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Wechselstromantrieb, insbesondere- für Schiffsantriebe Bei Wechselstromantriehen,
bei denen mindestens zwei Synchrongeneratoren in einer Anlage vereinigt sind, die
zur Speisung eines oder mehrerer Motoren dienen, ist es bekannt, die Motorleistung
durch Zu- oder Abschalten von Generatoren einzustellen. Bei solchen Anlagen arbeitet
dann also eine mehr oder weniger große Anzahl von Synchrongeneratoren parallel,
und es besteht in vielen Fällen das Bedürfnis nach einer einfachen Einrichtung,
die ohne Verwendung von Feinsynchronisiereinrichtungen ein sicheres Zu-und Abschalten
von Generatoren ermöglicht. Es ist zu diesem Zweck bereits bekannt, <las Zuschalten
eines Generators zu einer bereits. im Betrieb befindlichen Generatorgruppe so durchzuführen,
daß zunächst die gesamte Anlage entregt wird, daß dann .im spannungslosen Zustand
der neue Generator zugeschaltet und hierauf -die gesamte Anlage wieder erregt wird,
so daß die vorher außer Tritt gefallenen Generatoren sich wieder zusammenziehen.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß bei großen Generatoreinheiten die Entregungs-
und Wiedererregungszeiten groß «erden, wenn man nicht besonders Schnellentregungs-
und Stoßerregungsanordnungen vorsieht. Außerdem ist es sehr nachteilig, daß die
bereits im Betrieb befindlichen 'Generatonen -beim Zuschalten des neuen Generators
außer Tritt fallen.
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Zweck der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.
Die betriebsmäßige Motorspeisung erfolgt in bekannter Weise mit Hilfe zweier Sammelschienensysteme,
von denen das eine mit den Anfängen und das zweite mit den Enden der Phasenwicklungen
der zusammenarbeitenden Generatoren und Motoren verbunden ist. Die Stromstöße beim
Grobsynchronisieren beim Zuschalten eines Generators zu einem oder mehreren schon
in Betrieb befindlichen Generatoren werden erfindungsgemäß dadurch in erträglichen
Grenzen gehalten, daß ein Schalter, der das eine der beiden Sammelschienensysteme
in Stern zu schalten gestattet, und eine bestimmte Staffelung der Phasenanschlüsse
der Wicklungen an die Sammelschienensysteme vorgesehen ist, deren Anordnung nachstehend
im einzelnen beschrieben ist.
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Andere erfindungsgemäße Lösungen bestehen in der Verwendung des vorgenannten
Schalters, der das eine der beiden Sammelschienensysteme in Stern zu schalten gestattet,
in Verbindung mit einem besonderen Schalter, ,durch den der zuzuschaltende Generator
zunächst in Reihe zu den bereits untereinander parallel arbeitenden Generatoren
geschaltet
wird, bzw. in Verbindung mit einem besonderen Schalter,
der eine Nullpunktverkettung der Phasenwicklungen jedes Generators für sich vorzunehmen
gestattet.
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Man kann z. B. gemäß der Erfindung die Phasenwicklungen der Maschine
mit den beiden Sammelschienensy stemen derart gestaffelt verbinden, daß beim Öffnen
des Sternschalters die Phasenwicklungen des oder der im Betrieb befindlichen Generatoren
und des oder der Motoren in Reihe geschaltet werden. In diesem Falle wird beim Zuschalten
eines Generators folgendermaßen vorgegangen: Zunächst werden- durch Wegnahme der
Turbinenleistung .die im Betrieb befindlichen Generatoren und .der Motor entlastet,
dann wird der dem einen Sammelschienensystem zugeordnete Sternschalter geöffnet,
unmittelbar darauf der zweite Generator durch Anschließen an die Sammelschienen
eingeschaltet und schließlich die Sternschaltung des einen Sammelschienensystems
wiederherstellt.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß in den
beiden Anschlußleitungen der Wicklungsenden jedes Generators, die zu den beiden
Sammelschienensystemen führen, je ein Generatorschalter angeordnet ist und daß jedem
Generator noch ein Hilfsschalter zugeordnet ist, mit dessen Hilfe der Generator
bei seinem Zuschalten in Reihe zu den bereits untereinander parallel arbeitenden
Generatoren geschaltet werden kann.
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Man kann die Schaltung auch so durchbilden, daß in den beiden Anschlußleitungen
die Wicklungsenden jedes Generators, die zu den beiden Sammelschienensystemen führen,
je ein Generatorschalter angeordnet ist und daß jedem Generator noch ein Hilfsschalter
zugeordnet ist, der eine Nullpunktverkettung der Phasenwicklungen jedes Generators
für sich vorzunehmen gestattet. In den beiden zuletzt genannten Fällen wird zum
Zuschalten eines Generators zunächst die eine Maschine mit den Phasenwicklungen
des zuzuschaltenden Generators durch Schließen eines der beiden Generatorschalter
verbunden und der dem einen Sammelschienensystem zugeordnete Sternschalter geöffnet.
Dann wird der Hilfsschalter des zuzuschaltenden Generators geschlossen, .darauf
der Sternschalter geschlossen und schließlich nach erfolgtem Synchronisieren der
zweite Generatorschalter geschlossen und der Hilfsschalter wieder geöffnet.
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Die Anordnung.von zwei Sammelschienensystemen, welche während der
Motorspeisung im Betrieb sind, hat bekanntlich außerdem den großen Vorteil, daß
die Sicherheit der .gesamten Anlage wesentlich erhöht wird. Man kann nämlich den
Betrieb der Anlage mit unverkettetem Nullpunkt durchführen und hat auf diese Weise
eine sehr große Kurzschlußsicherheit für Sammelschienen und Generatoren. Da man
in diesem Fall die Phasenwicklungen der einzelnen Maschinen nur für die Höhe der
Phasenspannung zu isolieren braucht, ergibt sich ein kleinerer Aufwand für Isoliermaterial.
Geht man auf die gleiche Isolationsbeanspruchung, dann kann man ,die Phasenspannung
im Verhältnis erhöhen, wodurch sich bei gleicher Leistung die Kupferquerschnitte
für die Sammelschienen im Verhältnis-i:1/3 verringern, so daß der Gesamtaufwand
an Kupfer für die beiden Sammelschienen nur im Verhältnis z :1/73, - das sind etwa
150/0, größer wird. Man kann bei Anwendung der Erfindung den Betrieb stets so durchführen,
daß die im Betrieb befindlichen Generatoren beim Zuschalten eines weiteren Generators
in Tritt bleiben und daß keine besonderen Entregungs- und Erregungszeiten abgewartet
werden müssen. Die Stromstöße beim Zuschalten können insbesondere durch die bekannte
Verwendung von mit Gleichstrom vormagnetisierten Drosseln stark herabgesetzt werden,
so daß man unter Umständen den Leistungsschalter in der Anlage überhaupt vermeiden
oder ihn zumindest für eine geringere Leistung bemessen kann.
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In den Figuren sind eine Reihe von Ausführungsbeispielen der Erfindung
dargestellt. Fig. i zeigt eine Anlage, bei der zwei Synchrongeneratoren G1 und G.
zur Speisung eines Motors !V1 dienen. Mit S1 und SI1 sind zwei Sammelschienensysteme
bezeichnet, die zur betriebsmäßigen Motorspeisung verwendet werden. SI besteht aus
den drei rei-° tungen i, a, 3, an welche aus der in der Figur ersichtlichen Weise
die Anfänge der Phasenwicklungen aller Maschinen gelegt sind. Die Sammelschiene
S11 besteht aus den drei Leitungen 4, 5, 6, an welche die Enden der Phasenwicklungen
sämtlicher Maschinen angeschlossen sind. Die Wicklungsanfänge und Enden sind in
der aus der Figur ersichtlichen Weise an die Einzelleitungen der beiden Sammelschienensysteme
gestaffelt angeschlossen. Die Sammelschiene SIi kann- mit Hilfe eines Schalters
7 in Stern geschaltet werden. 8 ist der Motorschalter,' und 9 und io sind die den
beiden Generatoren zugeordneten Schalter.
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Im normalen Betrieb sind die Sammelschienen 4, 5, 6 durch den Schalter
7 kurzgeschlossen. Es sei angenommen, daß der Motor M und der Generator G1 in Betrieb
sind und daß der Generator G, zugeschaltet werden soll. Das Zuschalten erfolgt folgendermaßen:
Zunächst wird durch Wegnahme der
Turbinenleistung der Generator
G1 und der Motor 31 entlastet. Dann wird der Schalter 7 geöffnet, wodurch der Motor
117 und der Generator G,' stromlos werden, da die Phasenwicklungen dieser beiden
Maschinen jetzt in Reihe geschaltet sind. Sofort nach Öffnen des Schalters 7 wird
der Schalter io des zuzuschaltenden Generators G2 geschlossen. Der Generator G2
wird infolge des gestaffelten Anschlusses der Wicklungsenden an die Sammelschiene
SI, zwischen die Phasenwicklungen des Motors !Y1 und des Generators G1 geschaltet.
Da sich infolgedessen der Ausgleichstrorri über die in Reihe geschalteten Phasenwicklungen
von 11T und G1 schließen kann, ist der Stromstoß infolge der erhöhten Gesamtreaktanz
nur gering.
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Schaltet man nach Öffnen des Schalters 7-nicht-sofort den Schalter
io ein, dann laufen der Motor und der Generator auseinander und nehmen bei verschiedenen
Winkeln verschiedene Phasenlagen zueinander an. Diese Verhältnisse sind in der Fig.
2 a-IZ in Vektordiagrammen dargestellt. In diesen in Fig. a dargestellten= Diagrammen
sind mit U,iI, Vm, 6V,11 die Phasenspannungen des Motors, mit U1, TVl, .W1 die des
Generators G1 bezeichnet. Mit A und B sind jeweils die Punkte bezeichnet,
zwischen welche die Phasenwicklung U2 des zuzuschaltenden Generators G, gelegt wird.
Die Vektordiagramme sind jeweils gezeichnet für eine Phasenverschiebung von, o,
3o, 6o, 9o' usw. bis 36o°. Im Diagramm z iz ist der Verlauf der Spannung zwischen
den beiden Punkten A und B
in Abhängigkeit von der Winkelverschiebung zwischen
Generator G1 und Motor 117 dargestellt. Man erkennt, daß die Spannung zwischen den
Punkten A und B zwischen Null und der doppelten Phasenspannung schwankt.
Würde man gerade bei einer Abweichung von i 5o oder 33o° zuschalten, dann ist die
Spannung zwischen A und B gleich Null, d. h. das Zuschalten erfolgt überhaupt ohne
Stromstoß. Wenn man auf ein solches stromloses Zuschalten Wert legt, so kann man
ohne Schwierigkeit von der Spannung zwischen den Punkten A und B abhängige
automatische Schaltmittel, beispielsweise ein Nullspannungsrelais verwenden, das
das Einschalten des zuzuschaltenden Generators im gewünschten Zeitpunkt veranlaßt.
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Nach dem Schließen des Schalters io wird der Schalter 7 wieder geschlossen,
und die Maschinen ziehen sich jetzt in Synchronismus.
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In Fig.3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Bei dieser Schaltung kann eine beliebige Anzahl von Generatoren in der Anlage vorhanden
sein. Im Schaltbild sind zur Vereinfachung 1'ediglich zwei Generatoren G1 und G>
und ein Motor 111 dargestellt. Soweit die Einzelteile mit denen in Fig. i übereinstimmen,
sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Im Gegensatz zu Tig. i sind hier die an
das Sammelschienensystem SI, angeschlossenen Wicklungsenden nicht gestaffelt, sondern
gleichphasig an die Sammelschienen q., 5, 6 angeschlossen. Bei dieser Schaltung
wird der zuzuschaltende Generator in Reihe zu den bereits untereinander parallel
arbeitenden Generatoren geschaltet. In den beiden Anschlußleitungen der Wicklungsanfänge
und -enden jedes Generators, die zu den beiden Sammelschienensystemen S, und SI,
führen, ist hier für jeden Generator ein Generatorschalter zu verwenden. Die Wicklungsanfänge
der Generatoren G1 und G2 können über die Schalter 9 bzw. io an das Sammelschienensystein
S, gelegt werden; die Wicklungsenden der Phasenwicklungen können über die Schalter
i 1, 12 an das Sammelschienensystem SI, gelegt werden. Der Generator G, besitzt
einen Hilfsschalter 13, der Generator G, einen Hilfsschalter 1d.. Das Sammelschienensystem
SI, kann mit Hilfe des Schalters 7 direkt oder mit Hilfe des Schalters 15 über eine
Drosselspule 16 kurzgeschlossen werden. Man kann die Anlage entweder so ausbilden,
daß lediglich der Schalter 7 zum Kurzschließen des Sammelschienensysteriis SII vorhanden
ist oder daß zusätzlich noch der Schalter 15 mit der Drosselspule 16 verwendet wird.
Schließlich kann man auch den Betrieb mit unverkettetem Nullpunkt durchführen und
das Zuschalten eines Generators mit Hilfe der Drosselspule, also ohne Verwendung
des Kurzschlußschalters 7, vornehmen.
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Für den Fall, daß nur der Schalter 7 vorhanden ist, also die Drosselspule
16 und der Schalter 15 fehlen, wird das Zuschalten des Generators G2 folgendermaßen
durchgeführt. Zunächst wird der Schalter 7 geöffnet. Ein Stromstoß tritt dabei nicht
auf. Es arbeitet in diesem Fall nämlich nur der Generator G1 mit getrennten Phasen
auf .den Motor M. Die beiden Maschinen bleiben svnchron und können auch unter Last
weiterarbeiten. Nun wird zunächst Schalter io nind' der Hilfsschalter 14 des zuzuschaltenden
Generators geschlossen. Dadurch werden die Phasenwicklungen des Generators G2 in
Reihe zu den parallel liegenden . Phasenwicklungen von ild und G1 geschaltet. Eine
Stromaufnahme der Phasenwicklung von G2 erfolgt beim Einschalten des Hilfsschalters
14. nicht. Der Hilfsschalter 14 kann daher ein einfacher Trennschalter sein. Darauf
wird der Schalter 7 geschlossen. Durch die dabei entstehende Nullpunktverkettung
liegt jetzt der Generator G2 parallel an 11T und G1 und wird sich in kürzester Zeit
synchronisieren. Nach
erfolgtem Synchronisieren wird nun der Schalter
12 geschlossen und der Hilfsschalter 14 wieder geöffnet. -Bei einer solchen Schaltanlage
braucht also für eine beliebig große Anzahl von Generatoren nur der Schalter 7 als
Leistungsschalter ausgebildet zu sein.
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Soll das Grobsynchronisieren mit geringerem oder ganz ohne Stromstoß
erfolgen, so kann man die in der Fig. 3 dargestellte Synchronisierdrosselspule 16
verwenden. Wird in diesem Fall nicht noch ein besonderer Kurzschlußschalter 7 vorgesehen,
so arbeiten die Maschinen dann im normalen Betrieb mit unv erkettetem Nullpunkt.
Das Zuschalten des Generators G2 erfolgt beispielsweise nun in der Weise, daß zuerst
der Schalter io und der Hilfsschalter 14., dann der Schalter 15 geschlossen wird.
Durch die vorgeschaltete Drosselspule 16 ist der Stromstoß gemildert. Nun wird die
Gleichstromerregerwicklung 17 der Drosselspule eingeschaltet. Dadurch steigt der
Strom, und der Generator G2 wird in Synchronismus gezogen. Darauf wird der Schalter
12 geschlossen und 14 geöffnet. Schließlich wird die Gleichstromerregung der Drosselspule
16 abgeschaltet und der Schalter 15 geöffnet.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ebenfalls bei
einer beliebigen Zahl von Generatoren angewendet werden kann, ist in Fig. 4. dargestellt.
Hier besitzt jeder Generator außer den beiden Generatorschaltern g, 11 bzw. 10,
12, mit deren Hilfe die einzelnen Phasenwicklungen an die zugeordneten Leitungen
der Sammelschienen angeschlossen werden, noch einen Hilfsschalter 18 bzw. i9, der
dazu dient, eine Sternschaltung, die Phasenwicklungen jedes Generators, für sich
herzustellen. Das Zuschalten des Generators G2 erfolgt hier in folgender Weise.
Zunächst wird wieder der Schalter io geschlossen und der Schalter 7 geöffnet. Darauf
wird der Hilfsschalter i9 des zuzuschaltenden Generators G2 geschlossen, wodurch
der Nullpunkt dieses Generators verkettet wird. Da jetzt der Generator G2 an die
getrennt arbeitenden Phasen der bereits im Betrieb befindlichen Maschinen angeschlossen
ist, bleibt der Generator G2 auch bei geschlossenem Schalter i9, stromlos. Erst
wenn nun der Schalter 7 geschlossen wird, ist der Generator G2 parallel zu 111 und
G1 geschaltet und wird auch sofort synchronisiert. Nach erfolgtem Synchronisieren
wird der Schalter 12 geschlossen und der Hilfsschalter 18 wieder geöffnet. Auch
bei der in Fig. ¢ dargestellten Schaltung kann der Stromstoß beim Einschalten des
Schalters 7 durch eine Vorschaltdrossel vermindert werden. Eine weitere Milderung
der Stromstöße kann bei allen Schaltungen in bekannter Weise durch 9efederte Aufstellung
der Generatoren erreicht werden.
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An Stelle des in den Figuren dargestellten Schalters 7, der zum Kurzschließen
der einen Sammelschiene dient, kann man auch ein Schütz verwenden, da die Schalterbeanspruchung
nur beim Zuschalten erfolgt.
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Bei Anlagen, in denen eine große Anzahl von Generatoren in der beschriebenen
Weise zusammenarbeiten, ist der Stromstoß beim Zuschalten eines Generators verhältnismäßig
klein; man kann daher das Zuschalten durchführen, ohne an der Erregung der Maschinen
etwas zu ändern. Wenn es sich aber um An-. lagen mit wenigen, verhältnismäßig großen
Maschinen handelt, wie z. B. bei Fig. i, empfiehlt es sich, noch zusätzliche Mittel
zur - Verkleinerung des Stromstoßes anzuwenden. Man kann z. B. die Erregung der
igl Betrieb befindlichen Maschinen entsprechend schwächen, soweit es mit Rücksicht
auf den stabilen Betrieb noch zulässig ist. Vorzugsweise wird man zur Vermeidung
des Stromstoßes beim Zuschalten in anderwärts vorgeschlagener Weise eine Teilentregung
der Anlage vornehmen, beispielsweise derart, däß entweder der oder die im Betrieb
befindlichen Motoren oder der bzw. die Generatoren entregt werden. Man kann aber
auch Teilgruppen -von Generatoren oder Motoren zu dem genannten Zweck entregen.
Durch die Teilentregung tritt eine hohe' Strombelastung zwischen Generatoren und
Motoren ein, die auf die Stoßströme beim Zuschalten stark dämpfend wirkt, so daß
das Gleichstromglied des Ausgleichsstromes beim Zuschalten praktisch verschwindet.
Um eine falsche Polarität der zuzuschaltenden Maschine zu vermeiden, ist es zweckmäßig,
die Maschine im schwach erregten Zustande zuzuschalten, so daß sie mit ausgeprägter
Polarität in richtigen Synchronismus geht.
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Das Abschalten von Generatoren kann man bei allenAusführungsbeispielen
entweder durch Gesamtentregung der Anlage oder durch Entregung der abzuschaltenden
Maschine bis auf Stromminimum nach vorheriger Wegnahme der Leistung der Antriebsmaschine
durchführen.
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Das Sammelschienensystem Sii, welches bei den in Fig. 3 und q. dargestellten
Anordnungen zur betriebsmäßigen Speisung des Motors herangezogen wird, kann man
auch lediglich für das Zuschalten benutzen, wenn für den Motor noch ein Nullpunktkurzschließer
vorgesehen wird. Im Falle der Fig. 3 wird dann für den normalen Betrieb dieser zusätzliche
Motorkurzschließer und die Schalter i1, 12, 13 und 14. geschlossen. Im Falle der
Fig. q. werden der zusätzliche Motorkurzschließer und die Schalter 18, i9
für
den normalen Betrieb geschlossen. Die Sammelschiene SII kann dann auch im normalen
Betrieb ganz abgeschaltet werden.
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Wenn man die Schaltfolge der beim Zuschaltvorgang zu betätigenden
Schalter verfolgt, erkennt man, daß die Reihenfolge, in der die einzelnen Schalter
geschlossen werden, die gleiche ist, in der sie auch wieder geöffnet werden müssen.
Hierdurch ergibt sich, däß für die Befehlsgabe zur Betätigung der Schalter sehr
einfache Schaltwalzen verwendet werden können. Eine solche @ ist in Fig. 5 schematisch
angedeutet. Mit 24#, 21' und io' sind feststehende Kontakte bezeichnet, von denen
jeder einem bestimmten in den Hauptstromkreisen liegenden Schalter zugeordnet ist.
Die Kommandogabe erfolgt mit Hilfe eines drehbaren Schleifstückes 31. Dieses ist
so bemessen, daß sich sechs ausgeprägte Stellungen ergeben. In der dargestellten
Nullstellung erfolgt keine Kommandogabe, in Stellung i erfolgt über 2q.' Einschaltkommando
an den zugeordneten Schalter, in Stellung 2 über 24.' und 21' Einschaltkommando
an die beiden zugeordneten Schalter, in Stellung 3 über 24', 21' und io' Einschaltkommando
an die drei zugeordneten Schalter, in Stellung 4. über 2.4' Ausschaltkommando an
den zugeordneten Schalter und über 21' und io' Einschaltkommando an die zugeordneten
Schalter. In Stellung 5 erfolgen über 2,4' und 21' Ausschaltkommando und Einschaltkommando
über io'.
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Die Erfindung kann bei allen Wechselstromantrieben angewendet werden,
bei denen mehrere Generatoren wahlweise zur Speisung eines oder mehrerer Motoren
verwendet werden. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung sind elektrische
Schiffsantriebe.