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Anordnung zum Kompoundieren von Spannungsreglern für Drehstromerzeuger
Wenn die Spannung eines Drehstromnetzes infolge eines Kurzschlusses beträchtlich
sinkt, entsteht immer die Gefahr, daß an dieses angeschlossene Synchronmotoren außer
Tritt fallen, und daß die Drehzahl der Asynchronmotoren unter die dem Maximaldrehmoment
entsprechende sinkt, wodurch die Überbelastung sich über immer größere Teile des
Netzes ausbreitet. Wenn der Kurzschluß symmetrisch dreiphasig ist, hat man keine
Schwierigkeit, durch Kompoundieren der Spannungsregler der Stromerzeuger die Spannung
im größeren Teil des Netzes auf einem erträglichen Wert selbst bei @ einem lokalen
Kurzschluß zu halten. Die meisten Kurzschlüsse sind jedoch mehr oder weniger un-.
symmetrisch, so daß die Spannungen der .verschiedenen Phasen auch unsymmetrisch
werden. Die Bedingung dafür, daß das Drehmoment eines an das Netz in einem gewissen
Punkt angeschlossenen Motors nicht unterhalb des normalen Wertes sinkt, besteht,
wie die Theorie zeigt, darin, daß der sogenannte richtige (oder mitrotierende) Spannungsstern
in diesem Punkt einen konstanten Wert beibehält. Bei jedem unsymmetrischen Drehstromsystem
können nämlich die verschiedenen unsymmetrischen Größen (Spannung, Strom usw.) in
zwei jede für sich symmetrische Komponenten aufgeteilt werden, von denen die eine
dieselbe Phasenfolge wie das ursprüngliche System hat und deshalb als richtig oder
mitrotierend bezeichnet wird, während die andere, ebenfalls einen symmetrischen
Stern darstellende Komponente die entgegengesetzte Phasenfolge hat und deshalb als
verkehrt oder gegenrotierend bezeichnet wird. #Falls beispielsweise die drei Netzleiter
mit I, II, III bezeichnet werden und die Spannungen zwischen den verschiedenen Leitern
und dem Nullpunkt bei normalem Betrieb ihre Höchstwerte in der von den Ziffern angegebenen
Reihenfolge erreichen, wird dies auch für.die richtige Komponente eines unsymmetrischen
Spannungssystems der Fall sein, während die unter sich gleichen Spannungen, welche
die verkehrte Komponente bilden, ihre Höchstwerte in den verschiedenen Leitern in
der Zeitfolge I, III, II erreichen.
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Nach der Erfindung wird nun in einfacher Weise eine solche Kompoundierung
der Spannungsregler von Drehstromerzeugern vorgesehen, daß in einem willkürlich
gewählten Punkt des Netzes das richtige Spannungssystem auch bei einem unsymmetrischen
Kurzschluß auf einem hauptsächlich konstanten Wert erhalten wird.
Die
Zeichnung -zeigt in Abb. i ein Vektordiagramm, in welchem aus einem unsymmetrischen
dreiphasigen Stromstern die beiden symmetrischen Komponenten hergeleitet werden.
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Abb. 2 zeigt ein anderes Vektordiagramm, in welchem die induzierte
Spannung eines Stromerzeugers aus einem Hauptspannungsvektor und zwei Stromvektoren
bei unsymmetrischer Belastung hergeleitet wird.
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Abb. 3 bis 5 zeigen drei Beispiele von erfindungsgemäß ausgeführten
. dreiphasigen Kompoundierungsimpedanzen für unsymmetrische Belastung, welche auf
den eben erwähnten Diagrammen beruhen.
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In Abb. i bedeuten h; 1" Ig drei unsymmetrische Ströme einer Drehstromleitung,
,deren Vektorsumme jedoch gleich Null vorausgesetzt wird, so daß kein Nullpunktstrom
auftritt. Zwecks Auflösung eines derartigen Vektorsternes in seine symmetrischen
richtigen und verkehrten Komponenten können beispielsweise 12 in Richtung der Phasenfolge
um 30° und I3 der Phasenfolge entgegen um einen gleich großen Winkel gedreht und
die gedrehten Vektoren zu einer Resultante I,. zusammengesetzt werden. Für den verkehrten
Vektorstern- bedeutet dies eine. Drehung des I2 entsprechenden Vektors.
12b
um 30° seiner Phasenfolge entgegen und des I3 entsprechenden Vektors Isb
um 30° mit dsr Phasenfolge, d. h. daß die ursprünglich einen Winkel von i2o° bildenden
Vektoren des verkehrten Vektorsterns einen Winkel von i8o° miteinander bilden, ihre
Resultante also Null wird. Die oben hergeleitete Resultante I,. wird also nur die
Komponenten des richtigen Vektorsternes enthalten. Ihre Größe wird dadurch bedingt,
daß diese Komponenten untereinander nur 6o°' anstatt normal i2o° bilden, weshalb
die Resultante durch 1/ 3 dividiert werden muß, um den richtigen Wert der Komponenten
zu erhalten. Die Phase der Resultante liegt im richtigen Vektorstern in der Mitte
zwischen den Komponenten, also gerade entgegengesetzt der richtigen Komponente ha
von Il. Man kann also die. Komponente I.1" gerade entgegenge-
| setzt der Resultante I, und gleich - der |
letzteren einzeichnen und, von dieser Komponente ausgehend, die beiden übrigen Phasen
1", und 1", des richtigen symmetrischen Stromsternes herleiten. Nachdem dieses geschehen
ist, findet man den Vektorunterschied zwischen Il und lla
zu 1lb, den Vektorunterschied
zwischen 12 und 12, zu
I. b und den Vektorunterschied zwischen
13, 13" zu 13b. Man findet dann, daß die drei Vektoren Il b,
2b,
I3 b einen symmetrischen Stern mit einer Phasenfolge, die der der ursprüngliehen
Vektoren entgegengesetzt ist, bilden, was ein Kriterium der Richtigkeit der angewandten
Methode darstellt.
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Es kann leicht nachgewiesen werden, daß der richtige Spannungstern
in einem willkürlichen Punkt des Netzes nur von der ursprünglich induzierten, symmetrischen
Maschinenspannung, vermindert um die vom richtigen Stromstern erzeugten Spannungsabfälle,
abhängt. Um den richtigen Spannungsstern in einem willkürlichen Punkt des Netzes
konstant zu halten, brauchte man deshalb nur die induzierte Spannung entsprechend
diesem Spannungsabfall zu kompoundieren. Wenn die Maschinenspannung durch einen
an den Maschinenklemmen in Reihe mit sogenannten Kompoundierungsimpedanzen angeschlossenen
Spannungsregler geregelt wird, wird die Sache jedoch nicht so ganz einfach, da die
Hauptspannung zwischen den Maschinenklemmen nicht die induzierte Spannung ist, sondern
auch den in demselben Maße wie der Leitungsspannungsabfall unsymmetrischen Spannungsabfall
in der Maschine selbst enthält. Um die (vom Luftspaltfeld) induzierte Maschinenspannung
herzuleiten, muß man zuerst den Spannungsregler für den Spannungsabfall in der Maschine
negativ kompoundieren. Dies erfolgt nach dem in Abb. 2 veranschaulichten Prinzip.
Falls die induzierten Maschinenspannungen hier E,, E2, E3 sind, wird die induzierte
Hauptspannung zwischen den Phasen 2 und 3 E23. Die Ströme I2 und 1s, für welche
dieselbe Größe und Phase wie in Abb. i angenommen werden, bewirken in ihren Wicklungen
Spannungsabfälle E21, und E3 k, welche der Einfachheit halber als rein induktiv,
also auf den Strömen senkrecht stehend, angenommen sind. Die resultierende Klemmenspannung
wird dann E, und dies ist die Spannung, welche ein zwischen den Klemmen angeschlossener
Spannungswandler zeigt. Um aus dieser Spannung die induzierte Spannung E23 herzuleiten,
schaltet man in Reihe mit dem Spannungswandler Kompoundierungsimpedanzen, welche
von den Strömen 12 und 13 .proportionalen Strömen durchflossen werden und in Phase
und Größe die Spannüngsab- i fälle E2 k, E3 k nachbilden. Außerdem werden, falls
man gemäß dem Vorhergesagten den symmetrischen Spannungsabfall bis an die Maschinenklemmen
oder irgendeinen anderen Punkt kompoundieren will, weitere Impedan- i zen eingeschaltet,
welche in der in Abb. i veranschaulichten Weise wirken. Diese Impedanzen können,
da sie auch von den Strömen der Phasen 2 und 3 durchflossen werden sollen, mit den
vorhergenannten Impedanzen a zu einem gemeinsamen Apparat zusammengebaut werden,
dessen Einstellung für verschiedene
Kompoundierung, beispielsweise
durch ein Leitungsdiagramm, erfolgen kann.
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In Abb. 3 bezeichnen r, 2, 3 die drei Phasen eines Drehstromgenerators
und o seinen Nullpunkt. Zwischen den Phasen 2 und 3 liegt ein Spannungswandler V,
und in den Leitungen der genannten Phasen sind Stromwandler C" C3 eingeschaltet.
Die letzteren schicken ihre Ströme durch eine für-sie teilweise gemeinsame Kompoundierungsimpedanz
K, bestehend aus Selbstinduktion K" und Ohmschen Widerstand K,. Die Ströme werden
nach dem in Abb. r dargestellten Prinzip zusammengesetzt, so daß eine der Resultante
I,. proportionale Spannung unter einem geeigneten Phasenwinkel gegen die Resultante
erzeugt wird. Nimmt man z. B. an, daß der zu kompoundierende Spannungsabfall rein
induktiv ist, so wird die Zusatzspannung in Phase mit der Resultante I, der um je
30° in entgegengesetzter Richtung gedrehten Ströme I2 und I3 liegen, denn diese
Resultante steht ihrerseits bei Phasengleichheit zwischen Strom und Spannung senkrecht
zur Hauptspannung zwischen den Phasen 2 und 3. Man braucht in diesem Falle nur zu
beachten, daß die Impedanzen der beiden Strombahnen numerisch gleich sind und ihre
Phasenwinkel (arcus tangens des Verhältnisses zwischen Reaktanz und Ohmschen Widerstand)
für die eine + 30° und für die andere -30° ist. Im allgemeinen sollen die beiden
Impedanzen numerisch gleich sein und Phasenwinkel besitzen, deren Unterschied 6o°
ist. Mit Hilfe eines Reglertransformators T, dessen Erregerstrom durch einen Kondensator
F geliefert wird, kann der numerische Wert der Zusatzspannung genau geregelt werden.
Diese Zusatzspannung wird schließlich mit der Spannung des Transformators V zusammengesetzt
und dem Regler R aufgedrückt.
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Es hat sich besonders zweckmäßig erwiesen, die Phasenwinkel der beiden
Impedanzen 75° bzw. i5° zu machen. Der Mittelwert zwischen diesen Winkeln ist ja
q.5°, und die Gesamtspannung zwischen den Endklemmen der Impedanz ist also um diesen
Betrag gegen die Resultante der symmetrischen Ströme des richtigen Systems versetzt.
Schaltet man nun der Impedanz einen Ohmschen Widerstand und eine numerisch gleich
große Reaktanz parallel, so werden von den Spannungen an diesen Elementen die eine
in Phase mit der Stromresultante, die andere dagegen um go° versetzt liegen. Diesen
letzteren Elementen kann man somit in sehr einfacher Weise, und zwar ohne Hilfe
eines Transformators oder eines Diagramms, die erwünschte Zusatzspannung entnehmen.
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In Abb.3 ist indessen noch eine weitere Kompoundierungsvorrichtung
dargestellt, die in gewissen Fällen nötig oder empfehlenswert ist. Falls die Vektorsumme
der Ströme in den drei Phasen nicht gleich Null ist, fließt auch ein Strom durch
den Nullpunkt, welcher sich in der Regel auf die drei Phasen gleich aufteilt. Diese
Teilströme verursachen keinen Spannungsabfall im eigentlichen Sinne, d. h. keine
Verminderung des richtigen Spannungssternes in einem willkürlichen Punkt des Netzes,
sondern nur eine Verschiebung des Nullpunktes dieses Sternes im Verhältnis zum Nullpunkt
des Stromerzeugers. Da die Impedanz K von den Strömen zweier Phasen durchflossen
wird, enthält die darin erzeugte Spannung jedoch eine dem Nullpunktstrom proportionale
Komponente, welche ausgeglichen werden muß, damit der Spannungsregler die gewünschte
Maschinenspannung einregem kann. Zu diesem Zweck läßt man den Strom zwischen dem
Generatornullpunkt o und der Erde I eine Kompoundierungsimpedanz K" beeinflussen,
welche so bemessen ist, daß sie die eben erwähnte, nicht erwünschte Spannungskomponente
ausgleicht.
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In Abb. 3 wurde keine Rücksicht auf die Spannungsabfälle im Generator
selbst genommen. Abb. q. zeigt dagegen eine dem Diagramm nach Abb. a entsprechende
Anordnung zu diesem Zweck. Der Regler und die Spannungs- und Stromwandler sind hier
in der gleichen Weise wie in Abb. 3, die Kompoundierungsimpedanz jedoch mit Kg bezeichnet;
diese ist so bemessen, daß sie zwei Spannungskomponenten nach Abb. 2 erzeugt. Da
die hierfür erforderlichen Impedanzen immer dieselben für eine gegebenes Maschine
sein werden, ist ein besonderer Transformator oder sonstige Vorrichtung für die
Regelung des numerischen Wertes überflüssig.
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Abb.5 zeigt schließlich ein Beispiel des vollständigen Kompoundierungsschemas
für ein Kraftwerk mit zwei Stromerzeugern und einem angeschlossenen Leitungsnetz.
Für jeden Stromerzeuger hat man hier eine Kompoundierungsimpedanz Kg zur Kompoundierung
des inneren Spannungsabfalles bis zum Wert der induzierten Spannung, eine Impedanz
K, zur Kompoundierung des Spannungsabfalles in den Verbindungsleitungen zwischen
dem Stromerzeuger und den Sammelschienen, einschließlich eines zwischengeschalteten
Transformators, und eine Impe dann K1 zur Kompoundierung des Spannungsabfalles in
dem Leitungsnetz. Die Impedanz K, und die Impedanz Kg werden durch Stromwandler
C, gespeist und sind zweckmäßig derart bemessen, daß sie einen geringen Teil des
Spannungsabfalles unkompensiert lassen, um Stetigkeit zwischen den Stromerzeugern
zu schaffen. Die ImpedanzKl
wird -durch- Strommndier Cl in dem Leitungsnetz
gespeist und muß natürlich bei der dargestellten Dreiecksternschaltung des Leistungstransformators
entsprechend bemessen sein, um die richtige Phase der Zusatzspannung zu liefern.
Im übrigen kommen in dieser Abbildung die gleichen Bezeichnungen wie in Abb. 3 für
entsprechende Teile vor.
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Dir- Kompoundierungs impedanzen Kg und Ks können, falls erwünscht,
in eine einzige vereinigt werden, aber die Aufteilung in zwei hat unter anderem
den Vorteil, daß die Regelung einfacher wird, falls man beispielsweise die Stromerzeuger
unmittelbar anstatt über Transformatoren parallel schalten will. Man kann dann die
Impedanzen- -K,. einfach auf Null einstellen. Gegebenenfalls kann man K, mit einem
so großen Teil- von .K, vereinigen, welcher erforderlich ist, um für die richtige
Strombelastung hauptsächlich bis an die Erzeugerklemmen zu kompoundieren. Ein gewisser
Teil des hierdurch verursachten Spannungsabfalles soll jedoch.-stets für die Stabilisierung
zurückbleiben.