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Einrichtung für die Frequenzregulierung eines Verteilernetzes Bei
der Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie kommt es häufig vor, -daß
auf ein gemeinsames Verteilernetz mehrere weit auseirianderliegende Erzeugerstationen
arbeiten, die in modernen Anlagen vielfach teils aus Wasserkraftanlagen, teils aus
Dampfkraftanlagen bestehen. Es bietet nun gewisse Schwierigkeiten, die einzelnen
Kraftstationen selbsttätig so zu regeln, daß jede Station den ihr zugewiesenen Teil
der Belastung übernimmt, ohne daß die Spannung und die Frequenz des Netzes gestört
werden. In der Regel bestehen nun die Primärkrafterzeuger der einzelnen Stationen
aus Maschinen ganz verschiedener Bemessung und Art. Es ist daher äußerst schwierig,
wenn nicht unmöglich, die Regelapparate der einzelnen Maschinen so zu steuern, daß
jede Maschine gerade die gewünschte Leistung hergibt. Infolgedessen wird ein Teil
der Maschinen überlastet und der ändere unterlastet sein, so daß die Spannung und
Frequenz des Netzes ungünstig beeinträchtigt werden. Dies ist besonders dann unerwünscht,
wenn an das Netz Uhren angeschlossen sind, die durch Synchronmotoren angetrieben
werden, da diese eine einigermaßen konstante Netzfrequenz verlangen.
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Es ist bexeits bekannt, den Primärkrafterzenger einer einzelnen Station
mittels einer Uhr so zu- steuern, daß die Netzfrequenz stets einen gewissen mittleren
Durchschnittswert besitzt. Die bekannten Einrichtungen arbeiten jedoch nur dann
zufriedenstellend, wenn die geregelte Kraftstation einen wesentlichen-Teil der Gesamtlast
übernimmt. Falls jedoch eine größere Anzahl von Kraftstationen auf das. Netz arbeiten
und die geregelte Station nur einen Bruchteil der Gesamtlast hergibt, ist es nicht
mehr möglich, von einer einzigen Station aus das gesamte Netz zu regeln.
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Gemäß der Erfindung werden nun die im vorstehenden erwähnten Schwierigkeiten
dadurch überwunden, daß Regeleinrichtungen vorgesehen sind, welche die Drehgeschwindigkeiten
der Primärkrafterzeuger aller auf das Netz arbeitenden Kraftstationen gleichzeitig
steuern, unabhängig von der Belastung des Netzes und ohne die Lastv erteilung zu
beeinträchtigen. Zur Übertragung der Steuerimpulse zwischen den Schaltorganen der
einzelnen Kraftstationen werden zweckmäßig Hochfrequenzapparate benutzt.
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An Hand der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert
werden.
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In Abb. i ist die Gesamtanlage eines Netzes, auf das mehrere voneinander
entfernt
liegende I@raftstationen arbeiten, dargestellt.
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Abb.t2 zeigt ein Einzelteil- der Sendestation.
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Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch den Einzelteil durch Abb. 2 längs
der Linie 3-3.
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Abb. 4 zeigt einen der auf den Empfängerstationen gebrauchten Steuerschalter,
Abb. 5 einen Schnitt durch diesen Steuerschalter, Abb. 6 einen Hochfrequenzsignalapparat,
wie er in den Empfängerstationen verwendet wird, Abb. 7 einen Schnitt durch diesen
Signalapparat, .
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Abb. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere
Einheiten in derselben Station geregelt werden.
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In der Abb. i sind A, B, C die einzelnen zu regelnden Kraftstationen.
In jeder Kraftstation ist ein Wechselstromgenerator, z. B. ein Synchrongenerator,
dargestellt. Die einzelnen Erregerstromkreise dieser Generatoren sind der Deutlichkeit
halber nicht mitgezeichnet. Die Generatoren; werden durch Dampfturbinen angetrieben
und arbeiten auf ein gemeinsames Netz i. Die Station A wird direkt durch eine Steueruhr
geregelt. Diese Uhr steuert außerdem den- Hochfrequenzsignalappa[rat 49, welcher
mittels Übertragungsleitungen oder Radio oder mittels beider entsprechende Apparate
' in den anderen Stationen regelt. Es sei noch erwähnt, daß die einzelnen Kraftstationen
auch auf voneinander getrennte Netze ia, ib und ic arbeiten können. Im vorliegenden
Falle sei jedoch angenommen, daß "die einzelnen Netze zu einem gemeinsamen Netz
i verbunden sind, an das eine Uhr 3 angeschlossen ist. -Der Einfachheit halber sei
angenommen, daß die Turbogeneratoren und ihre Drehzahlregler in den Stationen
A, B, C in der gleichen Weise ausgeführt sind. Nunmehr soll die Station A
im einzelnen beschrieben werden. .
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Der Primärkrafterzeuger der Station A besteht, -wie bereits erwähnt,
aus einer Turbine-5, deren Dampfzuführungsrohr mit 6 bezeichnet ist. Die Turbine
ist mit einem der üblichen Fliehkraftdrehzablregler 7 ausgerüstet, der das Drosselventil
8 steuert. Der Regler wird über ein Getriebe 9 von der Turbinenwelle angetrieben.
Er ist durch eine Feder io einstellbar. Die Spannung dieser Feder kann durch einen
kleinen Elektromotor ii beeinflußt werden, welcher mittels Handschalter 12, 13 an
die Batterie 14 angeschlossen werden kann, und zwar so, daß er je nachdem, welcher.
der Schalter 12, 13 geschlossen ist, in dem einen oder anderen Drehsinne läuft und
hierdurch das Ansprechen des Turbinendrehzahlreglers beeinflußt. An dem Stellhebel
des Drehzahlreglers greift außerdem noch der Kern 17 eines Elektromagneten 18 an,
welcher in erregtem Zustande die Regelvorrichtung 7 ebenfalls steuert. Der durch
die Uhr gesteuerte Drehzahlregler ist mit 2o bezeichnet. Das Arbeiten dieses Reglers
2o ist abhängig von dem Verhältnis der Geschwindigkeit des Generators 4 und eines
Vergleichuhrwerks 21. Die Drehzahl des Generators 4 wird an dem Kontrollapparat
2o durch einen kleinen, zweckmäßig selbst anlaufenden Synchronmotor 22 kenntlich
gemacht, der mit dem Generator 4 über einen Transformator i9 verbunden ist. Die
Vergleichsuhr 2i besteht im wesentlichen aus einem Pendel 23, einer Unruhe
24 und einer Klinke 25. Um die Geschwindigkeit des Sychronmotors 22 mit derjenigen
der Uhr 2o vergleichen zu können, ist eine eine Schleife 27 bildende Kette 26 vorgesehen,
die an einer Stelle entsprechend der Geschwindigkeit des Synchronmotors 22,-an einer
anderen Stelle in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Vergleichsuhr angetrieben
wird. Die Kette läuft, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, über Zahnräder 28
, bzw. 29, auf denen Stifte 30 zum Halten der Kettenglieder angeordnet sind.
Wenn nun die Drehgeschwindigkeit des Motors 22 ihren normalen Wert besitzt, d. h.
wenn sich der Motor mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Vergleichsuhr dreht,
so bleibt die Länge der Schleife27 konstant.
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Die Schleife ist so angeordnet, daß ihre Länge zunimmt, wenn der Synchronmotor
22 zu langsam läuft. Sie trägt ein Zahnrad 32, an welchem ein Gewicht 33 befestigt
ist. Dieses Gewicht ist über ein Seil 34 mit einer i Anzeigevorrichtung 31 verbunden,
welche infolge der sich ändernden Länge der Schleife anzeigt, wie groß die Frequenzabweichung
. des Netzes ist. Die Anzeigevorrichtung besteht im wesentlichen aus einer drehbar
gelagerten ortsfesten Achse 35, die den Zeiger trägt und an der das Seil 34 angreift.
Um zu erreichen, daß das Seil 34 stets straff gespannt ist, sind Zahnräder 38 und
36 vorgesehen, von denen das Zahnrad 36 eine Feder 39 besitzt, die bestrebt ist,
die Zahnräder derart zu verdrehen, daß dis Seil 34 gespannt ist. Um nun die Drehgeschwindigkeit
der Turbine 5 regeln zu können, ist ein um den Punkt 41 drehbar gelagerter Kontakthebel
4o vorgesehen, welcher die Kontakte 43, 44 und 45 in Abhängigkeit von der Länge
der Schleife steuert. Diese Kontakte sind mit verschiedenen Punkten eines Widerstandes
46 verbunden. Dieser Widerstand bzw. ein Teil dieses Widerstandes ist über eine
Stromquelle 47 mit dem Elektromagneten 18
verbunden, sofern der
Kontakt 42 in Berührung mit einem der Kontakte 43, -14, 45 steht. Der bewegliche
Kontakt 42 ist breiter als der Zwischenraum zwischen zwei ortsfesten Kontakten,
so daß beim Übergang von einem Kontakt auf den anderen keine Unterbrechung des Stromkreises
des Elektromagneten iS eintritt. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Kontakt
42 den mittleren Kontakt 44 berührt, wenn das Drosselventil in einer solchen Stellung-
steht, daß die Geschwindigkeit der Turbine 5 ihren Normalwert besitzt. Wenn nun
die Geschwindigkeit zu groß ist, so steigt das Gewicht 33 so lange, bis der Kontakt
42 den Kontakt 45 berührt. Hierdurch wird ein Teil des Widerstandes 46 kurzgeschlossen.
Falls die Geschwindigkeit der Turbine zu klein ist, sinkt das Gewicht 33, und der
in den Stromkreis des Elektromagneten 18 eingeschaltete Widerstand wird vergrößert,
da nunmehr der Kontakt 42 auf dem Kontakt 43 aufliegt. Ist die Geschwindigkeit noch
zu klein, so wird der Stromkreis des Elektromagneten gänzlich unterbrochen. Die
Anordnung ist so getroffen, daß bei normalem Betriebszustand die einzelnen Steuerappärate
ungefähr in ihrer Mittelstellung stehen, und der Drehzahlregler der Turbine ist
so eingestellt, daß bei aberregtem Elektromagneten die Drehzahl der Turbine sehr
hoch ist und bei vollerregtem Elektromagneten sehr niedrig. Es dürfte einleuchten,
daß- die elektrische Regeleinrichtung bereits auf Änderungen der Drehzahl bzw. Frequenz
anspricht, die von mechanisch wirkenden Fliehkraftreglern nicht mehr erfaßt werden.
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In der Einleitung unserer Beschreibung haben wir bereits. erwähnt,
daß, falls nur einer von einer Reihe auf das Netz arbeitender Stromerzeuger geregelt
wird, die Frequenz des Netzes und die Lastverteilung auf die einzelnen Maschinen
von ihrem Sollwert abweicht, da die'geregelte Maschine bestrebt ist, Belastungsänderungen
des Netzes allein auszugleichen, und infolgedessen bei starker Belastung des Netzes
überlastet und- bei leichter Belastung des Netzes zu schwachbelastet ist, ohne daß
sie die Frequenz auf ihrem gewünschten Wert halten kann.
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Um nun eine genügend genau arbeitende Regelung zu erreichen, ist gemäß
der Erfindung mit der auf der Station A befindlichen Steueruhr ein Frequenzsignalapparat
49 verbunden. Dieser besteht im wesentlichen aus einem mit konstanter Geschwindigkeit
laufenden Motor 5o, der mehrere gezahnte Räder 51, 52, 53 antreibt. Diese Räder
tragen Zähne 54, welche Kontaktvorrichtungen 55, 56, 57 steuern, die in den Stromkreisen
der Kontakte 43, 44 und 45 bzw. des beweglichen Kontaktes 42, einer Stromquelle
58 und des Frequenzmodulators 48 liegen. Wenn also z. B. der Kontakt 42 den Kontakt
44 berührt, so werden Stromimpulse erzeugt, deren Frequenz von der Zahl der Zähne
des Rades 52 abhängig ist. Diese Niederfrequenzimpulse werden in dem Modulator 48
in Hochfrequenzimpulse umgewandelt. Sobald der Kontakt 42 die Kontakte 43 und 44
berührt, sendet der Apparat Signale aus, die in Abhängigkeit von der Zahl der Zähne
der Räder 52 und 51 moduliert werden. Die Modulationsfrequenzen sind so gewählt,
daß die Apparate in den Empfängerstationen sie unterscheiden können. Falls der Kontakt
42 nur noch den Kontakt 43 berührt, ist das Rad 5 r allein wirksam usw.
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Aus den Abb. 2 und 3 ist die Konstruktion des Signalapparates 49 genauer
zu erkennen. Die die gezahnten Räder tragende Welle ist mit dem Motor
50 über ein Getriebe 6o gekuppelt. Mit 55, 61 und 62 ist eine Kontaktvorrichtung
bezeichnet, welche durch Zähne 54 gesteuert wird. ' . Die in dem Modulator 48 erzeugten
Hochfrequenzströme werden auf die Empfängerstationen mittels Radios über die Leitung
59, den Transformator 63 und die Antenne 64 übertragen oder mit Hilfe eines Transformators
65, Leitungen 66 des Transformators 67, Kondensator 68 und das Netz r.
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In der Station B werden die durch das Netz übertragenen Stromimpulse
über einen Kondensator 69, einen Transformator 70 und Leitungen 71 einem
Verstärker 72 zugeführt, von dem aus sie dann in den eigentlichen Empfängerapparat
73 gelangen. -In der Station C werden die Hochfrequenzsignale durch eine Antenne
74 und einen Transformator 75 und einen Verstärker 76 aufgenommen und gelangen dann
ebenfalls in den Empfänger 73. Dieser steuert in den Stationen B und C mittels
eines Motors 77
und eines Schalters 78 die Erregerstromkreise der Elektromagneten
18b und i8e in gleicher Weise wie der Erregerstromkreis des Elektromagneten 18 in
der Station A gesteuert wird. -Die Abb. 6 und 7 zeigen den Aufbau der Empfängereinrichtung.
Diese besteht im wesentlichen aus einer Spule 79, die einen Kern 8o umgibt. Gegenüber
diesem Kern sind eine Anzahl Anker 81 angeordnet, die von schwingenden Zungen 82,
83 usw. getragen werden, deren Zahl der Anzahl der Räder 5r, 52 usw. auf der Sendestation
A entspricht. Die Zungen 82,83 ... sind von verschiedener Länge und so bemessen,
daß ihre Eigenschwingungszahl den Frequenzen der modulierten Ströme . entsprechen,
welche durch die Räder 51, 52 usw.- erzeugt werden.
Wenn z. B. in
der Station A durch Schließen der Kontakte 42 und 44 das Rad 52 in Tätigkeit
gesetzt ist, schwingt in der Empfängerstation lediglich die Zunge 83, welche auf
die . durch das Rad 52 hervorgerufenen Frequenzen abgestimmt ist. Dementsprechend
schwingen die Zungen 82, 83, wenn in der Geberstation der Kontakt 42 die Kontakte
43 und 44 überbrückt, so daß beide Räder 51
und 52 wirksam sind. Sobald
eine der Zungen schwingt, schließt sie Kontakte 84 bzw. 85. Diese Kontakte steuern
die verschiedenen Stromkreise des zu jeder Empfängerstation gehörenden Motors 77.
Jeder dieser Motoren besitzt diametral angeordnete Spulenpaare 86, 87 usw.,
die über eine Stromquelle 88 in Reihe mit den schwingenden Zungen 82, 83
..... geschaltet sind. Beispielsweise ist die Spule 87 mit' der Zunge 83
und die Spule 86 mit der Zunge 82 verbunden. Die Spulen sind auf Kerne 89 aufgewickelt,
die einen Stator für den drehbaren Magnetanker 9o bilden. Der durch die Spule. und
den Anker gebildete Motor steuert die Schaltvorrichtung 78. Er ist durch einen aus
Isolationsmaterial bestehenden Deckel gi abgeschlossen. Die -Welle 92 des Motorankers
trägt einen von ihr isolierten Kontakt 93, der über eine Kontaktbürste 95 mit einem
Zapfen 94 verbunden ist. Der Kontakt 93 bildet einen Sektor einer Radnabe 98; auf
deren Außenfläche -eine Anzahl von Bürsten 96, 97 usw. schleifen. Die Bürsten, deren
Zahl der Anzahl der schwingenden Zungen entspricht, sind so angeordnet, daß sie
abwechselnd das Segment 93 berühren, wenn sich der Motor dreht. ' Das Segment 93
ist so breit bemessen, daß es zwei Bürsten berührt, so daß beim Übergang von einer
Bürste auf die andere der Stromkreis des Elektromagneten nicht unterbrochen wird.
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In der Station B ist der Zapfen 94 über eine Stromquelle 47b und die
Spule des Elektromagneten i8b mit dem Widerstand 46b verbunden, und die Bürsten
96, 97 usw. sind an verschiedene Stufen des Widerstandes 46b angeschlossen. Die
Stellungen der Bürsten 96-,97 usw. und ihre Verbindungen mit den Stufen des Widerstandes
46b sind derart, daß der Strom, der den Elektromagneten 18b durchfließt, in der
gleichen Weise geregelt wird wie derjenige Strom, der den Elektromagneten 18 regelt
und der durch die Uhr der Station A direkt gesteuert wird.
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Die Apparate in der Station C sind in ähnlicher Weise wie die in der
Station B angeordnet.
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In den .Stationen B und C sind noch Anzeigevorrichtungen 3Ib und 31c
vorgesehen, welche der Anzeigevorrichtung 31 in der Station A entsprechen. Diese
Anzeigevorrichtungen erleichtern den Maschinenwärtern die Einstellung der Apparate
in den verschiedenen Stationen.
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Der Einfachheit halber sind in der Regeleinrichtung nach Abb. i nur
drei Stufen vorgesehen. Es können natürlich aber auch eine größere Anzahl an Stufen
angeordnet werden. Ferner ist nur eine durch Übertragungsleitungen und eine durch
Radio gesteuerte Station vorgesehen, an deren Stelle aber auch eine größere Anzahl
von Stationen treten kann.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: In der Station A überwacht
die Steueruhr fortlaufend die Frequenz und gleicht mit Hilfe des Hebelarmes 4o alle
Frequenzschwankungen aus. In der Zeichnung ist der Augenblick dargestellt, in dem
der Kontakthebel 4o die Kontakte 42 und 44 schließt. Hierdurch wird ein Strom durch
den Elektromagneten 18 geschickt.. Dieser beeinflußt infolgedessen den Regler derart,
daß dieser sich seiner geschlossenen Stellung nähert. Außerdem ruft bei geschlossenen
Kontakten 42, 44 däs gezahnte Rad 52 Niederfrequenzimpulse hervor, welche in der
Vorrichtung 48 in Hochfrequenzströme umgewandelt werden. Diese Hochfrequenzströme
werden auf die Stationen B und C übertragen und bringen in diesen die Zungen 83
zum Schwingen. Hierdurch werden die Spulen 87 der Motoren 77 erregt und bringen
das Kontaktsegment 93 in Berührung mit den Bürsten 96, so daß die Stromkreise der
Elektromagneten 18b bzw. i 8c über Teile der Widerstände 46b bzw. 46c geschlossen
sind, welche demjenigen in Station A wirksamen Teil des Widerstandes 46 entsprechen.
Nunmehr stehen die Regeleinrichtungen in sämtlichen Stationen in der gleichen Stellung.
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Sobald der Hebelarm 4o seine Stellung verändert und andere Kontakte
als den-Kontakt 44 schließt, werden die hierdurch bewirkten Schaltvorgänge in *der
gleichen Weise, wie vorher beschrieben, auf die anderen Stationen übertragen. -Unter
Umständen ist es erforderlich, eine der Kraftstationen zu- bzw. abzuschalten. Es
kann dies ohne Rücksicht auf die Hochfrequenzregeleinrichtungen geschehen. Man kann
diese auch bei abgeschalteter Station in Tätigkeit lassen. Sie steuern dann die
Anzeigevorrichtungen 3Ib, 31c usw. Der Stromkreis der Elektromagneten 18b9 18c usw.
wird zweckmäßig unterbrochen, um unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden. Falls
es wünschenswert ist, die Frequenz des Netzes vorübergehend zu ändern, so kann dies
durch eine Verstellung des Hebels 4o geschehen.
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In Abb. 8 ist, wie bereits- erwähnt, eine
Anordnung
dargestellt, bei der mehrere Primärkrafterzeuger C, D usw. in einer einzigen Station
zusammenarbeiten. Als Regeleinrichtung für die Krafterzeuger ist ein Fliehkraftregler
ioo vorgesehen, welcher entsprechend der Geschwindigkeit einen Hebel ioi auf und
nieder bewegt. Die Regeleinrichtung steuert eine Drosselklappe ioz, welche ihrerseits
bekanntlich die Dampfzufuhr der Maschine regelt. Der Hebel ioi ist in dem Punkt
103 an den Hebel 104 angelenkt. Dieser Hebel ist mit einem Ende an einer Dämpfungseinrichtung
io5 befestigt. Außerdem greift an dem Hebel 104 noch ein Stellhebel io6 an, welcher
mit dem Regelorgan für die Dampfzufuhr in Verbindung steht. Ferner ist noch ein
Zwischenhebel 107 vorgesehen, dessen Vertikalstellung durch ein Handrad io8 oder
eine dem Tauchkolben ' iog entgegenwirkende Feder iiz eingestellt werden kann. Durch
Ändern der Vertikalstellung des Hebels io7 kann die Drehgeschwindigkeit, bei der
der Regler anspricht, abgeändert werden. Die Anordnung ist so getroffen, daß durch
Anheben des Hebels io7 die Maschinengeschwindigkeit - verringert wird und umgekehrt._
Der Hebel io7 ist an ein Zwischenstück iio angelenkt. Die Lage des einen Endes dieses
Hebels kann durch ein Handrad i o8 und die des anderen Endes durch den Kolben iog
eingestellt werden. Der Kolben io9 gleitet in einem Zylinder i i i. Eine Feder i
1z ist bestrebt, ihn abwärts zu ziehen. Der Federkraft wirkt jedoch der Druck des
in dem Zylinder unterhalb des Kolbens befindlichen Öles entgegen. Dieser Öldruck
wird in dem Zylinder i i i durch ein Ventil 113 und eine Druckkammer i ig erzeugt,
die mit den Zylindern i i i der einzelnen Regelorgane durch Röhren 114 verbunden
ist. Es sei angenommen, daß der Druck auf derjenigen Seite des Ventils 113, von
der aus das Öl zugeführt wird, konstant ist. Der Druck in den Röhren 114 kann durch
ein Ventil 115 geändert werden, welches durch ein Relais 116 in Abhängigkeit von
der Erregung der Relaisspule gesteuert wird. Die Anordnung ist dabei so getroffen,
daß, falls das Relais von einer Stromquelle 47 vollerregt wird, das Ventil i 15
geschlossen gehalten wird, so daß kein Öl durch die Auslaßröhre 118 ausfließen kann.
Sobald nun ein mehr oder minder großer Teil des Widerstandes 46 in den Erregerstromkreis
des Relais eingeschaltet wird, sinkt die Erregung des Relais entsprechend. Infolgedessen
kann auch eine gewisse Ölmenge aus dem Rohr i 18 ausfließen, und der Druck in dem
Rohr 114 sinkt entsprechend. Hierdurch werden die Regler ; mtlicher Krafterzeuger
C, D usw. gleichs mäßig gesteuert. Der Widerstand 46 wird durch den Hebel 4o bestätigt,
der seinerseits in Abhängigkeit von den Frequenzschwankungen des Netzes durch die
in Abb. i dargestellte Kontrolluhr gesteuert wird.
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Durch das Vergrößern des Widerstandes in dem Stromkreis des Relais
116 steigt der Druck in dem Rohr 114. Hierdurch wird eine Aufwärtsbewegung des Hebels
107 und des linken Endes des Hebels ioi bewirkt. Das rechte Ende des Hebels
ioi dagegen wird nach abwärts bewegt, so daß die AnsprechdrehzalTl der Regeleinrichtung
verringert wird.
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Die Lastverteilung zwischen den einzelnen Krafterzeugern kann von
Hand eingestellt werden, während,wie im vorstehenden auseinandergesetzt ist, die
Belastungsfrequenzschwankungen des Netzes durch die Regeleinrichtungen selbsttätig
ausgeglichen werden.