströme vor- oder nacheilen läßt, kann man auch jeden anderen Winkel zwischen ihnen für 0. = 0, d. h. Phasengleichheit der Maschinen ermöglichen. Man wird als solchen, um eine möglichst große Empfindlichkeit des Instruments, um Phasengleichheit zu erzielen, den wirksamsten wählen; ist α ein dynamometrisches Instrument, so wird man ihn möglichst gleich o° oder 180° machen, wie ersteres z. B. in Fig. 1 durch Einschaltung einer Drosselspule im Netzstromkreis angedeutet ist. Bei Instrumenten nach dem Ferrarisprinzip bedarf man bei Schaltung wie in Fig. ι eines solchen besonderen Hilfsmittels nicht; die Ströme können bei ihnen gleich weit den Spannungen nacheilen, da für diese Instrumente der wirksamste Winkel ja 90° ist.

Da die Phasenverschiebungskomponente eine Funktion des Winkels α ist und mit diesem gleichzeitig Null wird, kann durch sie ein Ausschlag des Instruments für α = ο, d. h. Phasengleichheit der Maschinen nicht entstehen. Die Differenzkomponente ist von konstanter Größe und steht im Momente der Phasengleichheit senkrecht auf der Phasenverschiebungskomponente ; da nun diese für a = 0 den wirksamsten Winkel mit dem Strom konstanter Amplitude einschließt, schließt die Differenzkomponente mit ihm sodann den unwirksamsten Winkel ein; auch sie wird daher bei vollkommen erfüllter etwaiger Phasenverschiebungsbedingung bei Phasengleichheit der Maschinen keinen Ausschlag des Instruments,

d. h. Fehlzeigen desselben bewirken. Selbst bei nicht allzu großen, etwa durch die praktischen Unzulänglichkeiten entstehenden Abweichungen von den erforderlichen Winkeln (0° oder 90 °), ist dann der Einfluß der Differenzkomponente, da sie selbst eine Differenzgröße ist, die man möglichst Idein zu machen bemüht ist, noch vollkommen vernachlässigbar.

Die Phasenverschiebungskomponente α-τ, welche bei kleinen Ausschlagswinkeln des Instruments, d. h. bei kleinen Werten des Winkels α, wie im vorhergehenden erläutert, von der Spannung i-i' allein zur Wirkung 'kommt, ist gleich 2 0-1 sin -^- (s. Fig. 2) = k sin ~- ■ Der Phasenverschiebungswinkel zwischen 0-1 und α-τ ist gleich 90° ~ Ist α ein Ferrarisinstrument, so folgt sein Ausschlag dem

Gesetze ν k

mal dem Sinus des zwischen

den beiden Strömen i_x und i₂ herrschenden Phasenverschiebungswinkels; die eine der beiden Stromstärken ist konstanter Amplitude, die Amplitude der anderen, von der Spannung α-τ erzeugten Stromstärke folgt, wie im Anfange des Absatzes erläutert, dem Gesetze k

sin —; der Phasenverschiebungswinkel der beiden in den Spulen b und c fließenden Stromstärken I₁ und i₂ ist bei gleich großem Nacheilen der Ströme gegen die sie erzeugenden Spannungen gleich dem Winkel zwischen 0-1

und α-τ, also gleich 90 — · Setzt man diese

Werte der Stromstärken und des zwischen ihnen herrschenden Phasenverschiebungswinkels in die Instrumentengleichung ein und zieht alle Konstanten in K zusammen, so erhält man die Ausschlagsbeziehung ν K sin —- _go

sin 190 — I = υ K sin — cos —- = — ν Κ

\^y 2 ) 222

sin a — ν K' sin a. Ist α ein dynamometrisches Instrument, so folgt sein Ausschlag dem Gesetze ν k I₁ i₂ mal dem Cosinus des zwischen den beiden Strömen I₁ und i₂ herrschenden Phasenverschiebungswinkels; i_x ist wieder konstanter Amplitude, und die Amplitude von i₂

folgt, wie auch früher, dem Gesetze k sin — · ⁰ 2

Durch Verwendung von Kapazität und Selbstinduktion werden die beiden Vektoren der beiden Stromstärken I₁ und i₂ um weitere 90 ° zeitlich verschoben, so daß der zwischen den beiden Strömen I₁ und i₂ herrschende Phasen-

Verschiebungswinkel gleich 90 — + 90 ist;

setzt man diese Werte der Stromstärken und des zwischen ihnen herrschenden Phasenverschiebungswinkels wieder in die Instrumentengleichung ein und zieht alle Konstanten in K zusammen, so erhält man die Ausschlagsbeziehung ν K sin — cos -7— oder ν K sin —

ν K sin — cos —

2 2

cos 180 ■— -— gleich

= + ν K' sin a. In dieser Beziehung bedeuten: α den Phasenverschiebungswinkel der Maschinen, K' eine Konstante und ν eine von der Art des verwendeten Instruments abhängige Größe, welche mit verschiedenen Angaben desselben variabel sein kann (z. B.

bei dynamometrischen Instrumenten mit unproportionaler Watt meter skala). Man wird dann vorteilhaft die Verhältnisse im Instrument so gestalten, daß ν bei der die Phasengleichheit anzeigenden Zeigerstellung ein Maximum ist. Man ersieht aus obigem Gesetz, daß die Instrumente bei Phasengleichheit der Spannungen der Maschinen keinen Ausschlag machen, sowie daß sie in der Nähe des Ausschlags Null, da dem Sinusgesetz folgend, weit empfindlicher sind als z. B. Phasenvoltmeter,

deren Angaben nahezu sin -^- proportional

sind. Des weiteren ersieht man aber auch, daß für α = i8o die Angaben der Instrumente ebenfalls 0 sein werden; man wird deshalb die Instrumente mit einem weiteren die Phasengleichheit der Maschinen eindeutig anzeigenden Mittel kombinieren. Dieses Mittel kann sehr einfacher Natur sein, z. B., wie in Fig. 1 angedeutet (1), können dies Phasenlampen sein. Das hier Erläuterte gilt ebenso für Mehrphasenstrom, doch kann man da infolge Vorhandenseins mehrerer phasenverschobener Spannungen besonderer Hilfsmittel, wie Drosselspulen u. a. m., in der Regel entbehren.

Fig. 3 zeigt die Schaltung des Instruments bei Zweiphasenstrom, je nachdem es sich um ein dynamometrisches oder um ein Instrument nach dem Ferrarisprinzip handelt; im letzteren Falle wird die durch gestrichelte Linien gekennzeichnete Schaltung verwendet.

Fig. 4 zeigt beispielsweise die Schaltung eines dynamometrischen Instruments für Drehstrom. Fig. 5 ist das hierzu gehörige Vektorendiagramm. Die Spule b ist an die Spannung 2-3 (sie kann auch an 2'-3' liegen) angeschlossen, die mit a-i für αί^ο den Winkel ο° oder 180° einschließt.

Ist α ein Instrument nach dem Ferrarisprinzip, so wird man die Spule b an die Spannung 0-1 legen.

Zur Erreichung des wirksamsten Winkels im Momente der Phasengleichheit kann man, sobald man den Strom vor- oder nacheilen läßt, auch jede beliebige andere Phasen- oder verkettete Spannung mit der Spannung zwischen zusammengehörigen Phasen verschiedener Maschinen kombinieren.

b kann statt aus einer Spule auch aus mehreren bestehen, die an verschiedene Spannungen angeschlossen sein können (z. B. bei Instrumenten von Ferrarisprinzip an 20 und 30).

Schließt man die Spule b an ungleiche Phasen verschiedener Maschinen an, so wird sie von einem Strom durchflossen, dessen Amplitude sich mit α verändert und in dem Moment, wo 1-1' gleich Null ist, nahezu ein Maximum ist. Je nachdem man die einzelnen Ströme wieder vor- oder nacheilen läßt, kann man jeden beliebigen, mithin auch den wirksamsten Winkel für α = ο zwischen ihnen erzielen.

Auch hier kann b statt aus einer aus mehreren Spulen bestehen. Fig. 6 zeigt eine solche Kombination, wie sie für dynamometrische Instrumente empfehlenswert ist. In b summieren sich dann die Wirkungen der beiden Spannungen 2-3' und 3-2' (s. Fig. 5), welche beide bei a = ο gegenüber α-τ um o° oder 180° verschoben sind; ihre Summe bildet, sobald 1-1' gleich Null ist, ein Maximum.

Auch diese Instrumente kann man mit einem die Phasengleichheit oder auch noch das Vor- oder Nacheilen der parallel zu schaltenden Maschine eindeutig anzeigenden Mittel, wie z. B. in Fig. 4 und 6 angedeutet ist, mit einem Lampendreieck kombinieren.

Claims

Patent-AnsPRUcH :

Synchronismusanzeiger mit zwei ein Dynamometer oder ein Induktionsmeßgerät bildenden Spulensystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Spule (c) zwischen zwei gleiche Phasen verschiedener Maschinen geschaltet ist und mit einer oder mehreren Spulen (b) zusammenwirkt, die an geeignete Spannungen der einen oder beider Maschinen derart angeschlossen sind, daß im Augenblick der Phasengleichheit der Maschinenspannungen die Phasenverschiebungskomponente des in der ersteren Spule (c) fließenden Stromes mit dem Strome oder der Summe der Ströme in dem zweiten Spulensystem (b) einen hinsichtlich der Erzeugung eines Drehmomentes möglichst wirksamen Phasenwinkel einschließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.