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Anordnung zum Parallelschalten ein- oder mehrphasiger Synchron-Synchron-Umformer
Die für die bekannten Zwecke benutzten Synchron-Synchron-Umformer bestehen vielfach
zur besseren Ausnutzung der Anlagen aus mehreren entsprechend kleineren Umformereinheiten,
von denen je nach Bedarf eine oder mehrere oder auch alle parallel arbeiten. Damit
ein Parallelschalten möglich ist, müssen die Einheiten unter sich gleich ausgeführt
sein und bekanntlich in ganz bestimmter Weise betrieben werden. Es ist bekannt,
daß ein Parallelschalten einer leer laufenden Einheit zu einer bereits unter Last
arbeitenden Einheit stoßfrei nur dann möglich ist, wenn die Spannungsvektoren der
gleichen Phase der parallelzuschaltenden Einheiten schon vor dem Zusammenschalten
übereinstimmen.
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Es bedarf hierzu eines gleichen Drehsinns der einzelnen Umformereinheiten
gleicher Spannungsamplituden und gleicher Frequenz sowie einer gleichen Phasenlage
der Spannungen der parallelzuschaltenden Einheiten. Bei Antrieb der Einheiten durch
Synchronmotoren ist die Frequenz von der Generatorseite festgelegt. Die Phasenlage
der Generatorspannung ist durch die Anordnung der Wicklungen bzw. die Stellung der
Kupplung ebenfalls in ganz bestimmter Weise definiert. Demnach ist darauf zu achten,
daß für sämtliche parallel zu betreibende Einheiten mindestens eine gemeinsame stationäre
Phasenlage für gleiche Lastzustände, z. B. auf der Motorseite, vorhanden ist. Dadurch
ist aber die Phasenlage auf der Generatorseite noch nicht vollständig bestimmt.
Die Welle eines Synchronmotors mit p m-Polpaaren kann gegenüber der Welle eines
gleichen anderen Synchronmotors p @I verschiedene Winkellagen bei synchronem
Betrieb einnehmen. Die Spannungsvektoren der starr mit den Motoren gekuppelten Generatoren
nehmen die gleiche Anzahl verschiedener Phasenlagen ein, die den verschiedenen möglichen
relativen Winkellagen der Motoren entsprechen. Es gilt dabei PG =xiv'pG@ und zwar
ist Y'G die Phasenverschiebung des Generators, xw die Maschinenstellung der Welle
und pa die Polpaarzahl des Generators. Wie sich leicht nachweisen läßt, gibt es
z. B. für einen 50/60-Hz-Umformer eine einzige Synchronbetriebsstellung, die den
Umformereinheiten gemeinsam ist und bei der für gleiche Lastzustände die Spannungsvektoren
auf der Generator- und der Motorseite sich schon vor dem Zusammenschalten decken.
Diese Stellung muß nun beim Parallelschalten erfaßt werden, damit eine stoßfreie
Leistungszufuhr möglich ist.
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Die Parallelschaltung mehrerer in gleicher Weise belasteter Einheiten
ist leicht erreichbar, indem die gleichen Phasenlagen durch an sich bekannte Synchronisiermittel
erfaßt werden. Die Schwierigkeit im vorliegenden Fall besteht aber nun darin, daß
zu einer oder mehreren belasteten Einheiten eine unbelastete Einheit zugeschaltet
werden soll. In diesem Fall stimmen nämlich die vorerwähnten Winkel nicht mehr überein,
da bekanntlich die belastete Einheit gegenüber der leer laufenden eine Phasenverschiebung
um den Lastwinkel OL hat. Dieser Lastwinkel bestimmt sich nach folgender Gleichung:
Om als Polradwinkel des Motors, OG als Polradwinkel des Generators, pG, par als
Polpaarzahl von Generator und Motor. Damit die noch leer laufende parallelzuschaltende
Einheit die Last stoßfrei übernehmen kann, muß im Zuschaltaugenblick eine Phasenverschiebung
r9L zwischen der Spannung der unter Last arbeitenden Einheit und der Spannung der
zuzuschaltenden Einheit vorhanden sein, wobei die Spannung der zuzuschaltenden Einheit
um diesen Winkel voreilen muß. Beim Parallelschalten werden dann die Spannungsvektoren
zur Übereinstimmung gebracht. Es ist auch notwendig, daß die Lastwinkel aller belasteten
Einheiten gleich groß sind.
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Die Last teilt sich nun je nach dem Erregungszustand der einzelnen
Einheiten auf diese entsprechend auf. Dabei kann der Lastwinkel 'OL einen Wert annehmen,
der einer durch falsche Synchronstellung vorgegebenen
Phasenverschiebung
entspricht. Wenn also an sich bekannte Synchronisiereinrichtungen wie üblich verwendet
werden, können die parallelzuschaltenden Einheiten niemals eindeutig in der richtigen
Phasenlage zugeschaltet werden.
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Dies ist z. B. bei einer bekannten Parallelschalteinrichtung der Fall,
bei der die miteinander parallelzuschaltenden Generatoren mit Impulserzeugern mechanisch
gekuppelt sind und die Parallelschaltung in Abhängigkeit von einer bestimmten Relativlage
der Impulse ohne Berücksichtigung des Lastwinkels erfolgt. Daher eignet sich die
bekannte Einrichtung nur zum Parallelschalten von unbelasteten Generatoren.
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Es ist nun eine Synchronisiereinrichtung bekanntgeworden, die nach
dem Prinzip der Dunkelschaltung arbeitet. Zur Berücksichtigung des Lastwinkels OL
wird bei der bekannten Einrichtung aus dem Drehstromsystem der einen der parallelzuschaltenden
Einheiten ein Spannungsvektor gewonnen, der so gerichtet ist, daß er den Summenvektor
der beiden gegeneinandergeschalteten Spannungsvektoren bei richtiger Synchronstellung
der parallelzuschaltenden Einheiten praktisch aufhebt. Dieser korrigierende Spannungsvektor
verändert abhängig vom Wirkstrom des Synchronmotors seinen Betrag, so daß wegen
der nahezu proportionalen Abhängigkeit des Lastwinkels vom Wirkstrom eine Anzeigelampe
oder ein anderer Indikator die richtige Synchronstellung zur Anzeige bringen kann.
Der Spannungsvektor hat also eine bestimmte feste Phasenzuordnung zu einem der beiden
Bezugsspannungsvektoren und wird in seinem Betrag in Abhängigkeit vom Wirkstrom
des Motors oder des Generators verändert. Ein völliges Eliminieren des Lastwinkeleinflusses
im Meßteil der Synchronisiereinrichtung kann damit nicht erreicht werden, jedoch
reicht die erzielbare Genauigkeit für 50/60-Hz-Umformer mit unterschiedlichen Phasenlagen
von 72° el. aus, um die richtige Phasenlage für das Parallelschalten eindeutig ermitteln
zu können. Die bekannte Anordnung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig und nicht
für eine selbsttätige Synchronisierung bestimmt.
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Zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile wird bei einer Anordnung
zum Parallelschalten ein- oder mehrphasiger gleicher Synchron-Synchron-Umformer,
die mechanisch mit Impulserzeugern gekuppelt sind, wobei die von dem in Betrieb
befindlichen Umformern abgeleiteten Impulse mit dem von den parallelzuschaltenden
Umformern abgeleiteten Impulse derart in Vergleich zueinander gesetzt sind, daß
bei gleichzeitigem Auftreten das Parallelschalten ausgelöst wird, erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß die Impulse des parallelzuschaltenden Umformers über ein Verzögerungsglied
einer Impulsvergleichsschaltung zugeführt sind und daß das Verzögerungsglied entsprechend
dem jeweiligen Polradwinkel in seiner Zeitverzögerung verändert wird.
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Es ist dabei von der Voraussetzung ausgegangen, daß bei Synchron-Synchron-Umformern
mit gleichen Verhältnissen der Polzahlen die Drehzahl aller Umformer gleich ist
und sowohl Drehrichtung als auch Generatorspannung übereinstimmen. Somit kann das
Parallelschaltkriterium der gleichen Phasenlage der Generatorspannung aus der gegenseitigen
räumlichen Lage der Generatorwellen oder entsprechender umlaufender Teile abgeleitet
werden. Selbstverständlich ist gefordert, daß die einzelnen Umformer in ihren elektrischen
und mechanischen Daten übereinstimmen. Wenn nach dem Obigen die Wellen oder andere
umlaufende Teile der Generatoren bzw. Motoren dieselbe räumliche Lage zum Ständer
haben, besteht keine Phasenverschiebung zwischen den Generatorspannungen, so daß
die Generatoren parallel geschaltet werden können. Auf den Wellen oder den damit
umlaufenden Teilen der Generatoren oder Motoren der zu vergleichenden Umformereinheiten
werden an definierten Punkten Impulsgeber angeordnet, die beim Vorbeilauf an gerätefest
zugeordneten Mitteln Impulse erzeugen. Beispielsweise können mit den Wellen Dauermagnete
verbunden sein, wobei als Abtasteinrichtungen Hallgeneratoren oder Induktionsspulen
in Frage kommen. An Stelle einer solchen Einrichtung können auch fotoelektrische
Systeme verwendet werden. Die so erzeugten Impulse der in Betrieb befindlichen oder
bereits synchronisierten Umformer werden hinsichtlich ihrer zeitlichen Reihenfolge
mit den Impulsen der zuzuschaltenden Umformer verglichen. Wenn die Vergleichsimpulse
beider Umformer zur gleichen Zeit auftreten, so besagt dies, daß der relativ räumliche
Winkel zwischen den beiden Generatorwellen gleich Null ist. Somit stimmen auch die
Spannungen der Generatoren, die im Leerlauf etwa den Klemmenspannungen entsprechen,
überein.
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Bei Verwendung von Synchronmaschinen mit Vollpolläufern wird der Anlauf
entweder durch Anwurfmotor bis in die Nähe der Synchrondrehzahl geführt oder derselbe
mit einer Anlaufwicklung erzwungen, die als Kurzschlußkäfig ausgeführt sein kann.
Es muß hierzu Vorkehrung getroffen werden, daß der zu synchronisierende Umformer
auch in der Nähe der Synchrondrehzahl ein ausreichendes asynchrones Moment entwickelt,
damit er möglichst nahe an die Synchrondrehzahl herankommt. Die synchrone Drehzahl
ist hierbei mit n, bezeichnet, so daß sich der Schlupf
ergibt, wobei mit n die augenblickliche Drehzahl des zu synchronisierenden Umformers
gemeint ist. Dieser Schlupf s ist von den Motorverlusten abhängig; der Motor fällt
erst nach Einschalten der Erregung in Tritt.
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Bei jeder Umdrehung der Welle wird in der Bezugsstellung durch den
Impulsgeber ein Impuls erzeugt, dessen Frequenz mit f1 bezeichnet ist, wobei gilt:
Die entsprechend ermittelte Impulsfrequenz des zu synchronisierenden Umformers ist
mit f bezeichnet. Die Impulse mit der Frequenz f werden mit den Impulsen der Frequenz
f1 in einer Vergleichsschaltung hinsichtlich ihres zeitlichen Auftretens miteinander
verglichen, wobei als Vergleichsschaltung vorteilhafterweise eine solche aus kontaktlosen
Halbleiterelementen benutzt ist. Sobald beide Impulse gleichzeitig auftreten, wird
der Synchronisierungsbefehl gegeben. Um jedoch die Aussendung eines Synchronisierungsbefehls
schon während des Hochlaufs, d. h. bei einem Schlupf von beispielsweise mehr als
etwa 3 °/a wegen der dabei zu erwartenden unerwünschten Leistungspendelungen zu
unterbinden, wird durch ein Schlupfüberwachungsgerät die Zuschaltung erst nach Erreichen
des geforderten Minimalschlupfes möglich gemacht. Bis zur Erreichung eines am Gerät
einzustellenden Minimalschlupfes wird die Synchronisiereinrichtung gesperrt.
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Es ist klar, daß die Synchronisierung entweder zuerst auf der Generatorseite
und dann auf der
Motorseite oder auch umgekehrt erfolgen kann. Im
letztgenannten Fall würde das Synchronisierungskommando die Einschaltung der Motorerregung
freigeben.
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Durch ein in der Synchronisiereinrichtung vorgesehenes Zeitglied kann
eine Anpassung des Zuschaltzeitpunktes an die Eigenzeiten der verwendeten Schaltgeräte
leicht vorgenommen werden. Es ist klar, daß auch mit dieser Anordnung eine Feinsynchronisierung
nicht ohne weiteres möglich ist, da die Parallelschaltung eines leer laufenden zu
einem belasteten Umformer nur unter einem in Annäherung von der Wirklast abhängigen
Phasenwinkel möglich ist, der ohne zusätzliche mechanische Einrichtungen (z. B.
Ständerdrehvorrichtung) nicht eliminiert werden kann. Jedoch ist durch den Vergleich
der räumlichen Wellenlagen eine eindeutige Bestimmung des Synchronisierzeitpunktes
auch ohne Einbeziehung der Lastwinkel möglich, so daß gegenüber den bekannten Anordnungen
ein wesentlicher Vorteil vorliegt.
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Bei Verwendung von Synchronisiermaschinen mit ausgeprägten Polen in
den Umformereinheiten wird der zu synchronisierende Umformer entweder mittels eines
gesonderten Anlaufmotors bis in die Nähe der synchronen Drehzahl gebracht, oder
aber es wird ein Hochlaufen ohne gesonderten Anlaufmotor durch Anbringen einer Anlaufwicklung
erzwungen, die beispielsweise als Kurzschlußkäfig in den Polschuhen untergebracht
sein kann. Der im letztgenannten Fall wie ein Asynchronmotor hochlaufende Motor
wird dann durch sein Reaktionsmoment von selbst in den Synchronismus gezogen. Dabei
muß der kritische Schlupf sk, bei dem der Umformer noch sicher in Synchronismus
gelangt, mit kleiner werdender Eigenschwingungszahl des Motors kleiner werden. Es
gilt hierbei für
mit ne als Eigenschwingungszahl.
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Es darf in diesem Zusammenhang bemerkt werden, daß der günstigste
Einfluß des Reaktionsmomentes und der Dämpferwicklung, durch den der Wert des kritischen
Schlupfes etwa auf das Doppelte erhöht werden kann, dabei unberücksichtigt geblieben
ist. Da im Fall von Maschinen mit ausgeprägten Polen der Hochlauf in den synchronen
Zustand verhältnismäßig schnell erfolgt und der Umformermotor sich schon im unerregten
Zustand synchronisieren kann, müssen in Ergänzung zu den für Vollpolläufer angegebenen
noch zusätzliche Maßnahmen getroffen werden.
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Wenn man die Lage der einzelnen Spannungsvektoren zweier mit Synchrondrehzahl
umlaufender Umformereinheiten betrachtet, von denen die eine belastet und die andere
unbelastet ist, so läßt sich für einen bestimmten Zeitpunkt erkennen, daß das Polrad
des unbelasteten Umformers dem Polrad des belasteten Umformers um einen bestimmten
Polradwinkel, den Lastwinkel, voreilt. Entsteht pro Umdrehung der Generatorwelle
ein Impuls, so ist der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Impulse
Sekunden, wenn die Generatorwelle n Umläufe in der Minute macht. Dieser zeitliche
Abstand entspricht einem räumlichen Winkel von 360'. Ein Polradwinkel von 0 entspricht
einem räumlichen Winkel von
wobei p die Polpaarzahl bedeutet. Für die durch den Polradwinkel ü hervorgerufene
zeitliche Verschiedenheit der Abtastimpulse gilt demnach
Es ist also notwendig, die Impulse des unbelasteten Umformers über ein Verzögerungsglied
der Impulsvergleichsanordnung zuzuführen, um eine Synchronisierung zu erreichen.
Dieses Zeitverzögerungsglied für die Impulse muß proportional mit dem Polradwinkel
seine Zeitverzögerung ändern, wozu es in Abhängigkeit von der Wirkleistung des betreffenden
Motors gebracht ist, die ein Maß für die Größe des Polradwinkels darstellt.
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Das Zeitverzögerungsglied kann in an sich bekannter Weise aus einer
Kombination von Drosselspule, Widerstand und Kondensatoren aufgebaut sein und wirklastabhängig
gesteuert werden. Als Steuersignal kann dabei sowohl eine der Wirklast proportionale
Spannung wie auch ein der Wirklast proportionaler Strom benutzt werden. Wenn der
zu synchronisierende Umformer nach dem asynchronen Hochlauf nicht in der richtigen
Stellung in Tritt fallen sollte, so kann durch Umpolen der Erregung die richtige
Parallelschaltstellung leicht erreicht werden.
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In der Zeichnung ist schematisch die vorbeschriebene Anordnung für
Maschinen mit Vollpolläufern dargestellt. Der Umformer l und der Umformer II bestehen
jeweils aus einem Motor M und einem damit mechanisch gekuppelten Generator G und
einem Impulserzeuger, bestehend aus Dauermagneten 5 und Haugeneratoren oder Spulen
4. Die Impulse der Teile 4
werden auf eine Impulsvergleichsanordnung
2 geführt, die bei Übereinstimmung des zeitlichen Auftretens der miteinander zu
vergleichenden Impulse über einen Verstärker 3, einen Schalter 6 im Stromlauf des
Generators des Umformers Il schließen. Es ist also dabei vorausgesetzt, daß der
Umformer I bereits belastet ist und der Umformer I1 synchronisiert werden soll.
Bei Verwendung von Maschinen mit ausgeprägten Polen wird die Einrichtung noch dadurch
ergänzt, daß die Impulse des Umformers 11 über ein Zeitverzögerungsglied
1 zur Polradwinkelkompensierung auf die Impulsvergleichsanordnung 2 gegeben werden,
wobei dieses Verzögerungsglied 1 zur Anpassung an den Polradwinkel vom Motorstrom
des Umformers I durch einen Stromwandler gespeist wird.
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In F i g. 2 sind die auf die Impulsvergleichsanordnung 2 gegebenen
Impulse in ihrer zeitlichen Zuordnung gezeigt, wobei für die einzelnen Zeiten zwischen
den Impulsen die dort angegebenen Beziehungen gelten.
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Die Anordnung nach der Erfindung läßt sich durch Verwendung einer
Schlupfüberwachungseinrichtung und einer Umpoleinrichtung so ergänzen, daß eine
selbsttätige Synchronisierung in jedem Fall gesichert ist. Die Schlupfüberwachungseinrichtung
sperrt die Synchronisierung während des Hochlaufens, und die Umpoleinrichtung bewirkt
ein bestimmtes Schlüpfen von falscher in richtige Synchronstellung.