DE968756C - Stromversorgungsanlage, insbesondere fuer Einrichtungen der Nachrichtenuebermittlung - Google Patents

Description

Einrichtungen für Nachrichtenübermittlung, wie z. B. Telefonzentralen, Verstärkerämter, Telegrafenämter usw., sind in besonderem Maße davon abhängig, daß die Stromversorgung unter allen Umständen gesichert ist, damit keine Störung der Nachrichtenübermittlung eintritt. Man hat dies bisher dadurch erreicht, daß man den Strombedarf aus großen Akkumulatorenbatterien gedeckt hat, die auch bei Netzausfall eine unterbrechungslose Energielieferung gewährleisten. Solche Batterien und die zugehörige Stromverteilungsanlage sind aber infolge ihres Werkstoffaufwandes und ihres großen Platzbedarfs außerordentlich teuer. Man hat daher neuerdings vorgeschlagen, den Strombedarf der Einrichtungen für Nachrichtenübermittlung aus dem jeweiligen örtlichen Netz zu decken und die Strom-Versorgung in Störungsfällen durch einen Dieselmotor sicherzustellen. Die Zeit vom Ausfall des Netzes bis zur vollen Einsatzfähigkeit des Dieselmotors soll dabei von einer dauernd durchlaufenden und mit einem Schwungrad gekuppelten Synchron- oder Asynchronmaschine überbrückt werden. Da das speisende örtliche Netz sowohl Spannungs- als auch Frequenzschwankungen aufweist, sind schon für den normalen ungestörten Betrieb Einrichtungen zur Konstanthaltung der Spannung am Verbraucher (Verstärkerröhren usw.) erforderlich, die natürlich auch bei gestörtem Betrieb, wenn der Strombedarf von der Schwungmasse bzw. vom Dieselmotor sichergestellt wird, für die Konstant-

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haltung der Spannung sorgen. Die dafür benutzten statischen (magnetischen) Spannungsgleichhalter erfordern einen gewissen zusätzlichen Aufwand, der recht beträchtlich sein kann, da sie ja für die volle Verbraucherleistung bemessen werden müssen.

Die Erfindung geht einen anderen Weg, um bei einer Stromversorgungsanlage, bei der ein von einer Synchron- oder Asynchronmaschine angetriebenes durchlaufendes Schwungrad vorgesehen ist, das im Störungsfalle mit einer Antriebsmaschine (Dieselmotor) gekuppelt wird, die Spannung des unterbrechungslos gespeisten Netzes konstant zu halten. Gemäß der Erfindung ist zwischen Stromversorgungsanlage (Stationsnetz) und speisendes Netz eine Drosselspule geschaltet, deren Blindstrom zur Erreichung einer konstanten Spannung der Stromversorgungsanlage (des Stationsnetzes) derart gesteuert wird, daß der hierdurch an der Drosselspule hervorgerufene Spannungsabfall eine dem Spannungsunterschied zwischen einspeisendem und Stationsnetz entsprechende Zusatzspannung ergibt. Vorzugsweise erfolgt die Beeinflussung des Blindstromes im Stationsnetz durch die Antriebsmaschine (Synchron- oder Asynchronmaschine) des Schwungrades.

In Fig. ι bezeichnet 1 ein Stationsnetz z. B. für ein Verstärkeramt mit den Verbrauchern 2 (Verstärkerröhren). Das Stationsnetz 1 wird über den Schalter 3 vom örtlichen Netz 4 gespeist. 5 bedeutet eine synchronisierte Asynchronmaschine mit einer dreiphasigen Läuferwicklung, die über den Anlasser 6 in üblicher Weise wie ein normaler Asynchronmotor mit Schleifringläufer angelassen werden kann. Sie wird über die Trockengleichrichteranordnung 7 mit Gleichstrom erregt. Die Trockengleichrichteranordnung 7 wird über den Umspanner 8 in an sich bekannter Weise mit einem lastunabhängigen und einem lastabhängigen Strom gespeist. Der Umspanner 8 hat zu diesem Zweck zwei Primärwicklungen mit gemeinsamen Sternpunkt. Die eine wird von lastabhängigen Strom der synchronisierten Asynchronmaschine 5 durchflossen, die andere vom lastunabhängigen Strom einer genügend groß bemessenen Drosselspule 9. 10 stellt einen Kondensator dar, der auf Resonanz mit der Drosselspule 9 abgestimmt ist und das Einsetzen der Selbsterregung der synchronisierten Asynchronmaschine 5 bei irgendeiner gewünschten Drehzahl sichert. Mit der synchronisierten Asynchronmaschine 5 ist eine Schwungmassen gekuppelt, und beide zusammen können über die ausrückbare Kupplung 12, die z. B. als elektromagnetische Kupplung ausgebildet sein kann, von einem Dieselmotor 13 angetrieben werden. 14 bezeichnet eine zwischen Stationsnetz 1 und örtlichem Netz 4 eingeschaltete Drosselspule, die die Spannungsunterschiede zwischen beiden aufnimmt, und 15 deutet einen Schalter an, der bei Ausfall des ortlichen Netzes 4 den richtigen Ablauf der Schaltvorgänge für das Anlaufen des Dieselmotors 13 und die Übernahme der Last durch ihn sicherstellt. 16 bedeutet eine Überwachungseinrichtung, die bei Wiederkehr der Netzspannung das Zuschalten des Stationsnetzes 1 im richtigen Augenblick sicherstellt. 17 ist ein Schalter, der die dritte Phase des Anlassers 6 vom gemeinsamen Sternpunkt abtrennen kann, und mit dem Schalter 18 kann die Drosselspule 14 für den motorischen Anlauf der Asynchronmaschine 5 kurzgeschlossen werden. Parallel zur Trockengleichrichteranordnung 7 liegt noch ein Regelwiderstand 19 mit der Steuerspule 20, der z. B. als Kohledruck- oder als Wälzregler ausgeführt werden kann und die genaue Ausregelung der Spannung übernimmt. Der Regelwiderstand 19 könnte auch zur Wechselstromseite der Gleichrichteranordnung 7, also beispielsweise zur Sekundärwicklung des UmspannersS, parallel geschaltet sein.

Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Zum Einschalten der Station werden die Schalter 17 und 18 geschlossen, und der Schalter 15 wird geöffnet. Darauf wird der Schalter 3 eingelegt, und mit Hilfe des Anlassers 6 wird die Asynchronmaschine 5 als Motor auf volle Drehzahl gebracht. Hierauf wird der Schalter xy geöffnet, worauf sich die Asynchronmaschine 5 in den Synchronismus zieht und als Synchronmaschine weiterläuft. Die lastabhängige Erregung durch den Motorstrom in der einen Primärwicklung des Umspanners 8 sichert dabei große synchronisierende Momente und große Überlastbarkeit. Alsdann wird der Schalter 18 geöffnet, so daß die Drosselspule 14 wirksam wird. Die gewählte Art der Erregung der Asynchronmaschine 5 bewirkt von sich aus schon weitgehend konstante Spannung bei allen Belastungen, weil der lastabhängige Anteil des Erregerstromes eine selbsttätige Zunahme des Erregerstromes mit zunehmender Belastung verursacht. Die noch verbleibenden kleinen Abweichungen erfordern nur noch eine zusätzliche Regelung des Erregerstromes um etwa 10 %, die mit Hilfe des Regelwiderstandes 19 erfolgt. Dadurch wird ein mehr oder weniger großer Anteil des Sekundärstromes des Umspanners 8 in einen Parallelweg zur Erregerwicklung der Asynchronmaschine 5 geleitet.

Fig. 2 zeigt z. B. das Spannungsschaubild für eine Schwankung der Netzspannung um ± 20%. Die Stationsspannung werde durch die Strecke o-a dargestellt und möge 100% betragen. Bei (cos φ = i)-Betrieb in der ,Station eilt der Spannungsabfall an der Drosselspule um 90⁰ gegenüber der Stationsspannung vor, so daß die Netzspannung durch die Strecke o-c dargestellt wird. Der vom Netz zufließende Strom hat hierbei die Größe und Richtung von Z₁₄C₀;. Bei 80% Netzspannung hat diese die Größe und Richtung von o-b und bei 120% Netzspannung die Größe und Richtung von o-d. Der Netzstrom ändert hierbei seine Größe und Richtung von J_14:(_h) in J_u(a), geht also von Voreilung auf Nacheilung über. Diese Blindstromänderung muß von der synchronisierten Asynchronmaschine 5 durch Änderung ihrer Erregung vorgenommen werden und vollzieht sich größtenteils durch die Art ihrer Erregung selbsttätig, da beim Übergang des Netzstromes von Voreilung (Z₁₄Ce,;) auf Nacheilung {lud)) infolge der vektoriellen Zusammensetzung des gesamten Erregerstromes (auf der Wechselstromseite) mit der über die Drosselspule 9 gelieferten Grundkomponente dieser Erregerstrom stetig abnimmt.

Beim Ausbleiben der Spannung im örtlichen Netz 4 fällt der Schalter 3, und der Schalter 15 schließt. Dadurch werden die Zündung und die Brennstoffzufuhr für den Dieselmotor 13 freigegeben, und der Dieselmotor wird zum Anlaufen gebracht. Dies kann ent-

weder — wie meist üblich — durch Starter und Starterbatterie erfolgen. Man kann aber auch den stillstehenden Dieselmotor 13 über eine ausrückbare Kupplung 12 mit der umlaufenden Schwungmasse 11 kuppeln und dadurch ohne Starter zum Anlaufen bringen. Die Kupplung 12 muß dabei, bis die volle Drehzahl erreicat ist, als Schlupfkupplung arbeiten. Die Spannung im Stationsnetz 1 wird dabei ebenfalls, wie zuvor bei ungestörtem Netz, durch die Asynchronmaschine f mit Hilfe ihrer Erregeranordnung und des Regelwiderstandes 19 konstant gehalten. Der Verbrauch im Stationsnetz ι wird bis zum Erreichen der vollen Drehzahl des Dieselmotors 13 aus der Schwungmasse 11 gedeckt. Alsdann übernimmt der Dieselmotor 13 die weitere Energielieferung, bis die Spannung im örtlichen Netz 4 wiederkehrt. Der Schalter 18 an der Drosselspule 14 bleibt hierbei geöffnet, damit die Drosselspule 14 bei Wiederkehr der Spannung den Spannungsunterschied zwischen beiden Netzen aufnehmen kann. Während des Betriebes mit Dieselmotor wählt man dessen Drehzahl so hoch, daß die Frequenz im Stationsnetz auf jeden Fall etwas höher liegt als die im örtlichen Netz.

Wenn nun die Spannung im örtlichen Netz 4 wiederkommt, läßt man durch die Spannung in diesem Netz zunächst die Kupplung 12 lösen und den Dieselmotor 13 stillsetzen. Der Schalter 3 bleibt zunächst noch geöffnet. Durch den Energieentzug fällt das Schwungrad 11 in seiner Drehzahl ab, und man kann nunmehr für das Einlegen des Schalters 3 den Augenblick benutzen, in dem die Frequenz im Stationsnetz 1 gleich derjenigen im örtlichen Netz 4 wird. Dafür kann man die Überwachungseinrichtung 16 verwenden, die z. B. eine Synchronisiereinrichtung an sich bekannter Art sein kann. Diese sind im allgemeinen aber etwas verwickelt. Der richtige Zeitpunkt für das Zuschalten wird daher hier in einer vereinfachten Weise erfaßt, wie dies an Hand der Fig. 3 näher erläutert ist. Mit der synchronisierten Asynchronmaschine 5 ist hier eine kleine Asynchronmaschine 21 von einigen Watt Leistung gekuppelt, die als normale Dreiphasenmaschine mit Schleifringläufer und bei unmittelbarer Kupplung mit der Maschine 5 mit der gleichen Polzahl wie diese ausgeführt ist. Die Asynchronmaschine 21 soll im Ständer und im Läufer gleiche Windungszahl haben, und Ständer und Läufer sind miteinander in Reihe geschaltet. Sie ist an das örtliche Netz 4 angeschlossen und wird von der Maschine 5 gegen ihr Drehfeld angetrieben. In Reihe zur Asynchronmaschine 21 liegt die Steuerspule eines Relais 22, das beim Ansprechen den Schalter 3 betätigt. Solange die Drehungsfrequenz der Maschine 5 größer ist als die Netzfrequenz des örtlichen Netzes 4, stellt die Asynchronmaschine 21 einen recht großen Widerstand dar, der verhindert, daß das Relais 22 anspricht. Je mehr aber die beiden Frequenzen einander gleich werden, desto eher besteht die Möglichkeit, daß der Widerstandswert der Asynchronmaschine einen Kleinstwert erreicht. Dies ist aber erst dann der Fall, wenn der Läufer der Asynchronmaschine 21 eine bestimmte relative Lage zum Ständer erreicht hat, in der die Läuferamperewindungen denen des Ständers unmittelbar entgegenwirken. Diese Stellung des Ankers kann durch eine verstellbare Kupplung 23 zwischen der Maschine 5 und der Asynchronmaschine 21 so gewählt werden, daß sie für das Zusammenschalten der beiden Netze günstig ist. Sobald nun diese Stellung des Ankers der Asynchronmaschine 21 erreicht ist, wird der Widerstandswert der Asynchronmaschine 21 so klein, daß das Relais 22 anzieht und den Schalter 3 zum Schließen veranlaßt. Man betreibt zweckmäßig die Asynchronmaschine 21 dreiphasig und schaltet in die beiden anderen Phasen an Stelle des Relais 22 gleichwertige Ersatzwiderstände. Da die Asynchronmaschine 21 ziemlich genau auf die sogenannte Kurzschlußstellung anspricht, in der sich Ständer- und Läuferamperewindungen genau einander entgegenwirken und sich gegenseitig aufheben, kann man auf diese Weise die für das Zuschalten geeignete Polradstellung ziemlich genau erfassen und erreicht dadurch einen kleinen Stromstoß beim Zuschalten. Die noch bestehende Spannungsdifferenz zwischen beiden Netzen wird durch die Drosselspule 14 aufgenommen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist eine Asynchronmaschine 5' (mit Kurzschlußläufer) als Generator für das Stationsnetz 1 vorgesehen. Mit Hilfe des parallel geschalteten Kondensators 24 behält die Asvnchronmaschine 5' auch bei Ausfall des örtlichen Netzes 4 ihre Spannung bei und liefert zunächst aus der Schwungmasse 11 die Energie für das Stationsnetz 1, bis der Dieselmotor 13 angelaufen ist, der alsdann den weiteren Bedarf deckt. Um auch hier sowohl im Normalbetrieb mit ungestörtem örtlichem Netz 4 als auch im Alleinbetrieb bei Störungen im Netz 4 die Spannung im Stationsnetz 1 konstant halten zu können, ist hier eine gleichstromvormagnetisierte Drosselspule 25 parallel zum Kondensator 24 und zur Asynchronmaschine 5' geschaltet. Diese Drosselspule wird mit Hilfe des Gleichrichters 26 und des Reglers 27 mit zugehöriger Steuerspule 28 mit Gleichstrom vormagnetisiert und geregelt, und zwar so, daß die Spannung im Sta- ioo tionsnetz 1 konstant bleibt. Durch die Drosselspule 25 wird die überschüssige kapazitive Blindleistung des Kondensators 24, die sonst die Spannung in die Höhe treiben würde, kompensiert oder bei Bedarf freigegeben. Bei Netzbetrieb kann bei Vorhandensein der Drosselspule 14 die Stationsspannung auch bei schwankender Netzspannung konstant gehalten werden, weil je nach der Ausregelung der Drosselspule 25 insgesamt bald kapazitive, bald induktive Blindleistung im Stationsnetz ι vorherrscht, so daß auf diese Weise, wie an Hand der Fig. 2 gezeigt, auch bei schwankender Netzspannung die Stationsspannung konstant gehalten werden kann. Da es sich im vorliegenden Fall um eine Asynchronmaschine als Generator handelt, kann bei Wiederkehr der Netzspannung von einem Phasen- und Spannungsvergleich abgesehen werden. Die beiden Netze können vielmehr ohne weiteres wieder zusammengeschaltet werden. An Stelle der gleichstromvormagnetisierten Drosselspule 25 kann natürlich auch eine andere in ähnlicher Weise wirkende Anordnung verwendet werden. Sie muß nur ausreichend sein, den Blindleistungsfluß im Stationsnetz 1 im erforderlichen Sinne zu beeinflussen. So zeigt Fig. 5, wie die Kondensatorblindleistung mit Hilfe eines den Kondensatoren 24 vorgeschalteten, nur die Phasenlage seiner Sekundärspannung beeinflussenden Drehtransformators 29 ge-

regelt werden kann. Je nach der gegenseitigen Stellung der beiden Wicklungen des Drehtransformators ist der für die Kondensatoren 24 vorgeschaltete induktive Widerstand ein verschiedener, so daß dadurch der aus dem Netz aufgenommene Blindstrom weitgehend geregelt werden kann. Der Drehtransformator wird — ähnlich wie bei den Anordnungen gemäß den vorhergehenden Figuren — von einem elektrisch gesteuerten hydraulischen Regler 30 beeinflußt. 10

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Stromversorgungsanlage zur unterbrechungslosen Speisung eines Netzes mit konstanter Spannung unter Verwendung eines von einer Synchron- oder Asynchronmaschine angetriebenen, durchlaufenden Schwungrades, das im Störungsfalle mit einer Antriebsmaschine (Dieselmotor) gekuppelt wird, insbesondere für Einrichtungen der Nachrichtenübermittlung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stromversorgungsanlage (Stationsnetz) und speisendem Netz eine Drosselspule geschaltet ist, deren Blindstrom zur Erreichung einer konstanten Spannung der Stromversorgungsanlage (des Stationsnetzes) derart gesteuert wird, daß der hierdurch an der Drosselspule hervorgerufene Spannungsabfall erne dem Spannungsunterschied zwischen einspeisendem und Stationsnetz entsprechende Zusatzspannung ergibt.

2. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung des Blindstromes im Stationsnetz durch die Antriebsmaschine (Synchron- oder Asynchronmaschine) des Schwungrades erfolgt.

3. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Schwungrades ein synchronisierter Asynchronmotor dient, der über Widerstände angelassen und über Gleichrichter mit einer seinem Strom und einer der Spannung des Stationsnetzes proportionalen Komponente erregt wird, und daß noch eine zusätzliche Regelung für die Steuerung der Blindleistung vorgesehen ist.

4. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen ohmschen Regelwiderstand (19) parallel zum Gleichrichter auf dessen Gleich- oder Wechselstromseite für die zusätzliche Regelung, der von einem von der Stationsspannung gesteuerten Regler (20) betätigt wird.

5. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (synchronisierte Asynchronmaschine) nach dem Ausfall des Netzes durch die Kraftmaschine mit einer höheren Frequenz betrieben wird, als sie der Normalfrequenz des speisenden Netzes entspricht, und daß bei Wiederkehr der Netzspannung die Synchronmaschine nach Abstellen der Kraftmaschine von ihrer höheren Frequenz her wieder auf die Frequenz des speisenden Netzes zuläuft und selbsttätig im richtigen Schaltaugenblick zugeschaltet wird.

6. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der richtige Schaltaugenblick durch eine mit der Synchronmaschine gekuppelte, am speisenden Netz liegende Hilfsasynchronmaschine mit Schleifringanker und gleieher Polzahl (bzw. gleicher Umdrehungsfrequenz überwacht wird, deren Ständer- und Läuferwicklung gleiche Amperewindungszahlen aufweisen und miteinander in Reihe geschaltet sind, die gegen ihr Drehfeld angetrieben wird und in Reihe mit einem Relais liegt, das beim Ansprechen den Schalter zwischen Stationsnetz und speisendem Netz einlegt, wobei im richtigen Schaltaugenblick Ständerund Läuferamperewindungen sich gegenseitig aufheben, so daß die Asynchronmaschine einen kleinsten Widerstandswert aufweist und das Relais zum Ansprechen kommt.

7. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmotor des Schwungrades eine Asynchronmaschine (Kurzschlußläufermotor) dient, der ein Kondensator parallel geschaltet ist, dessen Blindleistung durch zusätzliche Mittel gesteuert wird.

8. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Blindleistung durch eine dem Kondensator parallel geschaltete, gleichstromvormagnetisierte Drosselspule erfolgt, deren Gleichstromvormagnetisierung durch einen von der Stationsspannung gesteuerten Regler beeinflußt wird.

9. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Blindleistung durch einen dem Kondensator vorgeschalteten, nur die Phasenlage seiner Sekundärspannung beeinflussenden Drehtransformator erfolgt, der durch einen von der Stationsspannung gesteuerten Regler (z. B. einen elektrisch-hydraulischen Regler) beeinflußt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 205 047, 446 285, 153·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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