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Anordnung zur Verminderung des Pendelns beim Parallelschalten mittels
einer selbsttätigen Parallelschaltvorrichtung Zum Schnellsynchronisieren von Maschinen
wurde bisher folgender Weg eingeschlagen: Die Maschine wurde mit einem starken Antriebsmoment
schnell bis in die Nähe des Synchronismus hochgefahren, dann wurde das Antriebsmoment
so stark verkleinert, daß die Maschine den Bereich des Synchronismus, bei dem das
Parallelschalten stattfand, ganz langsam durchfuhr. Nach dem Parallelschalten mußta
zur Lastübernahme das Antriebsmoment wieder vergrößert werden. Diese Synchronisierweise
erforderte wegen der starken Momentverringerung eine beträchtliche Zeit und besondere
Aufmerksamkeit bei der Regelung des Antriebsmomentes. Die Synchronisieranordnung
wurde hierbei so getroffen, daß das Parallelschalten im Augenblick der Phasengleichheit
zwischen Netz-und Maschinenspannung stattfand. Zur Berücksichtigung der konstanten
Ölschalterzeit T wurde dabei von der Schalteinrichtung das Schaltkommando an den
Ölschalter um einen Winkel a vor Phasengleichheit der Spannungen abgegeben, wobei
a dem relativen Winkelweg der Spannungsvektoren während der Zeit T entspricht. Bezeichnet
man mit co die relative Winkelgeschwindigkeit der beiden Spannungsvektoren, die
proportional dem Schlupf ist, so ist der relative Winkelweg der beiden Spannungsvektoren
während der Ölschalterzeit T gleich a - a) T. Bei den bekannten Einrichtungen wurde
also bei einem bestimmten Schlupf co, das Schaltkommando mit einem konstanten Vorgabewinkel
ao - co, T
abgegeben oder bei jedem Schlupf mit einem schlupfproportionalen
Vorgabewinkel a = Co T.
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Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen wird gemäß der Erfindung
der Zeitpunkt, zu welchem das Kommando zum Parallelschalten abgegeben wird, auch
in Abhängigkeit von der Maschinenbeschleunigung gewählt, und zwar derart, daß das
Pendeln möglichst auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Durch eine solche Anordnung
ist es möglich, den Synchronisierbereich mit größerem Antriebsmoment, also mit nicht
mehr vernachlässigbarer Maschinenbeschleunigang, zu durchfahren, so daß eine schnelle
Synchronisierung ermöglicht wird.
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Der Gesichtspunkt für die Wahl des Zeitpunktes, zu welchem das Kommando
abgegeben wird, ergibt sich aus folgendem: Bei einer vorhandenen Beschleunigung
soll nicht mehr das Parallelschalten bei Phasengleichheit v%vischen Netzspannung
und Generatorspannung erfolgen, sondern bei einen Winkel a1,
der
gleich oder annähernd gleich dem Verdrehungswinkel zwischen Netzvektor und Maschinenvektor
ist, der sich nach dem Parallelschalten bei diesem Antriebsmoment nach Abklingen
der Pendelvorgänge einstellt. Es werden damit die Maschinenpendelungen und die dadurch
verursachten Stromstöße am geringsten. Dieser Winkel a1 ist proportional der Maschinenbeschleunigung
wobei a eine Maschinenkonstante ist.
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Das Schaltkommando muß ebenfalls wieder zur Berücksichtigung der konstanten
Ülschalterzeit T um den während dieser Zeit zurückgelegten relativen Winkelweg a2
zwischen dem Maschinen- und Netzvektor vor dem gewünschten Schaltmoment abgegeben
werden. Es ist also
Das Schaltkommando muß also um einen Gesamtwinkel
vor Erreichung der Phasengleichheit von Netz- und Generatorspannung abgegeben werden.
Die Gleichung zeigt, daß der Vorgabewinkel a um so geringer ist, Je größer der absolute
Betrag der Konstanten a ist, und daß er um so größer gewählt werden muß, je größer
die Olschalterzeit T ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Die Fig. i zeigt eine Parallelschalteinrichtung, die im Prinzip bereits
bekannt ist, bei der aber gemäß der Erfindung durch besondere Abstimmung der Einzelelemente
auch die Beschleunigung in der Weise berücksichtigt wird, daß das Schaltkommando
in dem Augenblick abgegeben wird, daß der Schalter dann geschlossen wird, wenn der
Netzvektor und der Maschinenvektor eine Winkellage gegeneinander besitzen, die sich
nach dem Parallelschalten bei dem gegebenen Antriebsmoment nach Abklingen des Pendelvorganges
einstellt. i ist der an das Netz :2 zuzuschaltende Generator. Von den beiden 'Netzen
wird ein Drehstrommotor 3 gespeist, dessen Ständerwicklung an dem Generator i und
dessen Läuferwicklung an das Netz a angeschlossen ist. Die Welle i i dreht sich
daher mit Sclilupffrequenz. Auf dieser Welle können sich eine Schwungmasse .4 und;
eine Scheibe 5 drehen, die miteinander durch das Zahnrad 6 gekuppelt sind, dessen
Zapfen fest mit der Welle i i verbunden ist. Die Schwungscheibe 4 ist durch die
Feder 7 mit der Welle verbunden. Auf die Schwungscheibe wirkt das Wirbelstrombremsmoment
eines Magneten $. Durch das Zahnrad 6 wird erreicht, daß die Scheibe 5, durch welche
das Kommando gegeben wird, stets um den entgegengesetzt gleichen .Winkel gegenüber
der Welle i i wie die Scheibe q. verschoben wird, d. h. bei einer Rückdrehung der
Schwungscheibe .f wird die Scheibe 5 um denselben Winkel vorwärts gedreht, und umgekehrt.
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Wie die Größe der einzelnen Elemente zu wählen ist, ergibt sich aus
folgendem: Für die Anordnung gilt folgende Momentgleichung:
Darin bezeichnet O - 0l - 0, die Differenz aus dem Trägheitsmoment
e1 der Scheibe q. und dem Trägheitsmoment 02 der Scheibe 5, B die Bremskonstante,
C die Federkonstante; c) die Winkelgeschwindigkeit der Welle und cf den Verdrehungswinkel
der Schwungmasse :1 gegenüber der Welle i i. Dieser Winkel errechnet sich also zu
Da durch das Zahnrad 6 die Scheibe 5 um denselben Winkel, aber entgegengesetzt gegenüber
der Welle verschoben wird, ist also der Winkel p1, den die Scheibe 5 mit der Welle
einschließt, gleich
Gemäß der Erfindung werden nun das resultierende Trägheitsmoment 0, die Bremskonstante
B und die Federkonstante C so gewählt, daß dieser Winkel cpl gleich dem Vorgabewinkel
a ist, der sich aus der Gleichung (s) ergibt, und zwar genügt hierzu im allgemeinen
die Veränderung von zwei Konstanten. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die
Federkonstante durch Veränderung der Federspannung und die Bremskonstante durch
Veränderung der Stärke des Elektromagneten oder durch Änderung der Lage des Magneten
8 gegenüber der Scheibe q, einstellen. Man kann auch die Trägheitsmomente und die
Federkonstante oder die Trägheitsmomente und die Bremskraft verändern. Dadurch kann
man erreichen, daß die Konstanten der Gleichungen (a) und (5) gleich groß sind.
Wie die Gleichung zeigt, muß dabei das Trägheitsmoment 0 j e nach der Größe der
Ölschalterzeit und der Konstanten a positiv oder negativ gewählt werden, was man
durch geeignete Wahl der Größe der Trägheitsmomente O1 und 02 erreichen kann.
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Die Ölschalterzeit T ist bekannt. Die Größe a kann man aus dem Vektordiagramm
der Maschine, d.li. dem Diagramm, welches die Voreilung des Polrades in Abhängigkeit
von
der Leistung bzw. dem Drehmoment angibt, ermitteln. Man kann die Konstante d auch
auf experimentellem Wege bestimmen. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise bei
einer bestimmten Öffnung des Dampfventils die Beschleunigung der Maschine bestimmen,
indem man beispielsweise die Zeit mißt, die vergeht, in der die Maschine von 45
auf 5o Perioden gebracht wird. Es ist dann
Zur Bestimmung des Winkels a1 kann man mit der Maschine eine Synchronmaschine kuppeln
und die Phasenlage, also den Winkel al, dieser Spannung gegenüber der Netzspannung
messen, wenn bei derselben öffnung des Dampfventils die Maschine an das Netz angeschlossen
ist. Aus diesen beiden Größen ergibt sich dann die Konstante a zu
Die Konstanten in der Gleichung (2) sind also bekannt, und wählt man gemäß der Erfindung
die Konstanten der Gleichung (5) derart, daß der Winkel qgl stets gleich oder annähernd
gleich den gewünschten; Vorgabewinkel a ist, so erfolgt dann durch den Kontakt 9
bei jeder Umdrehung der Welle das Kommando mit dem richtigen Vorgabewinkel. Zu diesem
Zweck ist mit der Scheibe 5 ein Kontaktsegment 12 verbunden, das mit dem Kontakt
9 im Erregerkreis der Einschaltspule 15 liegt, so daß, sobald die beiden in Berührung
miteinander kommen, das -Kommando zum Zuschalten gegeben wird, und zwar erfolgt
das Zuschalten stets mit dem richtigen Vorgabewinkel. Um zu erreichen, daß bei zu
großem Vorgabewinkel das. Schaltkommando gesperrt wird, liegt in Reihe mit dem Kontakt
9 und Kontaktsegment 12 im Erregerkreis der Spule 15 ein weiterer .Kontakt io und
ein zweites Kontaktsegment 13, das mit der Scheibe 4 fest verbunden ist. Die Einstellung
der feststehenden Kontakte erfolgt folgendermaßen: Die Maschine i wird bis an die
Nähe des Synchronismus hochgefahren, also beispielsweise bis auf 49,5 Hertz; dann
wird das Drehmoment so weit verkleinert, daß nur noch die Verluste der Maschine
i gedeckt werden,.diese aber die Frequenz 49,5 beibehält. Der Kontakt 9 wird nun
so eingestellt, daß der Ölschalter bei Phasengleichheit schließt, und der Kontakt
io so, daß er ungefähr in der Mitte des Segmentes 13 steht, wenn der Kontakt 9 das
Kontaktsegment 12 berührt.
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An Stelle des Drehstrommotors 3 kann auch eine andere Antriebsvorrichtung
vorgesehen werden, durch welche die Welle mit einer der Schlupffrequenz proportionalen
Umdrehungszahl angetrieben wird. Man kann auch die Verbindung der Scheiben untereinander
bzw. mit der Welle in anderer Weise treffen, ebenso auch die Einrichtung, welche
dafür sorgt, daß nur innerhalb eines bestimmten Schlupfbereiches der Schaltvorgang
vor sich geht. Wesentlich ist nur, daß ein mit Schlupffrequenz umlaufendes System
elastisch mit einem zweiten, das mit einer von der Drehzahl abhängigen Kraft gebremst
wird, gekuppelt ist, und daß ein drittes System, welches den Schaltvorgang steuert,
vorgesehen ist, das gegenüber dem ersten System um einen Winkel verschoben ist,
der proportional dem Winkel ist, mit dem das zweite System gegenüber dem mit Schlupffrequenz
umlaufenden verschoben ist, aber entgegengesetztes Vorzeichen besitzt.
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. In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
bei der die Erzielung des bestimmten Vorgabewinkels auf elektrischem Wege erreicht
wird. Soweit die Teile mit denen der Fig. i übereinstimmen, sind dieselben Bezugszeichen
gewählt. i ist die an das Netz 2 zuzuschaltende Maschine, 3 ein Drehstrommotor,
dessen Ständer von der Maschine i und dessen Läufer von dem Netz 2 erregt wird.
Von diesem Drehstrommotor wird eine konstant erregte Gleichstrommaschine 2o angetrieben.
Die Gleichspannung am Kommutator dieser Maschine ist also, da die Umdrehungszahl
der Maschine der Schlupffrequenz proportional ist, auch der Schlupffrequenz proportional,
also gleich c # w. Diese Gleichstromspannung wirkt auf einen Ohmschen Widerstand
2i und die Priinärwicklung eines Transformators 22 ein. Der Widerstand 21 wird groß
gegenüber dem Widerstand des Transformators gewählt, so daß an der Sekundärseite
des Transformators eine Spannung herrscht, die gleich ist .
Die von einem Teil des Widerstandes und der Sekundärseite des Transformators abgenommene
Spannung u ist also gleich
Dieser Spannung wird eine gleichgerichtete Schwebungsspannung d u entgegengeschaltet,
welche an dem Widerstand 24, der von den Gleichrichtern 23 gespeist _wird, abgenommen
wird. Diese Spannung 4 zs besitzt den in Fig. 3 dargestellten Verlauf. Wie die Figur
zeigt, ist sie innerhalb bestimmter Grenzen proportional dem Winkel d, also ist
i-_u# c3. a.
Diese Spannung wird nun der Spannung 2c entgegengeschaltet
und die Differenz dieser Spannungen auf ein polarisiertes Relais 3 i zur Einwirkung
gebracht. Dieses schaltet also seine Kontaktzunge 25 auf den linken Kontakt 26,
sobald die Differenzspannung ui negativ wird. Da diese Spannung gleich ist
und umgeschaltet wird, sobald uz = o ist, so ist der Winkel a, bei dem dies geschieht,
gleich
und durch entsprechende Wahl der Konstanten kann man erreichen, daß dieser Winkel
a gleich dem Winkel a nach Gleichung (2) wird. Die Konstanten kann man leicht einstellen
durch Veränderung des übersetzungsverhältnisses des Transformators, durch Änderung
der Anzapfung an dem Widerstand 21, durch Änderung der Gleichstromerregung der Maschine
2o oder durch Änderung der Anzapfung an dem Widerstand 24.. Das polarisierte Relais
schließt dann also bei dem richtigen Vorgabewinkel seinen Kontakt 26 und gibt damit
ein Kommando zum Einschalten.
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Um zu erreichen, daß das Kommando nur innerhalb eines bestimmten Schlupfbereiches
vollzogen wird, ist ein Zeitrelais 28 vorgesehen, das bei Schließen des Kontaktes
27 erregt wird und seinen Kontakt 29 nach einer einstellbaren Zeit schließt. Die
Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Wird die Maschine i mit einem bestimmten
Drehmoment angefahren und der Schalter 30 geschlossen, so wird beim Schließen
des Kontaktes 27 das Zeitrelais 28 erregt. Ist der Schlupf zu groß, so ist die Erregung
zu kurz, so daß der Kontakt 26 geschlossen wird, bevor der Kontakt 29 geschlossen
ist. Die Spule 15 kann daher nicht erregt werden. Ist aber der Schlupf so gering,
daß die Zeit groß genug ist, während der der Kontakt 27 geschlossen ist, so wird
das Zeitrelais 28 ablaufen und der Kontakt 29 geschlossen, wodurch es sich selbst
hält. Wird jetzt der Kontakt 26 geschlossen, was also dann geschieht, sobald der
Vorgabetvinkel a erreicht ist, so wird die Schaltspule i 5 durch den Kontakt 26
und 29 erregt, und der Schalter wird eingeschaltet.
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An Stelle eines polarisierten Relais kann auch ein Differenzrelais
vorgesehen werden, auf dessen eine Spule die gleichgerichtete Schwebungsspannung
und auf dessen andere Spule die Summe bzw. Differenz aus der der Schlupffrequenz
proportionalen Spannung und der dem Differentialquotienten nach der Zeit der Schlupffrequenz
proportionalen Spannung einwirkt. Die Vorschrift, daß nur innerhalb eines bestimmten
Schlupfbereiches geschaltet werden kann, kann auch noch in anderer Weise erfüllt
werden. Beispielsweise könnte ein Zeitrelais vorgesehen werden, welches zum Ablauf
gebracht wird, sobald die Schwebungsspannung einen bestimmten Wert unterschreitet,
und welches mit dem polarisierten Relais derart zusammen arbeitet, daß ein Kommando
zum Zuschalten nur dann ausgeführt werden kann, wenn das Zeitrelais abgelaufen ist,
bevor das Relais 2q. seinen Kontakt 26 schließt.
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Die dem Differentialquotienten der Schlupffrequenz nach der Zeit proportionale
Spannung kann man auch beispielsweise an einer Drossel abnehmen, die in Reihe mit
einem Ohmschen Widerstand geeigneter Größe geschaltet ist. Man kann. zur Erzeugung
dieser Spannung auch einen Kondensator und einen Olimschen Widerstand verwenden,
wobei man die Größe des Kondensators so wählt, daß der in diesem Kreis fließende
Strom gleich der Kapazität mal dem Differentialquotienten der Spannung nach der
Zeit ist. An dem Ohmschen Widerstand kann dann eine Spannung abgenommen werden,
welche dem Differentialquotienten der Schlupffrequenz mal der Zeit proportional
ist.