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Synchronisierschaltvorrichtung, im besonderen für Wechsel- und Drehstrommaschinenkreise
Bei dem Synchronisieren elektrischer Maschinen sind bekanntlich, um starke Stromstöße
zu vermeiden, drei Bedingungen so genau als möglich zu erfüllen, was namentlich
bei den steigenden großen Leistungseinheiten von Bedeutung ist. Es handelt sich
nämlich um die Abgleichung auf gleiche absolute Spannungswerte, um Übereinstimmung
der zugehörigen Vektorenrichtungen und um die möglichst genaue Übereinstimmung der
Periodenzahlen, damit die Vektoren beim Schaltvorgang genügend lange in Deckung
bleiben, wenn auch allzu gute Abgleichung in letzter Beziehung zu unzulässigen Verzögerungen
führen kann.
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Die technische Elektronik ergibt nun im Sinne der vorliegenden Neuerung
Mittel, um in jeder Beziehung das Rechte mit beliebiger Genauigkeit zu erreichen,
und die Mittel selbst lassen sich bequem kombinieren und in gewünschtem Grade vereinigen.
Zur Kennzeichnung derselben werden im folgenden stets einfache Elektronenröhren
angenommen, obwohl die wirkliche Praxis vollkommenere Apparate in bezug auf Leistung
sowohl wie Empfindlichkeit benutzt, die aber natürlich immer auf der einen Seite
Steuer- oder Empfindlichkeitskreise und auf der anderen Arbeitskreise besitzen.
Dabei ist zu beachten, daß es sich in der erstgenannten Beziehung der in Übereinstimmung
zu bringenden Werte um einfachere Dauerabgleichungen, in der zweiten um momentane
Abgleichungen und in der dritten um die Einführung von Zeiteinflüssen handelt, welch
letztere -bisweilen größere Schwierigkeiten bietet.
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Zu dem letztgenannten Zwecke kann man an Stelle der mechanischen Zeitschalter
bekannter Konstruktionen Zeitschaltvorrichtungen auf Grund der technischen Elektronik
benutzen, , indem durch gewisse Kondensator-oder sonstige kleine Energieaufladungen
in den Steuerwegen beliebige Zeiteinflüsse erzielt werden. In dem vorliegenden Zusammenhang
jedoch lassen sich in dieser Beziehung eine Reihe Variationen `treffen, die häufig
zweckdienlicher sind und auf geeignete Anwendung von Selbstinduktionswirkungen beruhen
können, die im Zusammenwirken mit den verschiedenen Periodenzahlen das Gewünschte
ergeben.
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Jedoch ist hierbei einige Vorsicht am Platze, und @es soll deshalb
gerade darauf zunächst eingegangen werden. Ein bis zu einem gewissen Grade anscheinend
einfacher Fall entsteht z. B., wenn man jede der beulen zu synchronisierenden Linien
auf ein besonderes Elektronenrelais wirken läßt, derart, daß die beiden Elektronenrelais
wiederum auf den Schaltapparat wirken, derautomatisch das Schließen des Schalters
vornimmt, sobald die gewünschte Gleichheit besteht bzw. durch das Nachregeln von
Hand erreicht wird. Derartiges ist in Abb. i gezeichnet,
wo die
beiden Elektronenrelais V uhd H die geschilderte Wirkung auf den Schaltapparat N
hervorrufen sollen, der die beiden Wechselstromlinien L und E bzw. die beiden zugehörigen
Maschinen synchronisiert und verbindet. Das Relais V hat zu solchem Zwecke seinen
Anodenkreis über Anode A, Kathode K und Batterie B oder eine andere Betriebsspannung
mit einer ein selbständiges Feld hervorrufenden Magnetspule des Schalters N verbunden;
ähnlich ist es der Fall am Relais H. Beide Spulen wirken auf weiche Eisenkerbe ein
oder auf einen genügend langen gemeinsamen Eisenkeim so daß mit diesen Kernen verbundene
Schaltkontakte betätigt werden. Der Einfachheit halber ist dabei angenommen, daß
die Bewegung in entgegengesetzten Richturigen erfolgen kann, je nach dem Überwiegen
des einen oder anderen Feldes, und die Mittelstellung entspricht dem wirklichen
Schluß der Kontakte oder der Verbindung der Maschinen.
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Das Gitter G des Relais V ist im zugehörigen Steuerkreis mit einer
Selbstinduktionsspule O verbunden, die in Hintereinanderschaltung mit dem Widerstand
X an der Netzspannung von L liegt; dieselbe Anordnung ist auf der Seite der Linie
E getroffen. Bei gleichen effektiven Linienspannungen hängt unter solchen Umständen
der Spannungsabfall in der Selbstinduktion O von der Periodenzahl ab, indem er kleiner
wird mit fallender Periode. Die Wirkung wird nun durch das Relais V außerordentlich
verstärkt, und entsprechend wird der Kern von N nach der einen oder anderen Seite
gezogen. Ist z. B. die Periodenzahl auf der Seite von E
normal und bei L im
Nachregulieren noch nicht normal, so stehen die Schaltkontakte zu tief, um die Schaltung
wirklich vorzunehmen, oder ein je nach der Konstruktion des Schalters ihöglicher
Einsprung kann noch nicht stattfinden. Dies ändert sich erst, nachdem die Periodenzahl
die gleiche geworden ist; irgendein besonderer Zeitpunkt ist weiter dabei nicht
begünstigt, solange man annehmen kann, daß der Schalter auf Effektivwerte anspricht,
also nicht völlig massenlos gedacht wird. Die beiden Wechselströme kommen auch im
Schalter wirklich zur Wirkung, wenn durch Verdoppelung der Relaisseiten und passende
Gittervorspannung für die entsprechende Ausbildung der Halbwellen Sorge getragen
wird, soweit dies wünschenswert oder je nach der Periodenzahl nötig erscheint, und
man könnte natürlich zu solchem Zwoecke auch eine Abtransformierung superponierter
Wellen zum Relaisgleichstrom nach bekannten Prinzipien vornehmen. Es ist auch noch
nicht von allzu schwerwiegendem Nachteil, daß auch die evtl. selbst veränderliche
Gesamtspannung der Linien an sich auf die Gitterkreise einwirkt, soweit dies nicht
anderweit künstlich vermieden wird. Es kann hierdurch zwar eine falsche Kompensation
für Periodenabweichung erfolgen, indessen ist diese Gefahr beim sorgfältigen Einregeln
unter Beobachtung genauer Grenzmesser nicht allzu groß. Was aber wesentlich ist,
ist der Umstand, daß sich leicht auch sonstige zufällige Differenzen. und Fehler
im jeweiligen Gitterkreis geltend machen können, so daß sich bei der auch vielleicht
nicht völlig Verstärkung am Schalter ganz falsche Betätigungsverhältnisse ergeben.
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Dies läßt sich vermeiden, wenn man im Gitterkreis selbst init Differenzwirkungen
arbeitet, wie im Schema der Abb. z angenommen ist, obwohl sich auch hierbei mancherlei
ergibt, was beachtet werden muß. Der Vorteil einer Einwirkung auf Steuerkreise mit
verschiedenen Strömen ist der gleiche wie vorher, und es fragt sich nur, wie die
Differenzwirkung_ beschaffen ist und was sie jetzt hervorruft. Eine kurze Überlegung
zeigt nun, daß zu bestimmten Zeiten je nach der Verschiedenheit der Periodenzahl
unter den angenommenen Umständen ebensowohl eine Summationswirkung zustande kommen
kann, da es sich jetzt allgemein um vektorielle Zusammensetzungen handelt, die sich
im Gitterkreis und verstärkt im Anoden- und Schalterkreis in dem hier resultierenden
Feld bemerkbar machen. In Abb. a sind nämlich die beiden zu synchronisierenden Kreise
durch eine Kombination von Selbstinduktion O und Widerstand X von genügender Höhe,
evtl. in Form einer Phasenlampe, unmittelbar geschlossen, und der Spannungsabfall
in O wirkt auf den Gitterkreis. Auf die Kombination wirkend ist unter solchen Umständen
ein -Kurvenzug von Sinus- oder ähnlichen Kombinationswellen, die in ihrem Scheitelwert
vom Maximalwert bis zu Null fallen, wenn die beiden Linienspannungen an sich die
gleichen sind, und der Kurvenzug ist eingeschlossen in zwei Umhüllungskurven zu
beiden Seiten der Abszissenachse, deren Gestalt von der Verschiedenheit der Periodenzahl
abhängig ist. In der Sielbstinduktionsspule O aber wird unter solchen Voraussetzungen
bei Übereinstimmung der Netzspannungen ein Scheitelwert Null so lange nicht erreicht,
als die Periodenzahl verschieden ist, d. h. praktisch daß ein erst bei einem geringen
Minimum fallender Schalter N leicht so eingerichtet werden kann, als es für den
gesamten Einre-91-1- und Schaltvorgang zweckmäßig erscheint. Dabei ist zu erkennen,
daß der Schalter, da er sich nur im Bereich der wirklichen Differenzwirkungen betätigt,
auch
die 'übereinstimmung der Vektorenrichtungen kontrolliert, und
da sich eine Verschiedenheit der Netzspannungen an sich gleichfalls bemerkbar macht,
so haben wir auch noch eine Schaltereigenkontrolle in bezug auf die Spannungsabsolutwerte
und deren genaue übereinstimmung. Größere Schaltermassenwirkung könnte natürlich
bei der Form der genannten Umhüllungskurven die Periodenkontrolle noch unterstützen,
soweit das ratsam erscheint.
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Wie im übrigen die Feldeinwirkung auf den Schalter sich vollzieht,
ist unerheblich. Will man selbst in den Momentanwerten Nullpunkte vermeiden, so
kann man mit Gleichrichterwirkung des Elektronenrelais V arbeiten, indem man so
viel negative Vorspannung an das Gitter setzt, daß nur die positiven Halbwellen
entsprechender Verstärkung sich im Anoden- und Feldkreis bemerkbar machen, und die
andern Halbwellen können dann in gleicher Richtung im Felde zur Geltung gebracht
werden, indem man ein zweites Relais oder eine Mehrfachausbildung des ersten nach
bekannten Grundsätzen vorsieht. Dabei kann, was namentlich bei Mehrphasenstrom von
Bedeutung ist, eine zweite Kombination und gegebenenfalls eine mehrfache von Selbstinduktion
und Widerstand zur Überbrückung der Schaltstellen und zum entsprechenden Anschluß
an Gitterkreise benutzt werden. Bei Durchgang der einen Periodenzahl durch den Normalwert
bei einer gleichbleibenden zweiten vertauschen sich dann einfach die wirksamen Halbwellen
in den Relais, so daß eine gewisse Stetigkeit dort gewahrt bleibt.
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Man kann auch, wie in Abb.3 gezeichnet ist, mit dem Maximum der Scheitelwerte
arbeiten, d. h. den Zeitraum benutzen, in dem die vektorielle Zusammensetzung der
Spannungswerte so ziemlich reine Summationswerte abgibt. Dann muß die Kombination
von O und X die Schaltstellen überkreuzen und Anschluß der Gitterkreise an die Widerstände
erfolgen. Es ergeben sich dann allerdings wieder gewisse Nachteile in der Empfindlichkeit,
die in gewisser Beziehung dadurch behoben werden können, daß man zur Erzielung einer
neuen Art von Differenzwirkung im Gitterkreis eine Batterievorspannung entsprechender
Größe vorsieht, die, wie in Abb. 3 angenommen, positiv ist, damit bei der maximalen
negativen Einwirkung vom Widerstand her zur rechten Zeit der wieder als Fallschalter
gedachte Schaltmechanismus sich betätigen kann. Es entsteht dabei allerdings eine-
gewisse Schaltabhängigkeit beider Periodenzahlen von der Spannung der Batterie Z
im Gitterkreis, die jetzt lästig sein kann. Auch muß man jetzt darauf achten, von
welcher Seite her die Einregelungen, die hier besonders nicht zu schnell vonstatten
gehen dürfen, erfolgen.
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Eine Reihe von Verbesserungen sind in allen Fällen denkbar. So kann
man bekannte Kaskadensysteme von Selbstinduktion und Widerstand anwenden, um die
Empfindlichkeit zu erhöhen, obwohl - dies bei den Fähigkeiten der Relais und der
Relaiskaskaden usw. kaum nötig ist, und man kann auch dadurch gewisse Phasenverschiebungen
erzeugen, derart, daß im richtigen Schaltgebiet nicht nur die genannten Bedingungen
erfüllt «erden, sondern, soweit das angesichts der Massen der Schalter irgendwie
möglich ist, den Schaltmoment begünstigen, in dem. bei der im übrigen in Frage kommenden
Gesamtschaltung die Momentanwerte der Urspannungen an sich durch Null gehen, also
nicht nur die Scheitelwerte richtiger Gegenwirkung. Man kommt dabei zu Wirkungen,
die sich zu den vorigen verhalten oder verhalten können wie die von Tachometern
zu Tourenzählern, in ähnlicher Vermeidung oder Beschränkung von. Integrationswirkungen.
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Wichtiger aber kann @es sein, daß man den Schalter von der -einen
oder anderen Wirkung entlastet, also diese Funktionen entlastend oder unterstützenderweise
andern Schaltern oder zusätzlichen Verriegelungen überweist. So kann man Kontrolleinrichtungen
schaffen, die nur die Gleichheit der Absolutwerte der beiden Linienspannungen prüfen,
und andere, die nur oder der Hauptsache nach die richtige Richtung der Vektoren
sichern. Hierdurch wird vermieden, daß die schon erwähnte gegenseitige Kompensation
von Fehlern, die sich trotz aller Instrumentkontrollen lästig machen kann, bedenklich
wird.
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Zur wesentlichen Prüfung auf Gleichheit der absoluten Spannungswerte
kann man z. B., um auf dem reinen Gebiet der technischen Elektronik zu verbleiben,
Gleichrichterwirkungen und Differenzwirkungen derselben heranziehen. Dergleichen
ist z. B. in Abb. q. gezeichnet, wo H und I die beiden genau wirkenden
Hochvakuumglühkathodengleichrichter, die den beiden Linien entsprechen, sind.
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Es wirkt dabei die Differenz der beiden Spannungsabfälle in den Widerständen
M und Q auf den Widerstand P, von dem man einen passenden Teil auf das Gitter _G
des Relais V wirken lassen kann, das mit seiner scharfen Betätigung des Anodenarbeitskreises
den Schalter N so lange am Fallen verhindert, als nicht die Differenz der gleichgerichteten
Linienspannungen verschwindet. Zum Ausgleich der verbleibenden Superpositionswellen
ist ein Kondensator C mit Widerstand R angeordnet, die passend gewählt werden können.
Gerade
hier ist Relaisergänzung für die andere Halbwelle des Wechselstromes von besonderem
Wert, und Entsprechendes .gilt auch noch beim Drehstrom, wobei immer noch weitere
Stromglättung im Arbeitskreis durch Selbstinduktion zu Hilfe genommen werden kann.
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Liefert diese Anordnung in einer Gesamtschaltung oder an entsprechenden
Verriegelungen eines einzigen Schalters eine Sicherung für die Gleichheit der Absolutwerte
der Spannungen, so kann. die Anordnung nach Abb. 5 dann eine solche für die richtige
VektorenrIchtung darstellen. Hierbei läßt man entweder die ganze resultierende Spannung
der Linien auf einen Gitterkreis eines Relais einwirken oder einen an einem reinen
Widerstand abzugreifenden Teil, wie in der Abbildung bei X angedeutet ist. Der Schalter
fällt dann bei: verschwindender Vektordifferenz der Spannungen, also bei richtiger
Lage derselben. Die Periodenzahl hat keinen Einfluß, wenigstens was die Maximalwerte
der zusammenwirkenden Spannungswellen anbetrifft, und im übrigen übt nur die Form
der dadurch betroffenen Umhüllungskurven der zusammengesetzten Wellen einen Einfluß
insofern. aus, als sich im Zusammenwirken mit der Schaltermassenwirkung Hemmungen
ergeben, die nutzbar gemacht werden können, um ein Hüpfen des zugehörigen Schalters
in, gewissen Bereichen zu vermeiden. Wohl würde sich ein Einfluß verschiedener Spannungsabsolutwerte
ergeben, falls nicht diese Funktion in entsprechender Sicherung durch die Anordnung
nach Abb. q. übernommen wäre; beide Anordnungen zusammen ergeben also die besprochene
Funktionsentlastung und Sicherung etwa für die Anordnung nach Abb.2, die dann wir
noch auf die Abgleichung der Perioden zu reagieren braucht.
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Etwas schwieriger, wenn auch möglich, ist es, die Einflüsse noch weiter
oder ganz und. gar zu trennen, sowohl durch reine Mittel der technischen Elektronik
wie auch durch weitere Mitwirkung mehr mechanischer, an sich bekannter Einrichtungen
oder in Verbesserung von solchen. So ist in Abb. 6 die Zuhilfenahme .einer mit F
bezeichneten Maschine gezeichnet, die im motorischen Betriebe in ihrer Tourenzahl
in bekannter Weise von der Differenz der Frequenzen abhängt und z. B. einen kleinen
Wechselstromgenerator D treibt, der in seiner Spannung auf den Gitterkreis des Relais
einwirkt, derart, daß bei genügend fallender positiver Einwirkung schließlich der
Schalter M eines S iervokreises für den Hauptschalter N fällt. Die Linienspannungen
an sich und vektorielle Verschiedenheiten derselben wirken hier nicht ein, die letzteren
wenigstens nicht unmittelbar. Doch kann man; wenn man will; den richtigen Schaltpunkt
durch eine Kontaktbeschränkung an den Schleifringen bei S festlegen. Dies geschieht
so, daß aus der Spannungswelle von D durch den Kontakt ein passender kurzer Einwirkungsbereich
herausgegriffen wird, und zwar am besten in der Nähe des Scheitelwertes. Der letztere
könnte des relativsynchronen Ganges von D halber bei richtiger Bestimmung der Wicklung
von D natürlich auch ohne Kontaktbegrenzung zur Einwirkung benutzt werden. Die sichernde
Kontaktbeschränkung aber erleichtert, namentlich bei einem beweglichen Bürstensystem,
die Justierungen. Man kann dann, wenn man nicht die Anordnung nach Abb. q. zur Kontrolleder
Absol4twerbe verwenden will, auch die restliche Funktion und Sicherung riach Anordnung
wie in. Abb. 5 erreichen, deren Arbeiten auf richtigen Schaltpunkt jetzt also bedeutungslos
wird, so daß, sich im gesamten wenigstens wieder die Möklichkeit eines Verderkens
der Fehler aufhebt. In der Abb. 6 arbeitet das entsprechende Relais U auf den Schalter
J des angedeuteten Servokreises.
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Statt des kleinen Generators, der natürlich auch eine Gleichstrommaschine
mit entsprechendem Kontakt sein kann, kann man nach Abb. 7 z. B. auch einen entsprechenden
Drehkontakt a mit einer Batterie B und einem Kondensator C derart arbeiten lassen,
da.ß je nach der Kontaktbreite von a und der Kontaktgeschwindigkeit die Kondensatorspannung
in dem Gitterkreise des Relais mehr oder weniger zur Geltung kommt. Wird die Rufladung
infolge geringer Frequenzdifferenz zu gering, so fällt der entsprechende Servoschalter.
Das Ganze bildet natürlich nur ein Beispiel einer einen mechanischen Zeätschalter,
erübrigenden und die Abmessungen der Maschine F reduzierenden Kondensatorverwendung
in Gitterkreisen in Anwendung bei einer Synchronisiervorrichtung.
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Abb. 8, die ein ganzes Synchronisiersystem mit einem Servokreis darstellt,
bei dem mechanische Hilfsapparate dies weiteren nicht verwendet werden, zeigt unten
noch ein System der Kontrolle auf richtige Vektorenrichtung, bei dem sich-ein Einflu3,
der Absolutwerte der Linienspannungen im Gegensatz zu Abb. 5 nicht bemerkbar macht.
Es wird dies erreicht durch modifizierte Anwendung des Schemas nach Abb. 3, indem
man zur Gegenwirkung der Vektoren keine konstante Batterie oder sonstige, Stromquelle
benutzt, sondern die Summe der gleichgerichteten und geglätteten, transformatorisch
richtig- reduzierten Spannungswellen, und dann :eben das Schema allein zur zusätzlichen
Vektorenkontrolle in direkter Überkreuzung der zu verbindenden Linien verwendet.
Die zugehörigen Gleichrichter
sind bei I dargestellt; sie arbeiten
auf die Widerstände R und S. Die Summe entsprechender Spannungsabfälle ist dann
mit den Linienvektoren in Reihe geschaltet, wobei das Ganze auf einen entsprechenden
Gitterkreis des Relais Y wirkt. In dem Moment, wo sich wirkliche oder algebraische
Differenzwirkung ergibt und die Differenz gleich Null wird, erlaubt der zugehörige
Anodenkreis des Relais Y das Schließen des Schalters Z im Servokreis für den Hauptschalter
N. Ist z. B. einer der Linienspannungsvektorsn kleiner als der andere, so tritt
das gleiche ein in der gleichgerichteten Spannung, und ein Einfluß auf Z ergibt
sich hieraus in der Tat nicht. Die zweite Feldspule von Z empfängt Strom von der
linken Relaishälfte von Y für die zweckmäßig zu ergänzende zweite Stromhalbwelle,
und es muß, wenn nicht ein zweites Gleichrichterpaar I verwendet wird, zur Vermeidung
unzulässiger Verbindungen im System für die um r8o° verschobenen Maximalspannungsvektoren
Abnahme an besonderen Transformatorspulen T erfolgen.
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Zur Eigenkontrolle auf Abgleichung der Spannungsabsolutwerte im Gesamtschema
der Abb. 8 dient das Relaissystem W mit dem Gleichrichterpaar H nach den bei Abb.
q. besprochenen Prinzipien. Die Anordnung zeigt, wie das Gleichrichtersystem in
den beiden Hälften von W derart zur Wirkung gebracht werden kann, daß Spannungsdifferenzen
an den Gittern wirksam sind, gleichgültig ob die eine oder die andere Spannung überwiegt.
Erst wenn nirgendwo mehr eine positive Differenz wirkt und beide Spulen von > stromlos
werden, kann der zugehörige Servoschalter fallen.
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Die letzte Ergänzung zur Periodenkontrolle liefert das Relaissystem
V nach den Prinzipien der Abb. z, das auf Gien Servoschalter M wirkt, dessen beide
Spulen an gemeinsamer Kathodenleitung liegen. Sein unbedingt richtiger Schaltpunkt
ist nach Früherem dann erreicht, wenn gleichzeitig die Schalter I und Z schließen.
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Es sind natürlich in jedem Falle eine Reihe von Variationen möglich,
sowohl wenn es sich um ziemlich reine Methoden der Elektronik, Ersatz der Gitter-
durch die zum Teil zulässige Thermokontrolle der Elektroden usw., als auch. wenn
es sich um Ergänzungen zu den mehr mechanischen Methoden handelt. In letzter Beziehung
kann z. B. ein Ersatz der Maschine F der Abb. 6 durch Tachometermaschinen oder tachometrisahe
Differenzspannungsmaschinen mit Doppelantrieb durch kleine Synchronmaschinen erfolgen.
Ferner können z. B., namentlich bei Relais mit Hochemissionskathoden mit oder ohne
die an anderen Orte gleichfalls angegebenen Vorrichtungen zur Verminderung der Betriebsspannung
bei erhöhter Empfindlichkeit, statt der Servoschalter in Abb.8 stets entsprechende
Einflüsse am Hauptschalter N vorgesehen werden, wie auch früher schon angedeutet
wurde, und zwar mit weitgehend vereinigten Relaiseinrichtungen unter Vermeidung
von Rück- und andern ungünstigen Einflüssen durch transformatorische und andere
Maßnahmen. Es kann auch, wie in Abb.9 angedeutet, ein Ersatz der mechanischen Schalter
selbst durch Emissions- oder Entladungsstrecken stattfinden. Dabei kann, wenn es
sich z. B. um Lichtbogen mit Hilfsargongasatmosphäre handelt, der Schluß zwischen
den Elektroden L und E durch Querentladung zwischen H' und ,F' mit genügend hoher
Spannung unter dem Einfluß von Zündrelais stattfinden.
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Auch kann z. -B. nach den gleichfalls an andern Orten näher zu erörternden
Prinzipien neben der Einwirkung auf die Schalter ein ausgleichender Einfluß auf
die Maschinenfelder stattfinden, wie er an sich von uns schon zu andern Zwecken
in der Regelung der Maschinen benutzt wurde.