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Anordnung 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 annähern.-den Phasenübereinstimmung der
beiden zu synchronisierenden Spannungen geschlossen wird. Für diese Synchronisierung
ist es @erforderlich, da.ß 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 bat; zweitens
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. Zur selbsttätigen
Überwachung des Steuerstromkreises kann man ein Relais in der Bauart eines dynamometrischen
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 Zeitpunktei der Phasenübereinstimmung
der beiden zu synchronisierenden Spannungen gelegt werden. Ist dies nämlich Glicht
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 Vorlegungsreit
immer den vierten Teil oder die Hälfte einer Schlupfperiode beträgt. Wünscht man
z. B. den Synchronisierungsvorgang nach Unterschreitung einer Schlupffrequenz von
z 0/6 sich vollziehen zu lassen, so ist dies mit einem dynamometrischen Relais nur
möglich, wenn die Eigenzeit des ölschaltersetwa 1/2 Sekunde beträgt.
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Es ist schon eine Anordnung zur Synchronisierung bekannt, bei der
der Stromimpuls
für die Auslösung des Schalters eine beliebige Zeit
vor den Moment der Phasenübereinstimmung gelegt werden kann, und zwar gleichgültig,
ob die zuzuschaltende Maschine aus dem unter- oder übersynchronen Zustand sich dem
Synchronismus nähert. Die Vorverlegungszeiten können dabei verschieden groß gemacht
werden, je nachdem die zuzuschaltende Maschine vom über- oder untersynchronen Zustand
in den Synchronismus eintritt. Bei der bekannten Anordnung werden zu diesem Zweck
drei wattmetrische Relais und zwei Zeitrelais benötigt. Durch die Erfindung wird
die gestellte Aufgabe in einfacherer Weise mit einer geringeren Anzahl von Relais
gelöst.
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Erfindungsgemäß sind einerseits zwei dynamometrische Relais vorgesehen,
die in Parallelschaltung die Kontakte des Steuerstromkreises für das Einlegen des
Hauptschalters freigeben und deren Kontaktschlußzeiten durch Phasenverschiebung
der speisenden Spannungen gegeneinander verschoben sind; anderseits ist noch ein
Zeitrelais vorgesehen, das während der Zeiterregt wird, in der beide dynamometrische
Relais den Strom für das Einlegen des Hauptschalters sperren.
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Die Erfindung ist in folgendem an Hand des Ausführungsbeispiels der
Zeichnung näher erläutert. i o und I I bedeuten darin die drei Phasen
U, V, W der Netzspannung bzw. 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. Der Synchronisierungsvorgang wird
dabei durch Schließen des von Hand zu betätigenden; Schalters 15 eingeleitet.
a und b sind zwei dynamometrische Relais, die in Parallelschaltung
den Strom in der Spule 14 überwachen. Die Spule 14 bekommt also dann Strom, wenn
mindestens eines der beiden Relais den Steuerstromkreis. freigibt. Die Relais a
und b besitzen in bekannter Weise je zwei Spulen, von denen die eine über
den Transformator 16 von der Netzspannung, die zweite über den Transformator 17
bzw. 18 von der Maschinenspannung gespeist wird. Die Zeiger 19 und 2o der Relais
a und b schlagen daher im Takte der Schlupffrequenz zwischen der Netz- und
der Maschinenspannung nach links und rechts aus. Das Relais a gibt den Steuerstromkreis
frei, wenn sein Zeiger am Kontakt 2 liegt, das Relais b, wenn der Zeiger am Kontakt
4 liegt. Zur näheren Veranschaulichung der Wirkungsweise der beiden Relais a und
b dient das Diagramm der Abb.2, das ein Vektoxdiagramm der Schlupffrequenzspannung
zwischen dem Netze und der Maschine darstellt. o ist der Drehpunkt des Vektors;
die vertikale strichpunktierte Linie bedeutet im oberen Teil die Phasengleichheit
der Netz- und der Maschinenspannung, im unteren Teil die Phasenopposition. Während
eines Vektorumlaufesl der Schlupfspannung gibt das Relais rx während einer Halbperiode
den Steuerstromkreis 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 die Freigabezeit, 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 i2o°
besitzen. Diese ist dadurch erreicht, daß die von der Maschinenspannung den beiden
Relais a und b zugeführten Spannungen Phasenverschiebung besitzen, da die Transformatoren
1 7 und 18 an verschiedene Phasen der Maschinenspannung angeschlossen sind. Durchläuft
nun der Vektor der Schlupfspannung das Diagramm der Abb. 2 beispielsweise im Uhrzeigersinne,
so wird der Stromkreis für die Betätigungsspule 14 von dem Relais b im Zeitpunkte--i
freigegeben und wird dann im oberen Teil des Vektordiagrammes von beiden Relais
freigegeben und bleibt dann unter dem Einfluß des Relais a bis zum Zeitpunkte 22
frei. Die Spule 14 bekommt also schon zum Zeitpunkte 2 i den Stromimpuls, wobei
dieser Impuls dem Momente der Phasenübereinstimmung der Netz- und der Maschinenspannung
(nach aufwärts gerichtete Lage des Schlupfspannungsvektors) um etwa 150° 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 Zeitpunkt 21 und das zweite Mal im Zeitpunkt 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 Relaisa
und b zugeführt werden. Auch kann man sich zur Herbeiführung der Phasenverschiebung
beliebiger anderer Mittel bedienen, indem man etwa dreiphasige
Transformatoren
verwendet und von Sterndreieckschaltungen, Zickzackschaltungen oder auch unsymmetrischen
Auzapfungen usw. Gebrauch macht. Ebenso könnte man die beiden Relais über Drehtransformatoren
von der Maschine oder dem Netz aus speisen.
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Die bisher beschriebenen Mittel b,erücksichtigen noch nicht, daß im
Synchronisierungsmoment die Schlupffrequenz bereits einen bestimmten Betrag unterschritten
haben muß. Um dies zu erreichen, ist in den Stromkreis der Spule 14 noch ein Relais
Vr eingeschaltet. Das Relais wird von dem Steuerstromkreis'i3 aus dann erregt, wenn
sowohl der Zeiger des Relais a am Kontakt i liegt als auch der Zeiger des Relais
b am Kontakt 3, wenn also der Strom in der Spule 1 ¢ sowohl von dem Relais a als
auch von dem Relais b gesperrt wird. Die Verzögerungseinrichtung an dem Relais Vr
besteht nun aus einer mit der Erregerspule im Innern des Relais .in Reihe geschalteten
Drosselspule 25. Diese Drosselspule gestattet nun ein langsames Anwachsen des Stromes
in der Erregerspule des Relais VY,. trotzdem der Spule bereits die volle Spannung
der Stromquelle 13 zugeführt ist. Dementsprechend ist die Erregerspule erst nach
einer gewissen Zeit imstande, die beiden Kontakte 26 und 27 am Relais Vr zu schließen.
Mit dem Schließen dieser Kontakte, und zwar mit dem Schließen des Kontaktes 26 bekommt
dann auch die Spule 1 ¢ über das Hilfsrelais R Strom, und der Hauptschalter wird
geschlossen. Das Relais VY ist nun außerdem noch derart ausgebildet, daß @es die
Freigabe des Stromes für die Spule 14 nur eine bestimmte Zeit aufrechterhält. Hat
sich während dieser Zeit der Synchronisierungsvorgang nicht ordnungsgemäß vollzogen,
was z. B. auf Störungen und Fehlschaltungen durch zufälliges Klebenbleiben von Relaiskontakten
oder auf einen plötzlichen Frequenzsprung im Netz zurückzuführen ist, so öffnet
das Relais Vr den Kontakt 26 wieder und sperrt damit den Strom für das Relais R.
Dies wird dadurch erreicht, da.ß durch das Schließen des Kontaktes 27 der Erregerstrom
für das Relais VY wieder abgeschaltet wird. Die Erregerspule wird über die Drosselspule
25 durch den Schalter 27 kurzgeschlossen. Die Abschaltung des Erregerstromes, die
wieder ein öffnen der Kontakte 26 und 27 herbeiführt, vollzieht sich dabei mit einer
Verzögerung, da die Energie der Drosselspule 25 sich über die Erregerspule des Relais
Vt' entlädt und den Erregerstrom auf diese Weise noch eine gewisse Zeit auf einer
solchen Höhe hält, daß die Kontakte 26 und 27 geschlossen bleiben.
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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 eine 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 Spannungen unterbricht.
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Der Synchronisierungsvorgang vollzieht sich nun folgendermaßen: Nach
dem Hochlaufen der zuzuschaltenden Maschine wird der Schalter 15 ,geschlossen. Da
der Schalter 12 offen ist, so ist auch der Schalter 23 im Steuerstromkreis geschlossen,
und die Relais a und b können den Strom für die Erregung der Spule-1q. in der geschilderten
Weise freigeben und sperren; jedoch ist dies erst dann möglich, wenn die Schlupffrequenz
zwischen der Maschine und der Netzspannung auf einen genügend geringen Betrag gesunken
ist und dementsprechend das Zeitverzögerungsrelais Vr seine Sperrung für die Erregung
der Spule 14 aufgehoben hat. Wenn dies der Fall ist, bekommt die Spule 1 ¢ über
das Zwischenrelais R im richtigem Zeitmomente Erregerstrom und schließt den Schalter
12 im Zeitpunkt der Phasenübereinstimmung. Mit dem Schließen des Schalters 12 wird
der Schalter 23 geöffnet und so der Steuerstromkreis 13 abgeschaltet.
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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 Umständenauch 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 größerer
Voreilwinkel des Stromimpulses der Spule 1.4 gegenüber dem Moment der Phasenübereinstimmung
ergibt. Der Voreilwinkel liegt bei der dargestellten Schaltung zwischen 9o und 18o°.
Mau könnte aber auch einen Voreilwinkel zwischen 270 und 36o° erreichen,
wenn man den Zeitpunkt der Phasengleichheit in dem Diagramm der Abb. 2 nach unten
verlegt.