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Anordnung zur Aufrechterhaltung des Betriebes in einer an ein Wechselstromnetz
angeschlossenen Verbraucheranlage bei Ausfall des Netzes Den Gegenstand der Erfindung
bildet eine Anordnung zum Aufrechterhalten des Betriebes in einer an ein Wechselstromnetz
angeschlossenen Verbraucheranlage. während derjenigen Zeit, die erforderlich ist,
damit bei Wegfall des Netzes ein Reservekraftaggregat angelassen werden und dielies
die Energielieferung übernehmen kann. Es sind Anordnungen dieser Art bekanntgeworden,
die einen an das Netz 'angeschlossenen rotierenden Umformer zwischen Wechselstrom
und Gleichstrom um eine mit der Gleichstromseite des Umformers elektrisch zusammengekuppelte
Gleich-Strommaschine aufweisen, deren Bewegungsenergie bei Fortfall des Netzes über
den Umformer, die Wechselstromenergie umgewandelt wird, die der Verbraucheranlage
zugeführt wird.
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Wenn die Spannung wegfällt, erhält das Reservekraftaggregat unmittelbar
einen Startimpuls, aber eine Zeit von der Größenordnung io bis ao Sekunden verfließt,
ehe das Aggregat in Funktion treten und die Belastung übernehmen kann. Insbesondere
in Telekommunikationsanlagen können solche Unterbrechungen nicht toleriert werden,
und da: Unterbrechungsintervall muß deshalb in irgendeiner
Weise
überbrückt werden. Dieses Problem ist früher mit Hilfe von Umformern gelöst worden,
welche Gleichstrom von einer Akkumulatorenbatterie in Wechselstrom umformen, welcher
der Belastung zugeführt wird, bis das Reservekraftaggregat in Betrieb gesetzt worden
ist. Als Umformer kann dabei ein Einankerumformer verwendet werden, Welcher dauernd
läuft und normalerweise aus dem Wechselstromnetz gespeist wird, während er bei einer
unzulässigen Änderung oder bei gänzlichem Ausfall der Spannung dieses Netzes sofort
auf eine Speicherbatterie umgeschaltet wird und den Verbraucher speist. Eine derartige
Reservekraftanlage ist aber kostspielig und erfordert viel Überwachung. Es ist auch
vorgeschlagen worden, eine an die Belastung stets angeschlossene, bei ungestörtem
Betrieb als Motor arbeitende Asynchronmaschine zu verwenden, die ein als Energiespeicher
dienendes Schwungrad antreibt. Beim Wegfall des Netzes funktioniert die Asynchronmaschine
als Generator, erregt mittels Kondensatoren, wobei die im Schwungrad gespeicherte
Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, die der Verbraucheranlage
zugeführt wird. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Frequenz des angegebenen
Wechselstromes mit der Drehzahl des Schwungrades variiert und daß die Spannung nur
mit Hilfe von komplizierten Hilfsapparaten konstant gehalten werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe, die Spannung und Frequenz des die Verbraucher
speisenden Generators konstant zu halten, wurde eine Leonardschaltung verwendet,
die automatisch zu regeln ist. Der Zweck dieser bekannten Anordnung lag aber nur
darin, die Generatorfrequenz bei Drehzahlschwankungen des Antriebsmotors konstant
zu halten.
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Weiterhin ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der an den Wechselstromkreis
ein rotierender Umformer zwischen Wechselstrom und Gleichstrom angeschlossen ist,
sowie eine an die Gleichstromseite des Umformers angeschlossene Gleichstrommaschine,
die abwechselnd als Motor und als Generator arbeitet. Bei dieser Anordnung wird
aber nicht verlangt, daß der beim Netzausfall der Verbraucheranlage zugeführte Wechselstrom
eine konstante Frequenz besitzt. Es wird die Bewegungsenergie der Gleichstrommaschine
sowie die Bewegungsenergie des Umformers für die Umwandlung in Werhselstromenergie
nutzbar gemacht, die für den genannten Zweck ausreichend sind.
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Ganz anders liegen die Verhältnisse, wenn der abgegebene Wechselstrom
gemäß der Aufgabe der Erfindung eine konstante Frequenz haben soll. In diesem Falle
muß der rotierende Umformer bei Netzausfall mit einer unveränderten Geschwindigkeit
weiter rotieren.
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Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß die Gleichstrommaschine mit einem
Schwungrad mechanisch gekuppelt, und die Gleichstrommaschine und der Umformer sind
bei Netzausfall von Reglern steuerbar, welche derart auf die Spannung und die Frequenz
der Wechselstromseite des Umformer, reagieren, daß bei Netzausfall der vom Umformer
an die Belastung abgegebene Wechselstrom Konstante Frequenz und Spannung erhält.
Mit Hilfe einer in dieser Weise angeordneten Momentanreservekraftanlage können bei
zweckmäßiger Regelung der Erregung der Gleichstrommaschine die Betriebsverhältnisse
des Umformers so angeordnet werden, daß beim Wegfall des Netzes der vom Umformer
an die Verbraucheranlage abgegebene Wechselstrom eine in der Hauptsache konstante
Frequenz und/oder Spannung erhält, unabhängig von der Drehzahl des Schwungrades
beim Auslaufen.
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Weitere :Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
nachstehend an Hand der Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche in
Fig. i bis ¢ vier verschiedene Ausführungsformen schematisch darstellen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. i ist die Verbraucheranlage 3 gewöhnlich
an das Wechsel-,tromnetz i über einen Schalter 2 angeschlossen, welcher selbsttätig
geöffnet wird, wenn eine Störung imNetz auftritt. Das gewöhnlicheReservekraftaggregat
besteht aus einem Dieselmotor 12 und einer zu diesem direkt gekuppelten Synchronmaschine
13. Der Dieselmotor i2 wird beim Wegfall des Netzes i in gewöhnlicher Weise selbsttätig
angelassen. Wenn der Dieselmotor 12 seine volle Drehzahl erreicht hat, wird der
Synchrongenerator 13 mittels des Schalters ii selbsttätig an die Verbraucheranlage
3 angeschlossen.
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Während der Zeit, die verläuft, ehe das Reservekraftaggregat i2,
13 angelassen worden ist und die Energielieferung übernehmen kann, wird die
Energielieferung von der Momentanreservekraftanlage gemäß der Erfindung übernommen.
Diese Anlage besteht gemäß Fig. i aus einem an das Netz i und dieBelastung3 gewöhnlich
angeschlossenen Einankerumformer q., welcher an seinerGleichstromseite an eine Gleichstrommaschine
5 angeschlossen ist, auf deren Welle ein Schwungrad 6 sitzt. Zur Regelung der Erregung
der Gleichstrommaschine 5 ist ein Feldregler io vorgesehen und zur Änderung der
Erregungsverhältnisse des Einankerumformers q. ein Feldregler f;. Mit 9 ist ein
selbsttätiger Anlasser für die Gleichstrommaschine 5 bezeichnet.
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Der Einankerumformer ¢ wird vom Wechselstromnetz i aus in üblicher
Weise mit reduzierter Spannung angelassen. Wenn die Maschine ihre synchrone Drehzahl
erreicht hat, wird die Erregung angeschaltet. Hiernach wird die Gleichstrommaschine
5 voll erregt und durch Anschließen an den Einankerumformer q. mit Hilfe des selbsttätigen
Anlassers 9 angelassen. Schließlich wird die Gleichstrommaschine 5 durch Verminderung
ihres Feldes mit Hilfe des Reglers io auf ihre volle Drehzahl gebracht. Hierdurch
wird die Bewegungsenergie in dem mit der Gleichstrommaschine mechanisch zusammengekuppelten
Schwungrad 6 aufgespeichert. In normalem Betrieb wird dann die beschriebene Momentankraftreserv
eanlage (4 bis 6) stets in Gang gehalten, wobei Reibungsverluste und andere Verluste
von dem Netz aus gedeckt werden.
dadurch, daß der Einankerumformer
q. den erforderlichen Gleichstrom an die als Motor arbeitende Gleichstrommaschine
5 liefert.
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Tritt nun eine Störung im Netz i auf, wird der Schalter 2 selbsttätig
geöffnet, wodurch die Verbraucheranlage 3 vom Netz getrennt wird. Die Energielieferung
wird statt dessen praktisch genommen unmittelbar vom Momentankraftaggregat4. 5,
6 übernommen. Die Gleichstrommaschine arbeitet dabei als Generator, vom Schwungrad
6 angetrieben, und die von der Gleichstrommaschine abgegebene Energie wird im Einankerumformer
.4 in Wechselstromenergie umgewandelt, die der Belastung 3 zugeführt wird. Je nachdem
die Drehzahl des Schwungrads 6 während des Auslaufens vermindert wird, wird die
Erregung der Gleichstrommaschine 5 selbsttätig verstärkt, so daß die Spannung des
abgegebenen Gleichstromes in der Hauptsache konstant gehalten wird, unabhängig von
der Drehzahl. Durch eine zweckmäßige Umstellung der Regler i o und 8 der Gleichstrommaschine
5 und des Einankerumformers 4 kann der vom Umformer an die Belastung 3 abgegebene
Wechselstrom während der ganzen Auslaufzeit des Schwungrades 6 bei konstanter Frequenz
und Spannung gehalten werden. Dabei kann beispielsweise der Regler io der Gleichstrommaschine
die Wechselspannung an der Verbraucheranlage 3 und der Regler 8 des Einankerumformers
die Frequenz an der genannten Anlage fühlen, oder umgekehrt.
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Unter der Voraussetzung, daß die Belastung in der Verbraucheranlage
3 von vornherein gegeben und konstant ist, kann die Erregung des Einankerumformers
ein für allemal eingestellt werden, so daß der Bedarf an einem besonderen Regler
wegfällt. In solchem Falle wird der Regler io der Gleichstrommaschine 5 angeordnet,
die Spannung zu fühlen, so daß diese während des Auslaufens beim Wegfall des Netzes
konstant gehalten wird. Wenn dabei als Gleichstrommaschine eine Gleichstrommaschine
der selbstregelnden Type verwendet wird, werden alle äußeren Regler überflüssig.
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Es wird vorausgesetzt, daß die Momentanreserv ekraftan.lage q., 5,
6 bei der praktischen Ausführung außer mit den, erforderlichen.Reglern auch mit
einer zweckmäßigen Automatik versehen wird,, so daß sowohl das Anlassers und der
Übergang zu. Generatorbetrieb beim Wegfall des Netzes als auch erneutes Anfahren.
auf volle Drehzahl, wenn, das Dieselaggregat 12, 13 angelassen worden, ist und die
Energielieferung übernommen hat, .voll automatisch erfolgt. Diese. Automatik kann
in an sich bekannter Weise angeordnet werden, weshalb keine Veranlassung vorliegt,
auf dieselbe hier einzugehen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist der Synchrongenerator des
gewöhnlichen Reservekraftaggrega.tsweggelassen und derEinankerumformer.I als Generator
zum fortgesetzten Aufrechterhalten des Betriebes, bis das Netz die Energielieferung
wieder übernehmen kann, ausgenutzt «-orden:. Für diesen Zweck kann der Dieselmotor
12 mit dem Einankerumformer 4 mechanisch zusammengekuppelt werden, und, zwar mit
Hilfe einer Magnetkupplung 14., die wirksam wird, wenn. der Dieselmotor ;eine volle
Drehzahl erreicht hat. Auch hier wird vorausgesetzt, daß die Reservekraftanlage
mit erforderlichen Reglern und Automatik versehen ist. Ferner ist die Wechselstromseite
des Umformers. in Parallele mit der Belastung 3 an. das Wechselstromnetz i über
Reaktoren oder Kondensatoren 15 angeschlossen und der Regler 8 so angeordnet, daß
die Belastung 3 bei gewöhnlichem Betrieb eine konstante Spannung erhält, unabhängig
von den Variationen der 1NTetzspannung.
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In der in Fig. 2 gezeigten Anlage kann der Einankerunlformer d. entweder
vom \Tetz aus in der oben beschriebenen Weise angelassen. werden, oder eis kann,
auch der Umformer mit Hilfe des Dieselmotors 12 angelassen und auf das Netz eingephast
werden. Das Schwungrad6 wird mittels derGleichstrommaschine 5 auf eine zweckmäßig
hohe Drehzahl gebracht. Bei ungestörtem Betrieb regelt der Feldregler 8 des Einankerumformers
4 auf konstante: Spannung an der Belastung 3, während der Regler io derGleich,strommaschine
abgeschaltet ist. Der Dieselmotor 12 ist vom Einankerumformer .I mechanisch getrennt
und steht still. Beim Eintreffen einer Störung im Netz i wird dieses mittels des
Schalters.2 unmittelbar von. der Verbraucheranlage 3 getrennt. Die Energielieferung
wird dann anfangs vom Schwungrad 6 via Gleichstromtnaschine 5 und Einankerumformer
q. übernommen. Der Regler 8 des Einankerumformers 4 regelt dabei wie zuvor auf konstante
Spannung und der Regler io der Gleichstrommaschine 5 auf konstante Frequenz. Sobald
der Dieselmotor 12 nach Empfang des Anlaßimpulses seine volle Drehzahl erreicht
hat, wird die Magnetkupplung 14 geschlossen und gleichzeitig wird, der Regler io
der Gleichstrommaschine5 weggeschaltet, wodurch derDieselmotor 12 die Energielieferung
übernimmt. Der Regler 8 des Einankerumformersq. regelt, dabei nach wie vor auf konstante
Spannung. Dann wird das Schwungrad 6 auf seine ursprüngliche hohe Drehzahl gebracht,
und zwar gemäß einem in geeigneter Weise angepaßten Programm. Wenn die Spannung
am Netz i zurückgekommen. ist, wird das Netz wieder durch Schließen des Schalters
2 eingeschaltet, die Magnetkupplung 14 wird geöffnet und der Dieselmotor 12 zum
Stillstand gebracht.
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Es soll hervorgehoben. werden, daß die in der Reservekraftanlage gemäß
der Erfindung eingehen den Einheiten aus Standardmaschinen. bestehen. Die in Fig.
i gezeigte Anlage hat zwei, aber die Anlage gemäß Fig. 2 nur eine Maschine mehr
als ein gewöhnliches ReservekraftaggregatohneMomentanreserve. Die im Momentanreservekraftaggregat
eingehende Gleichstrommaschine kann -verhältnismäßig klein gewählt werden, weil
sie während der kurzen Zeit, in welcher sie als Generator arbeitet, vom Schwungrad
6 angetrieben, sehr stark überlastet «-erden kann. Bei kleineren Aggregaten fordert
das Schwungrad kenne besondere Lagerung. sondern. es kann direkt auf die Welle der
Gleichstrommaschine montiert werden. Die Umformunder
Bewegungsenergie
des Schwungrades. in elektrische Wechselstromenergie erfolgt mit hohem Wirkungsgrad
dank der Eigenschaft des Einankerumformers, eine »Sparschaltung« zwischen, der Gleichstromseite
und der Wechselstromseite zu bilden. Bei derAusführungsform gemäß Fig. 2 wird derMaschineneffekt
auf den denkbar kleinsten,Wert beschränkt, dadurch, daß der Einankerumformer ,4
sowohl als Generator, vom Dieselmotor 12 oder einer anderen Reservekraftmaschine
angetrieben, als auch als Umformer zwischen Wechselstrom und Gleichstrom benutzt
wird.
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Um ein Anlassen des Einankerumformers ohne allzu hohe Stromstöße zu.
ermöglichen, kann, e#, zweckmäßig sein, die Statorwicklung des Umformers als eine
gewöhnliche sterngeschaltete Dreh-<tromwicklung auszuführen. Die Maschine kann
dann, in derselben Weise angelassen werden, wie eine gewöhnliche Asynchronmaschine
mit. Schleifringen. Wenn die Maschine ihre volle Drehzahl erreicht hat, wird der
Stator mittels, Gleichstrom erregt, der zwei von denKlenmen der sterngeschalteten.
Wicklung zugeführt wird, während die dritte Klemme mit dem Nullpunkt verbunden wird.
In, dieser Weise wird die Statorwicklung sowohl .als Anlaßwicklung, als Erregungswicklung
und als Dämpferwicklung benutzt. Die Automatik und die Reglerausrüstung muß natürlich
dabei den geänderten Verhältnissen angepaßt werden.
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Da der Wirkungsgrad des Einankerumformers bei cos 99 = i am
höchsten ist, kann es zweckmäßig sein, denn reaktiven Effektbedarf der Belastung
3 in an sich bekannter Weise mittels einer an, die Belastung angeschlossenen Kondensatorhatterie
16 zu kompensierenr.
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In den oben beschriebenen Anordnungen, entsteht beim Wegfall der Spannung
an den speisenden Netz, wenn; dessen, Impedanz niedrig ist, oder beim Kurzschluß
in dein speisenden, Netz, ehe der Schalter 2 geöffnet hat, ein kurzes Zeitintervall,
wenn die Spannung an der Verbraucheranlage 3 Null ist. Dieses Zeitintervall ist
nur von der Größenordnung 2o bis 5o Millisekunden und eine derartig kurze Spannungsunterbrechung
kann im allgemeinen toleriert werden. Wenn der Einankerumformer q. und die unterbrechungsempfindliche
Belastung 3 an das speisende Netz i über Reaktoren oder Kondensatoren 15 angeschlossen
sind, wie in Fig. 2 angedeutet, sinkt übrigens die Spannung an der Belastung 3 nicht
auf Null während des genannten Intervalls, sondern nur auf einen endlichen Wert,
dessen Größe von der Größe der Reaktoren oder Kondensatoren und von den dynamischen
Eigenschaften des Einankerumformers abhängig ist. Durch eine zweckmäßige Dimensionierung
der Anlage kann der Spannungsabfall an der Belastung 3 binnen sehr engen Grenzen
gehalten werden.
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In ge-,vissen Fällen fordert man jedoch eine absolute Störungsfreiheit
ohne Änderung der Spannung und Frequenz an der Verbraucheranlage 3. Diese kann dadurch
erhalten werden, daß die Anlage gemäß Fig. i oder 2 in der in Fig. 3 und 4 gezeigten
Weise modifiziert wird. Gemäß diesen Figuren wird der Einankerumformer q. in ungestörtem
Betrieb vom Wechselstromnetz i aus mittels eines an dieses angeschlossenen Motors
18, vorzugsweise eines kurzgeschlossenen Asynchronmotors, angetrieben, während die
Verbraucheranlage 3 nur an die Wechselstromseite des Umformers angeschlossen ist.
Hierdurch wird erreicht, daß der Einankerumformer q. schon bei ungestörtem Betrieb
die Verbraucheranlage 3 mit Wechselstrom speist, weil er gleichzeitig die als Motor
arbeitende Gleichstrommaschine 5 mit Gleichstrom speist. Beim Wegfall des Netzes
speist der Einankerumformer nur die Verbraucheranlage 3 unter Aufnahme von Energie
von der dabei vom Schwungrad angetriebenen, als Generator arbeitenden Gleichstrommaschine
5. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 besteht das gewöhnliche Reservekraftaggregat
aus einem Dieselmotor 12 oder anderer Reservekraftmaschine und aus einem von diesen
angetriebenen Generator 13, welcher, nachdem der Dieselmotor beim Wegfall des Netzes
angelassen worden ist und seine volle Drehzahl erreicht hat, mittels des Schalters
i i an die Asynchronmaschine 18 angekuppelt wird. Bei der Ausführungsform gemäß
Fig. ,4 sind der Synchrongenerator 13 und der Schalter i i weggelassen, indem der
Dieselmotor 12 direkt an den Einankerumformer q ankupplungsbar ist, beispielsweise,
wie gezeigt, mittels einer Magnetkupplung 1q. über die Welle der Asynchronmaschine
18. Anstatt des Asynchronmotors 18 kann ein Reaktionsmotor oder eine andere Maschine,
die nicht von den in dem speisenden Netz i etwa auftretenden Störungen gebremst
wird, verwendet werden.
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Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 3 und 4. wird ein vollständig
ungestörter Betrieb an der unterbrechungsempfindlichen Belastung 3 erhalten. Bei
der Verwendung einer Asynchronmaschine als Antriebsmotor für den Einankerumformer
wird ferner das Anlassen vereinfacht.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist vorausgesetzt worden,
daß der Umformer q. zwischen Gleichstrom und Wechselstrom aus einem Einankerumformer
besteht. Auch eine andere Art von 'rotierenden Umformern, beispielsweise ein Motorgenerator
oder ein Kaskadenumformer, kann verwendet werden, wenn es auch in solchem Falle
schwieriger wird, die Regelprobleme zu lösen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig.
i kann ferner als Umformer zwischen Gleichstrom und Wechselstrom ein Stromrichter,
beispielsweise ein Quecksilberstromrichter, verwendet werden, wenn die Verbraucheranlage
3 Synchronmaschinen enthält. In den meisten Fällen dürfte es jedoch am zweckmäßigsten
sein, einen Einankerumformer zu benutzen, und zwar auf Grund dessen niedrigen Anschaffungspreises
und guten Wirkungsgrades sowie auf Grund der Möglichkeit, mittels desselben die
Spannung an der Verbraucheranlage auch bei gewöhnlichem Betrieb zu regulieren, und
zwar in Zusammenwirkung mit Reaktoren oder Kondensatoren, welche zwischen dem Netz
und dem Einankerumformer eingeschaltet sind.