Anordnung zur Synchronisierung von Synchronmaschinen mittelst wattmetrischer Relais, Die Erfindung betrifft eine Einrichtung. die,auf selbsttätigem Wege dafür sorgt, dass bei der Synchronisierung von Synchron rnasehinen, beziehungsweise von Wechsel stromnetzen der Hauptschalter im Moment der mindestens annähernden Phasenüberein stimmung der beiden zu synchronisierenden Spannungen geschlossen wird.
Eine solche Synchronisierung ist beispielsweise für die .ogenannte Schnellst' nchronisierung erforder lich, bei der die zunächst schwach erregte Maschine in der Nähe der Phasengleichheit eventuell über eine Drossel ans Netz ge- sehaltet wird und sich nun bei schneller Er- re",ungsstei@",erung rasch und sicher ein schwingt.
Für diese Synchronisierung ist ausser dem Schalten in der Nähe der Phasen gleichheit erforderlich, dass beim Schliessen des Schalters die beiden Spannungen in ihrer Frequenz nicht mehr sehr voneinander ab- -eichen, bezw. dass die Schlupffrequ.enz dieser beiden Spannungen bereits einen be stimmten Wert unterschritten hat; wird bei einem bestimmten Schlüpf geschaltet, so muss der Steuerstromkreis, dessen Stromimpuls das Schliessen des Hauptschalters bewirkt, zu einem Zeitpunkte unter Strom gesetzt werden, der eine bestimmte Zeit vor dem Moment der Phasenübereinstimmung der bei den zu synchronisierenden Spannungen liegt.
Diese Zeit stimmt überein mit der Verzöge rung, die am Schalter vom Stromimpuls bis zum effektiven Schliessen der Kontakte vor handen ist. Die Kontakte des Hauptschal ters werden dann im Momente der Phasen übereinstimmung geschlossen. Wird die Ma schine beim Durchfahren des Fangbereiches bei einem bestimmten Grenzschlupf geschal tet, so genügt für die Automatik die Ein stellung einer bestimmten konstanten Vor- eilung. Zur selbsttätigen Überwachung des Steuerstromkreises kann man ein Relais in der Bauart eines wattmetrischen Relais, kom biniert mit andern Relais, verwenden,
dessen zwei Spulen je an eine der beiden zu syn chronisierenden Spannungen angeschlossen sind und -dessen Zeiger daher im Takte der Schlupffrequenz nach links und rechts aus schlägt und so durch Schliessen und Öffnen von Kontakten während einer Halbperiode der Schlupffrequenz den Steuerstromkreis freigibt, während der zweiten ihn sperrt. Die Freigabezeit oder der Kontaktumschlag des wattmetrischen Relais muss in diesem Falle symmetrisch zum Zeitpunkte der Phasen übereinstimmung der beiden zu synchroni sierenden Spannungen gelegt werden.
Ist dies nämlich nicht der Fall, so ergeben sich zwi schen dem Beginn der Freigabezeit und dem Moment der Phasenübereinstimmung ver schiedene Zeitabstände, je nachdem. die zu- zuschaltende Maschinenspannung sieh in ihrer Frequenz von oben oder von unten der Netzfrequenz nähert. Man ist daher in der @Vanl einer die Schalterverzögerung genau berücksichtigenden Vorverlegung des Strom impulses für die Auslösung des Schalters sehr behindert, da diese Vorverlegungszeit immer den vierten Teil oder die Hälfte einer Schlupfperiode beträgt.
Wünscht man zum Beispiel den Synchronisierungsvorgang nach Unterschreitung einer Schlupffrequenz von sich vollziehen zu lassen, so ist dies mit einem wattmetrischen Relais nur mög lich, wenn die Eigenzeit des Ölschalters etwa Sekunde beträgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronisierungseinrichtung, die den ge schilderten Nachteil vermeidet.
Erfindungsgemäss sind zwei wattmetrische Relais vorgesehen, die hintereinander ge- 5chaltete Kontakte des Steuerstromkreises für das Einlegen des Hauptschalters steuern und deren Kontaktschlusszeiten durch Pha senverschiebung der speisenden Spannungen gegeneinander verschoben sind.
Die Erfindung ist in folgendem anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung nä her erläutert. In Abb. 1 bedeuten 10 und 11 die drei Phasen der Netzspannung und der Maschinenspannung, die über den Schalter 12 miteinander verbunden werden sollen. 13 ist ein Gleichstromsteuerkreis, der den Schalter 12 durch Erregung der Spule 14 schliesst. Der Synehronisierungsvorgang wird dabei durch Schliessen des von Hand zu betätigen- den Schalters<B>15</B> eingeleitet.
Damit die oben geschilderten Synchronisierungsbedingungen vorhanden sind, wird der Strom in der Spulr 14 in Hintereinandersehaltung durch zwei wattmetrische Relais a und b überwacht. so dass also die Spule 14 nur dann Strom be kommen kann, wenn beide Relais den Steuer stromkreis freigeben. Die wattmetrischen Relais besitzen in bekannter Weise je zwei Spulen, von denen die eine über den Trans formator 16 von der Netzspannung. die zweite über den Transformator 17 bezw. <B>19</B> von der Maschinenspannung gespeist wird.
Die Zeiger 19 und 20 der Relais a und s) schlagen daher im Takte der Schlup_ffrequenz zwischen der Netz- und der Maschinenspan nung nach links und rechts aus, und zwar liegen sie während eines Zeitraumes, der einer Halbperiode der Schlupffrequenz ent spricht, an dem linken Kontakt 1 bezw. 3 der Relais und während eines ebenso grossen Zeitraumes an dem rechten Kontakt 2 bezw. 4. Das Relais a, gibt den Steuerstromkreis frei, wenn sein Zeiger am Kontakt 2 liegt.
Zur näheren Veranschaulichung der Wir kungsweise der Freigabezeiten der beiden Relais rc und b dient das Dia!#ramm der Abb. 2, das ein Vektordiagramm der SchluT)f- frequenzspannung zwischen dem Netze und der Maschine darstellt. o ist der Drehpunkt des Vektors, die vertikale striehnunktierte Linie bedeutet im obern Teil die Phasen opposition der Netz- und der Haschinenspan- nung, im untern Teil die Phasengleichheit.
Während eines Vektorumlaufes der Sehlirpf snannung gibt das Relais n während einer Halbperiode den St-nerstromkreis frei. wäb- rend einer zweiten Halbperiode sperrt es ihn. Dies ist durch den äussern Kreisring: a in Abb. 2 veranschaulicht, wobei die schwarze Hälfte des Kreisringes die Freigabezeit, die weisse Hälfte die Sperrzeit veranschaulichen soll. Dasselbe gilt für den innern Kreisring b, der sich auf die Sperr- und Freigabezeiten des Relais b bezieht.
Man sieht, dass die Frei gabezeiten der beiden Relais zeitlich nicht miteinander übereinstimmen, sondern eine Phasenverschiebung von etwa 120' besitzen. Diese ist dadurch erreicht, dass die von der Naschinenspannung den beiden Relais a und zugeführten Spannungen Phasenverschie bung besitzen, da die Transformatoren 17 und 18 an verschiedene Phasen der Maschi nenspannung angeschlossen sind. Durchläuft nun der Vektor der Schlupfspannung das Diagramm der Abb. 2 beispielsweise im Uhr zeigersinne, so wird der Stromkreis für die Betätigungsspule 14 von beiden Relais a und b im Zeitpunkte 21 freigegeben und bleibt bis zum Zeitpunkte 22 frei.
Die Spule 11 bekommt also schon zum Zeitpunkte 21 den Stromimpuls, wobei dieser Impuls dem Momente der Phasenübereinstimmung der Netz- und der Maschinenspannung (nach ab wärts gerichtete Lage des Schlupfspa.nnungs- vektors) um etwa 210' voreilt. Man sieht, class man es durch die Phasenverschiebung der den Relais n und b zugeführten Spannun gen in der Hand hat, diesen Voreilwinkel in weiten Grenzen einzustellen und ihn so mit der Schaltverzögerungszeit in Übereinstim mung zu bringen.
Das Diagramm zeigt auch, dass es dabei gleichgültig ist, ob die Syn chronisierung dadurch erreicht wird, dass sich die itlaschinenfrequenz der Netzfrequenz von einer höheren Frequenz aus nähert oder von einer niedrigeren Frequenz aus (was in Abb. 2 durch die Änderung der Umlaufrichtung des Vektors zum Ausdruck käme), da. in bei den Fällen sich derselbe Voreilwinkel des Stromimpulses für die Spule 14 ergibt, nur dass dieser Impuls einmal im Zeitpunkt 21 und das zweite Mal im Zeitpunkte 22 ein setzt.
Die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen der Relais a und<I>b</I> könnte selbst verständlich auch für die Spannungen vor handen sein, die vom Netz den beiden Re lais a und b zugeführt werden. Auch kann man sich<B>zur</B> Ilerbeiführung der Phasenver schiebung beliebiger anderer bekannter Mittel bedienen, indem man etwa dreiphasige Trans formatoren verwendet und von Sterndreieck schaltungen, Zickzackschaltungen oder auch unsymmetrischen Anzapfungen usw. Ge brauch macht. Ebenso könnte man die bei den Relais über Drehtransformatoren von der Maschine oder dem Netz aus speisen.
Die bisher beschriebenen Mittel berück sichtigen noch nicht, dass im Synchronisie- rungsmoment die Schlupffrequenz bereits einen bestimmten Betrag unterschritten ha ben muss. Um dies zu erreichen, ist in den Stromkreis der,Spule 14 noch ein Relais V5- eingeschaltet. Das Relais Yr wird von dem Steuerstromkreis<B>123</B> aus dann erregt, -wenn der Zeiger des Relais b am Kontakt 4 liegt.
(wenn also der Vektor in Abb. 2 die weisse hälfte des Kreisringes b durchläuft). Das Relais Vr arbeitet mit Zeitverzögerung, das heisst es schliesst seinen Kontakt im Strom kreis der Spule 14 erst dann, wenn die Er regungsimpulse, die es über das Relais b be kommt und deren Dauer der Schlupffrequenz umgekehrt proportional sind, genügend lange andauern. Das Relais Vr bleibt jedoch dann beschlossen, auch wenn der Zeiger am Re lais b am Kontakt 3 liegt.
Die Relais<I>a</I> und<I>b</I> steuern nicht un mittelbar den Stromkreis der Spule 14, son dern es ist noch ein Hilfsrelais B dazwischen geschaltet. Damit nach dem Schliessen des Schalters 12 die verschiedenen Relais in die Ausgangsstellung zurückfallen und so für eine spätere Synchronisierung wieder zur -Verfügung stehen, ist noch ein Schalter 23 vorgesehen, der mit dem Schalter 12 ge kuppelt ist und beim endgültigen Schliessen des Schalters 12 die von der Gleichstrom quelle 13 den verschiedenen Relais zugeführ ten Steuerstromkreise unterbricht.
Der Synchronisierungsvorgang bei der Anordnung nach Abb. 1 vollzieht sich fol gendermassen: Nach dem Hochlaufen der zuzuschaltenden Maschine wird der Schalter <B>15</B> geschlossen. Da der Schalter 12 offen ist, so ist auch der Schalter 23 im Steuerstrom kreis geschlossen, und die Relais<I>a</I> und b können den Strom für die Erregung der Spule 14 in der geschilderten Weise freigeben und sperren;
jedoch ist ein Stromfluss erst dann möglich, wenn die Schlupffrequenz zwischen der Maschine und der Netzspannung auf einen genügend geringen Betrag gesunken ist und dementsprechend das Zeitverzögerungs- relais Yr seine Sperrung für die Erregung der Spule 14 aufgehoben hat. Wenn dies der Fall ist, bekommt die Spule 14 über das Zwischenrelais R im richtigen Zeitmomente Erregerstrom und schliesst den Schalter 12 im Zeitpunkte der Phasenübereinstimmung.
Mit dem Schliessen des Schalters 12 wird der Schalter 23 geöffnet und so der Steuerstrom kreis 13 abgeschaltet.
Die Anordnung nach Abb. 3 der Zeich nung deckt sich im wesentlichen mit der der Abb. 1. Es ist jedoch noch ein zweites Ver zögerungsrelais Vr, mit Ruhekontakt vor gesehen. Das Relais wird auf eine wesent lich längere Laufzeit, zum Beispiel das 2,5fache der Verzögerungszeit des Relais Vr eingestellt. Wird am wattmetrischen Relais b vom Zeiger 20 der Kontakt 4, berührt, so laufen beide Zeitrelais gleichzeitig ab.
Nor malerweise kommt bei der grossen Verzöge rungszeit des Relais Vr. dieses nicht zur Wirkung, da der gesamte Synchronisierungs- vorgang stets vor Ablauf des Relais Vr2 be endet sein muss. Tritt aber zum ' Beispiel durch einen plötzlichen Frequenzsprung im Netze während der Laufzeit des Relais 'Vr, ein unnatürlich langes Verweilen des Relais b auf dem Kontakt 4 ein, so schältet das Re lais Yr2 das Relais Vr ab und erzwingt so ein Abwarten, bis der Kontakt 4 vorüber gehend wieder geöffnet wird.
Auf diese Weise schützt das Relais Vrz einmal gegen den Einfluss plötzlicher Frequenzsprünge, die ein Schalten in ungünstiger Phasenlage zur Folge haben könnten. Anderseits werden Störungen und Fehlschaltungen durch zu fälliges Kleben des Zeitrelais Vr unmöglich gemacht.
Durch die beiden Zeitrelais Vr und Vr2 wird erreicht, dass einerseits eine Syn chronisierung nur möglich ist, wenn die Schlupffrequenz zwischen der Netz- und der Haschinenspannung unter einen bestimmten Betrag gesunken ist, anderseits aber auch (infolge des Relais Vr-) einen bestimmten. darunter liegenden Betrag noch nicht er reicht hat. Die Synchronisierung ist also nur für ein bestimmtes Schlupffrequenzband möglich.
Bei der Anordnung nach dem Diagramm der Abb. 2 liegen die Zeitpunkte 21 und 22. zwischen denen der Steuerstromkreis von den iz7attmetrischen Relais freigegeben ist, sym metrisch zum Zeitpunkte der Phasenopposi tion von Netz- und Maschinenspannung. Selbstverständlich kann unter Umständen auch eine unsymmetrische Lage dieser beiden Zeitpunkte zweckmässig sein, die sich mit @[il fe der geschilderten Mittel ohne weiteres er reichen lässt.
Ebenso können die Punkte 21 und 2? in der Nähe der Phasengleichheit von Netz- und Haschinenspannung liegen, wobei sieh dann ein entsprechend geringerer Voreilwin- kel des Stromimpulses der Spule 14 gegen über dem Momente der Phasenübereinstim mung ergibt. Dieser Voreilwinkel kann bei den dargestellten Schaltungen zwischen Null und 90 und zwischen 180 und 270 liegen. Voreilwinkel zwischen 90 und<B>180</B> und 270 und 360 sind mit der dargestellten Schal tung nicht erreichbar.
Es zeigt sich aber, dass beispielsweise der dargestellte Voreil- winkel von 21,0 den Anforderungen, die den Verzögerungszeiten grosser Olseha.lter entsprechen, hinreichend genau genügt.
Die Anordnung nach. Abb. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ebenso wie die Anordnungen nach Abb. 1 oder 3 den Vorteil besitzt, dass man den Stromimpuls für die Auslösung des Schal ters in weiten Grenzen beliebig vor den Mo ment der Phasenübereinstimmung legen kann. und zwar gleichgültig, ob die zuzuschaltende Maschine aus dem unter- oder übersy nchro- nen Zustande sich dem Synchronismus nä hert. Es ist dabei auch möglich, die Vor verlegungszeiten verschieden gToss zu machen.
je nachdem die zuzuschaltende Maschine von über- oder untersynchronem Zustande in den Synchronismus eintritt. Dies kann in vielen Fällen vorteilhaft sein. Gegenüber den An- ordnungen nach Abb. 1 oder 3 besitzt die Anordnung nach Abb.4 noch den weiteren Vorteil, dass die grösste zulässige Schlupf frequenz zwischen den beiden zu synchroni sierenden Spannungen, bei der die Synchroni- sierungseinrichtung bereits in Funktion tritt, verschieden gross gewählt werden kann,
je nachdem die Synchronisierung vom Unter- oder übersynchronen Zustande aus stattfin det. Dies ist insofern vorteilhaft, als bei vie len Maschinen, beispielsweise durch Wasser turbinen angetriebenen Generatoren, das Syn chronisieren im übersynchronen Bereich bei geringerem Schlupfe vorteilhaft sein kann (beispielsweise wegen des bei diesem Syn chronisieren erfolgenden Wasserrückschlages in dem Zuführungsrohr infolge der Dreh zahlverminderung beim Einschalten). und da her für den Untersynchronismus eine grössere maximale Schlupffrequenz zulässig ist als für den Übersynchronismus.
Im einzelnen bedeuten in Abb. 4 110 und 111 die drei Phasen der Netzspannung und der Maschinenspannung, die über den Schalter 112 miteinander verbunden werden sollen. 113 ist ein Gleichstromsteuerkreis, der den Schalter 112 durch Erregung der Spule 114 schliesst, sofern das Relais 115 durch Schliessen der Kontakte 116 dies ge stattet. Der Vorgang wird dabei durch Schliessen des von Hand zu betätigenden Schalters<B>117</B> eingeleitet. Für die Steuerung des Stromkreises der Spule 114 über das Re lais<B>115</B> sind nun zwei Relais 118 und 119 in der Bauart von Wattmetern vorgesehen.
Die wattmetrischen Relais besitzen in be kannter Weise je zwei Spulen, von denen die eine über einen Transformator 140 von der Netzspannung, die zweite über Transforma toren 141 von der Maschinenspannung ge speist wird. Die Zeiger 121 und 122 der wattmetrischen Relais schlagen daher im Takte der Schlupffrequenz zwischen der Netz und der Maschinenspannung nach rechts und links auund liegen während der einen Halb periode an dem linken, während der andern Halbperiode an dem rechten Kontakt.
Die Kontakte 2, 3 der beiden wattmetrischen Relais liegen nun in Hintereinanderschaltung in dem Gleichstromsteuerkreis (113+, Kon takte 121., 2, Relais 115, Kontakte 128 oder 129, Kontakte 3, 122, -Pol), der über das Relais<B>1.15</B> die Spule 114 zur Auslösung bringt, sofern die Lage der Zeiger der bei den wattmetrischen Relais dies gestattet. Der Strom der Spule 114 wird nur dann freigegeben, wenn sowohl der Zeiger 121 am Kontakt 2, als auch der Zeiger 122 am Kon takt 3 liegt. Die Wirkungsweise der beiden wattmetrischen Relais ist im übrigen die selbe wie die der wattmetrischen Relais der Abb. 1 und 3.
Die Phasenverschiebung des Kontaktwech sels an den beiden wattmetrischen Relais ist durch verschiedenphasigen Anschluss der die Relais speisenden Transformatoren 140 und 141 erreicht. Selbstverständlich kann man sich zur Herbeiführung der Phasenverschie bung beliebiger anderer Mittel bedienen.
Um zu erreichen, dass im Synchronisie- rungsmornent die Schlupffrequenz einen be stimmten kleinen Betrag bereits erreicht hat, sind die beiden mit Zeitverzögerung arbeiten den Relais 126 und<B>127</B> vorgesehen; diese beiden Zeitrelais geben den Strom für die Spule 114 mittelst der von ihnen gesteuerten Kontakte 128 und 129 nur dann frei, wenn sie genügend lange erregt werden. Der Strorn- schluss durch die Kontakte 128 und 1211 hört aber sofort auf, wenn die Erregung für die Zeitrelais ausbleibt.
Die Zeitrelais 126 und 127 werden nun von der Gleichstrom quelle 113 aus dann erregt, wenn der Zeiger des Relais 118 am Kontakt 1 und der Zeiger des Relais 119 am Kontakt 4 liegt. Die Zeit relais 1\26 und 127 werden also nur dann erregt, wenn das zugehörige wattmetrische Relais während einer Halbperiode den Strom für die Spule 114 sperrt. Die Zeitrelais geben entsprechend ihrer Bauart den Strom für die Spule 114 nur dann frei, wenn die Zeiger der wattmetrischen Relais 118 und 119 genügend lange an den Kontakten 1 bezw. 4 liegen,
das heisst wenn die Schlupffrequenz zwischen den beiden zu synchronisierenden Spannun- gen genügend klein ist, und sie sperren den Strom für die Spule 114 sofort wieder, wenn die Zeiger die Kontakte 1 und 4 verlassen haben. Nachdem aber die von den Zeitrelais gesteuerten Kontakte 128 und 129 in Paral lelschaltung in den Stromkreis des Relais 11;) eingeschaltet sind, so genügt es für die Aus lösung des Schalters, dass eines der beiden Zeitrelais den Strom für die Spule 114 frei gibt.
Um zu verhüten dass die Zeitrelais 126 und 127 die von ihnen gesteuerten Kontakte 128 und 129 wieder abfallen lassen, wenn die wattmetrischen Relais 118 und 119 Kontakt wechsel vornehmen, sind diese beiden watt metrischen Relais derart ausgebildet, dass der Umschlaghebel<B>121</B> bezw. 122 während des Kontaktwechsels für kurze Zeit sowohl mit dem alten, als auch mit dem neuen Kon takt elektrisch verbunden ist.
Die Wirkungsweise der wattmetrischen und Zeitrelais ist nun gemäss dem Vektor diagramm der Abb. 2 derart, dass beim Um laufen des Vektors im Uhrzeigersinne, wenn also beispielsweise die Frequenz der Maschi nenspannung sich vom Untersynchronismus aus der Netzspannung nähert, im Zeitpunkte 21, wenn also das wattmetrische Relais<B>118</B> Kontaktwechsel vornimmt und der Kontakt 128 des Zeitrelais 126 noch nicht abgefallen ist, der Spule 114 mittelst des Relais 115 ein kurzer Stromimpuls gegeben wird, der das Einlegen des Hauptschalters herbeiführt Läuft der Vektor entgegen dem Uhrzeiger sinne um, nähert sich also die Maschinen frequenz der Netzfrequenz vom Übersynchro nismus aus,
dann bekommt die Spule 114 im Zeitpunkte 22 den Stromimpuls, wobei das wattmetrische Relais 119 und das Zeitrelais 127 in der geschilderten Weise zusammen arbeiten. Man sieht, dass für die Bestimmung des Grenzschlupfes, bei dem eine Synchroni sierung möglich ist, in dem einen Fall die Einstellung am Zeitrelais 126, in dem andern Fall die Einstellung am Zeitrelais 127 massgebend ist. Nachdem man die bei den Relais verschieden einstellen kann, ist es also ohne weiteres möglich, mit verschie denem Grenzschlupf beim Synchronisieren vom unter- und übersynchronen Zustande zu arbeiten.