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Einrichtung zur Synchronisierung, insbesondere Grobsynchronisierung,
von Synchronmaschinen 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. Für diese Synchronisierung
ist es erforderlich, daß erstens 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; zweitens
muß der Steuerstromkreis, dessen Stromimpuls das Schließen des Hauptschalters bewirkt,
zu einem Zeitpunkte unter Strom gesetzt werden, der eine bestimmte Zeit v or ,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 Moment der Phasenübereinstimmung geschlossen. Zur selbsttätigen Überwachung
des Steuerstromkreises kann man ein Relais in der Bauart eines Dynamometers verwenlen,
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 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 ziem 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 Vorlegungszeit immer den vierten Teil oder die Hälfte einer
Schlupfperiode beträgt: Wünscht man z. B. den Synchronisierungsvorgang nach Unterschreitung
einer Schlupffrequenz von 2 °/o sich vollziehen
zu lasen, so ist
dies mit einem dynamornetrischen Relais nur möglich, wenn die Eigenzeit des Ülschalters
etwa :1/" Sekunde beträgt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Svnchronisierungseinrichtung,
die den geschilderten Nachteil vermeidet.
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Erfindungsgemäß sind zwei dynamometrische Relais vorgesehen, die in
flinbereinanderschaltung die Kontakte desSteuerstromkreises für das Einlegen des
Hauptschalters freigeben und deren Kontaktschlußzeiten durch Phasenverschiebung
der speisenden Spannungen gegeneinander verschoben sind.
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Die Erfindung ist in folgendem an Hand des Ausführungsbeispiels der
Zeichnung näher erläutert. In Abb. i bedeuten io und i i die drei Phasen
U, Tl, W der Netzspannung bzw. der Maschinenspannung, die über den
Schalter 12 miteinander verbunden werden sollen. 13 ist ein Gleichstr omsteuerkreis,
der den Schalter I2 durch Erregung der Spule 14 schließt. Der Synchronisierungsvorgang
wird dabei durch Schließen des von Hand zu betätigenden Schalters 15 eingeleitet.
Damit (lie oben geschilderten Synchronisierungsbedingungen vorhanden sind, wird
der Strom in der Spule 14 in Hintereinanderschaltung durch zwei dynamometrische
Relais a und b überwacht, so daß also die Spule 1:I nur dann Strom bekommen kann,
wenn beide Relais den Steuerstromkreis freigeben. Die Relais besitzen in bekannter
Weise je zwei Spulen, von denen die eine über den Transformator IG von der Netzspannung,
die zweite über den Transformator 17 bzw. 18 von der Maschinenspannung gespeist
wird. Die Zeiger i9 und 2o der Relais a und b schlagen .daher im Takte der
Schlupffrequenz zwischen der Netz- und der Maschinenspannung nach links und rechts
aus, und zwar liegen sie während eines Zeitraumes, der einer Halbperiode der Schlupffrequenz
entspricht, an dem linken Kontakt i bzw. 3 der Relais und -während eines ebenso
großen Zeitraumes an dem rechten Kontakt 2 bz-w. .i. Das Relais a gibt den Steuerstromkreis
frei, wenn sein Zeiger am Kontakt :2 liegt, das Relais b, wenn der Zeiger am Kontakt
3 liegt. Zur näheren Veranschaulichung der Wirkungsweise der Freigabezeiten der
beiden Relais a und b dient (las Diagramm -der Abb.2, das ein Vektordiagramm der
Schlupffrequenzspannung zwischen dem Netze und der Maschine darstellt. o ist der
Drehpunkt des *Vektors, die vertikale strichpunktierte Linie bedeutet im oberen
Teil die Phasenopposition der Netz- und der Maschinenspannung, im unteren Teil die
Phasengleichheit. Während eines Vektorumlaufes der Schlupfspannung gibt das Relais
a w ährend a einer Halbperiode den Steuerstrorn-Iz.reis frei, während einer zweiten
Halbperiode sperrt sie ihn. Dies ist durch den äußeren Kreisring a .in Abb. 2 veranschaulicht,
wobei die schwarze Hälfte des Kreisringes di.e Freigabe7eit, die weiße Hälfte die
Sperrzeit veranschaulichen soll. Dasselbe gilt für den inneren Kreisring b, der
sich auf die Sperr- und Freigabezeiten des Relais b bezieht. Man sieht, daß die
Freigabezeiten der beiden Relais zeitlich nicht miteinander übereinstimmen, sondern
eine Phasenverschiebung von etwa i?-o' besitzen. Diese ist dadurch erreicht, daß
die von der Maschinenspannung den beiden Relais a und b zugeführten
Spannungen Phasenverschiebung besitzen, da die Transformatoren 17 und 18 an verschiedene
Phasen der Maschinenspannung angeschlossen sind. Durchläuft nun der Vektor der Schlupfspannurng
das Diagramm der Abb.2 beispielsweise im Uhrzeigersinne, so wird der Stromkreis
für. die Betätigungsspule 1¢ von beiden Relais a .und b im Zeitpunkte 21
freigegeben und bleibt bis zum Zeitpunkte 22 frei. Die Spule 14. bekommt also schon
zum Zeitpunkte 21 den Stromimpuls, wobei dieser Impuls dem Momente der Phasenübereinstimmung
der Netz- und der 'Maschinenspannung (nach abwärts gerichtete Lage des Scli.lupfspannungsvektors)
um etwa 2io° voreilt. Man sieht, daß man es durch die Phasenverschiebung der den
Relais a und b zugeführten Spannungen in der Hand hat, diesen Voreilwinkel
in weiten Grenzen einzustellen und ihn so mit der Schaltverzögerungszeit in Übereinstimmung
zu bringen. Das Diagramm zeigt auch, daß es dabei gleichgültig ist, ob die Synchronisierung
dadurch erreicht wird, daß sich die Maschinenfrequenz der 'Netzfrequenz von einer
höheren Frequenz aus nähert oder von einer niedrigeren Frequenz aus (was in Abb.
2 durch die Änderung der Umlaufrichtung des Vektors zum Ausdruck käme), da in beiden
Fällen sich derselbe Voreilwinkel des Stromimpulses für die Spule 14 ergibt, nur
daß dieser Impuls einmal im Zeitpunkte 2i und das zweitemal im Zeitpunkte 22 einsetzt.
Die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen der Relais a und b könnte
selbstverständlich auch für die Spannungen vorhanden sein, die von der 'Netzspannung
den beiden Relais a und b zugeführt werden. Auch kann man sich zur
Herbeiführung der Phasenverschiebung beliebiger anderer bekannter Mittel bedienen,
indem man etwa dreiphasige Transformatoren verwendet und von Sterndreieckschaltungen,
Zickzackschaltungen oder auch unsymmetrischen Anzapfungen usw. Gebrauch macht. Ebenso
könnte man die beiden Relais über Drehtransforinatoren von der Maschine oder dem
Netz aus speisen.
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Die bisher beschriebenen Mittel berücksichtigen
noch
nicht, daß im Synchroniierungsmoment die Schlupffrequenz bereits einen bestimmten
Betrag unterschritten haben muß. Um dies zu erreichen, ist in den Stromkreis der
Spule 14 noch ein Relais hr eingeschaltet. Das Relais b'r wird von dem Steuerstromkreis
13 aus dann erregt, wenn der Zeiger des Relais b am Kontakt 4-liegt (wenn also der
Vektor in Abb. 2 die weiße Hälfte des Kreisringes b durchläuft). Das Relais Vr arbeitet
mit Zeitverzögerung, d. h. es schließt seinen Kontakt .im Stromkreis der Spule 14
erst dann, wenn die Erregungsimpulse, die es über das Relais b bekommt und deren
Dauer der Schltipffrequenz umgekehrt proportional sind, genügend lange andauern.
Das Relais hr bleibt jedoch dann geschlossen, auch wenn der Zeiger am Relais b am
Kontakt 3 liegt.
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Die Relais a und b liegen nicht unmittelbar im Stromkreis
der Spule 14, sondern es ist noch ein Hilfsrelais R dazwischengeschaltet. Damit
nach dem Schließen des Schalters 12 die verschiedenen Relais in die Ausgangsstellung
zurückfallen und so für eire spätere Synchronisierung wieder zur Verfügung stehen,
ist noch ein Schalter 23 vorgesehen, der mit dem Schalter 12 gekuppelt ist und beim
endgültigen Schließen des Schalters 12 die von der Gleichstromquelle 13 den verschiedenen
Relais zugeführten Steuerstromkreise unterbricht.
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Der Synchr onisierungsvorgang bei der Anordnung nach Abb. i vollzieht
sich folgendermaßen: Nach dem Hochlaufen der zuzuschaltenden :Maschine wird der
Schalter 15 gcIschlossen. Da der Schalter 12 offen ist, so ist auch der Schalter
23 im Steuerstromkreis geschlossen, und die Relais u und b können den Strom
für die Erregung der Spule 14 in der geschilderten Weise freigeben und sperren;
jedoch ist ;lies erst ;tann möglich, wenn die Schlupffrequenz zwischen der Maschine
unrl der \etzspatintmg auf einen genügend geringen Betrag gesunken ist und dementsprechend
(las Zeitverzögerungsrelais Vr seine Sperrung für die Erregung der Spule 1.4 aufgehoben
hat. Wenn dies der Fall ist, bekommt die Spule 14. über das Zwischenrelais R im
richtigen Zeitmomente Erregerstrom und .schließt den Schalter 12 im Zeitpunkte der
Phasenübereinstimmung. Mit dem Schließen des Schalters 12 wird der Schalter a3 geöffnet
und so der Steuerstromkreis 13 abgeschaltet.
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Die Anordnung nach Abb. 3 der Zeichnung deckt sich im wesentlichen
mit der der Abb. i. Es ist jedoch noch ein zweites Verzögerungsrelais l'r2 mit Ruhekontakt
vorgesehen. Das Relais wird auf eine wesentlich längere Laufzeit, z. B. das 2,5fache
der Verzögerungszeit des Relais I'r eingestellt. Wird am wattmetrischen Relais b
vom Zeiger 2o der Kontakt 4 berührt, so, laufen beide Zeitrelais gleichzeitig ab.
INTormalerweise kommt bei der großen Verzögerungszeit des Relais Vr2 dieses nicht
zur Wirkung, da der gesamte Synchronisierungsvorgang stets vor Ablauf des Relais
Vx2 beendet sein muß. Tritt aber z. B. durch einen plötzlichen Frequenzsprung im
Netze während der Laufzeit des Relais Vr2 ein unnatürlich langes Verweilen des Relais
b auf dem Kontakt d. ein, so schaltet das Relais Vr2 das Relais Vr ab und erzwingt
so ein Abwarten, bis der Kontakt q. vorübergehend wieder geöffnet wird- Auf diese
Weise schützt das Relais Vr2 einmal gegen den Einffuß plötzlicher Frequenzsprünge,
die ein Schalten in ungünstiger Phasenlage zur Folge haben könnten, andererseits
werden Störungen und Fehlschaltungen durch zufälliges Kleben des Zeitrelais Vr unmöglich
gemacht. Durch die beiden Zeitrelais Vr und L'r2 wird erreicht, daß einerseits eine
Synchronisierung nur möglich ist, wenn die Schlupffrequenz zwischen der Netz- und
der Maschinenspannung unter einen bestimmten Betrag gesunken ist, andererseits aber
auch (infolge -des Relais Vr2) einen bestimmten dartlnteTliegenden Betrag noch nicht
erreicht hat. Die Synchronisierung ist also nur für ein bestimmtes Schlupffrequenzband
möglich.
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Bei der Anordnung nach dem Diagramm der Abb. 2 liegen die Zeitpunkte
21 und 22, zwischen denen der Steuerstromkreis von den dynamometrischen Relais freigegeben
ist, symmetrisch zum Zeitpunkte der Phasenopposition von Netz- und Maschinenspannung.
Selbstverständlich kann unter Umständen auch eine unsymmetrische Lage dieser beiden
Zeitpunkte zweckmäßig sein, die sich mit Hilfe der geschilderten Mittel ohne weiteres
erreichen läßt. Ebenso können die Punkte 21 und 22 in der Nähe der Phasengleichheit
von Netz- und Maschinenspannung liegen, wobei sich dann ein entsprechend geringerer
Voreilwinkel nies Stromimpulses der Spule 14. gegenüber demMomente derPhasenübereinstimmung
ergibt. Dieser Voreilwink.el kann beiden dargestellten Schaltungen zwischen o und
9o° und zwischen i8o und 270° liegen. Vöreilwinkel zwischen 9o und 18o° und
270 und 36o° sind mit der dargestellten . Schaltung nicht erreichbar. Es
zeigt sich aber, daß beispielsweise ,der dargestellte Voreilwinikel von 2io° den
Anforderungen, die den Verzögerungszeiten großer Ülschalter entsprechen, hinreichend
genau genügt.