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Anordnung zur Regelung von parallel arbeitenden Synchrongeneratoren
In Wechselstromnetzen bereiten die stoßweisen Änderungen der Belastung, wie sie
beispielsweise durch plötzliches Zu- oder Abschalten von Verbrauchern oder durch
die Abschaltung von Generatoren oder Leitungen infolge Störungen oder auch durch
Kurzschluß verursacht werden, große Schwierigkeiten für den Betrieb der das Netz
speisenden Generatoren, namentlich wenn diese Synchrongeneratoren sind. Die Synchrongeneratoren
führen dann gegenseitige Pendelungen aus, die bis zu einem Außertrittfallen führen
können, insbesondere wenn die mit den Generatoren gekuppelten Schwungmassen sehr
voneinander abweichen. Zur Erzielung eines guten und schwingungsfreien Parallelbetriebes
auch bei erheblichen Laststößen ist es zweckmäßig, den Energiezufluß zur Kraftmaschine
unmittelbar nach einem elektrischen Stoß auf den Generator zu verändern, so daß
die neue, dem elektrischen Generator mechanisch zugeführte Leistung der neuen, elektrisch
von ihm entnommenen Belastung entspricht.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung ,zur Regelurig von parallel
arbeitenden Synchrongeneratoren, die eine Weiterbildung dieses Prinzips der Laststoßregelung
darstellt, derart, daß,der Maschinensatz bei beliebigen Belastungs- oder Entlastungsstößen
stets im Gleichgewicht bleibt und @daß ihm die Neigung zum Instabilwerden oder Außertrittfallen
genommen wird.
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Außer denn in Abhängigkeit von der Drehzahl die Energiezufuhr zur
Kraftmaschine steuernden Regler ist in an sieh bekannter Weise noch ein Regler vorgesehen,
der nur durch stoßweise Änderung,der Belastung d.es Generators betätigt wird. Erfindungsgemäß
verstellen :die beiden Regler als selbständige Gebilde unabhängig voneinander und
über gesonderte Ventile :die Energiezufuhr zu der .den Generator antreibenden Kraftmaschine.
Bei den bekannten Anordnungen sind die beiden Regler nicht derart voneinander unabhängig,
da sowohl der Fliehkraftregler als auch der elektrische Regler auf dasselbe Ventil
für die Verstellung der Dampfzufuhr, j a sogar auf denselben Servomotor für die
Betätigung des Ventiles arbeiten. Die vollständige Trennung der beiden Regelsysteme
gemäß der Erfindung hat wesentliche Vorteile. Es wird zunächst eine unerwünschte
Beeinflussung der beiden Regler vermieden; außerdem kann man nunmehr jedes der beiden
Regelsysteme ausschließlich nach seiner Sonderaufgabe in der geeignetsten Weise
ausbilden. Der Fliehkraftregter soll langsame Regelvorgänge durchführen, er soll
dafür aber mit großer Genauigkeit arbeiten. Man wird daher das System dieses Reglers
einschließlich,des Dampfventiles nach dieser Forderung
ausbilden.
Anderseits soll der elektrische Regler mit großer Schnelligkeit eingreifen. Um dies
zu erreichen, wird man daher das ganze elektrische Regelsystem einschließlich des
Dampfventils besonders leicht ausbilden und auch mit großen Verstellkräften ausrüsten,
wobei auf große Genauigkeit keine Rücksicht genommen zu werden braucht. Durch die
Aufteilung der beiden Funktionen der Einstellung der richtigen Drehzahl in längerer
Zeit und der Gegenwirkung gegen Stöße in äußerst kurzer Zeit durch zwei v erschiedene
Regelmechanismen erreicht man auch ein gutes Arbeiten der Kraftmaschinensätze bei
allen langsamen Veränderungen, sei es im eIcktrischen Belastungsnetze, sei es im
Energie*zuführenden Kraftmittelnetze. Beispielsweise werden langsame Veränderungen
des Dampfdruckes oder der Dampftemperatur bei Dampfturbinen oder Kolbendampfmaschinen,
langsame N@eränderungen des '\i7asserdruckes oder des Wasserstandes im Ober- oder
Unterkanal v an Wasserturbinen, langsame Gemischänderungen bei Kolbenmaschinen,
langsame A nderungen der Belastung im elektrischen -Netz usw. von dem auch
bisher üblichen Drelizalilre-gler aus geregelt, der hierzu bekanntlich Zeiten von
mindestens einigen Sehanden braucht. Dagegen werden alle L°isttuigsstöße, ob sie
nun auf Entlastungen durch Mischalten von Leitungen, auf Belastungen durch Zuschalten
von Leitungen oder Ausfall anderer Generatoren, auf den Stößen durch Kurzschlüsse
oder Erdschlüsse beruhen, in äußerst kurzer Zeit, die gering ist gegenüber der elektromechanischen
Pendelungsdauer der Maschine. unter Umgehung des langsam arbeitenden Geschwindigkeitsreglers
ausgeglichen.
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In der Zeichnung ist die neue Anordnung Fier Kraftmaschinenregelung
in Fig. i an einem Beispiel veranschaulicht. Der Synchrongenerator i speist eine
Drehstrom-IeitUng 2, an die weiter nicht dargestellte Verbraucher oder Fernleitungen
und parallel arbeitende Synchrongeneratoren angeschlossen sind. Der Generator wird
von einer Dampfturbine 3 angetrieben, der der Dampf in dem Zuflußrohr -. zugeführt
wird. Die Turbine besitzt einen in der üblichen Weise ausgebildeten Fliehkraftregler
5, der ein Ventil 6 in dem Zuflußrohr :I steuert. Für die Regelung nach der Erfindung
ist nun noch ein Ventil 7 vorgesehen, das in Reihe mit dem Ventil 6 auf die Dampfzufuhr
im Rohr .I einwirkt, und ein Ventil 8, das in einem Umgehungsrohr zum Ventil 6 liegt
und die Dampfzufuhr in Parallelschaltung zum Ventil 6 steuert. Die beiden Ventile
7 und 8 werden nun mit Hilfe der Indikatoren 9 und io von der elektrischen Leistung
des Generators gesteuert; die Indikatoren können z. B. als wattmetrische Relais
ausgebildet sein, die über Hilfsstromkreise und über durch Drucköl betätigte Servomotoren
auf die Ventile 7 und 8 einwirken. Statt der elektrischen Leistung könnte man auch
den Belastungsstrom des Generators i als Indikator verwenden oder auch den Winkel,
den sein Polrad gegenüber dem Ständerdrehfeld einnimmt. Der Drehzahlregler hält
über das Ventil 6 in der üblichen Weise die Drehzahl der Maschine bei nicht allzu
schnellen Belastungsänderungen konstant. Wird nun die Belastung des Generators i
stoßweise vergrößert, so bewirkt das Leistungsrelais 9 ein Öffnen des Ventils 8,
das im regulären Betrieb ganz geschlossen gehalten wird. Dementsprechend fließt
der Kraftmaschine 3 in kürzester Zeit mehr Leistung zu als vorher. Der Indikator
9 und der Zuflußregler 8 werden zweckmäßig so gebaut, daß die Mehrleistung der Größe
des Belastungsstoßes entspricht. Tritt im elektrischen Netze ein Entlastungsstoß
auf, so spricht das wattmetrische Relais io an und beeinflußt in analoger Weise
das in Reihe zum Ventil 6 liegende Ventil 7, das im regulären Betrieb ganz offen
gehalten wird und nunmehr durch den Entlastungsstoß entsprechend dessen Größe teilweise
geschlossen wird. Dadurch wird dem Kraftmaschinensatz weniger Leistung zugeführt,
ganz entsprechend der Abnahme der elektrischen Belastung.
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Da die Stöße bezüglich der Pendelungsgefahr am Generator nur kurzzeitige
Wirkung besitzen, so genügt es vollständig, nur die schnellen Laständerungen auf
die Zuflußregler 7 und 8 wirken zu lassen und diese Züiflußregler nach Ablauf der
schnellen Änderung in ihre Anfangslage (voll geschlossen oder voll geöffnet) zurückgehen
zu lassen. die sie im regulären Betrieb beibehalten, bis der nächste schnelle Laststoß
kommt. Während dieses langsamen Zurückgehens der Ventile 7 und 8 in ihre Anfangslage
hat der Drehzahlregler 5 ausreichend Zeit, sein Ventil wieder entsprechend -dem
neuen Belastungszustand einzustellen. Für das langsame Zurückgehen der Ventile 7
und 8 nach dein Aufhören des Belastungsstoßes in die Anfangslage kann man an sich
bekannte oder vorgeschlagene Einrichtungen verwenden. Beispielsweise werden die
Ventile 7 und 8 von Federn in ihrer Anfangslage gehalten; die Beeinflussung der
Ventile erfolgt unter Cberwindung der Federkraft von den Relais 9 und io über Einrichtungen,
die dafür sorgen, daß die auf das Ventil ausgeübte Kraft nicht der absoluten Größe
der Leistung des Generators proportional ist, sondern dem Differentialquotienten
dieser Leistung nach der Zeit. Diese Einrichtungen können mechanischer
oder
elektrischer Art sein, wobei im ersteren Fall die Krafteinwirkung vom Relais 9 aus
z. B. über einen Zylinder, in dem sich ein Dämpfungsmittel wie Luft oder Öl befindet,
und einem indem Zylinder gleitenden Kolben erfolgt. Die elektrische Lösung besteht
z. B. darin, daß ein dem Belastungsstrom des Generators i proportionaler Strom über
einen Gleichrichter die Primärwicklung eines Transformators durchfließt, dessen
Sekundärstrom auf das Ventil 7 oder 8 einwirkt.
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Wie die Figur zeigt, ist der Laststoßregler den .bisherigen Drehzahlreglern
als selbständiges Gebilde hinzugefügt, so daß man die Regulierung des regulären
Betriebes hierdurch nicht verändert, sondern nur Stöße mit ihren schädlichen Wirkungen
auffängt. Die Einrichtung nach der Erfindung läßt sich also ohne erhebliche Kosten
noch nachträglich an bereits in Betrieb befindlichen Anlagen anbringen.
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Natürlich kann man die' auf den Belastungsstoß reagierenden Indikatoren
9 und io für Be- und Entlastungsstöße auch zu einem einzigen zusammenfassen, der
je nach dem Sinn des Stoßes quantitativ abgestimmte Impulse auf die Regler 7 oder
8 wirken läßt. Beispielsweise kann ein einziges wattmetrisches Relais bei der stoßweisen
Überschreitung eines bestimmten Belastungszustandes einen Stromkreis steuern, der
auf das Ventil 8 einwirkt, bei der stoßweisen Unterschreitung eines bestimmten Belastungszustandes
hingegen einen Stromkreis, der auf das Ventil 7 einwirkt. Man könnte auch die Ventile
7 und 8 durch ein Ventil ersetzen, indem etwa das Ventil 8 im normalen Zustand eine
bestimmte Dampfmenge hindurchläßt, die beim Laststoß nach Bedarf vermehrt oder vermindert
wird.
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Wenn die Leistungsstöße so groß sind, daß die reguläre Belastungsfähigkeit
der Kraftmaschine überschritten wird, so kann man noch ein Zusatzventil i i vorsehen,
das der Turbine 3 eine kurzzeitige Überlastung ermöglicht. Das Zusatzventil i i
liegt in einer Rohrleitung, die vor dem Ventil 6 ihren Dampf aus der Zuleitung q.
erhält. Wegen .der Kürze -der Überlastung kommt es bei der Regelung mit Hilfe des
Ventils i i nicht mehr auf Ökonomie an. Bei Dampfturbinen wird man daher den vom
Ventil gesteuerten Zusatzdampf einer Zwischenstufe in 'der Beschaufelun:g zuführen,
was man übrigens auch bereits mit dem nur selten arbeitenden Zusatzventil 8 machen
kann. Bei Wasserturbinen kann man durch .den Zusatzregler i i das Wasser eines Standrohres
oder eines Windkessels der Turbine zuführen, und bei Kolbenmaschinen kann man analog
eine Leistungssteigerung durch Vorkompression (Kompression der zugeführten Luft
bei Verbrennungsmaschinen) oder durch Umgehen der Expansionsventile (bei Dampfmaschinen)
durchführen.
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Unter Umständen kann den mit schwacher Last arbeitenden Maschinensatz
ein so starker Entlastungsstoß treffen, ,daß die zugeführte Leistung negativ werden
müßte. Da der Zuflußregler 7 den Zufluß durch vollständige Schließung nicht mehr
absperren kann, so kann man für .diesen Fall entweder vom Zuflußregler 7 oder auch
direkt vom Entlastungsindikator io aus einen Impuls auf eine elektrische Belastung
geben, die in der Abbildung als geregelt einschaltbarer Widerstand 1a (Wasserwiderstand)
dargestellt ist. Man fängt diesen negativen Laststoß auf diese Weise durch einen
positiven Belastungsstoß auf der elektrischen Seite ab, so daß auf .den Maschinensatz
keine Beschleunigungsleistung ausgeübt wird, die ihn zum Pendeln oder Außertrittfallen
bringen könnte. Dieser Belastungswiderstand wird bei Erhaltung der Spannung an den
Kraftmaschinenklemmen, also bei den üblichen Belastungs- und Entlastungsstößen des
normalen Betriebes, am besten parallel zur Leitung angeschlossen; bei starken Kurzschlüssen
in der Nachbarschaft des Generators jedoch, bei denen die Spannung an seinen Klemmen
zusammenbricht, schaltet man ihn besser in Serie zur Leitung ein. Eine Auswahl ist
durch selektive, Relais leicht zu treffen.
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Die Beeinflussung der Energiezufuhr durch ,den Laststoß soll möglichst
rasch vor sich gehen, um eine sofortige Übereinstimmung zwischen elektrischer Leistung
und zugeführter . mechanischer Leistung herbeizuführen. Um diesbezügliche Verzögerungen
möglichst zu unterdrücken, kann man für die Steuerung der Ventile 7 oder 8 in Abhängigkeit
von den Leistungsindikatoren 9 oder io statt des für solche Steuerungen bisher üblichen
Drucköles ein Druckgas, insbe6ondere Druckluft, verwenden. Der Betrieb des das Ventil
7 oder 8 verstellenden Servomotors (Kraftkolben) durch Gas hat den Vorzug, ,daß
die Geschwindigkeit,des Gases in den Zuführungsleitungen zum Servomotor eine weitaus
höhere sein kann als die Geschwindigkeit des Öles in diesen Zuleitungen, wodurch
die Reguliergeschwindigkeit erheblich vergrößert wird.
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Die Steuerung des Ventils 6 durch den Fliehkraftregler 5 kann hingegen
in ,der bisher üblichen Weise über Drucköl erfolgen, das bezüglich der Genauigkeit
der Steuerungsregelung sich als vorteilhafter erweist.
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Fg. z der Zeichnung veranschaulicht eine solche Steuerung der Drehzahlregel-
und Laststoßregelventile mittels Öls und mittels Druckgas. Bei 13 und 1q.
strömt der Frischdampf
zu, bei 15 strömt er zur Turbine.
Das Ventil 16, das von dem mit Öl betriebenen Servomotor i7 gesteuert wird, entspricht
dem vom Drehzahlregler _; gesteuerten Ventil 6 der Fig. i. Das Ventil 18 mit dem
mit Druckluft betriebenen Servomotor ig entspricht dem Ventil 7; das Ventil 2o mit
dem ebenfalls mit Druckluft betriebenen Servomotor 2 i entspricht dem Ventil 8 der
Fig. i.