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Selbsttätige Einrichtung zum Synchronisieren einer asynchron anlaufenden
Synchronmaschine Die Erfindung beizieht sich auf eine selbsttätige Einrichtung zum
Synchronisieren vom Synchronmaschinen, die asynchron angelassen werden. Es ist bereits
ein von einer Synchronmaschine angetriebener Steuerstromerzeuger bekannt, der einen
unbew ickelten Anker besitzt. Der Steuerstromerzeuger verursacht Pulsationen in
der Netzspannung, die durch ein empfindliches Relais auf einen Gleichstromkreis
übertragen werden. Mit wachsender Maschinendrehzahl ergibt sich eine raschere Impulsfolge,
so d'aß schließlich ein vom Gleichstromkreis erregtes Relais anzieht und dabei das
EinLegen des Erregerstromschalters der Synchronmaschine veranlaßt. Der Erregerstromschalter
hält sich über einen Selbsthaltekreis, so daß er nicht geöffnet wird, wenn die Synchromnaschine
außer Tritt fällt. Der Synchranisiervorgang ist also abhängig von Spannungsschwankungen
des Netzes und berücksichtigt nicht die Größe der Schlupfspannung, welche bekanntlich
in diesem Zusammenhang wichtig ist.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung, die diese Nachteile
vermeidet. Die Synchronmaschine treibt einen. Steuerstromerzeuger mit. verstellbarem
Ständer, der mit dem Wechselstromnetz verbunden ist. Die
Gleichstromerregung
der Synchronmaschine wird abhängig von der Größe der Phasenlage d-,--r Spannung
dieses Steuerstromerzeugers selbsttätig eingelegt, beim Außertrittfallen der Synchronmaschine
aber wieder abgeschaltet, worauf diese '-Maschine neuerlich synchronisiert wird..
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Die Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Differenzrelais als Steuerorgan
für das Synchronis,ie.ren, dessen eine Wicklung in Abhängigkeit von einerTeilspannung
des Steuergeneratorständers erregt ist und dessen andere Wicklung abhängig von der
Vektorstimme aus einer anderen Teilspannung des Steuergenera:torständers und aus
der über einen Wandler abgenommenen Netzspannung gespeist wird.
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Uni, eine Trittüberwachung nach dem Synchronis,i@eren zu erhalten,
erregt man diie erste Wicklung 'des Diffe=renzrelais zusätzlich über den Wandler
abhängig von der Netzspannung. Die Ständerteilspannungen werden so abgenommen, daß
sie bei Vollast und- Synch:ron.ismus etwa in Gegenphase liegen, wobei jedoch eine
Teilspannung sich in Phase mit der Sekundärspannung des Netzwandlers befindet.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht.
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Fig. i zeigt ein Schema der erfindungsgemäßen Einrichtung; Fig. z
und 3 zeigen verschiedene Abweichungen in den Bestandteilen der Einrichtung; 'in
Fig. d. ist der Steuergenerator mnit umlaufendem- Erregerfeld durch eine andere
Maschine ersetzt.
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In Fig. i besitzt der Synchronmotor i eine Ständerwicjkluiig 2 und
eine Po,lradwic111ung 3. Die Ständerwicklung kann durch den Schalter 4. an ein Wechselstromnetz
5 angeschlossen werden. Der Einfachheit halber ist hier ein Handschalterd. dargestellt.
Die Wicklung 3 kann durch einen Schalter 7 an die Erregerquelle 6 geschaltet werden.
Wenn der Schalter 7 offen steht, schaltet er die Wicklung 3 auf einen geeigneten
Widorstand B. Die Betätigungsspule 9 bewegt den Schalter 7, sobald sie erregt wird;
aus der gezeichneten Lage in die andere. in der die Wicklung 3 erregt wird.
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Der einphasige Steuerstromerzeuger 10
wird so angetrieben, daß
seine Geschwindigkeit der des Synchronmotors i verhältnisgleich ist. Der Stromerzeuge=r
io besitzt zwei Wechselstromklemmen i i und 12 und dazwischen noch eine Klemme 13
in solcher Anordnung, d@aß die Spannungen zwischen 12, 13 und zwischen 13, 11 etwa
gleich und in Phase sind. Der Ständer 14 des Generators ist beliebig drehbar, so
daß d,ie genannten Teilspannungen in ihrer Phasenlage geändert werden können in
bezog auf die Spannung der Sekundärwicklung 17 eines Netzwandlers 18, der zwischen
Ständer I:I und Netzleitung 5 liegt. Der Strom des Generators io ändert sich mit
der Geschwindigkeit und Stellung des Läufers vom Motor i. Die Primärwicklung des
Spannungswandlers 18, die niiit 19 benannt ist, wird durch die Kontakte 2o des Schalters
q. an das Netz angeschlossen. Die Läuferwicklung 15 des Generators io ist über einen
Vollweggleich,richter i( mit der Sekundärwicklung 17 des Wandlers verbunden. Durch
einen einstellbaren Widerstand 21 in Reihe mit der Läuferwicklung 15 kann deren
Gleichstroin auf einen bestimmten Wert eingestellt «-erden.
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Zum Einrücken des Erregerschalters 7 ist als Steuerorgan ein Differenzrelais
22 vorgesehen. Dieses besitzt eine Zugspule 23, die in Reihe mit einem Vollweggleichrichter
25 und einen Einstellwiderstand 28 zwischen den Klemmen 12 und 13 liegt. Dieser
Kreis ist über die Hilfskontakte 26 des offenen Schalters 7 geschlossen. Die entgegengesetzt
wirkende Relaisspule 24 ist über einen Vollweggleichrichter 27 an einen Kreis angeschlossen,
der die Sekundärwicklung 17 des Wandlers 18, die Klemmen i i und 13 und das zwischen
beiden liegende Stück der Ständerw icklung enthält.
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Während der Motor angelassen wird, wechselt die Erregung der Spule
23 im Takt mit der Spannung zwischen den Abnahmebürsten bei 12 und 13, welche von
der Motordrehzahl abhängt. Die Erregung der. Spule . ändert sich dagegen abhängig
von der Vektorsumme der Spannung zwischen 11, 13 und der Spannung an der Wicklung
17. Daher wird die Spule 24 je nach der Stärke des Stromes an den Punkten i i und
13 erregt.
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Bevor der Motor i eine vorbestimmte Drehzahl erreicht, bleibt der
Zug, den die Spule 23 ausübt, während jeder Schlupfperiode kleiner als der Mindestzug
der Spule 2.I. Allmählich erreicht nun der Motor i diese vorbestimmte Drehzahl,
die vorzugsweise seiner größten Geschwindigkeit bei der h<ychstzulässigen Last
entspricht. Dann erreichen die Ständerteilspan:nungen zwischen 12, 13 und 13. 11
am Generator io eine solche Höhe, daß die Zugkraft der Spule 23 den Mindestzug d=er
Spule 24 in jeder Schlupfperiode überwindet. Das Relais 22 wird also betätigt, es
schließt die Kontake 29 und, öffnet die Kontakte 30 und 31. Es gibt also
zwei Bedingungen für das Durchziehen des Differenzrelais: Der Motor muß eine bestimmte
Drehzahl erreichen, und zwischen der Netzspannung und der Teilspannung I1, 13 muß
eine bestimmte Phasenlage herrschen. Durch geeignete Wahl
der Ständereinstellung
beim Generator io wird nun erreicht, daß das Relais 22 an dem Punkt der Schlupfspannung
anzieht, der für das Zuschalten der Erregung durch den Schalter 7 am günstigsten
isst. Dieser Zeitpunkt, an dem. das Relais 22 wirkt, liegt um die nötige Betätigungszeit
des Schalters 7 vor dem vorteilhaftesten Punkt der Sch upfperiode.
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Das Differenzrelais isst praktisch unabhängig von Sp.ann=gs(s,chwanlmngen
im Netz 5, denn solche Schwankungen erzeugen ein ähnliches Auf und Ab in der Erregung
und Spannung des Steu erstrornerzeugers io und in den Strömen, welche die,Spulen
23 und 24 durchfließen. Vorzugsweise wird die Anordnung so bemessen, daß ein beträchtlicher
Unterschied in den. Zugkräften der Spulen 23 und 24 nötig ist, um das Relais zu
betätigen. Wenn; daher die Kontakte 29 geschlossen sind, bleiben: sie es lange genug,
um den Schalterschlu.ß zu steuern. Sie vervol.ls-tändigen dann einen Speisekreis
für die Schalterspule 9, der über die Kontakte 32 eines zugeordneten Zeitrelais
33 füli.rt. Der Schalter 7 schaltet dann mittels seiner Hilfskontakte 34 einen Haltekreis
für die Schaltspule 9 ein.
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Um zu erreichen, daß das Differenzrelais 22 den Erregerschalter ,7
öffnet, wenn der Motor i außer Tritt fällt, wird es zunächst wieder in seine Normallage
zu=rückgeführt. Die Phasenverschiebung, bei welcher das Relais 22 den Schalter 7
schließt, ist ganz verschieden von derjenigen Phasenverschiebung des Motors, die
dieser bei schwerer Last aufweist, wenn er in Tritt ist. Infolge dieser Veränderung
wä=chst der Zug der Spule 24, nachdem das Synchronisieren eingeleitet ist. Das Relais
nimmt wieder seine normale Stellung ein. Dasf Zeitrelais 33 wird dabei erregt und
öffnet den; ursprünglichen Speise- und Haltekreis der Schalterspule g. Gleichzeitlig
mit den Kontakten 3i werden jedoch auch die Kontakte 3o des Differen=zrelais geschlossen.
Diese schließen über den Widerstand 36 einem zweiten Haltelcrei.s der Schaltspule
9 des Schalters 7, bevor das Zeitrelais 33 den ursprünglichen Haltekreis, unterbrachen
hat.
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Durch Öffnen der Kontakte 26 und Schließen der Kontakte 37 ändert
der Schalter 7 die Anschlüsse der Spule 23 und des Gleichrichters 25. Sie lieglen
nun in Reihe mit der Sekundärwicklung 17 des Spannungswandlers 18 und mit den Klemmen
12, 13 des Steuerstromerzeugers io. Nunmehr ist die Spule 23 erregt in Abhängigkeit
von der Vektorsumme aus der Spannung zwischen den Klemmen 12, 13 und; aus der Sekundärspan=-nung
des Wandlers 18. Der Erregerstrom, in der Spule 24 hängt ab von der Vektorsumrne
aus der gleichern Sekundärspannung und aus der Spannung zwischen den Klemmen 13,
1i. Die Schaltung ist so angeordnet, daß die Sekundärspannung von 18 und die Spannung
zwischen den Klemmen 13, 1i etwa in Phase liegen, wenn der Motor bei Vollast in
Tritt läuft. Gleichzeitig sind die Sekundärspannung von 18 und die Spannung zwischen
den Klemmen i2, 13 in wechselseitiger Gegenphase.
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Nenn daher der Motor voll belastet ist, hat der Strom in der Spule
24 fast seinen Höchstwert und der Strom in der SpUle 23 fast seinen, niedrigsten
Wert erreicht. Ist der Motor nicht voll belastet, so fließt ein kleinerer Strom
durch die Spule 24 und ein größerer Strom durch die Spule 23. In diesem Fall wiegt
die Zugkraft der Spule 24 vor und hält das Relais in seiner Normallage. Sobald der
Motor außer Tritt fällt, steigt der Strom in der Spule 24 bis zu seinem Höchstnert
und nähert sich dann seinem Tiefstwert; gleichzeitig fällt der Strom in der Spule
23 auf seinen geringsten Wert ab und nähert sich daraufhin seiner größten Stärke.
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Bei einer vorbestimmten Verschiebung zwischen Ständerfluß und Polrad
im. Motor i ist die Spule 23 imstande, das Relais 22 zu betätigen. Dieses schließt
dann seine Kontakte 29 und öffnet die Kontakte 30, 31, wodurch die Schaltspule
9 entregt wird und der Schalter 7 die Erregung 6 vom Motor i nimmt.
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Der Schalter 4 wird geschlossen, sobald man den Motor i anlassen will.
Danach liegt die StänderwicklUng 2 am Wechselstromnetz 5. Der Motor läuft als Induktionsmotor
hoch. Beim Schließen des Schalters 4 wurden auch die Kontakte 2o geschlossen, durch
welche die Primärwic klung 19 des Spannungswandlers 18 an eine Phase des
Netzes 5 ge,-schalfiet wurde. Augenblicklich floß ein Strom durch die Spule 24,
der das Differenzrelais 22 in; seine Normallage bringen konnte, falls es noch nicht
in dieser Lage gewesen wäre. Die Spannung zwischen den Klemmen 12 und 13 wächst
im wesentlichen verhältnisgleich m=it der Drehzahl des Motors. Also hängt auch.
die Zugkraft der Spule 23 von der Motordrehzahl ab. Die Spannung zwischen den Kleminen
13 und: ii wächst in ähnlicher Weise mit der Motorgeschwindigkeit, und da diese
Klemmen mit der Sekun=därwicklung 17
in Reihe liegen, ist der Strom durch
die Spule 24, der im Takt der Schlupfperiod en schwankt, seiner Amplitude nach von
der Drehzahl abhängig.
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Bei einer bestimmten Motorgeschwindigkeit überwindet die Zugkraft
der Spule 23 jene der Spule 24, und zwar dann, wenn die letztere durch ihren Mindestwert
geht. Das. Relais 22 schließt dann. seine Kontakte 29 und damit einen Erregerkreis
für die Schaltspule
9 über die Kontakte 38 des Schalters 4 und
die Kontakte 32 des Relais 33. Die Kontakte 38 schließen vorzugsweise verzögert,
nachdem der Schalter 4 eingelegt worden ist. Dia Erregung 6 wird nun durch den Schalter
dem Motor i zugeführt, der in Tritt kommt. Über die Kontakte 34 des Schalters 7
ist eine 1;.lberbrückung der Kontakte 29 für den Kreis der Schaltspule 9 hergestellt.
Durch öffnen der Kontakte 26 ist der ursprüngliche Speisekreis der Spule 23 von
Klemme 12 zu Klemme 13 aufgehoben, der die Kontakte 39 und den einstellbaren Widerstand
enthält. Durch Schließen der Kontakte 37 schaltet der Schalter 7 die Spule 23 in
Reihe mit der Sekundärwicklung 17 in eine neue Verbindung zwischen den Klemmen 12
und 13.
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Solange der Motor i im Tritt läuft, ist die gegenseitige Lage der
magnetischen Flüsse im Ständer und Polrad derartig, d'@a,ß sich folgendes Verhältnis
ergibt. Die Vektorsumme aus der Sekundärspannung des Wandlers 18 und der Spannung
13, 11, die in der Spule 24 wirksam ist, übertrifft die in der Spule 23 wirksame
Vektorsumme aus der Sekundärspannung von 18 und der Spannung zwischen 12, 13. Sobald
der Motoir in Tritt fällt, zieht daher die Spule 24 das Relais 22 in seine Normallage
zurück. Dieses Relais ergänzt durch seine Kontakte 3o einen Verriegelungskreis für
die Schaltspule 9, der über den Widerstand 36, die Kontakte 34 des Schalters 7 und
die Kontakte 38 des Schalters 4 führt. Durch das Schließen der Kontakte 31 des Relais
22 wird ein Erregerkreis für das Zeitrelais 33 über die Kontakte 34 des Schaltors;
und die Kontakte 38 des Schalters 4 gleichzeitig vervollständigt. Das Relais 33
öffnet sein!-, Kontakte 32 und 39 beim Ansprechen augenblicklich, fällt jedoch verzögert
ab, nachdem es entregt wurde.
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Gerät der Motor nicht in Synchronismus oder fällt er außer Tritt,
so steigt der Strom in der Spule 24 zunächst auf seinen Höchstwert und nähert sich
dann seinem Mindestwert, da der Verschiebungswinkel zwischen dem Ständerfluß und
den Läuferpolen während der ersten Schlupfperiode nach dem Außertrittfallen abnimmt.
Gleichzeitig durchfließt der Strom in Spule 23 seinen Tiefpunkt und nähert sich
seinem. höchsten Wert. Bei einem bestimmten Verschiebungswinkel überwindet der Zug
der Spule 23 den Gegenzug der Spule 24, so daß die Kontakte 30 und 31 sich
öffnen. Der Kontakt 30 unterbricht den Kreis der Schaltspule 9, so daß der
Schalter 7 die Erregerquelle 6 von der Läuferwicklung 3 abschaltet. Der Kontakt
31 entregt das Relais 33, das seine Kontakte 32 und 39 so langsam schließt, daß
die Maschine ihre Geschwindigkeit wieder aufholt und die Überwachungskreise inzwischen
wieder hergestellt sind. Das Synchronisieren kann von neuem stattfinden.
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Statt bei, der Ständerwickl:ung des Steuerstromerzeugers io eine Mittelanzapfung
13 anzubringen, kann man ebensogut eine Drossel 4o zwischen den Klemmen 12 und i
i anbringen, wie Fig. 2 zeigt. An dieser Drossel ist einte mittlere Anzapfung 13'
vorzusehen, «-elche die Klemme 13 in Fig. i ersetzt.
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Fig. 3 zeigt eine Dreiphasenmaschine an Stelle des einphasigen Generators
10 von Fig. i. Bei dieser Ausführungsart wächst die Spannung zwischen den
Klemmen 12 und 13 bis zu einem ausreichenden Wert, wenn der Motor i eine vorgeschriebene
Geschwindigkeit während des Anlassens erreicht. Läuft der Motor synchron, so bleibt
das Relais 22 in seiner Normallage, weil die Vektorsumme aus der Spannung von 17
und der Spannung zwischen den Klemmen 13, 11 größer ist als die Vektorsumrne aus
der Spannung von 17 und aus der Spannung zwischen den Klemmen 12, 13. Fällt jedoch
der Motor außer Tritt, so ändert sieh die in der Spule 23 wirksame Vektorsumme entgegengesetzt
zu der Spannung, die der Spule 24 aufgedrückt wird, und zwar während jeder Schlupfperiode,
so daß bei einem bestimmten Verschiebungswinkel zwischen Ständerfluß und Polrad
des Motors i die Erregung von diesem abgeschaltet wird. Nachdem das Relais 33 seine
Kontakte 39 wieder geschlossen hat, beginnt ein neuer Synehronis:ierungsversuch.
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In Fig.4 wird an Stelle des Steuergenerators mit umlaufendem Erregerfeld
eine Maschine io angewendet, bei der ein vom :Motor i angetriebenes Glied 42 Änderungen
des Magnetflusses hervorruft. Gegenüber Fig. i besteht insofern noch eine Abweichung,
als die Spule 23 des Relais, 22 und- der Vollweggleichrichter 25 während des asynchronen
Anlaufs nicht zwischen die Klemmen 12 und 13 geschaltet sind, sondern in Reihe an
der Sekundärspannung dies. Wandlers 18 liegen; demnach ist der Strom, in der Spule
23 proportional der Netzspannung, d. h. etwa gleichbleibend, während der Motor i
angelassen wird. Dieser Stromkreis der Spule 23 und des Gleichrichters -25 schließt
die Kontakte der Schalter .I. und 7 sowie die Kontakte 39 dies Zeitrelais und den
einstellbaren Widerstand 28 ein.
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Die Kontakte 41 am Schalter .4 schließen vorzugsweise erst verzögert
nach den Hauptkontakten dieses Schalters. Dadurch ist gesichert, daß das Relais
22 auf jeden Fall beim Anlassen in seine Norinal.lage durch die Spule 24 zurückgeführt
werden kann.. Der Strom in der Spule 23 wird durch den Widerstand 28 so eingestellt,
daß seine Zugwirkung kleiner bleibt als die Zugkraft der Spule 24, solange
der
Motor i die gewünschte Synchronisiergeschwindigkeit nicht erreicht hat. Die Vorgänge
beim Synchronisieren und die Trittüberwachung spielen sich genau so ab, wie bei
der Anordnung nach Fig. i.