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Vorrichtung zum Speisen eines Verbrauchers mit einer gesieberten Spannung
yorgeebener Freuenz Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speisen eines Verbrauchers
mit einer gesicherten Spannung vorgegebener Frequenz entsprechend dem Oberbegriff
des Anspruchs i.
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Bestimmte Verbraucher müssen auch dann noch mit einer unterbrechungsfreien
Spannung vorgegebener Frequenz gespeist werden können, wenn das öffentliche Versorgungsnetz
gestört ist. Die Verbraucher sind zu diesem Zweck an eine gesicherte Schiene angeschlossen,
die ihrerseits aus dem Versorgungsnetz gespeist ist, wobei zur Überbrükkung einer
Netzstörung ein externer Energiespeicher, z.B.
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eine elektrische Batterie, benötigt wird. Insbesondere bei Verbrauchern
höherer Leistung wären elektrische Batterien als einzige Energiespeicher sehr groß
zu dimensionieren, so daß man wenigstens einen Teil der während der Netzstörung
benötigten Energie in einem Schwungrad mechanisch speichert. Im Oberbegriff des
Anspruches i ist von einer derartigen Anordnung ausgegangen, wie sie z.B.
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aus "BBC-Nachrichten" Mai/Juni 1972, Seite 148 - i51, insbesondere
Bild 9, beschrieben ist. Hierbei wird eine Antriebsmaschine, in diesem Fall die
Ständerwicklung eines Asynchronmotors, bei Normalbetrieb aus dem Versorgungsnetz
gespeist und bei Netzstörung mittels eines Schalters vom Netz getrennt. Die gesicherte
Spannung ist an der Ständerwicklung eines Synchrongenerators abgegriffen, wobei
die Läufer der beiden Maschinen mit einem Schwungrad starr gekuppelt sind. Das Schwungrad
ist bei ungestörtem Netz von der Antriebsmaschine angetrieben. Bei dieser bekannten
Anordnung hat der Maschinensatz die untersynchrone Drehzahl der Asynchron-Antriebsmaschine.
Bei einer Netzstörung (Netzausfall) entnimmt der Synchrongenerator Kbl 2 Rch / 28.9.81
zunächst
die in den Verbraucher einzuspeisende Leistung dem Schwungrad, dessen Drehzahl dadurch
erniedrigt wird Gleichzeitig wird an das Schwungrad ein Dieselmotor angekoppelt,
der mit einem Teil der Schwungradenergie angeworten wird und anschließend den Maschinensatz
wieder auf die Nenndrehzahl beschleunigt. Um die Frequenzabnahme in der Zeit zwischen
dem N£etzausfall und dem Hochlauf des Dieselmotors innerhalb der für die verbraucherfrequenz
vorgeschriebenen Toleranzgranzen zu halten, muß das Schwungrad entsprechend groß
bemessen sein. Bei einem vertretbaren Aufwand für das Schwungrad lassen sich somit
gewisse Schwankungen der Verbraucherfrequenz nicht vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
angegebenen Art so auszugestalten, daß die Verbraucherfrequenz bei einer Netzstörung
praktisch konstant gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst. Das Schwungrad hat gemäß der Erfindung die Aufgabe,
während des Netzausfalles, solange dieser eine zulässige Maximal dauer nicht überschreitet,
die gesamte Verbraucherenergie zur Verfügung zu stellen. Ein Dieselmotor ist dabei
entweder überhaupt nicht vorgesehen oder dient höchstens als Ersatzstromaggregat,
das erst nach Überschreitung der maximalen Ausfalldauer zugeschaltet wird.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Anhand von mehreren Figuren und Ausführungsbeispielen wird die Erfindung
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das Schwungrad und die an die sichere Schiene und
ein Hilfsnetz angeschlossene Drehfeldmaschine gemäß der Erfindung, wobei der motorische
Antrieb des Schwungrades noch beliebig sein kann und nicht dargestellt ist, Fig.
2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Asynchronmaschine als Schwungradantrieb
und einem unabhängigen Rilfsnetz, Fig. 3 eine Vorrichtung nach der Erfindung, bei
der die Spannung des llilfsnetzes an der sicheren Schiene abgegriffen ist, Fig.
4 eine Vorrichtung nach der Erfindung, bei der die Spannung des Rilfsnetzes an der
Ständerwicklung einer ebenfalls mit ihrem Läufer starr mit dem Schwungrad verbundenen
Synchronmaschine abgegriffen ist.
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In den Figuren ist jeweils mit 1 das Schwungrad bezeichnet, das bei
Normalbetrieb motorisch mit einer gegenüber dem Notbetrieb höheren Drehzahl angetrieben
sein kann.
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Der motorische Antrieb des Schwungrades kann im allgemeinsten Fall
beliebig sein und ist in Fig. 1 nicht dargestellt. "Normalbetrieb" bedeutet, daß
eine Energiequelle, z.B. das öffentliche Netz, für den motorischen Schwungradantrieb
vorhanden ist, die ständig mechanische Energie an das Schwungrad abgibt; "Notbetrieb
liegt dann vor, wenn diese Energiequelle ausgefallen ist, Der Läufer einer Drehfeldmaschine
2 ist über seine Läufer welle 3 mit dem Schwungrad starr gekoppelt. Die Ständerwicklung
der Drehfeldmaschine 2 ist an eine sichere Schiene 4 angeschlossen, an der die unterbrechungsfreie
Spannung der vorgegebenen Frequenz abgegriffen ist. Zwischen der Ständerwicklung
der Drehfeldmaschine 2 und der sicheren Schiene sind also keine Umrichter oder andere
Mittel zur Frequenzumformung der Ständerspannung vorge-
sehen. Bei
Normalbetrieb speist der Schwungradantrieb über das Schwungrad mechanische Leistung
in die Drehfeldmaschine 2 ein, die ihrerseits über die Ständerwicklung elektrische
Leistung an die sichere Schiene und die daran angeschlossenen Verbraucher abgibt.
Bei Notbetrieb wird aus der im Schwungrad gespeicherten kinetischen Energie mechanische
Leistung an die Drehfeldmaschine abgegeben und von dieser in elektrische Leistung
umgesetzt, während sich die Drehzahl des Schwungrades erniedrigt. Bei beiden Betriebszuständen
wird der Läufer der Drehfeldmaschine 2 über seine Läuferwelle mechanisch angetrieben;
die 14aschine arbeitet generatorisch.
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Im Notbetrieb soll die Frequenz fSt der an der Ständerwicklung angegriffenen
Spannung innerhalb enger Toleranzgrenzen auf dem für die unterbrechungsfreie Spannung
vorgegebenen Sollwert fSt gehalten werden. Mit f wird die der mechanischen Läuferdrehzahl
n entsprechend der Polzahl proportionale Frequenz bezeichnet, die bei synchronem
Lauf der Drehfeldmaschine gleich der Standerfrequenz SSt ist. Die im Läufer fließenden
Ströme weisen relativ zum Läufer eine Schlupffrequenz fs auf, wobei für stationären
Betrieb der Drehfeldmaschine gilt f t fs = fSt - f = . fSt (1) fSt Es ist üblich,
den Schlupf s, fSt- f s = , (2) fSt einzuführen, der für s>0 den untersynchronen
Betrieb der Drehfeldmaschine anzeigt, bei dem das von den Läuferströmen hervorgerufene
Läuferdrehfeld gegenüber dem Ständer feld zurückbleibt, während für s <0 übersynchroner
Betrieb vorliegt, bei dem das von den Läuferströmen hervorgerufene Drehfeld schneller
umläuft als das Ständerdrehfeld.
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Der Schlupf s gestattet es, die von der Ständerwicklung an die sichere
Schiene abgegebene Leistung NA als Funktion der über die Läuferwelle zugeführten
mechanischen Leistung Nm auszudrucken. Mit den in Fig. t durch die Pfeile Nm, N5
und N# dargestellten Leistungsflüssen ergibt sich für den Läufer die Leistungsbilanz
N# = Nm + Ns (3) mit folgenden Abkürzungen: für iür die über den Luftspalt dem Ständer
entnommene "Luftspaltleistung" (N#<0 bei Leistungsabgabe an den Ständer, generatorischer
Betrieb) Ns 0 s . N# für die an den Läuferkreis abgegebene elektrische "Schluptleistung"
(z.B. bei einer Synchronmaschine oder einer Kurzschlußläufer-Asynchronmaschine bedeutet
Ns>0 die in der Läufer-Dämpferwicklung verbrauchte elektrische Leistung) Nm =
(1 - s) N# für die über die Läuferwelle nach außen abgeführte mechanische "Wellenleistung",
also Nm<O in dem Fall, daß der Läufer vom Schwungrad beschleunigt wird.
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Vernachlässigt man, daß ein Teil der vom Ständer aufgenommene Luftspaltleistung
an den ohmschen Ständerwicklungen verbraucht wird, so ist die bei generatorischen
Betrieb in die sichere Schiene 4 eingespeiste Leistung NA entgegengesetzt gleich
der Luftspaltleistung Ns .
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Für die spätere Betrachtung sei auch der motorische Betrieb einer
derartigen Drehfeldmaschine erwähnt, bei dem eine in den Ständer eingespeiste elektrische
Leistung NE bei Vernachlässigung der Ständerverluste als Luftspaltleistung in den
Läufer übertragen wird (NE = NS ). Es ergeben sich für den stationaren Betrieb einer
Drehfeldmaschine folgende Betriebszustände:
untersynchron übersynchron
(S>0) (S<0) generatorischer NA # -N# > 0 NA # - N# > 0 Betrieb abgeführt
abgeführt Schlupfleistung Ns = - sNA < 0 Ns = |s|.NA>0 Ns = s . N# zugeführt
abgeführt Wellenleistung Nm=-(1-s)NA<0 Nm=-(1+|s|)NA<0 Nm=(1-s) N# zugeführt
zugeführt motorischer NE#N# > 0 NE#N# > 0 Betrieb zugeführt zugefuhrt Schlupfleistung
Ns = sNE > 0 Ns=-|s|.NE<0 Ns = sN# abgeführt zugeführt Wellenleistung Nm=(1-s)NE>
0 Nm=(1+|s|)NE>0 Nm=(1-s)N# abgeführt abgeführt Die Erfindung beschreitet nun
folgenden Weg: Als Drehfeldmaschine wird eine Asynchronmaschine mit Läuferstromeinspeisung
("doppelt gespeiste Asynchronmaschine") verwendet, im einfachsten Fall also eine
Asynchronmaschine, deren Läuferwicklung nicht kurzgeschlossen ist, sondern über
Schleifringe mit einer Einspeise-Stromquelle verbunden sind ("Schleifringläufer-Asynchronmaschine"),
wie dies in der Fig. bei 5 angedeutet ist. Zur Läufer stromeinspeisung ist zwischen
einem Hilfsnetz 6 und dem Läufer bzw. dessen Stromeinspeisung 5 ein Umrichter mit
4-Quadrantenverhalten angeordnet, der dem Läufer ein Drehfeld mit vorgegebener Schlupffrequenz
einprägt. Ein derartiger Umrichter mit 4-Quadraten-Verhalten kann
einen
Strom führen, der eine beliebige Phasenverschiebung ## (0<##<360°) gegenüber
der Spannung besitzt.
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Außerdem ist die Frequenz des Stromes in weiten Grenzen stellbar.
Es ist dann möglich, unabhängig von der mechanischen Läuferdrehzahl und der Spannung,
die im Läufer von der Ständerwicklung induziert wird, über die Umrichtersteuerung
einen derartigen Stromfluß im Läufer zu erzeugen, daß im Läufer ein Drehfeld der
gewünschten Frequenz entsteht. Als derartige Umrichter können insbesondere Direktumrichter
verwendet werden.
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Auf diese Weise ist es möglich, in die Läuferwicklung jede gewünschte
Schlupfleistung Ns einzuspeisen und dabei auch den Schlupf s selbst frei vorzugeben.
Gibt man für die gesicherte Spannung also den Frequenz-Sollwert ist vor, so kann
nach der Beziehung (2) demnach der Schlupf s so geführt werden, daß sich die Ständerfrequenz
fst auch dann noch auf den vorgegebenen Sollwert fst einregelt, wenn der Läufer
die zu fst synchrone Drehzahl bereits wesentlich unterschritten hat. Dies kann sowohl
im untersynchronen wie im übersynchronen Bereich durchgeführt werden. Das Schwungrad
kann demnach so dimensioniert werden, daß bei Notbetrieb nach einer für den Notbetrieb
zugelassenen Maximal dauer die dem Schwungrad vom Läufer entnommene mechanische
Energie zu einer Abnahme der Läufer drehzahl führt, die wesentlich über den für
die Frequenz der unterbrechungsfreien Spannung zugelassenen Toleranzgrenzen liegt.
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Es sei z.B. angenommen, daß die Verbraucherfrequenz, d.h.
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die für die unterbrechungsfreie Spannung vorgegebene Frequenz, bei
50 Hz liegt. Als Drehfeldmaschine kann dann eine 4-polige Schleifringläufer-Asynchronmaschine
verwendetwerden, die bei einer zur Verbraucherfrequenz synchronen Läuferdrehzahl
n = 1500 min i (entsprechend s=0) die unterbrechungsfreie Spannung liefert. Der
Schwungrad-
antrieb und die Asynchronmaschine kann nun so ausgelegt
werden, daß bei Normalbetrieb eine übersynchrone Dreh zahl n 1 (z.B. n1 = 1800 min
-1, entsprechend einem Schlupf 5 = -0,2) eingehalten wird. Muß für die an die gesicherte
Schiene angeschlossenen Verbraucher die Leistung NA bereitgestellt werden, so ist
vom Umrichter 7 dann bei Normalbetrieb die Leistung 0,2 NA aus dem Läufer abzuführen,
dem über die Welle vom Antrieb die Leistung 1,2 NA mechanisch zugeführt wird. Wird
auch die Schlupfleistung über das Hilfsnetz den Verbrauchern zugeführt, so erhöht
sich die bereitgestellte Verbraucherleistung - abgesehen von ohmschen Verlusten
in der Asynchronmaschine - auf 1,2 NA, d,h. die Antriebsleistung wird teils über
die Ständerwicklung, teils über Läuferwicklung, Umrichter und Hilfsnetz, dem Verbraucher
zugeführt. Antrieb, Maschine und Umrichter sind für die entsprechenden Leistungen
und Drehzahlen auszulegen.
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Für die Steuerung des Umrichters ist es vorteilhaft0 wenn ein Hilfsnetz
konstanter Frequenz verwendet wird, insbesondere wenn die Hilfsnetz-Frequenz gleich
der Frequenz der unterbrechungsfreien Spannung ist, im Beispiel also ebenfalls 50
Hz. Entsprechend der Beziehung (1) muß der Umrichter dem Läufer dann eine Schlupffrequenz
von 0,2 . fSt = 10 Hz einprägen. Das bedeutet, daß der Umrichter die Hilfsnetzfrequenz
fu = 50 Hz im Frequenzverhältnis fH/£s = 5 untersetzen muß, was noch über einem
z.B. bei Direktumrichtern problemlos beherrschbaren unteren Wert von fH/fs = 3 liegt.
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Im Notbetrieb entnimmt die Asynchronmaschine dem Sehwungrad die Wellenleistung
(I+s)NA, wodurch sich die Drehzahl von Schwungrad und Läufer erniedrigt0 Damit verkleinert
sich auch der Schlupf s und die über den Direktumrichter zwischen Läufer und Hilfsnetz
ausgetauschte Leistung.
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Bei der gegebenen Dimensionierung kann dieser Notbetrieb
über
den synchronen Betriebspunkt (s = 0) hinaus in den untersynchronen Bereich ausgedehnt
werden, bis wieder ein Schlupf s = +0,2 erreicht ist. Das Schwungrad ist dann bis
auf eine Enddrehzahl n2 = 1200 min verlangsamt. Die in einem Schwungrad des Trägheitsmomentes
1 bei einer Drehzahl n gespeicherte Energie ist durch I . n² E = (4) 2 gegeben.
Beim Abbremsen des Schwungrades von der normalen Drehzahl n1 auf die Enddrehzahl
n2 während des Notbetriebes wird demnach dem Schwungrad die Nutzenergie E, bezogen
auf die anfänglich gespeicherte Energie E(ni),
entnommen. Im Beispiel ergibt sich damit die hohe Ausnutzung von 0,56, die es ermöglicht,
entweder das Schwungrad entsprechend klein zu dimensionieren oder für den Notbetrieb
wesentlich längere Maximalzeiten zuzulassen.
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Ist nach Ablauf dieser Maximalzeit die Störung der dem Schwungradantrieb
speisenden Energiequelle nicht behoben, so muß entweder die Abschaltung der Verbraucher
eingeleitet werden oder eine Ersatzenergiequelle, z.B. ein Dieselmotor wie bei dem
eingangs erläuterten Stand der Technik, angeworfen werden.
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Die Führung des Umrichters erfolgt entsprechend der Beziehung 2 so,
daß für die Ständerspannung fst der gewünschte Sollwert f*t aufrecht erhalten wird.
Bei Direktumrichtern können Frequenz und Amplitude des Ausgangsstromes getrennt
gestellt werden. Der Umrichter kann dann über den Frequenzeingang durch eine Steuergröße
geregelt werden, die jeweils bei Abweichung der Frequenz fst von dem vorgegebenen
Sollwert die dem Läufer eingeprägte Schlupffrequenz fS bis zum Verschwinden der
Regelabwei-
chung nachstellt Meist wird für die unterbrechungsfreie
Spannung (Verbraucherspannung) aueh eine konstante Amplitude vorgegeben. Über den
Amplitudensteuereingang des Umrichters kann auch die Abweichung des Betrages der
Ständerspannung von dem vorgegebenen Sollwert ausgeregelt werden.
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Wie bei dem eingangs erläuterten Stand der Technik kann als Schwungradantrieb
eine von einem Versorgungsnetz gespeiste asynchrone Drehfeldmaschine benutzt werden,
die bei Netzstörung mittels eines Schalters vom Netz trennbar ist. Besonders vorteilhaft
wird für diese weitere asynchrone Drehfeldmaschine ebenfalls eine Asynchronma schine
10 (Fig. 2) verwendet, dien wie bei 11 angedeutet ist, ebenfalls eine Läufereinspeisung
besitzt , Die Ständerwicklung dieser zweiten Asynchronmaschine ist bei Normalbetrieb
aus einem Versorgungsnetz 12 gespeist. Not betrieb liegt also vor, wenn das Versorgungsnetz
ausfällt.
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Durch Öffnen eines Netzschalters 13 wird die Vorrichtung auf Notbetrieb
umgeschaltet. Zur Läufereinspeisung ist zwischen dem Läufer und dem Hilfsnetz 6
ein zweiter Umrichter 14 angeordnet, der dem Läufer der zweiten Drehfeldmaschine
10 ebenfalls ein Drehfeld mit vorgebbarer Schlupffrequenz einprägt. Der Läufer der
zweiten Drehfeldmaschine ist ebenfalls starr mit dem Schwungrad 1 verbunden. Die
Maschine 2 wirkt dabei als mechanische Last der Maschine 10. Die dem einen Läufer
zugeführte Wellenleis stung wird also über die gemeinsame Welle vom anderen Läufer
abgeführt tNEs NA)* Die Frequenz des Läuerstromes, d.h. der Schlupf, der Maschine
wird dabei wiederum entsprechend der Beziehung (2) so gesteuert, daß bei der gegebenen
Ständerfrequenz (Netzfrequenz) der Läufer mit dem Schwungrad bei Normalbetrieb auf
der vorgesehenen hohen Drehzahl gehalten wird.
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In der Regel ist der sicheren Schiene 4 als Frequenzsoll
wert
die Frequenz des Versorgungsnetzes 12 vorgegeben.
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Vorzugsweise sind die Asynchronmaschinen 2 und 10 gleich ausgelegt.
Die Umrichter können dann entsprechend dem maximal zugelassenen Schlupf 5marx der
Maschinen auf sma NA ausgelegt werden. Bis auf die ohmschen Leistung verluste wird
also die in die sichere Schiene 4 eingespeiste Verbraucherleistung NA dem Netz 12
als Einspeiseleistung NE entnommen.
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Aus der obigen Tabelle zeigt sich wegen NA#NE, daß sowohl bei übersynchronem
wie bei untersynchronem Betrieb jeweils die dem einen Läufer zugeführte Schlupfleistung
aus dem anderen Läufer abgeführt wird. Letztlich tauschen also die beiden Asynchronmaschinen
über die Umrichter die gleiche Schlupfleistung aus und das Hilfsnetz 6 wird mit
keiner Wirkleistung belastet.
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Im einzelnen wird bei einem Ausfall des Versorgungsnetzes, im allgemeinen
des öffentlichen Netzes, der Schalter 11 geöffnet und in der gleichen Weise, in
der an der sicheren Schiene durch die Steuerung des Umrlchters 7 eine unterbrechungsfreie
Spannung konstanter Frequenz und konstanter Amplitude erzeugt wird, auch am Anschluß
des Ständers der zweiten Asynchronmaschine 10 die Frequenz und Amplitude der Klemmenspannung
konstant gehalten. In diesem Fall ist NEO. Ist ein übersynchroner Normalbetrieb
(s(O) vorgesehen, so wird durch die zum Aufrecbterhalten der Klemmenfrequenz erforderliche
Schlupfsteuerung der Asynchronmaschine 10 Schlupfleistung aus dem Hilfsnetz entnommen
und dem Schwungrad zugeführt. Diese Schlupfleistung der Maschine 10 ist ihrerseits
als Schlupfleistung der Maschine 2 dem Schwungrad entnommen, so daß auch in diesem
Fall die Maschinen über die Umrichter nur Schlupfleistung austauschen. Bei längerem
Netzausfall wird der synchrone Betriebspunkt der Asynchronmaschine unterschritten
und nunmehr bei po-
sitivem Schlupf Schlup*leistung aus der Asynchronmaschi
ne 10 auf die Asynchronmaschine 2 übertragen. Der bereits bei Normalbetrieb vorliegende
generatorische Betriebszustand der Asynchronmaschine 2 blest auch im Notbetrieb
erhalten während die m Normalbetrieb motorisch arbeitende Asynchronmaschine iO im
Notbetrieb (geöffneter Schalter 13) praktisch keine Wellenleistung erzeugt. Bei
Wiederkehr der Spannung am Versorgungsnetz 12 wird über eine nicht dargestellte
Synchronisier-Meßeinrichtung, wie sie z.B. bei Synchrongeneratoren bekannt ist,
festgestellt, ob die wiedergekehrte Netzspannung hinsichtlich Amplitude und Frequenz
mit der am Ständer der Asynchronmaschine 10 aufrecht erhaltenen Klemmenspannung
übereinstimmt. Bei Übereinstimmung wird der Schalter 13 geschlossen und die Asynchronmaschine
10 nunmehr wiener motorisch betrieben.
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Unmittelbar nach dem Einlegen des Netzschalters kann nun der Schlupf
der Maschine so hochgefahren werden, daß ein weiteres Absinken der Schwungraddrehzahl
verhindert und der stationäre Zustand mit der niedrigen Enddrehzahl erreicht wird.
Dabei steigt die vom wiedergekehrten Netz in die Maschine 10 eingespeiste Leistung
NE bis auf die Abspeiseleistung NA der Maschine 2. Anschließend kann die Wiederbeschleunigung
des Maschinensatzes eingeleitet werden. Dazu wird der Asynchronmaschine 10 mehr
Einspeiseleistung zugeführt, als von der Asynchronmaschine 2 an die Verbraucher
abgegeben wirdn Ist das Schwungrad während des Netzausfalles auf eine untersynohrone
Drehzahl abgebremst worden, so muß gemäß Beziehung (2) Zum Wiederbeschleunigen die
vom Direktumrichter 14 an das Hilfsnetz abgegebene Schlupfleistung gegenüber dem
stationären Fall vermindert werden, wodurch sich die Einspeiseleistung, die von
der Maschine 10 als Wellenleistung an das Schwungrad abgegeben wird, auf Kosten
der abgegebenen Schlupf leistung um die Schwungrad-Beschleunigungsleistung Ng erhöht.
Ist am Ende des Netzausfalles das Schwungrad noch
nicht auf synchrone
Drehzahl entladen, so ist zur Wiederbeschleunigung des Schwungrades die stationäre
zugeführte Schlupfleistung entsprechend zu vergröBern.
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Ein Ausfall des unabhängigen Hilfsnetzes 6 hat einen Ausfall der gesamten
Vorrichtung zur Folge. Wie bereits erläutert, kann die Spannung des Hilfsnetzes
6 jedoch entsprechend Fig. 3 direkt über die Leitung 20 an der gesicherten Schiene
4 abgegriffen werden. Da zumindest im stationären Betrieb die von den Direktumrichtern
mit dem Hilfsnetz ausgetauschten Wirkleistungen entgegengesetzt gleich sind, wird
die Asynchronmaschine 2 dabei nicht zusätzlich mit Wirkleistung belastet. Vielmehr
muß sie nur die Kommutierungs- und Steuerblindleistung der Umrichter aufbringen.
Bei einem Netzausfall wird die für die Synchronmaschine 2 erforderliche Schlupfleistung
über deren Luftspaltleistung dem Schwungrad entnommen. Lediglich bei der Wiederaufladung
muß zusätzlich Schlupfleistung über den Maschinensatz geschleppt werden.
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Ein Kurzschluß in den an die sichere Schiene 4 angeschlossenen Verbrauchern
kann insbesondere bei Verbrauchern höherer Leistung zu einem Zusammenbruch der Spannung
führen. In der Regel sind derartige Verbraucher mit Schutzgliedern versehen, die
die gestörten Verbraucher bei einem Verbraucherkurzschluß abschalten. Es kann aber
nicht immer vermieden werden, daß bis zum Auslösen der Schutzglieder ein wesentlicher
Spannungseinbruch in der gesicherten Spannung entsteht und die über die Leitung
20 an die sichere Schiene angeschlossenen Direktumrichter ausfallen. Die Asynchronmaschine
2 kann dann die zur Auslösung der Schutzglieder erforderliche Kurzschlußleistung
nicht mehr aufbringen. Für diese Fälle ist es vorteilhaft, wenn mit dem Schwungrad
eine Synchronmaschine starr gekuppelt ist, deren Ständerwicklung das Rilfsnetz speist.
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Die Erregung der Synchronmaschine kann durch eine Hilfs-
erregermaschine
von außen ode mittelbar (z.B. aus einer Batterien die aus der sicherere Schiene
nachgeladen wird) über die sichere Schiene erfolgen In diese Fall ist die Frequenz
des Hilfsnetzes nicht mehr konstant, sonden synchron mit der Läuferdrehzahl veränderlich,
die Verbindung zwischen Hilfsnetz und sicherer Schiene (Leitung 20 in Fig. 3) ist
zu unterbrechen.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ist die Asynchron maschine
2 auf die Verbraucherleistung NA und die Asynchronmaschine 10 auf die Summe der
Verbraucherleistung NA und der Beschleunigungsleistung NB auszulegen. Die Umrichter
4 und 10, für die vorzugsweise Direktumrichter verwendet werden, müssen die maximale
Schlupfleistung aufbringen können. Bei der Beschleunigung des Schwungrad des wird
neben der aus der Tabelle ersichtlichen stationären Schlupfleistung noch die Beschleunigungsleistung
über die Umrichter geschleppt werden, jedoch kommt man mit einer Auslegung aus,
bei der die maximale, über die Umrichter zu schleppende Schlupfleistung nur geringfügig
über der sich für die Höchstdrehzahl bei Normalbetrieb (bzw. die Enddrehzahl nach
der zugelassenen Notbetrieb-Maximaldauer) ergebenden stationären Schlupfleistung
liegt. Das Schwungrad wird dann jeweils nur mit der Leistung beschleunigt, die von
den Direktumrichtern noch zur Verfügung gestellt werden kann; insbesondere in der
Nähe der Drehzahlen ni und n2 ist dann nur eine geringe Beschleunigung möglich.
Die Synchronmaschine 21 ihrerseits muß nur die zur Schwungradbeschleunigung erforderliche
Leistung aufbringen, also ebenfalls höchstens die maximale SchlupfleistungO Diese
Auslegung gestattet den Betrieb der Vorrichtung bei Drehzahlen zwischen ni und n2.
Um die Vorrichtung aus dem Stillstand auf die untere Drehzahl n1 zu beschleunigen,
kann in den Läuferkreis der Asynchronmaschine 10 ein
Anlaßwiderstand
eingeschaltet werden, der bei Erreiehen von ni aus dem Läuferkreis ausgeschaltet
wird. Die weitere Beschleunigung des Schwungrades in die für Normalbetrieb vorgesehene
Höchstdrehzahl kann dann über die Umrichter erfolgen. Die Verwendung eines derartigen
Anfahrwiderstandes bei einer Asynchronmaschine ist bekannt und in den Figuren nicht
dargestellt.
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L e e r s e i t e