DE642510C - Anordnung zum selbsttaetigen Parallelschalten von Wechselstromnetzen - Google Patents

Description

Beim Parallels ehalten von Wechselstromnetzen muß bekanntlich im Augenblick des Schaltens, d.h. der Berührung der Schalterkontakte, 'die Differenzspannung zwischen den beiden Netzen gleich. Null sein. Da von der Kommandogabe bis zum Schließen, des Schalters eine bestimmte von der Konstruktion des Schalters abhängige Zeit (Schaltereigenaeit) verstreicht, muß 'das Schaltkommando um 'diesen Zeitbetrag vor Erreichen der Phasengleichheit (Spannungsdifferenz gleich Null) gegeben werden. Man hat vorgeschlagen, das Parallelschalten dadurch zu beschleunigen, 'daß man den Kommandovorgabewinkel vom Wert der Frequenzdifferenz der parallel zu schaltenden Netze abhängig macht und erreicht auf diese Weise, 'daß auch bei verhältnismäßig großen Frequenzdifferenzen parallel geschaltet werden kann. Die zu 'diesem Zwecke 'dienenden bekannten Einrichtungen arbeiten auf rein mechanischem Wege. Ein exaktes Arbeiten, ist nicht oder nur mit großem Kostenaufwand zu erreichen; denn schon die im Laufe der Zeit sich ändernden J^eibungsverhältnisse, die Abhängigkeit 'der Spannung der zur Anwendung kommenden Federn von der Temperatur, die Änderung der Reibung durch Staub u.dgl. üben bei den bekannten Einrichtungen einen unerwünschten Einfluß auf die Genauigkeit der Bestimmung des Vorgabewinkels aus. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung die Größe.des Vorgabewinkels auf rein elektrischem Wege mit Hilfe einer in ihrer Größe oder Phase von der Frequenzdifferenz abhängigen Spannung und einer Vergleichsspannung ermittelt. Auf diese Weise wird erreicht, daß Reibungsverhältnisse u.dgl. keinen Einfluß auf den Parallelschaltvorgang ausüben können. 4"

Die Schaltanordnung gemäß der Erfindung wird beispielsweise so getroffen, daß die Parallels chalteinrichtung von einem Schalttransformator gesteuert wird, der durch, das Zusammenwirken der Sekundärspannungen zweier Steuertransformatoren beeinflußt wird. Die Sättigung der beiden Steuertransformatoren wird 'dabei von den in Gleichspannungen verwandelten Differenzspannungen der parallel zu schaltenden Netze abhängig S" gemacht. Außerdem ist die Sekundärspannung des einen Steuertransf ormators gegenüber der Sekundärspannung des anderen Steuertransformators 'entsprechend der -Frequenzdifferenz phasenverschoben. Als Steuertransfor-.matoren können zwei dreischenklige Transformatoren vorgesehen sein, von denen einer auf dem mittlerien Schenkel eine Dämpferwicklung hat. Die Sekundärspannungen der beiden Steuertransformatoren haben den glei-

chen Höchstwert, wenn die Frequenzdifferen; der parallel zu schaltenden Netze Null ist Gemäß der Erfindung sind diese Sekundärspannungen gegeneinander verschoben, wo.* bei die Größe der Verschiebung von dfir Höhe der Frequenzdifferenz abhängig ist. Außerdem kann zur besseren Wirkung, er-" findungsgemäß der zeitliche Verlauf dieser beiden Sekundärspannungen verschieden sein, ίο Die in Gleichspannungen verwandelten Sekundärspannungen der beiden Steuertransformatoren beeinflussen in Gegenschaltung ■die Sättigung des Sdralttransformators, der die Pariallelschalteinrichtung auslöst. Ein Alisführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. ι dargestellt. Abb. 2 zeigt die Spannungsänderung in verschiedenen Teilen der Anlage.

In Abb. ι sind ι und. 2 zwei Wechselstromnetze, die miteinander verbunden werden sollen, wozu, ein Schalters 'dient. Um eine der Vektordifferenz der Spannungen des Netzes ι und des Netzes 2 proportionale Spannung zu erhalten, sind zwei Spartransformatoren 4 und 5 angeordnet, deren Anzapfungen zueinander parallel über die Primärspulen zweier Steuertransformatoren 6 und 7 verbunden sind. Die Sekundärspulen dieser Transformatoren sind mit den Wechselstromklemmen" von Gleichrichtern 8 und 9 verbunden, deren Gleichstromklemmen mit auf den mittleren Schenkeln zweier dreischenkliger Steuertransformatoren 12 und 13 angeordneten Spulen 10 und 11 verbunden sind. Die Primärspulen 14 und 15 der Steuertransformatoren 12 und 13 werden von irgendeiner Wechselstromquelle, z. B. einem Generator 16, erregt. 17 und 18 sind Widerstände,, die mit den Spulen 14 und 15 in Reihe liegen und deren Erregung beeinflussen. Der mittlere Schenkel des Steuertransformators 12 trägt außerdem eine Dämpferspule 19, die über einen Widerstand 20 kurzgeschlossen ist. Die Dämpferspule 19 hat den Zweck, die Spannungsänderung an den Klemmen der Wechselstromspulen des Steuertransformators 12 um eine gewisse veränderliche Zeit gegenüber der Spannungsänderung der Gleichstromspule 10 zu verzögern. Das wird dadurch erreicht, daß 'die Spule 19 jedem Wechsel des magnetischen Zustandes eine magnetmotorische Kraft entgegensetzt.

21 und 22 sind die Sekundärspulen der Transformatoren 12 und 13. Primär- und Sekundärspulen der Transformatoren 12 und 13 können aber auch als Spulen eines Spartransformators ausgeführt sein, so daß man an Stelle der getrennten Primär- und Sekundärwicklung nur eine Wicklung mit Anzapfungen erhält.

23 und 24 sind Gleichrichter, deren Wechselstromklemmen mit den Sekundärspulen 21 und 22 der Transformatoren 12 und 13 verbunden sind. Die Gleichstromklemmen des Gleichrichters 23 sind mit der Spule 25 und >die. des Gleichrichters 24 mit der Spule 26 'verbunden. Die Spulen 25 und 26 sind auf -dem mittleren Kern eines Schalttransformatörs 27 mit der Primärspule 28 und der Sekundärspule 29 angeordnet. Die Primärspule ist an den Wechselstromgenerator 16 über einen Regelwiderstand 30 angeschlossen. Die Sekundärspule 29 ist mit den Wechselstromklemmen eines Gleichrichters 31 verbunden, dessen Gleichstromklemmen mit der Spule 32 eines Relais verbunden sind, dessen Kontakte 33 geschlossen werden, sobald die Spule 32 erregt ist. Beim Schließen der Kontakte 33 fließt ein Strom von der Batterie'3 4 über den Kontakt 33 und durch die Spule des Netzschalters 3, der das Netz 1 mit dem Netz 2 verbindet.

Die Anlage arbeitet wie folgt: Das Netz 1 sei das Ende eines Verteilernetzes, 'das von irgendeiner nicht dargestellten Stromquelle gespeist wird. Soll nun z. B. ein auf die Sammelschienen 2 arbeitender Generator auf das Verteilernetz 1 geschaltet werden und dieses mit Strom beliefern, so wird der Generator angelassen und in bekannter Weise auf die dem Synchronismus entsprechende Drehzahl gebracht. Ist das Netz 1 unter Spannung, und liefert der mit dem Netz 2 verbundene Generator eine normale Spannung mit annähernd normaler Frequenz, so wird den Primärspulen der Transformatoren 6 und 7 eine Spannung aufgedrückt, die proportional der Vektordifferenz der Spannungen des Netzes 1 und des Netzes 2 ist. Außerdem werden die Gleichstromspulen ι ο und 11 der Transformatoren 12 und 13 durch die Gleichrichter 8 und 9 mit einem Gleichstrom gespeist, der proportional diesen Spannungen ist.

Die Primär spulen 14 und 15 der Transformatoren 12 und 13 werden von der Wechselstromquelle 16 gespeist. Sind die Gleichstromspulen io und 11 der Transformatoren 12 und 13 stromlos, so ist die Reaktanz der Spulen 14 und 15 groß, und der in ihnen fließende Strom klein, so daß der Spannungsabfall an den Spulen 14 und 15 groß und an den eingeschalteten Teilen der Widerstände 17 und 18 klein ist. Sind die Gleichstromspulen 10 und 11 jedoch erregt, so ist der magnetische Kreis der Transformatoren so stark gesättigt, daß 'die wirksame Reaktanz der Spulen 14 und 15 vermindert ist und ein dementsprechend stärkerer Strom von der Stromquelle 16 durch die Widerstände und die Spulen 14 und 15 fließt. Das von der Überlagerung des Gleichstrommagnetflusses

über den Wechaelstrommagiietfl'uß abhängige Wachsen des Erregerstromes verteilt die Spannung an den Widerständen und' den Spulen 14 und 15 derart, daß die Spannung an der Spule 14 im Verhältnis zu dem gewöhnlichen Wert jetzt (d.h. bei starkem Erregersfrom) niedrig ist, an dem Widerstand aber verhältnismäßig groß istl Die Spannung an den Sekundärspulen 21 und 22 ist proportional der an den Primärspulen 14 und 15. Die Spulen 14 und 15 sind gleichmäßig auf die beiden Schenkelhälften der Transformatoren verteilt, so daß bei niclit erregten Spulen 10 und 11 in den mittleren Kernen der Transformatoren kein Magnetfluß entsteht und dementsprechend auch keine Wechselspannung in den Gleichstromspulen erzeugt wird.

Die Dämpferwicklung 19, die mit dem Widerstand 20 verbunden ist, stellt einen geschlossenen Stromkreis dar, der den Magnetfluß in dem mittleren Schenkel des Kernes des Transformators 12 beeinflußt. Die Aufgabe der Dämpferspule 19 ist es, 'die von der Erregungsänderung det Gleichstromspule ro herrührende Änderung der Magnetisierung des Transformatorkernes zu verzögern.

Ist die Gleichstromspule 10 durch einen stationären Strom vorher bestimmter Größe erregt, so wird die Spannung an der Sekundärspule 21 von ihrem gewöhnlich hohen Wert auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert herabgedrüekt, aber erst dann, wenn eine gewisse Zeit nach der Erregung der Spule 10 verstrichen ist. Sobald die Spule 10 durch einen pulsierenden Gleichstrom niederer Frequenz erregt wird, steigt und fällt die Spannung lan der Spule 21 in Abhängigkeit von dem Steigen und Fallen des Stromes in der Spule 10; die Spannungsänderungen der Spule 21 werden aber um eine vorbestimmte Zeit nach der Erregungsänderung der Spule 10 verzögert.

Ist die Frequenz des pulsierenden Gleichstromes jedoch hoch, so hindert die Dämpferspule 19 die Spannung an der Spule 21 daran, einen Wert zu erreichen, der gleich dem Wert ist, wenn die Spule ro stromlos ist. Infolgedessen wird der Höchstwert der Spannung. an- der Spule 21 sich ändern in Übereinstimmung mit der Frequenz des pulsierenden Gleichstromes in der Spule 1 o, vorausgesetzt, daß das Pulsieren von gleichmäßiger Größe ist.

Die Spannungsänderungen an der Sekundärspule 22 des Transformators 13 werden nicht verzögert, sondern sie folgen genau den Erregungsänderungen der' Spule r r.
In Abb. 2 zeigt 'die Kurve .A die Spannungsänderung an den' Wechselstromspulen 22 des Transformators 1.3 in Abhängigkeit von der Änderung des Phasenwinkels zwischen den Spannungen des Netzes r und des Netzes 2, die bei allen Werten der Frequenzdifferenz der parallel zu ' schaltenden Netze dieselbe ist. Die Spannung gemäß Kurve A kann demnach als Vergleichsspannung dienen.

Wenn .die Spannungen des Netzes τ und des Generatornetzes 2 in Phasenopposition liegen, nimmt die Spannung der Transformatoren 6 und 7 einen Höchstwert an und die Spulen 10 und 11 werden voll erregt, so daß die Spannung an den Spulen 21 'und 22 "einen Mindestwert erreicht. Liegen die Spannungen des Netzes 1 und des Generatornetzes 2 aber in Phase, so ist 'die Spannung an den Transformatoren 6 und 7 gleich Null. Die Spulen · 10 und Ii sind stromlos, und die Spannungen an den Spulen 21 und 22 erreichen: ihren Höchstwert.

Da die Gleichstromspannung des Gleichrichters 24 sich direkt mit der Wechselstromspannung an der Spule 22 ändert, zeigt die Kurve-<4. auch die Gleichstromspannung des Gleichrichters 24 an.

Die Kurve .δ zeigt die Spannungsänderung der Wechselstromspule 21 des Transformators 12 (oder die Spannung an den Gleichstromklemmen des Gleichrichters 23) in Abhängigkeit von -der Änderung des Phasenwinkels zwischen den Spannungen des Netzes 1 und des Generatornetzes 2, sobald die letztere dieselbe Frequenz hat oder, mit anderen Worten, sobald idie Frequenzdifferenz Null ist. Die Kurven A und B haben denselben Maximalwert, aber 'der niedrigste Punkt der Kurve A liegt niedriger als der der Kurve Z?, da die Charakteristik des Transformators 12 entsprechend gewählt wurde. Bei einer Frequenzdifferenz Null kann die Dämpferspule 19 die Spannungsänderung an der Spule 2 r nicht verzögern, da die Spule 10 durch einen Gleichstrom erregt wird, dessen Wert abhängig von dem Phasenwinkel zwischen der Netz- und. der Generatorspannung ist. Ist dieser Winkel Null, dann ist die resultierende Spannung Null, die Spule 10 ist stromlos und die Spannung an den Spulen 21 und 22 beträgt ein Maximum.

Die Kurve C in Abb. 2 zeigt die Spannungs änderung der Gleichstromseite des Gleichrichters 23 für eine Frequenzdifferenz bestimmter Größe. Die Gleichstromspannung des Gleichrichters 23 ändert sich proportional der Spannung an der Sekundärspule 21, die sich in Abhängigkeit von der Erregung der Spule 10 entsprechend der Kurve A, jedoch in einem gewissen, durch die Dämpferspule 19 bestimmten Zeitabstand, ändert. Daher ist der Höchstwert der Kurve C um einen bestimmten Wert gegenüber dem Höchstwert der Kurvet verschoben, außerdem ist der

Höchstwert der Kurve C niedriger als der der Kurve .,4. Das kommt daher, daß die Kurzschlußspule 19 die Spannung an der Spule 21 daran hindert, auf ihren Höchstwert zu steigen.

Bei höherer Frequenzdifferenz als bei der Kurve. C ergeben sich Werte, die durch die Kurve D gekennzeichnet sein mögen. Der Höchstwert der Kurve D ist noch weite* gegen den Höchstwert der Kurve A verschoben/ außerdem ist ihr Höchstwert noch niedriger als der der Kurvet.

Das Arbeiten des Schalttransfonnators 27, des Gleichrichters 31 und des Relais 32, die '5 das Einschalten des Schalters 3 bewirken, ist abhängig von der Differenz der Kraftflüsse, die durch die Gleichstromspulen 25 und 26 in dem mittleren Kern des Schalttransformators 27 erzeugt werden. Diese Spulen erzeugen entgegengesetzte Kraftflüsse. Solange diese ungleich sind, wird ein resultierender Kraftfluß in der einen oder anderen Richtung in dem mittleren Kern entstehen und dementsprechend die Spannung an der Sekundäres spule 29 so weit herabdrücken, daß die Gleichstromspannung des Gleichrichters 31 nicht mehr genügt, um 'das Relais 32 zu erregen. Sobald die Differenz der Kraftflüsse, die durch die Spulen 25 und 26 hervorgerufen werden, einen bestimmten Minimalwert erreicht, ist die Sättigung des Kernes so niedrig, daß die Spannung in der Sekundärspule 29 ansteigt und der von dem Gleich-• richter 31 gelieferte Gleichstrom ausreicht, das Relais 32 zu erregen. Dieses schließt seine Kontakte, wodurch der von der Batterie 34 kommende Strom den Schalter 3 einlegt. Der Kraftfluß in dem mittleren Schenkel des Kernes wird Null, sobald die Gleichstronv spannungen der Gleichrichter 23 und 24 gleich sind, vorausgesetzt, 'daß die Spulen 25 und 26 den gleichen Widerstand und die gleiche Windungszahl haben. Wie in Abb. 2 gezeigt, ist bei einer Ferquenzdifferenz gemäß Kurve C die Spannung des Gleichrichters 24 (Kurve A) der des Gleichrichters 23 (Kurve C) bei dem Schnittpunkt beider Kurven gleich, der um einen Winkel t_t dem Punkt des genauen Synchronismus vorauseilt. Für eine Frequenzdifferenz gemäß Kurve D liegt der Schnittpunkt der Kurven A und D um 'einen Winkel t₂ dem Synchronismus voraus. Für noch höhere Frequenzdifferenzen liegt der Schnittpunkt der Kurven noch weiter vor dem Nullpunkt. Die Parallelschalteinrichtung gemäß der Erfindung bewirkt also, daß das ParaUelschalten etwas vor dem Synchronismus eintritt, und zwar um einen Winkel vorher, der proportional der Frequenzdifferenz des Netzes 1 und des Netzes 2 bzw. des Generators ist. Denn die Zeit, die der Maschinenvektor relativ gegenüber dem Netzvektor benötigt, um bei einem Frequenzunterschied von beispielsweise 0,5 Perioden (d. h. 10/0 Schlupf) einen Winkelgrad zu durchlaufen, beträgt bei-

Q T

spielsweise -^- = -T₇- Sekunden. Eine volle ^r 360 180

Umdrehung des Vektors dauert bei o, 5 Perioden bekanntlich zwei Sekunden. Beträgt z. B. die Eigenzeit des Schalters 0,5 --^r- Sekunden,

so muß bei 1 o/_o Schlupf der Schaltbefehl um 90 'elektrische Grade vor Erreichen der Phasengleichheit gegeben werden. Die relative Winkelgeschwindigkeit des Maschinenvektors gegenüber dem Netzvektor ist also proportional der Netzfrequenz. Da sich auch der Vorgabewinkel bei der Einrichtung gemäß der Erfindung proportional der Frequenz ändert, bleibt die Vorgabezeit konstant. Bei einer Frequenzdifferenz von 0,25 Perioden (d.h. o,S 0/0 Schlupf) beispielsweise hat der Vektor 45 Winkelgrade zu durchlaufen; denn die Gesamtzeit einer Schwebung bei 0,5 o/_o Schlupf ist 4 Sekunden. Der Vektor braucht also, um einen Winkelgrad zu durchlaufen, -~=z~ Sekunden. Für 45 Winkel- ' 360 180 ^J

grade braucht er jetzt also, genau wie vorher für

90 Winkelgrade,

= 0,5 Sekunden. Die

Vorgabezeit ist also immer konstant, wenn sich der Vorgabewinkel proportional der Frequenzdifferenz ändert. Die Einrichtung gemäß der Erfindung hat daher den Vorteil, daß der Schalter 3 genau im Augenblick des Synchronismus geschlossen wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die benötigten Einrichtungen und die Schaltung verhältnismäßig einfach und die Anlage billig ist.

Die Erfindung ist nicht an die in der Beschreibung genannten Apparate gebunden, sondern hierbei können aÜe gebräuchlichen Arten von Transformatoren, Gleichrichtern usw. verwendet werden. Die Erfindung läßt sich auch anwenden, um vielphasige Stromkreise parallel zu schalten. Die Wechselstrommaschine 16 kann auch fortgelassen werden, und 'die Primärspulen der Transformatoren können von einem Netz aus erregt werden. An Stelle der Spulen 25 und 26 auf dem mittelsten Schenkel des Kernes des Schalttransformators 27 kann auch eine einzige Spule verwendet werden, die durch die Differenz der Spannungen an den Gleichstromklemmen der Gleichrichter 23 und 24 erregt wird. Hierbei würde jedoch irgendeine Unterbrechung des Stromes in der Gleichstromspule die Spannung an dem Relais 32 genügend anwachsen lassen, um ein Parallelschalten hervorzurufen. Wenn jedoch zwei

getrennte Spulen verwendet werden, wird bei einer Unterbrechung des Stromes in einem der Stromkreise der andere stets die Eisenkerne so sättigen, daß ein Parallelschalten nicht eintreten kann.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   Anordnung zum selbsttätigen Parallelschalten von Wechselstromnetzen mit Einleitung des Schaltvorganges vor der Phasenüberemstimmung, wobei der Kommandovorgabewinkel von der Frequenzdifferenz der parallel zu schaltenden Netze abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Vorgabewinkels auf rein elektrischem Wege mit Hilfe einer in ihrer Größe oder Phase von der Frequenzdifferenz abhängigen Spannung und einer Vergleichsspannung ermittelt wird.

   •2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschalteinrichtung durch das Zusammenwirken der Sekundärspannungen zweier Steuertransformatoren gesteuert wird, deren Sättigung von den in Gleichspannungen verwandelten Differenzspannungen der parallel zu schaltenden Netze abhängig gemacht ist, und daß die Sekundärspannung des einen Steuertransformators gegenüber der Sekundärspannung des anderen Steuertransformators entsprechend der Frequenzdifferenz phasenverschoben ist.

   3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch zwei dreischenklige Transformatoren als Steuertransformatoren; von denen einer mit einer auf dem mittleren Schenkel angeordneten Dämpferspule versehen ist.

   4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspannungen der beiden Steuertransformatoren bei der Frequenzdifferenz Null den gleichen Höchstwert besitzen, aber verschieden zeitlichen Verlauf zeigen.

   5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen die Parallel-,schalteinrichtung auslösenden Schalttransformator,· dessen Sättigung von den in Gleichspannung umgewandelten 'und gegeneinandergeschalteten Sefcundärspannungien der beiden Steuertransformatoren abhängig ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen