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Einrichtung zur selbsttätigen Synchronisierung von Synchronmaschinen
_r Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, um Synchronmaschinen mit der höchstmöglichen
Leistung selbsttätig synchronisieren zu können. Es hat sich gezeigt, daß selbst
Synchronmaschinen von höchstmöglicher Leistung synchronisiert werden können, wenn
ihre Erregerwicklung ungefähr in dem Punkt der Schlupfperiode des induzierten Erregerstromes
erregt wird, in dem ihr induzierter Strom durch Null geht. Dabei muß dieser Strom
in gleichem Richtungssinn anzusteigen beginnen, in dem der einzuschaltende Gleichstrom
durch die Erregerwicklung fließt. Es ist bekannt, zu diesem Zweck ein Einschaltrelais
über ein Stromventil mit dein in der Erregerwicklung induzierten Strom zu erregen.
Z. B. wurde parallel zum Entladewiderstand der Erregerwicklung ein Einweggleichrichter
gelegt, der im oben geschilderten günstigen Zeitpunkt leitend wird. Diese Maßregel
hat man jedoch nur benutzt, um mit Hilfe schnellwirkender Mittel die Fremderregung
einzuschalten. Andererseits hat man in der Verwendung von Elementen mit eindeutiger
Stromdurchlaßrichtung parallel zur' Erregerwicklung bisher einen Nachteil gesehen.
Die beim Anlassen induzierte Wechselspannung wirkt, wenn sie gleichgerichtet ist,
als schwache Vormagnetisierung, die unerwünscht ist.
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Man hat auch gefunden, daß Synchronmaschinen mit hoher Leistung ungefähr
synchronisiert werden können, wenn die Erregerwicklung der Maschine in diesem gleichen
Punkt der Schlupfperiode kurzgeschlossen wird und kurz danach fremd erregt wird,
ehe noch die Maschine Zeit gehabt hat, aus dem Synchronismus zu kippen.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist von einer bekannten Einrichtung
ausgegangen worden, bei der ein elektrisches Ventil mit einem Zeitrelais in Reihe
geschaltet ist und beide parallel zu einem im Schlup£stromkreis angeordneten Entladewiderstand
geschaltet sind. Das Ventil läßt nur in jener Richtung Strom fließen, die dem einzuschaltenden
Erregerstrom
entgegenweist. Die Erregung soll nur einsetzen, sobald
eine bestimmte Schlupffrequenz unterschrittien und die Richtung des Schlupfstromes
günstig ist.
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Erfindungsgemäß wird dann durch Abfallen des Zeitrelais zum Entladewiderstand
ein Stromkreis mit geringer Impedanz parallel geschaltet, der ein Element mit eindeutiger
Durchlaßrichtung enthält, die der Stromdurchlaßrichtung des obengenannten Elementes
der Reihenschaltung entgegengesetzt ist, durch den nach dem darauffolgenden Nulldurchgang
des Schlupfstromes der Entladewiderstand kurzgeschlossen und die Gleichstromerregung
durch Abfallen eines parallel zum Entladewiderstand, liegenden weiteren Relais eingeschaltet
wird.
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Die Erfindung ist beispielsweise in der Zeichnung dargestellt.
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Abb. i zeigt eine Anlaßeinrichtung nach der Erfindung für einen Synchronmotor.
In Abb. 2 ist eine erläuternde Kurve gezeichnet. Abb.3 stellt eine selbsttätige
Synchronisierungseinrichtung für einen Synchrongenerator, wie sie erfindungsgemäß
verwendet wird, dar.
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In der Abb. i stellt i einen Synchronmotor dar, dessen Ankerwicklung
mit einem Wechselstromnetz 2 durch einen geeigneten Schalter 3 verbunden ist, der
beispielsweise von Hand betätigt werden kann. Jedoch können auch andere Einrichtungen
oder Schaltverfahren verwendet werden, die beispielsweise selbsttätig das Öffnen
und Schließen des Schalters vornehmen können. Der Motor hat eine Erregerwicklung
4, die über einen Schalter 6 mit der Erregerstromquelle 5 verbunden ist. Dieser
Schalter 6 schließt, wenn er geöffnet ist, d. h. die in der Zeichnung dargestellte
Stellung einnimmt, einen Stromkreis mit geringer Impedanz, beispielsweise einen
Entladewiderstand 7, über die Erregerwicklung 4. Der Schalter 6 hat eine Wicklung
8, die, wenn sie erregt wird, den Schalter aus der in der Abb. i gezeigten Stellung
in seine andere Stellung bringt, in der die Stromquelle 5 mit der Erregerwicklung
4 verbunden ist.
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Die an sich bekannte Relaisanordnung besteht aus einem Zeitrelais
io und einem geeigneten Element mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung, beispielsweise
einem Einweggleichrichter i i, der in Reihe mit einem Teil des E.ntladewiderstandes
7 liegt. Der während des untersynchronen Laufes des Motors in der Erregerwicklung
induzierte Strom bewirkt ein Ansprechen des Relais io. Dieses bleibt so lange in
dieser Stellung, bis der Motor eine bestimmte untersynchrone Drehzahl erreicht hat
und die Frequenz des induzierten Erregerstromes so niedrig ist, daß die Halbperiode,
während der praktisch kein Strom durch die Wicklung des Zeitrelais io fließt, gerade
so groß ist, daß seine Kontakte 12 am Ende jeder Halbperiode des Schlupfstromes
geschlossen werden. Durch das Schließen der Kontakte i2 wird dann der Erregerstromkreis
für ein Relais 13 hergestellt. Dieses Relais schließt den Entladewiderstand 7 über
einen Einweggleichrichter 14 kurz. Dieser Einweggleichrichter 14 ist im entgegengesetzten
Sinne wie der Einweggleichrichter i i angeschlossen. Der Stromkreis, der durch den
Gleichrichter 14 geschlossen wird, hat niedrige Impedanz. Die Richtung des induzierten
Erregerstromes ist nun derjenigen der Durchlaßrichtung des Gleichstromes 14 entgegengesetzt.
Erst wenn der Schlupfstrom seine Richtung umkehrt, fließt er durch den Überbrückungsstrothkreis.
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Um das Schließen des Schalters 6 unmittelbar nach Beginn des Fließens
des Stromes durch den Gleichrichter 14 zu bewirken, wird parallel zu den Klemmen
des Entladewiderstandes 7 die Wicklung des Relais .16 angeschlossen, die so bemessen
ist, daß der normale Spannungsabfall über den Widerstand 7 während des Anlaufs des
Motors ausreicht, um ein Offenhalten der Kontakte 17 des Relais 16 zu bewirken.
Wenn der Entladewiderstand 7 kurzgeschlossen ist, sinkt jedoch der Spannungsabfall
über den Widerstand 7 so tief, daß das Relais 16 seine Kontakte 17 und so einen
Erregerstromkreis für die Spule 8 schließt, durch die der Schalter 6 betätigt und
die Erregerwicklung 4 mit der Stromquelle 5 verbunden werden.
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Zur Sicherung, daß der Schalter 6 nicht eher geschlossen wird, bis
der Motor angelaufen ist, und die Zeit, die das Relais io zum Öffnen der Kontakte
i2 braucht, genügend groß ist, wird ein Relais 18 vorgesehen, dessen Kontakte ig
in Reihe mit den Kontakten 12 des Relais io, der Wicklung des Relais 13 und der
Schließspule 8 des Schalters 6 liegen. Die Hilfskontakte 2o des Schalters 3 liegen
in dem Stromkreis der Wicklung des Relais 18, so daß das Relais erregt wird, wenn
der Schalter 3 geschlossen wird. Das Relais 18 ist in geeigneter Weise so gebaut,
daß es seine Kontakte i9 erst dann schließt, wenn die Wicklung des Relais für eine
bestimmte Zeit erregt ist.
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Die in der Zeichnung beispielsweise dargestellte Anordnung wirkt wie
folgt: Wenn der Motor i angelassen wird, wird der Schalter 3 geschlossen, so daß
die volle Netzspannung 2, an die Ankerwicklung des Motors angelegt ist, um den Motor
anlaufen zu lassen und ihn auf nahezu synchrone Drehzahl zu beschleunigen. Sobald
die Ankerwicklung des Motors erregt wird, wird in
der Motorerregerwicklung
4 eine Spannung mit Schlupffxiequenz induziert. Diesie Spannung ruft einen Strom
mit Schlupffrequ@enz hervor, der durch die Feldwicklung.4 und den Entladewiderstand
7 fließt und einen pulsierenden Strom, der durch den Einweggleichrichter i i und
die Wicklung des Relais io fließt, verursacht. Der Spannungsabfall, der durch diesen
induzierten Erregerstrom über den Widerstand 7 hervorgerufen wird, ist so groß,
daß das" Relais 16 seine Kontakte 17 öffnet und diese offen hält. Bevor der Motor
ungefähre synchrone Drehzahl erreicht, sind Größe und Frequenz des pulsierenden
Stromes, der durch die Wicklung des Relais io fließt, so groß, daß dieses Relais
anspricht und die Kontakte 12, offen hält. Kurze Zeit, nachdem der Schalter 3 die
Kontakte 2o schließt, schließt das Relais 18 die Kontakte i9, aber inzwischen hat
das Relais io die Kontakte 12, geöffnet, so daß der Stromkreis, in dem die Wicklung
des Relais 13 liegt, zu dieser Zeit nicht geschlossen ist.
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Wenn der Motor eine bestimmte untersynchrone Drehzahl erreicht, wird
die Frequenz des induzierten Stromes, der durch die Erregerwicklung 4 und den Widerstand
7 fließt, so niedrig, daß der Zeitverlauf jeder Halbperiode, während der im wesentlichen
kein Strom durch die Wicklung des Relais io fließt, lang genug ist, um das Zurücknehmen
des Relais in seine normale, entregte Stellung zu veranlassen und die Kontakte 12,
zu schließen. Es ist dann ein Stromkreis für die Wicklung des Relais 13 durch die
Kontakte i2 des Relais io und die Kontakte i9 des Relais 18 hergestellt. Durch Schließen
der Kontakte 21 hängt sich das Relais 13 selbst auf, und durch das Schließen der
Kontakte 22 des Relais 13 wird durch den Einweggleichrichter 14 ein Nebenschlußkreis
mit geringer Impedanz zu dem Entladewiderstand 7 geschlossen.
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Das Relais 13 schließt jedoch diesen Nebenschlußkreis mit niedriger
Impedanz in einem Zeitpunkt, wenn der durch die Erregerwicklung 4 fließende Strom
in der entgegengesetzten Richtung wie die Stromdurchlaßrichtung des Gleichrichters
14 fließt. Sobald dann der induzierte Erregerstrom seinen Wert Null erreicht und
in der entgegengesetzten Richtung anzusteigen beginnt, fließt der größte Teil des
induzierten Stromes durch den Gleichrichter 14 anstatt durch den Entladewiderstand
7.. Da der Widerstand des Erregerkreises abnahm, wuchs auch die Zeitkonstante des
Erregerstromkreises. Jede Änderung in der Flußverkettung, wie sie im Augenblick
besteht, wo der Strom durch den Gleichrichter 14 zu fließen beginnt, wird also genügend
lange verzögert, damit der Motor betriebssicher in Tritt fallen kann.
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Auch das Absinken des Spannungsabfalles über den Widerstand 7, der
- von dem Sehließen der Kontakte 22 herrührt, veranlaßt das Relais 16, die Kontakte
17 zu schließen, wobei durch die Kontakte 21 des Relais 13 und die Kontakte i9 des
Relais 18 ein Stromkreis für die Spule 8 des Schalters 6 hergestellt wird. Durch
die Erregung der Spule 8 wird der Schalter 6 betätigt, so daß die Stromquelle 5
mit der Erregerwicklung 4 verbunden ist.
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Die Abb.2 zeigt, wie die verbesserte. Steueranordnung die Erregung
für die Erregerwicklung 4. des Motors `in dem günstigsten Punkt der Periode des
in der Erregerwicklung fließenden Schlupfstroms zuschaltet. Die gezeigte Kurve A
stellt den durch die Erregerwicklung während des synchronen Laufes des Motors fließenden
Strom dar. Jener Teil der Kurve zur Linken deg Punktes d bezeichnet den induzierten
Strom finit S.chlupffrequenz, der durch die Erregerwicklung fließt, sobald der Motor
die bestimmte untersynchrone Drehzahl, bei der er synchronisiert werden soll, erreicht.
Der ausgezogene Teil dieses Abschnittes der Kurve A stellt die Halbperiode des induzierten
Stromes dar, während der der Strom durch den Gleichrichter i i und die Wicklung
des Relais io fließt, während die gestrichelten Teile die Halbwelle des induzierten
Stromes darstellen, während der kein Strom durch die Wicklung des Relais io fließt.
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In dieser Abbildung bezeichnet a den Punkt, wo das Relais lo die Kontakte
12 schließt, und b den Punkt, wo, das Relais 13 die Kontakte 22 schließt und den
Stromkreis durch den Einweggleichrichter 14 vervollständigt. d zeigt den Punkt,
wo der Strom durch den Gleichrichter 14 zu fließen beginnt, nachdem das Relais 13
sich betätigt hat. Der ausgezogene Teil der Kurve A rechts von dem Punkt d stellt
den in der Erregerwicklung 4 induzierten Erregerstrom dar, nachdem der Strom durch
den Gleichrichter 14 zu fließen beginnt. Während dieses Zeitraumes fällt der Motor
in Tritt. Die Kurve B zeigt, wie der Strom in der Erregerwicklung ansteigt, wenn
der Schalter 6 geschlossen ist. Die Zeit, die der Strom braucht, um das Relais 16
und den Schalter 6 zu betätigen, nachdem der durch den Gleichrichter fließende Strom
anzusteigen beginnt, ist mit t bezeichnet.
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In Abb. 3 ist eine Synchronisierungseinrichtung für einen Synchrongenerator
gezeigt, bei dem die Steuereinrichtung für die Erregung, wie sie in Abb. i dargestellt
ist, verwendet wird. In dieser Abbildung stellt.
30 einen
Synchrongenerator dar, der durch eine geeignete Antriebsmaschine angetrieben sein
kann, die der Einfachheit halber in der Zeichnung weggelassen ist. Die Ankerwicklung
3 1 des Generators 3o wird durch einen geeigneten Schalter 33 mit einem Wechselstromnetz
32 verbunden, sobald die Drehzahl über einen bestimmten Wert angestiegen ist. 34
ist ein Fliehkraftschalter, der eine der Drehzahl des Generators 3o entsprechende
Drehzahl hat und der das Schließen eines Stromkreises für die Spule 35 des Schalters
33 bewirkt, sobald die Drehzahl des Generators über einem bestimmten Wert liegt.
Der Generator 30 ist mit einer Erregerwicklung 36 versehen, die mit derselben
Steueranordnung verbunden ist, wie sie in Abb. i gezeigt ist, mit der Ausnahme,
daß das Relais 18, wenn es in seiner entregten Stellung ist, durch die Kontakte
24 einen Nebenschlußkreis zu dem Einweggleichrichter i i bildet. In diesem Nebenschlußkreis
befindet sich ein Einweggleichrichter 23, der derart geschaltet ist, daß
beide Halbwellen des induzierten Erregerstromes durch die Wicklung des Relais To
fließen. So wird erreicht, daß der induzierte Erregerstrom dieses Relais zum Ansprechen
bringt, bevor das Relais 18 betätigt wird.
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Wird der Generator 30 angelassen, so wird er durch das Regeln
der Drehzahl der Arbeitsmaschine, die den Generator treibt, auf eine nahezu synchrone
Drehzahl gebracht. Während dieses Vorgangs ist durch den Entladewiderstand 7 die
Erregerwicklung 36 kurzgeschlossen. Wenn der Motor eine bestimmte, nahezu synchrone
Drehzahl erreicht, schließt der Fliehkraftschalter 34 den Stromkreis für die Spule
35, wodurch der Schalter 33 geschlossen wird. Der nach dem Schließen des Schalters
33 in der Erregerwicklung 36 induzierte Schlupfstrom veranlaßt das Ansprechen der
Relais To und 16. Eine bestimmte Zeit nach dem Schließen des Schalters 33 öffnet
das Relais 18 den Kreis des durch den Einweggleichrichter z3 fließenden Stroms,
so daß, sobald der Generator die Drehzahl erreicht, bei der der Generator synchronisiert
werden soll, das Relais To abfällt und den Stromkreis für das Relais 13 schließt,
um den Kurzschlußkreis ,des durch den Einweggleichrichter 14 fließenden Stromes
zu schließen. Das Relais 16 arbeitet dann in derselben Weise wie in Fig. i, um Glas
Schließen des Schalters 6 zu bewirken.