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Verfahren und Einrichtung zum Betriebe eines Drehfeldinduktionsumformers
als Netzkupplungsmaschine zwischen zwei auch mit eigenen Energiequellen ausgestatteten
Wechselstromnetzen annähernd gleicher Frequenz Zum Kuppeln von Wechselstromnetzen
wird vielfach ein Drehfeldinduktionsumforiner verwendet, der ständen seitig an das
eine und läuferseitig an das zweite Netz angeschlossen ist. Der Induktionsumformer
läuft mit einer Drehzahl um, die der Differenz der beiden Netzfrequenzen entspricht.
Ist die Frequenz der beiden Netze gleich, so steht der Umformer still. Da auf den
Läufer des Induktionsumformers zur übertragung einer bestimmten Leistung von dem
einen auf das andere Netz ein bestimmtes Moment ausgeübt werden muß, so wird dieser
vielfach mit einer Wechselstromkommutatormaschine oder mit einem Regelsatz aus Gleichstrom-
oder Wechselstromkommutatormaschinen gekuppelt. Bei Stillstand des Läufers des Umformers
ergeben sich aber beträchtliche Schwierigkeiten für den Kommutator der Belastungsmaschinen,
da deren einzelne Kominutatorlamellen sowie die Verbindungsleitung zwischen Kommutator
und Wicklung während eines Umlaufes bekanntlich nur kurzzeitig und mit einer verhältnismäßig
großen Stromspitze beansprucht werden, während der Mittelwert des Stromes ziemlich
gering ist. Wird die Maschine nun im Stillstand dauernd belastet, wie dies bei Gleichheit
der beiden Netzfrequenzen der Fall ist, so fließt der Spitzenstrom stets über die
gleichen Kommutatorlamellen,wodurch deren Lötstellen übermäßig erhitzt und leicht
zerstört werden. Auch bereitet bei Stillstand des Kommutators der Stromübergang
am Kollektor sowie die starke Strombelastung der Bürsten beträchtliche Schwierigkeiten.
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Diese Schwierigkeiten treten dann nicht auf, wenn man eine völlige
Gleichheit der beiden Netzfrequenzen vermeidet, denn dann kann die mit dem Läufer
des Induktionsumformers gekuppelte Maschine während des Betriebes nicht völlig stillstehen.
Es genügen bereits verhältnismäßig kleine Winkelgeschwindigkeiten, um die erwähnten
Kommutierungsschwierigkeiten zu vermeiden und die Maschine vor Beschädigungen zu
schützen. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei völliger oder
annähernder Frequenzgleichheit in den beiden gekuppelten Netzen die vom Umformer
übertragene Leistung selbsttätig geändert wird, so daß infolge der hierdurch verursachten
geringen Frequenzänderung der beiden Netze ein Stillstand des Umformerläufers vermieden
wird. Zweckmäßig wird die Änderung der Übertragungsleistung des Umformers durch
eine
Einrichtung bewirkt, die beim Unterschreiten einer gewissen
Winkelgeschwindigkeit des L'mformerläufers selbsttätig anspricht. Man kann zu diesem
Zweck mit der Umformerwelle eine Einrichtung kuppeln, durch die mit Hilfe verschiedener
Relais die Regeleinrichtung zur Einstellung der vom Umformer übertragenen Leistung
gesteuert werden kann.
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Die Regeleinrichtung muß in solcher Weise arbeiten, daß beim Bestehen
geringer Frequenzdifferenzen durch eine Änderung der von dem Umformer übertragenen
Leistung die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Netzen vergrößert wird, indem
das Netz mit höherer Frequenz entlastet und das mit niederer Frequenz belastet wird.
Man könnte zu diesem Zweck Frequenzrelais oder andere Einrichtungen vorsehen. Am
einfachsten kann dies aber dadurch geschehen, daß man die Drehrichtung des Läufers,
die davon abhängig ist, welches der beiden Netze die höhere Frequenz hat, dazu benutzt,
um eine verschiedene Einstellung der übertragenen Leistung zu erzielen.
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In der Abbildung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Das Drehstromnetz i i ist an den. Ständer und das Drehstromnetz r2
an den Läufer des Drehfeldinduktionsumformers i3 angeschlossen. Dieser ist über
ein Getriebe 14 mit einer Gleichstrommaschine 15 eines Leonardsatzes mechanisch
gekuppelt, der außer der Gleichstrommaschine 15 aus der zweiten, als Steuergenerator
dienenden Gleichstrommaschine 16, dem an das Drehstromnetz i i angeschlossenen Drehstrommotor
17 und einer Erregermaschine 18 besteht. Mit der Gleichstrommaschine 15 ist außerdem
eine Tachometerdynamo ig gekuppelt. Auf der Welle des Umformers 13 ist eine Schleifbürste
2o angeordnet, die über die beiden festen Kontakte 21 und 22 gleitet. Der Kontakt
21 liegt im Stromkreis der Spulen des Relais 23 und des Zeitrelais 24, während der
Kontakt 22 im Stromkreis des Relais 25 und des Zeitrelais 26 liegt. Die Spulen der
Relais liegen über den Kontakten eines Relais 27, dessen Spule an den Klemmen der
Tachometerdynamo i g liegt, an der von der Erregermaschine 18 gespeisten Gleichstromleitung
28, an die außerdem die Erregerwicklungen der Gleichstrommaschinen des Leonardsatzes
angeschlossen sind. Auf der Welle des Umformers sitzt ein Schleppschalter 4o, dessen
Bauart als bekannt vorausgesetzt werden kann. Dieser Schleppschalter schließt bei
der einen Drehrichtung den Kontakt 41 und in der anderen Drehrichtung des Umformers
den Kontakt 42. Der Kontakt 41 ist mit der Spule eines Schützes 43 verbunden, dessen
Kontakte 44 und 44a im Ankerstromkreis eines Schaltmotors 31 liegen. Dieser arbeitet
über ein Schneckengetriebe 3o auf den Gleitkontakt 32 eines Regelwiderstandes 33.
Der Kontakt 42 des Schleppschalters ist mit der Spule eines zweiten Schützes 45
verbunden, dessen Kontakte 46 und 46a ebenfalls im Ankerstromkreis des Schaltmotors
31 liegen.
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Ist der Kontakt 41 beispielsweise beim Umlauf des Umformerläufers
im Uhrzeigersinne geschlossen, so wird das Schütz 43 erregt und zieht seinen Anker
an, wodurch sein Kontakt 44a geschlossen wird. Es fließt daher durch den Anker des
Schaltmotors 31 ein Strom, z. B. in der Pfeilrichtung, und der Schaltmotor verdreht
über das Schneckengetriebe 30 den Gleitkontakt 32 des Regelwiderstandes 33 in der
Pfeilrichtung. In der umgekehrten Drehrichtung des Umformerläufers wird der andere
Kontakt 42 des Schleppschalters geschlossen, wodurch das Schütz 45 erregt wird und
seinen Anker anzieht, während das Schütz 43 abgefallen ist. Hierdurch wird die Richtung
des Ankerstromes des Schaltmotors 3i umgekehrt, so daß der Schaltmotor 31 den Gleitkontakt
32 umgekehrt zur Pfeilrichtung verstellt.
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In den beiden Endlagen des Gleitkontaktes 32 sind Kontakte 51 und
52 angeordnet, die durch einen mit dem Gleitkontakt verbundenen Hilfskontakt 53
geschlossen werden. Hierdurch wird eine Signaleinrichtung 54 in Betrieb gesetzt,
die den Schaltwärter darauf aufmerksam macht, daß sich der Gleitkontakt 32 in seiner
Endlage befindet. Die Schleifbürste 2o berührt in regelmäßigen Zeitintervallen die
Kontakte 21 und 22, und zwar werden diese Zeitintervalle um so kleiner, je schneller
der Umformer 13 umläuft bzw. je größer die Frequenzdifferenzen zwischen den beiden
gekuppelten Netzen i i und 12 ist. Wird beispielsweise der Kontakt 21 durch die
Schleifbürste 2o geschlossen, so werden die in Reihe liegenden Spulen der beiden
Relais 23 und 24 erregt, und das Relais 23 zieht seinen Anker an, wobei es seine
Kontakte 23b öffnet und seine Kontakte 23a schließt. Das Zeitrelais 24- hält seine
Kontaxte 24a noch geschlossen, da es erst nach Ablauf einer bestimmten Zeit ansprechen
kann. Die Kontakte 23b des Relais 23 sind mit dem Schleppschalter 40 verbunden und
liegen über den Kontakt 25b des mit dem Kontakt 22 des Schleppschalters 2o verbundenen
Relais 25 an den Klemmen des Schaltinotors 31. Dessen Stromkreis wird daher durch
das Ansprechen der Relais 23 bzw. 25 während der Verzögerungszeit der Zeitrelais
24 bzw. 26 unterbrochen.
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Der durch den Schaltmotor 3 r gesteuerte Regelwiderstand 33 liegt
in Reihe mit einem in der Verbindungsleitung des Drehstromnetzes
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mit dem Läufer des Motors 13 liegenden Stromwandler 35 und einem von Hand einstellbaren
Widerstand 36 im Stromkreis eines Relais 37. Durch den Regelwiderstand 36 wird das
Stromrelais 37 auf einen bestimmten Nennstrom eingestellt. Wird dieser Nennstrom
durch Änderung der durch den Umformer übertragenen Leistung über-oder unterschritten,
so schließt sich einer der beiden Kontakte 37d bzw. 37v dieses Relais, und es werden
die Spulen der Relais 55 und 56 erregt. Diese liegen im Ankerkreis eines Schaltmotors
34 und ändern in gleicher Weise wie beim Schaltmotor 31 die Richtung des Ankerstromes,
so daß der über das Schneckengetriebe 57 vom Motor 34 angetriebene Schleifkontakt
des Regelwiderstandes 38 in verschiedenen Richtungen bewegt wird. Der Widerstand
38 liegt im Erregerstromkreis der Gleichstrommaschine 16, so daß durch seine Änderung
das von der Gleichstrommaschine 15 auf den Läufer des Umformers 13 übertragene
Moment und hierdurch die vorn Umformer übertragene Leistung in dem einen oder anderen
Sinne geändert wird.
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Das Relais 27 ist geschlossen, solange die Welle der Tachometerdynamo
i9 eine bestimmte Drehzahl nicht überschreitet und infolgedessen die von der Dynamo
i9 entwickelte Spannung nur einen geringen Wert hat. Steigt die Drehzahl des Umformers
infolge Vergrößerung der Differenz der beiden Netzfrequenzen in dem einen oder anderen
Sinne, so wächst die Spannung der Tachoineterdynamo, und das Relais 27 unterbricht
den Stromkreis der Relais 24 bis 26, so daß die Einrichtung unwirksam bleibt, Hierdurch
wird erreicht, daß die Schutzeinrichtung nur bei geringen Winkelgeschwindigkeiten
des Umformerläufers, also bei in der Nähe des Stillstandes liegenden Drehzahlen
wirksam ist.
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Das Zusammenarbeiten der beiden Zeitrelais 24 und 26 soll an Hand
der in Abb. 2 dargestellten Zeitdiagramme näher erläutert werden. Für drei verschiedene
Drehzahlen der Gleichstrommaschine 15 ist die Einschaltdauer der beiden Zeitrelais
24 und 26 dargestellt, und zwar ist in dem oberen Teil des Diagramms angenommen,
daß die Welle der Gleichstrommaschine in der Minute zwei Umläufe macht. Bei einer
Schließdauer von 30 Sekunden für jedes Zeitrelais ist stets eines der Kontaktpaare
der beiden Relais geschlossen. Hat die Gleichstrommaschine 15 die halbe Drehzahl
wie vorhin, also einen Umlauf je Minute, so spricht erst nach Abfallen des einen
Relais das andere Relais an. Bei dein in dem unteren Teil des Diagramms dargestellten
Betriebsfall macht die Welle der Gleichstrommaschine 15 nur eine halbe Unidrehung
pro Minute. Hierbei spricht zunächst das Zeitrelais 24 an. Hierauf folgt eine Pause
von 30 Sekunden, und erst nach Ablauf dieser Pause kann das Zeitrelais 26
ansprechen.
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Aus dem Schaltbild der Abb. r ist ersichtlich, daß der Schaltmotor
31 dann gesteuert wird, wenn die Kontakte der beiden Zeitrelais 24 und 26 geschlossen
sind. Hierdurch wird der Umformer, falls er stillgestanden haben sollte, in Umlauf
versetzt bzw. seine Winkelgeschwindigkeit so weit erhöht, daß schädliche Erwärmungen
in der Gleichstrommaschine vermieden werden.
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Um die für diese Regelweise erforderlichen Leistungsänderungen zu
verdeutlichen, seien folgende Annahmen gemacht: Die Generatoren, welche auf das
Netz i i arbeiten, sollen eine Nennleistung von etwa ioo ooo kW besitzen. Die Drehzahlcharakteristiken
der Antriebsmaschinen sind so eingestellt, daß der Drehzahlabfall zwischen völligem
Leerlauf und Vollast :2 °/o beträgt. Das Netz 12 hat eine Gesamtleistung von 8o
ooo kW und zwischen Leerlauf und Vollast ebenfalls einen Frequenz- bzw. Drehzahlunterschied
von 2 °/o. Die beiden Netze werden durch einen Umformer mit zwei Polpaaren, also
mit einer Synchrondrehzahl von 1 500 Umdr./Min. bei 5o Hertz gekuppelt. Die
maximalen Frequenzschwankungen sollen in beiden Netzen -I- i °/o betragen. Hieraus
ergibt sich, daß die größte Frequenz bei 5o,5 Hertz und die tiefste Frequenz bei
49,5 Hertz liegt. Bei größter Frequenzabweichung ergibt sich also eine Differenz
-von insgesamt 2 % - i Hertz, bei der der Umformer 3o Umdr./Min. und
die mit ihm über ein Getriebe i : io gekuppelte Gleichstrommaschine 300 Umdr./Min.
macht.
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Ist die normale Übertragungsleistung des Umformers auf io ooo kW eingestellt
und steigt die Leistung um 1 °/o auf io ioo kW, so bewirkt ein Lastunterschied von
ioo kW in einem Netz eine Frequenzänderung von o,o6 Perioden/Min., da der Frequenzunterschied
in jedem der beiden Netze zwischen Vollast und Leerlauf i Perioden/Sek., also 6o
Perioden/Min. beträgt. Bei Änderung der Umformerleistung um i % beträgt also
der gesamte Frequenzunterschied o,i2 Perioden/Min. Die mit dem Umformer gekuppelte
Belastungsmaschine legt bei dieser Frequenzdifferenz etwa einen Winkelweg: von iSo°
zurück. Die für die Drehung der Gleichstrommaschine genügende Belastungsänderung
1 °/o bewirkt eine praktisch kaum in Erscheinung tretende Änderung der Frequenz,
zumal die Frequenzänderung einmal im positiven und das andere Mal im negativen Sinne
erfolgt, so daß die Frequenz der beiden Netze in einem gewissen Zeitraum praktisch
konstant
ist und beispielsweise der Betrieb von Synchronuhren in
beiden Netzen ohne weiteres möglich ist.