DE619303C - Synchronmaschine und Synchron-Synchron-Umformer mit Leistungsbegrenzungs- und Asynchronisierungsvorrichtung - Google Patents

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2 5 NOV 1935

AUSGEGEBEN AM 4. OKTOBER 1935

Die Leistung einer Synchronmaschine ist

bekanntlich annähernd dem Winkel zwischen dem Vektor ihres fiktiven Erregerfeldes und dem Vektor ihres fiktiven Netzfeldes proportional.

_> Bei Synchron-Synchron-Umformern, die zur Kupplung zweier Netze dienen, gilt dies (wenn man von den Verlusten des Umformers absieht) sowohl für die eine wie für die andere Maschine. Die von Synchron-Synchron-Umformern übertragene Leistung ist daher der Summe oder der Differenz aus dem Winkel zwischen den beiden Vektoren der fiktiven Netzfelder und dem Winkel zwisehen den beiden Vektoren der fiktiven Erregerfelder annähernd proportional.

Um bei festliegenden Netzvektoren einen Einfluß auf die Leistung von Synchron-Synchron-Umformern oder mehreren Synchronmaschinen zu haben, die mit derselben Kraftmaschine gekuppelt sind, muß man daher bekanntlich entweder den Winkel zwischen den beiden fiktiven Netzfeldern oder den Winkel zwischen den beiden fiktiven Erregerfeldern oder beide ändern können, muß also mit anderen Worten Vorrichtungen zur Verdrehung eines oder beider Netzfelder oder eines oder beider Erregerfelder haben. Mittel zu diesem Zweck sind beispielsweise Ständerdrehvorrichtungen, Drehtransformatoren zwisehen Ständerwicklung und Netz, verstellbare Kupplungen oder Getriebe zwischen den beiden Läufern, mehrphasige Erregerwicklungen, bei denen die Stromverteilung auf die einzelnen Phasen so geändert werden kann, daß sich. das fiktive Erregerfeld gegen die Erregerwicklung verschiebt usw. Als Sonderfall der mehrphasigen Erregerwicklung gelten auch geschlossene oder aufgeschnittene Gleichstromwicklungen, bei denen die verschiedenen Erregerspannungen an verschiedenen Punkten zugeführt werden.

Derartige Vorrichtungen zur Beeinflussung der Leistungsübertragung von Synchron-Synchron-Umformern usw. sind beispielsweise zum Synchronisieren eines Synchron-Synchron-Umformers mit bereits belasteten Synchron-Synchron-Umformern erforderlich, da die Synchronisierung ohne Stoß, d. h. mit der Leistung Null erfolgen soll. Ferner sind sie darm notwendig, wenn man bei parallel arbeitenden Synchron-Synchron-Umformern die Last auf die parallel arbeitenden Aggregate nach einem bestimmten Verhältnis verteilen soll. Sofern die parallel arbeitenden Synchron-Synchron-Umformer auf die gleichen Sammelschienen geschaltet sind, läßt sich die Leistungsverteilung auf

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden: Dr. Johann Ossana, Dipl.-Ing. Hans Grauer und Dipl.-Ing. Fritz Hofmann in München.

diese Weise eindeutig beherrschen, da für alle Maschinen die Netzvektoren praktisch identisch sind. Anders liegt die Sache aber, wenn die Synchron-Synchron-Umformer über Im-5 pedanzen parallel arbeiten, wenn sie also beispielsweise durch längere Leitungen, Transformatoren, Schutzdrosseln, Widerstände o. dgl. miteinander verbunden sind. In diesem Falle hängt die Lastverteilung auf die Synchron-Synchron-Umfonner auch von den Belastungszuständen der beiden Netze ab, insofern als dann die Netzvektoren an den _ einzelnen Umformern nicht mehr gleichgerichtet sind. Solange solche Verdrehungen "5 konstant bleiben, kann ihr Einfluß leicht ein für allemal durch Vorrichtungen zur Verdrehung der Ständer- oder Läuferfeider beseitigt werden. Dagegen können Schwankungen der gegenseitigen Lage der Netzvektoren *o bei den verschiedenen parallel arbeitenden Synchron-Synchron-Umformern, die von den wechselnden Belastungen der beiden Netze herrühren, einen ungünstigen Einfluß auf die Leistungsverteilung und den Parallelbetrieb sowie im Zusammenhang damit die Ausnutzung und den Wirkungsgrad der Synchron-Synchron-Umformer haben. Es ist nämlich möglich, daß dann die Vektoren der beiden Netze bei einem oder mehreren der Synchron-Synchron-Umformer so weit auseinanderlaufen, daß die Leistung dieses Synchron-Synchron-Umformers über das zulässige Maß hinaus steigt, so daß er zum Schutz vor Überlastung abgeschaltet werden muß oder bei Erreichung der Kippgrenze außer Tritt fällt. Ein solches Vorkommnis beeinträchtigt die Betriebssicherheit, da die Gefahr besteht, daß der Ausfall eines oder mehrerer Synchron-Synchron-Umformer auch Überlastung bzw. Abschaltung oder Außertrittfallen der übrigen parallel arbeitenden Synchron-Synchron-Umformer nach sich zieht, so daß das Netz spannungslos wird und eine längere Betriebsstörung entsteht. Es ist sogar der Fall denkbar, daß bei einer starken Belastungsänderung in einem Netz der Leistungsausgleich nicht nur über .dieses Netz, sondern auf dem Wege durch die Synchron-Synchron-Umformer auch über das andere Netz erfolgt, so daß die Gefahr der Überlastung der Synchron-Synchron-Umformer und der geschilderten Folgen für den Betrieb besonders groß wird.

Gegen diese Übelstände wurde bisher das zwar einfache, aber recht kostspielige Mittel angewendet, einen genügend großen oder so viele kleinere Synchron-Synchron-Umformer parallel arbeiten.zu lassen, daß die Gefahr der Überlastung des bzw. der Umformer ganz unwahrscheinlich wird. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß man sehr viele oder sehr große Maschinen mit hohen Anlage-

kosten braucht und daß diese Maschinen im Mittel schlecht belastet sind und also mit schlechtem Wirkungsgrad arbeiten.

Es ist also die Aufgabe zu lösen, zwei Netze über Synchron-Synchron-Umformer starr miteinander zu kuppeln, d. h. den Leistungsaustausch zwischen ihnen frei so spielen zu lassen, wie er sich nach der Einstellung der Kraftmaschinenregler in den beiden Netzen und nach deren jeweiligen Belastungen von selbst ergibt, und trotzdem die gesamte Leistungsfähigkeit der parallel arbeitenden Umformer doch so knapp wie möglich zu bemessen. Die dabei zu überwindende grundsätzliche Schwierigkeit besteht darin, daß man ein Betriebs- oder Steuerverfahren haben muß, um die schwankende Gesamtbelastung aller Umformer entweder fortwährend oder wenigstens dann gleichmäßig auf die parallel arbeitenden Synchron-Synchron-Umformer zu verteilen, wenn der Leistungsausfausch im einen oder anderen Sinne stark anwächst und die Umformer, wie bereits dargelegt, nacheinander außer Betrieb zu setzen droht. Diese besonders beim Parallelbetrieb örtlich weit auseinander liegender Umformer auftretende Schwierigkeit hat bis heute die praktische Durchführung eines solchen Parallelbetriebs trotz seiner großen Vorteile (insbesondere Einfachheit der Umformerschaltungen und Beruhigung der Frequenz und damit des ganzen Betriebs) verhindert, wie dies beispielsweise die Verhältnisse in dem wichtigsten Fall einer solchen Kupplung von Netzen über Umformer, nämlich der Kupplung von Bahnnetzen mit großen Drehstromnetzen, zeigen. Statt der starr kuppelnden synchronen Umformer wählte man nachgiebig kuppelnde asynchrone Umformer und benutzte dabei, wenn der Leistungsaustausch zwischen den Netzen sich den Betriebsverhältnissen anpassen sollte, als Steuergröße für die Lastverteilung auf die parallel arbeitenden Einheiten den Frequenzunterschied zwischen den Netzen oder die Schlüpfung, indem man sich der natürlichen oder durch Regler oder Regelmaschinen künstlich veränderten Leistung-Schlupf-Charakteristiken der Asynchronmaschinen bediente. In anderen Fällen steu-. no erte man die asynchronen Umformer auf konstante Leistungen und umging durch diesen Ausweg die Aufgabe der Verteilung einer schwankenden Gesamtlast auf eine Mehrzahl von parallellaufenden Einheiten. Der eigentliche Grund für die Schwierigkeit der Lastverteilung beim synchronen Betrieb liegt darin, daß man keine Steuergröße hat, die eindeutig von der Gesamtleistung abhängt und damit als Maß für die von den einzelnen Umformern jeweils zu liefernden Leistungsanteile dienen kann, wie dies beispielsweise

bei der bekannten Drehzahlregulierung die Drehzahl ist. Die Größe,-die zu diesem Zweck auf den ersten Blick für Synchron-Synchron-Umfonner die gegebene zu sein scheint, nämlieh der Winkelunterschied zwischen den auf gleiche Frequenz bezogenen Klemmenspannungsvektoren der beiden Maschinen, kommt deshalb nicht in Betracht, weil dieser Winkelunterschied bei örtlich weit voneinander liegenden Umformern nicht derselbe ist und kein Maß für die übertragene Gesamtleistung darstellt.

Die Erfindung ermöglicht eine befriedigende Lastverteilung auf parallel arbeitende Synchronmaschinen bzw. Synchron-Synchron-Umformer (mit oder ohne gleichzeitigen Kraftmaschinenantrieb) ohne besondere Steuergröße. Es sind dabei in an sich bekannter Weise von einem Leistungsregler gezo steuerte Einrichtungen zum Verdrehen des Winkels zwischen den Vektoren des fiktiven Ständer- und Erregerfeldes der Synchronmaschine vorgesehen. Erfindungsgemäß wirkt die Leistungsbegrenzungsvorrichtung so auf die Winkeldreheinrichtung ein, daß sie die Synchronmaschine bzw. den Synchron-Synchron-Umformer innerhalb bestimmter einstellbarer Leistungsgrenzen als gewöhnliche Synchronmaschine bzw. gewöhnlichen SyncJiron-Synchron-Umformer frei arbeiten läßt, bei Erreichung dieser Leistungsgrenzen aber einer weiteren Winkeländerung entgegenarbeitet und die S3-nchronmaschine bzw. den Synchron-Synchron-Umformer auf konstanter oder annähernd konstanter Leistung hält. Wenn nun beim Ansteigen der von den Umformern übertragenen Gesamtleistung der Umformer, der unter dem Einfluß der natürlichen Verteilungsgesetze zuerst an der Reihe ist, an die Grenze seiner Leistungsfähigkeit kommt, so entzieht er sich von selbst durch die Leistungsbegrenzungseinrichtung der weiteren Inanspruchnahme und schiebt dadurch die Last den übrigen Umformern zu. Der nächste Umformer, der bei weiterem Ansteigen der Gesamtbelastung die Grenze seiner Leistungsfähigkeit erreicht, verfährt ebenso, desgleichen der dritte usw. Die Gesamtbelastung wird also auf diese Weise tatsäch-Hch immer gleichmäßiger auf die Umformer verteilt, bis schließlich alle Umformer ganz gleichmäßig voll belastet sind.

Es bedarf wohl weiter keiner Erläuterung,

daß es genügt, jeweils nur eine der beiden Maschinen der Synchron^-nchron-Umformer mit Leistungsbegrenzungsvorrichtungen zu versehen. Die Leistungsbegrenzung erfordert eine Bauart der Synchronmaschine, bei der man willkürlich von außen den Winkel zwi-

6d sehen fiktivem Ständer- und Läuferfeld verändern kann, z. B. die bekannten Ausfüh- | rungsarten mit Ständerdrehvorrichtungen oder mit mehrphasiger Erregerwicklung, bei der man die Erregerströme so steuern kann, daß eine Verdrehung des fiktiven Erreger¹ feldes über den Läufer hinweg zustande kommt. Die Abbildung zeigt ein besonders zweckmäßiges Beispiel für die Ausführung der Erfindung. Die zweiphasig angenommene Erregerwicklung 2, 3 der Synchronmaschine 1 wird hier von zwei getrennten Erregermaschinen 4 und S gespeist, deren Feldwicklungen 6 und 7 auf eine gemeinsame Hilfserregermaschine 10 geschaltet sind. Die Spannungen für die Feldwicklungen 6 und 7 werden einem als Spannungsteiler ausgebildeten, an der Hilfserregermaschine 10 liegenden Regulierwiderstand 9 entnommen. Das Bürstenpaar 12°, das die Spannung für die Feldwicklung 6 , abgreift, steht räumlich senkrecht auf dem Bürstenpaar I2⁶, das die Feldwicklung 7 speist. Durch diese Anordnung wird in bekannter Weise erreicht, daß bei Verdrehung des Armkreuzes mit den beiden Bürsteupaaren am Spannungsteiler die Ströme in den beiden Feldwicklungen 6 und 7 und damit den beiden Erregerwicklungen 2 und 3 sich so ändern, daß das fiktive Erregerfeld der Synchronmaschine ι sich gegen die Erregerwicklung und damit das Netzfeld verdreht, ohne seine Größe wesentlich zu ändern. Auf den Spannungsteiler arbeitet, z. B. über einen Kettentrieb 13, die Leistungsbegrenzungsvorrichtung 8. Diese besteht aus einem Servomotor, z. B. dem Elektromotor 14, der von einer Kontakteinrichtung 15 im einen oder anderen Sinne gesteuert wird. Diese Kontakteinrichtung 15 ist mit einem Wattmeter, das die Leistung der Synchronmaschine 1 mißt, gekuppelt. Das Spiel zwischen den beiden Kontakten der Kontakteinrichtung 15 ist so bemessen, daß der Servomotor 14 nur im einen oder anderen Sinne in Bewegung gesetzt wird, wenn die Leistung der Synchronmaschine bestimmte Werte, z. B. ihre positive oder negative Vollast, erreicht. Die Kontakte bleiben jeweils so lange geschlossen, als die Leistung gleich oder größer als die eingestellten Grenzwerte ist, und öffnen erst dann wieder, wenn diese Werte unterschritten werden. Die Leu stungsbegrenzungsvorrichtung kann je nach den Bedürfnissen des besonderen Falles auch mit abgestufter Regelgesctiwindigkeit, mit Rückführungen, Dämpfungen usw. arbeiten. Nebenbei bemerkt wird die Blindleistung der Maschine in bekannter Weise durch einen selbsttätigen Blindleistungs- oder Spannungsregler durch Verstellung des Widerstandes 16 im Erregerkreis 11 der Hilfserregermaschine gesteuert.

Zum Schluß sei noch ein besonderer Vorteil erwähnt, der sich beim Parallelbetrieb

von S_\ nchron-Synchron-Umformern ergibt, die mit solchen Leistungsbegrenzungsvorrichtungen ausgerüstet sind. Da es bekanntlich mit der in der Abbildung dargestellten Bauart des Feldreglers 9 möglich ist, das Erregerfeld der Synchronmaschine gegenüber ihrem Läufer nach beiden Richtungen hin endlos zu verdrehen und die Maschine mit anderen Worten auf diese Weise langsam schlüpfen zu lassen, gehen die Umformer, wenn sie, wie oben beschrieben, bei steigender Gesamtleistung alle voll belastet sind und die Austauschleistung zwischen den Netzen noch weiter anwächst, ganz von selbst vom synchronen auf den asynchronen Gang über. Diese selbsttätige Asynchronisierung der Synchronmaschine im Bedarfsfalle und. umgekehrt ihre selbsttätige Rückkehr zum synchronen Gang bei sinkender Gesamtlast ist eine besonders wertvolle betriebliche Eigenschaft, die die Leistungsbegrenzungsvorrichtung der Synchronmaschine verleiht. Durch den Übergang zum Asynchronismus werden nämlich die Kraftmaschinen des überlasteten Netzes, die im allgemeinen auf das Wirkungsgradmaximum eingestellt sind, durch ihre Drehzahlregler zum weiteren Öffnen, veranlaßt. Es werden also im Notfall alle vorhandenen Kraftreserven herangezogen und die Umformer vor Überlastung und einem weiteren Anwachsen der Schlüpfung geschützt. Im allgemeinen wird, da das Wirkungsgradmaximum etwa bei ³/₄ der vollen Beaufschlagung der Kraftmaschinen zu liegen pflegt, auf diese Weise eine Kraftreserve von rund 30°/o frei. Der Schlupf, der hierzu erforderlich ist, beträgt nur etwa ¹J₂ bis i°/o, da die Ungleichförmigkeitsgrade der Kraftmaschinenregler gewöhnlich auf etwa 2 bis 4 °/₀ eingestellt werden. Der selbsttätige Übergang vom normalen synchronen zum asynchronen Botrieb gibt auch die Möglichkeit, auf "einfache Weise an Schlupfzeigern zu erkennen, daß die Umformer voll belastet und die Kraftreserven bereits in Anspruch genommen sind. Das Personal wird so darauf hingewiesen, daß bei langer andauerndem Asynchronismus der Einsatz weiterer Umformer oder Kraftmaschinen erforderlich wird, damit sich der synchrone Betrieb wieder einstellt.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   r. Synchronmaschine und Synchron-Synchron-Umformer (mit oder ohne gleichzeitigem Kraftmaschinenantrieb), die mit von einem Leistungsregler gesteuerten Einrichtungen zum Verdrehen des Winkels zwischen den Vektoren ihres fiktiven Ständer- und Erregerfeldes versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsbegrenzungsvorrichtung so auf die Winkeldreheinrichtung einwirkt, daß sie die Synchronmaschine bzw. den Synchron-Synchron-Umformer innerhalb bestimmter einstellbarer Leistungsgrenzen als gewohnliche Synchronmaschine bzw. gewöhnlichen Synchron-Synchron-Umformer frei arbeiten läßt, bei Erreichung dieser Leistungsgrenzen aber einer weiteren Winkeländerung entgegenarbeitet und die Synchronmaschine bzw. den Synchron-Synchron-Umformer auf konstanter oder annähernd konstanter Leistung hält.
2. 2. Synchronmaschine und Synchron-Synchron-Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel-, dreheinrichtung endlos ist und die Leistungsbegrenzungsvorrichtung die Synchronmaschine bzw. den Synchron-Synchron-Umformer bei Erreichung der Leistungsgrenzen asynchronisiert, d. h. langsam schlüpfen läßt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen