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Anordnung zur Synchronisierung von Synchronmaschinen mittels wattmetrischer
Relais Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die auf selbsttätigem Wege dafür
sorgt, daß bei der Synchronisierung von Synchronmaschinen bzw. von Wechselstromnetzen
der Hauptschalter im Moment der mindestens annähernden Phasenübereinstimmung der
beiden zu synchronisierenden Spannungen geschlossen wird. Eine solche Synchronisierung
ist beispielsweise für die sogenannte Schnellsynchronisierung erforderlich, bei
der die zunächst schwach erregte Maschine in der Nähe der Phasengleichheit evtl.
über eine Drossel ans Netz geschaltet wird und sich nun bei schneller Erregungssteigerung
rasch und sicher einschwingt. Für diese Synchronisierung ist außer dem Schalten
in der Nähe der Phasengleichheit erforderlich, daß beim Schließen des Schalters
die beiden Spannungen in. ihrer Frequenz nicht mehr sehr voneinander abweichen bzw.
daß die Schlupffrequenz dieser beiden Spannungen bereits .einen bestimmten Wert
unterschritten hat; wird bei einem bestimmten Schlupf geschaltet, so muß der Steuerstromkreis,
dessen Stromimpuls das Schließen des Hauptschalters bewirkt, zu einem Zeitpunkte
unter Strom gesetzt werden, der eine bestimmte Zeit vor dem Moment der Phasenübereinstimmung
der beiden zu synchronisierenden Spannungen liegt. Diese Zeit stimmt überein mit
der Verzögerung, die am Schalter vom Stromimpuls bis zum effektiven Schließen der
Kontakte vorhanden ist. Die Kontakte des Hauptschalters werden dann im Momente der
Phasenübereinstimmung geschlossen. Wird die Maschine beim Durchfahren des Fangbereiches
bei einem bestimmten Grenzschlupf geschaltet, so genügt für die Selbsttätigkeit
die Einstellung einer bestimmten konstanten Voreilung. Zur selbsttätigen Überwachung
des Steuerstromkreises kann man ein Relais in der Bauart eines wattmetrischen Relais,
kombiniert mit anderen Relais, verwenden, dessen zwei Spulen je an eine der beiden
zu synchronisierenden. Spannungen angeschlossen sind, und dessen Zeiger daher im
Takte der Schlupffrequenz nach links und nach rechts ausschlägt und so durch Schließen
und Öffnen von Kontakten während- einer Halbperiode der Schlupffrequenz den Steuerstromkreis
freigibt, während der zweiten ihn sperrt. Die Freigabezeit oder der Kontaktumschlag
des wattmetrischen Relais muß in diesem Falle symmetrisch zum Zeitpunkte der Phasenübereinstimmung
der beiden zu synchronisierenden Spannungen gelegt werden. Ist dies nämlich nicht
der Fall, so ergeben sich zwischen dem Beginn der Freigabezeit und dem Moment der
Phasenübereinstimmung verschiedene Zeitabstände, je nachdem die zuzuschaltende Maschinenspannung
sich in ihrer Frequenz von oben oder von unten der Netzfrequenz nähert. 'Man ist
daher in der Wahl einer die Schalterverzögerung genau berücksichtigenden Vorverlegung
des Stromimpulses für die Auslösung des Schalters sehr behindert, da diese Vorverlegungszeit
immer
den vierten Teil oder die Hälfte einer Schlupfperiode beträgt. Wünscht man z. B.
den Synchronisierungsvorgang nach Unterschreitung einer Schlupffrequenzvon 20'o
sich vollziehen zu lassen, so ist dies mit einem wattmetrischen Relais nur möglich,
wenn die Eigenzeit des ölschalters etwa z/2 Sekunde beträgt.
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Die Erfindung betrifft eine Synchronisierungseinrichtung, die den
geschilderten Nachteil vermeidet, insofern, als man den Stromimpuls für .die Auslösung
des Schalters eine beliebige Zeit vor den Moment der Phasenübereinstimmung legen
kann, und zwar gleichgültig, ob die zuzuschaltende Maschine aus dem unter- oder
übersynchronen Zustand sich dem Synchronismus nähert. Es ist dabei auch möglich,
die Vorverlegungszeiten verschieden groß zu machen, je nachdem die zuzuschaltende
Maschine vom über- oder untersynchronen Zustande in den Synchronismus eintritt.
Dies kann in vielen Fällen vorteilhaft sein. Bei der Synchronisierungsvorrichtung
nach der Erfindung ist es ferner möglich, die größte zulässige Schlupffrequenz zwischen
den beiden zu synchronisierenden Spannungen, bei der die Synchronisierungseinrichtung
bereits in Funktion tritt, verschieden groß zu wählen, je nachdem die Synchronisierung
vom unter- oder übersynchronen Zustande aus stattfindet. Dies ist insofern vorteilhaft,
als bei vielen Maschinen, beispielsweise durch Wasserturbinen angetriebenen Generatoren,
das Synchronisieren im übersynchronen Bereich bei geringerem Schlupfe vorteilhaft
sein kann (beispielsweise- wegen des bei diesem Synchronisieren -erfolgenden Wasserrückschlages
in dem Zuführungsrohr infolge der Drehzahlverminderung beim Einschalten) und daher
für den Untersynchronismus eine größere maximale Schlupffrequenz zulässig ist ,als
für den Übersynchronismus.
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Erfindungsgemäß sind für die Steuerung des das Einlegen des Hauptschalters
bewirkenden Hilfsstromkreises drei wattmetrische Relais vorgesehen, von denen jedes
von den beiden zu synchronisierenden Spannungen gespeist wird und die daher im Takte
der Halbperioden der speisenden Schlupfspannung in dem von ihnen gesteuerten Stromkreis
Kontaktwechsel bewirken. Von diesen drei wattmetrischen Relais geben das erste und
das dritte in Parallelschaltung innerhalb einer Halbperiode der Schlupfspannung
den Hilfsstromkreis für das Einlegen des Hauptschalters frei. Innerhalb der zweiten
Halbperiode sperren sie den Hilfsstromkreis. Die Freigabezeiten überdecken sich
dabei infolge Phasenverschiebung der die beiden Relais speisenden Spannungen nur
teilweise. Das zweite Relais ist so geschaltet, daß es in der einen. Kontaktlage
in Hintereinanderscbaltung mit dem ersten Relais, in der zweiten Kontaktlage in
Hintereinanderschaltung mit dem dritten Relais den Hilfsstromkreis für das Einlegen
des Hauptschalters freigibt.
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Die Erfindung ist .an Hand des Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Abb. i stellt dabei die Schaltung der drei wattmetrischen. Relais gemäß der Erfindung
dar; Abb. 2 und 3 sind Vektordiagramme zur näheren Veranschaulichung der Wirkungsweise
der Anordnung nach Abb. i. In Abb. i bedeuten i o 'und i i die drei Phasen der Netzspannung
und der Maschinenspannung, die über den Schalter 12 miteinander verbunden. werden
sollen. 13 ist ein Gleichstromsteuerkreis, der den Schalter 12 durch Erregung der
Spule 14 schließt, sofern das Relais 15 durch Schließen des Kontaktes 16 dies gestattet.
Der Vorgang wird dabei durch Schließen des von Hand zu betätigenden Schalters i
7 eingeleitet. Für die Steuerung des Stromkreises der Spule 14 über das Relais 15
sind nun drei Relais 18, i9 und 2o in der Bauart von Wattmetern vorgesehen. Die
wattmetrischen Relais besitzen in bekannter Weise je zwei Spulen, von denen die
einen über einen Transformator 40 von der Netzspannung j o, die zweiten ebenfalls
über Transformatoren 41 und 42 von der Maschinenspannung i i gespeist werden. Die
Zeiger 21, 22 und 23 der wattmetrischen Relais schlagen daher im Takte der Schlupffrequenz
zwischen der Netz- und der Maschinenspannung nach rechts und links aus und liegen
während der einen Halbperiode an dem linken, während der anderen Halbperiode an
dem rechten oberen Kontakt. Die oberen Kontakte 1 und 2, 5 und 6, 3 und 4 der drei
wattmetrischen Relais liegen nun in Zweigen des Gleichstromsteuerkreises 13, die
über das Relais 15 durch Schließen des Kontaktes 16 die Spule 14 zur Auslösung bringen,
sofern die Lage der Zeiger der drei wattmetrischen Relais dies gestattet. Die Schaltung
der Kontakte i bis 6 im Gleichstromkreis ist dabei derart, daß die beiden äußeren
Relais 18 und 2o in Parallelschaltung .(d . h. also jedes unabhängig von dem anderen)
den Strom für die Spule 14 freigeben, wenn der Zeiger beim Relais 18 auf dem rechten
Kontakt 2, beim Relais 2o auf dem linken Kontakt 3 liegt. Das mittlere Relais i
g gibt in :der einen Kontaktlage des Zeigers in Hinterexnanderschaltung mit dem
linken, in der zweiten Kontaktlage mit dem rechten wattmnetrischen Relais den Strom
für die Spule 14 frei, wobei der Zeiger des mittleren Relais i 9 für das Relais
18 am linken Kontakt 5, für das Relais 2o am rechten Kontakt 6 liegt. Dies ist in
den Diagrammen der Abb.2 und 3
näher veranschaulicht, die einen
mit Schlupffrequenz umlaufenden Zeitvektor mit dem Drehpunkte 0 zur Voraussetzung
haben. Die obere Scheitellage des Vektors stimmt mit dem Momente der Phasenopposition
der Netz-und der Maschinenspannung überein, die nach abwärts gerichtete Lage mit
dem Momente der Phasengleichheit. Das Diagramm der Abb. 2 bezieht sich auf das Zusammenarbeiten
der Relais 18 und i9, das Diagramm der Abb.3 auf das Zusammenarbeiten der Relais
i9 und 2o. Die durch eine vertilkale Linie halbierten äußeren Kreisringe der Diagramme
beziehen sich auf das zeitliche Arbeiten des mittleren Relais i9, wobei die vertikalen
Linien den Moment des Kontaktwechsels veranschaulichen, d. h. also an diesem mittleren
Relais schlägt der Zeiger 22 zur Zeit der Phasenopposition und der Phasengleichheit
von dem einen zum anderen Kontakt um. Dies ist durch passende Phasenlage der das
Relais i g speisenden Netz- und Maschinenspannung erreicht. Die durch schräg liegende
Halbierungslinien gekennzeichneten inneren Kreise der beiden-Diagramme beziehen
sich auf den Kontaktumschlag der beiden äußeren Relais 18 und 2o, wobei die schrägen
Halbierungslinien die Zeitpunkte der Umschläge veranschaulichen. Die schraffierten
Teile der Kreisringe bzw. der Kreise bedeuten, daß die entsprechenden wattmetrischen
Relais während dieser Zeit den Strom für die Spule 14 freigeben. Zum besseren Vergleich
der Diagramme mit der Schaltung der Abb. i sind dabei in die einzelnen. Kreis-und
Kreisringflächen die Nummern der Kontakte i bis 6 eingetragen, an denen zur jeweiligen
Zeit die Zeiger der wattmetrischen Relais liegen.
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Das Diagramm der Abb. 2 bzw. die Relais 18 und 19 kommen zur
Geltung, wenn der Vektor im Sinne des Uhrzeigers umläuft, wenn also beispielsweise
die Maschinenspannung vom Untersynchronismus aus sich der Netzspannung nähert. Ebenso
kommt Abb. 3 bzw. die Relais i9 und 2o zur Geltung, wenn der Vektor entgegen dem
Uhrzeigersinne umläuft bzw. die Maschinenspannung vom übersynchronismus aus synchronisiert
wird. Man sieht, daß die Relais 18 und i 9 .gemäß Abb. 2 den Strom für die Spule
14 in Hintereinanderschaltung zu einem Zeitpunkte 24 freigeben, der dem -Momente
der Phasengleichheit um etwa 315° voreilt. Dasselbe gilt für das Diagramm der Abb.3,
wobei im Zeitpunkte 25 der Stromimpuls freigegeben wird. Diese Voreilungswinkel
kann man nun beliebig einstellen, da es dazu bloß erforderlich ist, die Phasenlage
der die Relais 18 und i 9 speisenden Netz- und Maschinenspannungen durch bekannte
Mittel zu verändern. Ferner ist es, wie schon angegeben, auch möglich, die Voreilungszeit
des Stromimpulses für die Spule 14 verschieden zu bemessen, je nachdem die Maschine
vom Unter- oder vom Übersynchronismus aus synchronisiert wird, je nachdem man also
mit dem Diagramm der Abb.2 (mit dem Relais 18 und i9) oder mit dem Diagramm .der
Abb. 3 (den Relais 19 und 2o) arbeitet, da man die Phasenlage des Umschlages an
den Relais 18 und 2o unabhängig voneinander einstellen kann.
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Die Phasenverschiebung des Kontaktwechsels an den drei wattmetrischen
Relais ist in Abb. i durch verschiedenphasigen Anschluß der die Relais speisenden
Transformatoren 4o bis 42 erreicht. Selbstverständlich kann man sich zur Herbeiführun,g
der Phasenverschiebung beliebiger anderer bekannter Mittel bedienen, indem man etwa
dreiphasige Transformatoren verwendet, von Sterndreieckschaltung, Zickzackschaltung
oder auch unsymmetrischen Anzapfungen usw. Gebrauch macht. Ebenso könnte man die
drei Relais über Drehtransformatoren von der Maschine oder dem Netze aus speisen.
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Die bisher beschriebenen Mittel berücksichtigen noch nicht, daß' im
Synchronisierungsmoment die Schlupffrequenz einen bestimmten kleinen Betrag bereits
erreicht haben muß. Dazu wird der von dem Relais 18 gesteuerte Teil des Gleichstromsteuerkreises
in Hintereinanderschaltung noch von einem Zeltrelais 26 überwacht, ebenso der von
dem Relais _ 2o gesteuerte Teil von einem Zeitrelais! 27.
Diese beiden Zeitrelais
geben den Strom für die Spule 14 mittels der Kontakte 28 und 29 nur dann frei, wenn
sie erstens genügend lange und zweitens überhaupt erregt sind. Der Stromschluß durch
die Kontakte 28 und 2c9 hört also sofort auf, wenn die Erregung für die Zeitrelais
ausbleibt. Die Zeitrelais 26, 27 werden nun von der Gleichstromquelle 13 aus dann
erregt, wenn der Zeiger des Relais 18 am Kontakt i und der Zeiger des Relais 2o
am Kontakt 4 liegt. Die Zeitrelais geben entsprechend ihrer Bauart den Strom für
die Spule 14 nur damz frei, wenn die Zeiger der Relais 18 und 19 genügend lange
an den Kontakten i bzw. 4 liegen, d. h. wenn die Schlupffrequenz zwischen den beiden
zu. synchronisierenden. Spannungen genügend klein ist, und sie sperren den Strom
für die Spule 1q. sofort wieder, wenn die Zeiger die Kontakte i und 4 verlassen
haben. Dadurch wird erreicht, daß in den Diagrammen der Abb.2 und 3 der Stromimpuls
für die Spule 14 nur zu den Zeitpunkten 24 oder 25 ausgelöst wird und nicht etwa
zum Zeitpunkte der Phasengleichheit oder Phasenopposition. Nachdem das eine Zeitrelais
(mit dem zugehörigen wattmetrischen Relais) nur
für Übersynchronismus
und das andere- Zeitrelais nur für Untersynchronismus in Wirksamkeit tritt, so sieht
man, daß man bei der Anordnung nach der Erfindung mit verschiedenen Grenzschlupfen
arbeiten kann, je nachdem vom Unter- oder vom Übersynchronismus aus synchronisiert
wird, da man die Verzögerungszeiten der beiden Relais 26 und -27 verschieden einstellen
kann.
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Um zu verhüten, daß die Zeitrelaisi 26 und 27 die von ihnen gesteuerten
Kontakte 28 und 29 wieder abfallen lassen, wenn die. Relais 18 und 2o Kontaktwechsel
vornehmen, sind diese beiden wattmetrischen Relais derart ausgebildet, daß der Umschlaghebel
21 bzw. 23 während des Kontaktwechsels für kurze Zeit sowohl mit dem alten als auch
mit dem neuen Kontakt elektrisch verbunden ist.
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Das zweite wattmetrische Relais i9 kann auch durch ein Spannungsrelais
(Spannungsminimalrelais) ersetzt werden.