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Schaltanordnung für Stromerzeugungsanlagen mit Synchrongeneratoren
Bei Synchrongeneratoren ist es mitunter erwünscht, .die Erregermaschine nicht unmittelbar
mechanisch mit dem Synchrongenerator zu kuppeln, sondern einen elektromotorischen
Hilfsantrieb vorzusehen, der von der Generatorspannung gespeist wird. Beispielsweise
ist es bei vertikalen Wasserkraftgeneratoren, die mit Kaplanturbinen gekuppelt sind,
nicht zweckmäßig, die Erregermaschine, wie sonst üblich, auf das obere Ende der
Generatorwelle zu setzen, da von dem oberen Ende aus bereits die Steuerung des Laufrades
der Kaplanturbine vorgenommen wird. Auch in anderen Fällen hat oft mit Rücksicht
auf Drehzahl und Bauart die mechanisch gekuppelte Erregermaschine Nachteile. Wenn
jedoch ein besonderes, vom Generator elektrisch gespeistes Erregeraggregat vorgesehen
ist, so ergeben sich andererseits Schwierigkeiten bei einer Betriebsstörung des
Generators, insbesondere bei einem Kurzschluß. Die Spannung an dem Antriebsmotor
der Erregermaschine sinkt dann auf einen Betrag, bei dem das Kippmoment des Motors
bereits kleiner ist als das für die Erregermaschine notwendige Antriebsdrehmoment.
Der Motor kommt dann zum Stillstand, so daß nach dem Aufhören des Kurzschlusses
keine Spannung für die Erregung des Generators zur Verfügung steht. Dadurch wird
eine erhebliche Verlängerung der Dauer der Störung herbeigeführt, wobei das ganze
Kraftwerk außer
Betrieb kommen kann. Ähnliche Störungen ergeben
sich für die Antriebsmotoren von anderen Hilfsmaschinen der Stromerzeugungsanlage
(Ölpumpen, Kesselspeisepumpen bei Wärmekraftwerken u. dgl.).
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Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für Stromerzeugungsanlagen
mit Synchrongeneratoren, bei der dieser Nachteil vermieden wird und den mit Erregerumformern
ausgestatteten Synchrongeneratoren oder den elektromotorischen Hilfsantrieben für
die anderen Hilfsmaschinen (Ölpumpen, Kesselspeisepumpen u. dgl.) die gleiche Betriebsbereitschaft
bei Störungen im Netz verliehen wird, welche Kraftwerke mit Generatoren mit aufgebauten
Erregermaschinen haben. Erfindungsgemäß wird der Antriebsmotor für die Erreger-
oder anderen Hilfsmaschinen dauernd gleichzeitig einerseits von der Generatorspannung,
andererseits von dem Generatorstrom gespeist, und der Generatorstrom erzeugt bei
einem Kurzschluß des Generators einen wesentlichen Teil des Hilfsantriebsdrehmoments.
Dadurch wird erreicht, daß auch bei einem Kurzschluß des Generators die Erregermaschine
oder die anderen Hilfsmaschinen mit einer Drehzahl angetrieben werden, die eine
ausreichende Leistungsabgabe der Erregermaschine bzw. einen ordnungsgemäßen Betrieb
der anderen Hilfsmaschinen ermöglichen.
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Es ist bereits eine Anordnung zur Erregung von Synchronmaschinen mit
einem die Erregerwicklung der Maschine oder ihrer Erregermaschine speisenden, wechselstromseitig
an den Klemmen der Synchronmaschine liegenden Gleichrichter bekannt, an der eine
selbsttätige Umschaltvorrichtung (ein im Gleichrichterstromkreis liegendes Umschaltrelais)
vorgesehen ist, die beim Ausbleiben der Synchronmaschinenspannung infolge einer
Störung im Netz den Gleichrichter an einen im Hauptstromkreis der Synchronmaschine
liegenden Stromwandler zwecks Aufrechterhaltung der Erregung legt.
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Bei der bekannten Einrichtung handelt es sich also um eine mechanisch
gekuppelte Erregermaschine, die lediglich vom Netz über einen Gleichrichter fremderregt
wird, während bei der Erfindung ein mechanisch von der Hauptmaschine unabhängiges,
sich selbst erregendes Erregeraggregat vorhanden ist. Ferner soll bei der bekannten
Einrichtung ein bestimmter Nachteil der Fremderregung beseitigt werden, da beim
Sinken der Netzspannung die Fremderregung aufrechterhalten werden soll. Bei der
Erfindung soll ein bestimmter Nachteil des selbständigen Erregeraggregats beseitigt
werden, da hier beim Sinken der Netzspannung ein Zusammenbruch der Drehzahl des
Erregeraggregats vermieden werden soll. Ferner ist zu beachten, daß bei der bekannten
Einrichtung die Speisung der Fremderregung von der Netzspannung auf die Speisung
durch den Strom der Synchronmaschine umgeschaltet wird, während bei der Erfindung
eine solche Umschaltung nicht vorhanden ist. Der Antrieb der Erregermaschine wird
vielmehr dauernd von der Netzspannung und dem Generatorstrom gespeist. Dies bedeutet
einen wesentlichen Vorteil, da, .die bei der bekannten Anordnung notwendige Umschaltung
erstens Verzögerungen herbeiführt und zweitens 'die Betriebssicherheit infolge der
Schaltkontakte und des . Umschaltmechanismus leidet.
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Zwar ist bei der Erfindung ebenso wie bei der bekannten Anordnung
zwischen :dem Generator und dem Netz dauernd die Impedanz des den elektromotorischen
Hilfsantrieb bzw. die Zusatzerregung speisenden Stromwandlers geschaltet. Dies ist
aber kein wesentlicher Nachteil, da diese zusätzliche Impedanz im Verhältnis zur
Impedanz des Generators ganz geringfügig gehalten und in ihrer Auswirkung berücksichtigt
werden kann. Da der Generator zur Aufrechterhaltung seiner Spannung bzw. seines
Blindstromes bereits mit einem selbsttätigen Spannungsregler ausgerüstet ist, so
wird dieser die durch die Impedanz des Stromwandlers hervorgerufenen Spannungsabfälle
oder Spannungsschwankungen ebenfalls mit ausregeln. In vielen Fällen kann die Impedanz
des Stromwandlers mit Rücksicht auf die Dämpfung von Kurzschlußströmen sogar erwünscht
sein.
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Vorstehende Darlegungen behandeln vergleichend die Vorteile der Erfindung
gegenüber der bekannten Anordnung bei Verwendung für den Sonderfall ,der Erregung
von Generatoren. Die Erfindung ermöglicht jedoch die Verwendung für jeden zu einem
Generator gehörigen motorischen Hilfsantrieb, wie z. B. Ölpumpen von Reglern und
Lagerkühlwasserpumpen usw. bei Wasser- und Dampfturbinen. Es wird also die mechanische
Welle für diese Antriebe gemäß der Erfindung durch eine elektrische Welle ersetzt.
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Im folgenden .ist die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele der
Zeichnung näher erläutert. In Fig. I ist I ein Synchrongenerator, 2 :ist seine Erregermaschine,
die von einem Asynchronmotor 3 mit Kurzschlußläufer angetrieben wird. Die Ständerwicklung
des Motors 3 ist nun einerseits über den Transformator 4 an die Generatorspannung
angeschlossen, andererseits wird sie über den Stromtransformator 5 von .dem Generatorstrom
gespeist. Der Stromtransformator 5 ist in diesem Fall in dem Sternpunkt der Ständerwicklung
des Generators I eingeschaltet. Die der Ständerwicklung des Motors 3 insgesamt aufgedrückte
Spannung ist daher einerseits von der Spannung des Generators, andererseits von
.dessen Belastungsstrom abhängig. Betriebsmäßig liefert die Generatorspannung den
größeren Teil dieser dem Motor 3 aufgedrückten Spannung. Im Kurzschlußfall sinkt
die Generatorspannung auf einen Bruchteil, jedoch steigt dafür der Generatorstrom
stark an, und der Ständerwicklung des Motors 3 wird nach wie vor eine ausreichend
hohe Spannung zugeführt. Die Schaltung der für die Speisung des Motors 3 dienenden
Transformatoren ist zweckmäßig so zu wählen, daß die aufgedrückte, vom Strom herrührende
Zusatzspannung bei Nennlast keine unzulässige Erhöhung der Motorspannung bewirkt,
sich aber im Kurzschlußfall `bestmöglich zur Restspannung - des Eigenbedarfstransformatoxs
4 - hinzuaddiert.
Hierzu ist eine solche Schaltung der Transformatoren
am zweckmäßigsten, bei der die stromabhängige Spannung gegenüber der spannungsabhängigen
Spannung 30° voreilt. Der Stromtransformator 5 ist im übrigen unter Wahrung wirtschaftlich
vertretbarer Abmessungen möglichst derart auszuführen, daß er erst bei Kurzschluß
in das Gebiet der Eisensättigung kommt, um die Speisung des Motors 3 durch den Generatorstrom
im Kurzschlußfall nicht infolge Eisensättigung zu schwächen. Der Motor 3 kann auch
im Ständer mit zwei z. B. in Stern oder in Dreieck geschalteten Wicklungen ausgerüstet
sein, von denen die eine von der Generatorspannung, die zweite vom Generatorstrom
gespeist wird.
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Ein weiterer Vorteil .der beschriebenen Anordnung liegt darin, daß
sie auch bei dem häufig auftretenden zweipoligen Kurzschluß im Netz ein hohes Drehmoment
des Motors sicherstellt. Bei einem zweipoligen Kurzschluß wird das Spannungssystem
unsymmetrisch und enthält außer einer mitläufigen Komponente auch eine gegenläufige,
deren Entstehungsort an der Störungsstelle im Netz liegt. Von der Ständerwicklung
des Motors aus betrachtet ist die Energierichtung des gegenläufigen Drehfeldes an
den beiden Wicklungsenden entgegengesetzt; daher hebt sich die Wirkung des gegenläufigen
Drehfeldes, welches das nützliche Drehmoment vermindert, auf.
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Bei der Anordnung nach Fig. 2 dient für den Antrieb der Erregermaschine
ein Schleifringläufermotor 6. Die Ständerwicklung des Motors 6 ist wieder an die
Generatorspannung angeschlossen, die Läuferwicklung an den im Sternpunkt der Generatorwicklung
liegenden Stromtransformator 5. Bei Leerlauf des Generators entwickelt die Sekundärwicklung
des Stromtransformators 5 keine Spannung, und der Läuferstrom des Motors 6 kann
sich über diese Wicklung schließen, die wie ein Wechselstromwiderstand wirkt. Der
Motor läuft dabei asynchron mit etwa der Hälfte der Drehzahl des doppeltgespeisten
Betriebs, was zulässig ist, da bei Leerlauf des Hauptgenerators auch die Erregerleistung
bei Maschinen der üblichen Ausführung nur ein Bruchteil der Nennerregerleistung
beträgt. Bei Belastung des Generators und insbesondere bei dessen Kurzschluß wird
hingegen vorn Stromtransformator 5 aus der Läuferwicklung ein: Strom zugeführt,
der bewirkt, daß der Motor 6 wie ein doppelt gespeister Synchronmotor läuft und
dabei ein erhebliches Drehmoment entwickelt. Bei diesen doppelt gespeisten Motoren
sind besondere Maßnahmen zum Intrittbringen nicht erforderlich, vielmehr laufen
diese Maschinen von selbst in den Synchronismus hinein, wenn Ständer und Läufer
den dem Lastmoment entsprechenden Strombelag erreicht haben. Es wird dabei der vom
Stromtransformator 5 gespeiste läuferseitige Strombelag nach Maßgabe der Belastung
des Hauptgenerators anwachsen, und die Maschine muß so bemessen sein, daß sie nach
Erreichen eines bestimmten Wertes des läuferseitigen Strombelags die Betriebsdrehzahl
erreicht. Sofern der Generator auf das Netz arbeitet, wird er normalerweise stets
Wirkleistung oder Blindleistung in einem zu seiner Nennleistung angemessenen Verhältnis
abgeben, so daß der Umformermotor mit seiner vollen Drehzahl läuft. Der Fall, daß
der Generator im Leerlauf am Netz liegt, wobei der Umformermotor nur die halbe Betriebsdrehzahl
hat, ist nur ein kurzzeitiger Übergangszustand.
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Die Anordnung nach Fig. 3 der Zeichnung ist ähnlich der nach Fig.
I. Der als Asynchronmotor ausgebildete Motor 7 wird also im Ständer einerseits vom
Generatorstrom, andererseits von der Generatorspannung gespeist. Neben dem Motor
7 ist jedoch noch ein nur von der Generatorspannung gespeister Asynchronmotor 8
für den Antrieb der Erregermaschine vorgesehen. Die Anordnung nach Fig. 3 hat den
Vorzug, daß bei der Auslegung des Hauptantriebsmotors 8 auf die Stabilisierung des
Antriebes nicht so weitgehend Rücksicht genommen werden muß. Die Daten der Richtmaschine
7 und des Sternpunkttransformators 5 können leichter aufeinander abgestimmt werden.
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Die Anordnung nach der Erfindung kann man auch derart ausbilden, daß
außer bzw. an Stelle des Motors für den Antrieb der Erregermaschine andere wichtige
Hilfsmotoren einerseits von der Generatorspannung, andererseits vom Generatorstrom
gespeist werden, so daß diese Motoren beim Generatorkurzschluß ihre Drehzahl und
Leistung annähernd beibehalten.