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Einrichtung zur Kupplung zweier Netze über zwei elektrische Maschinen
Die Erfindung sei an Hand eines Maschinensatzes erläutert, der aus einer Turbine,
einem Drehstromgenerator und einem Einphasengenerator besteht, eine Anordnung, die
in erster Linie für Bahnkraftwerke in Frage kommt. Die Überlegungen gelten jedoch
sinngemäß auch für andere Maschinensätze, bei denen zwei elektrische Maschinen an
zwei Netzen verschiedenen Betriebsverhaltens hängen.
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Voraussetzungsgemäß arbeiten also die beiden Generatoren auf zwei
Netze verschiedener Frequenz, ein Drehstromnetz von 5o Hz und ein Bahnnetz von I62/3
Hz. Würde es möglich sein, die Frequenz beider Netze vollkommen starr zu halten,
so könnte man den Drehstromgenerator unmittelbar von der Turbinenwelle aus, den
Bahngenerator über ein starres Getriebe antreiben. Die Voraussetzung der starren
Frequenz ist jedoch nicht gegeben. Sowohl im Drehstromnetz wie im Bahnnetz kann
die Frequenz schwanken, und es wäre ein großer Zufall, der nicht in Rechnung gestellt
werden darf, wenn die Schwankungen in beiden Netzen gleich und gleichsinnig verliefen.
Das Gegenteil wird der Fall sein. Es sei als Beispiel angenommen, daß bei gleichbleibender
Drehstromfrequenz die Bahnfrequenz absinke. Wenn die beiden Maschinen starr gekuppelt
sind, so bestehen zwei Möglichkeiten: Entweder ist der Drehstromteil des Maschinensatzes
so stark, da:ß :3r den Bahngenerator auf der ursprünglichen Fr,°quenz
halten
will, oder der Bahngenerator drückt umgekehrt die Drehzahl des Drehstromgenerators
herab. In beiden Fällen wird eine der beiden Maschinen außer Tritt fallen, oder
es werden sonstige Störungen auftreten. Entsprechende. Überlegungen gelten, wenn
die Frequenz eines der beiden Netze .ansteigt, die des anderen abfällt.
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Der Antrieb der beiden Generatoren durch eine einzige Turbine ist
unter den gegebenen Betriebsbedingungen nur dann möglich, wenn der Antrieb einen
Schlupf entsprechend dem eintretenden Drehzahlunterschied zuläßt. Die elektrischen
Möglichkeiten zur Schaffung eines solchen Schlupfes sollen hier nicht erörtert werden.
Sie liegen auf einem anderen Gebiet. Es soll vielmehr die mechanische Lösung behandelt
werden, mit der man sich schon seit einer Reihe von Jahren beschäftigt hat. Die
Schwierigkeit liegt nicht so sehr darin, eine Schlupfmöglichkeit schlechthin zu
schaffen, wofür es zahlreiche Wege gäbe, sondern Maßnahmen zu finden, die bei geringem
Bauaufwand ohne wesentliche Verluste wirksam werden. Der Schlupf darf also nicht
lediglich durch Energievernichtung herbeigeführt werden. Soweit die Literatur erkennen
läßt, dürfte die hydraulisch regelbare Schlupfkupplung von Marguerre bisher die
einzige Lösung sein, die befriedigende Ergebnisse erwarten ließe.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, die Schlüpfung mit mechanischen Mitteln
herbeizuführen, auf einem neuen Weg, und zwar durch ein Getriebe mit einer Stützmaschine,
die je nach Schaltung Nutzleistung abgibt oder aufnimmt, jedoch abgesehen von ihren
unvermeidlichen Eigenverlusten keine zusätzlichen Verluste in den Antrieb hineinbringt.
Nach dem heutigen Stand der Untersuchungen dürfte es am günstigsten sein, die Stützmaschine
als leistungabgebende Maschine zu schalten und insbesondere hierfür eine Turbine
zu verwenden. Das Getriebe hat demnach drei freie Wellen, eine eintreibende Welle
von der Turbine her, die mit dem Drehstromgenerator gekuppelt ist, eine austreibende
Welle zum Bahngenerator und eine weitere eintreibende Welle von der Stützturbine
her.
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Zum besseren Verständnis sei zunächst der Aufbau des Maschinensatzes
an Hand des Beispieles der Fig. I beschrieben, woran sich dann eine Erläuterung
der betrieblichen Zusammenhänge anschließen soll.
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Der Maschinensatz besteht aus einer Turbine mit dem Hochdruckteil
HD und den beiden parallel geschalteten Niederdruckteilen ND, einem unmittelbar
von der Turbine angetriebenen Drehstromgenerator DG, einem Einphasengenerator EG,
einem Getriebe G und der Stützturbine ST, die in diesem Falle im Teil des Entspannungsverlaufes
der Hauptturbine parallel geschaltet ist.
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Das Getriebe G ist ähnlich einem Planetengetriebe aufgebaut. Das mit
der antreibenden Welle f verbundene Sonnenrad a kämmt mit den Planetenrädern b,
deren Achsen c am Gehäuse d sitzen. In die Planetenräder b greift das innenverzahnte
Rad e ein, das mit der austreibenden Welle g des Einphasengenerators EG verbunden
ist. Die Stützturbine ST greift über ein Getriebe am Kranz i des Gehäuses d an.
Die Geschwindigkeits- und Drehzahlverhältnisse seien an Hand der Diagramme 2a und
2b erläutert. Das Rad a läuft mit der Drehzahl des Drehstromgenerators nD, das Rad
e mit der Drehzahl des Einphasengenerators nE, während das Gehäuse d als Träger
der Planetenräder über das Rad i mit der Drehzahl n's umläuft. Ist die Umfangsgeschwindigkeit
von a = va, die von e = ve, so ergibt sich die Umfangsgeschwindigkeit der Planetenradachse
zu vi. Wächst jetzt bei gleichbleibendem ve die Umfangsgeschwindigkeit von va auf
v'a an, weil sich Rad a schneller dreht, so zeigt das Diagramm, daß sich vi auf
v'i vermindert. Das Gehäuse d nimmt also eine geringere Drehzahl an. Fällt va dagegen,
so steigt bei gleichbleibendem ve die Umfangsgeschwindigkeit vi entsprechend an.
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Im Diagramm 2b sind die entsprechenden Verhältnisse für den Fall eingetragen,
daß sich bei gleichbleibendem va, also gleichbleibender Drehzahl des Drehstromgenerators
die . Drehzahl des Einphasengenerators ändert. Man sieht, daß sich jetzt umgekehrt
wie im Falle des Diagramms 2a bei fallendem ve auch vi vermindert und größer wird,
wenn ve ansteigt.
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Geht man zur Vereinfachung der Betrachtung jetzt von der Umfangsgeschwindigkeit
auf die Drehzahlen über,
so ergibt sich folgendes Schema:
| I. ns fällt, wenn a) nD ansteigt, n gleichbleibt, |
| b) nE fällt, nD gleichbleibt ; |
| ns steigt, wenn a) nD fällt, nE gleichbleibt, |
| b) nE ansteigt, nD gleichbleibt. |
| jetzt |
| c |
| jetzt |
Allgemein gilt die Beziehung nD + c1 ₧ ns = c2 ₧ nE, worin c1, c2
Konstante sind, die durch die Abmessungen der Räder bestimmt sind: Aus. diesen Überlegungen
läßt sich die Wirkungsweise der mechanischen Schlupfanordnung gemäß der Erfindung
erklären. Vorausgeschickt werden muß noch, daß die Stützturbine so ausgelegt ist,
daß sie einen bestimmten Leistungsanteil übernimmt, beispielsweise 20 °%o der Einphasenleistung.
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Es sei wieder der Fall betrachtet, daß die Drehzahl auf der Drehstromseite
unverändert geblieben sei, die Frequenz auf der Einphasenseite aber zu fallen beginne
(Fall Ib). Jetzt tritt die angestrebte »Schlupfwirkungc ein. Denn wegen der oben
erläuterten Betrieblichen Zusammenhänge wird der Planetenträger d auf kleinere Drehzahl
gebracht, wird aber nach wie vor von der Stützturbine ST abgestützt, die mit der
entsprechend geringeren Drehzahl läuft. Der Drehzahlabfall des Einphasengenerators
wird also jetzt nicht auf die Hauptturbine und den Drehstromgenerator; sondern auf
die Stützturbine übertragen.
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Die weiteren möglichen Fälle bedürfen keiner besonderen Erläuterung.
Sie ergebensieh ohne weiteres aus dem obenstehenden Schema.
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Es zeigt sich also, daB die Aufgabe gelöst ist, trotz Kupplung der
beiden Generatoren mit derselben Turbine auf mechanischem Wege eine Schlupfmöglichkeit
einzuführen, die, abgesehen von den Eigenverlusten, keine Wirkungsgradeinbuße durch
Energievernichtung mit sich bringt. Eine Regelung
der Stützturbine
ist unter dem Gesichtspunkt der Schlüpfung zunächst nicht erforderlich.
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Während bei dem Beispiel nach Fig. I zusätzlich zur Hauptturbine eine
besondere Stützturbine vorgesehen war, zeigt Fig. 3 einen Maschinensatz, bei dem
die Hauptturbine gleichzeitig die Aufgabe der Stützturbine übernimmt. Die rechte
Seite des Getriebes ist die gleiche wie in Fig. I. Die Welle f der Turbine treibt
das Sonnenrad a an, mit dem die Planetenräder b kämmen. Über diese wird der
Außenkranz e
angetrieben, der auf der Welle g des Einphasengenerators EG sitzt.
c sind wieder die Achsen der Planetenräder, d der Planetenträger.
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Der Unterschied dieser Bauform gegenüber der nach Fig. I liegt darin,
daß die Stützturbine (in diesem Falle der zweite Niederdruckteil) den Träger der
Planetenräder d nicht über ein seitlich, sondern koaxial angeordnetes Getriebe antreibt.
Ihre Welle ist als Hohlwelle o ausgeführt, durch die die Welle f führt. Auf der
Hohlwelle o sitzt ein Sonnenrad p. Es kämmt mit den Planetenrädern m, deren Achsen
r ebenfalls mit dem Planetenträger d verbunden sind und die in den feststehenden
Außenkranz n eingreifen. Bei dieser Bauform wird man dem zweiten Niederdruckteil
einen größeren Leistungsanteil zuweisen als der Stützturbine nach Fig. I, beispielsweise
5o %/ der Leistung des Einphasengenerators EG.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist die gleiche wie nach Fig. I.
Je nach der Drehzahldifferenz zwischen Drehstromseite und Bahnseite wird der zweite
Niederdruckteil mit einr Zusatzgeschwindigkeit angetrieben, oder seine- Drehzahl
wird herabgesetzt in gleicher Weise, wie es im Zusammenhang mit der Stützturbine
nach Fig. I beschrieben wurde.
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Bei den bisherigen Ausführungen wurde noch nichts über die Regelung
gesagt. Es wurde nur festgestellt, daß zur Schaffung des Schlupfes eine Regelung
zunächst nicht erforderlich sei.
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Da jedoch die Stützturbine in den beiden Fällen der Fig. I und 3 an
der Leistungserzeugung teilnehmen soll, wird man ihr eine Regelung geben müssen,
um ihre Leistung bei wechselnden Belastungen des Maschinensatzes regeln zu können.
Der grundsätzliche Regelungsgedanke gemäß der Erfindung besteht nun darin, die Regelimpulse
nicht von der Stützturbine abzunehmen, sondern vom Bahngenerator bzw. von der Drehstromseite.
Dieser Regelgrundsatz ermöglicht es der Stützturbine, sich unabhängig vom augenblicklichen
Belastungszustand des Maschinensatzes auf diejenige Drehzahl einzustellen, die der
Drehzahldifferenz der beiden Maschinen: zugeordnet ist.
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Die Regelung arbeitet folgendermaßen (Fig. I) Fällt, ausgehend vom
Einphasengenerator EG dessen Drehzahl, so ist das ein Zeichen steigender Belastung.
Es muß also in der Hauptturbine mehr Leistung erzeugt werden. Da aber, wie gesagt,
die Stützturbine einen bestimmten Leistungsanteil aufbringen soll, muß auch ihre
Leistung durch Steigerung der Dampfzufuhr erhöht werden. Bei steigender Drehzahl
des Einphasengenerators ist umgekehrt die Dampfzufuhr zur Hauptturbine und zur Stützturbine
zu verringern. Von der Drehstromseite aus betrachtet arbeitet die Regelung folgendermaßen:
Die Drehzahl des Drehstromgenerators DG falle wegen steigender Belastung.
Die Hauptturbine muß also mehr Leistung erzeugen. Diese Mehrleistung darf aber nicht
auf die Einphasenseite übergeschoben werden, da ja hier annahmegemäß kein gesteigerter
Leistungsbedarf besteht. Es muß also auch jetzt das Drehmoment der Stützturbine
gleichbleiben, d. h., abgesehen von der dem Schlupf entsprechenden Drehzahlzunahme
der Stützturbine, die Leistung dieser unverändert bleiben. Umgekehrt wird bei steigender
Drehzahl des Drehstromgenerators DG wegen Entlastung die Leistung der Hauptturbine
zu verringern und die der Stützturbine konstant zu halten sein.
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Für den Maschinensatz nach Fig. 3 brauchen diese Überlegungen nicht
nochmals angestellt zu werden. Sie gelten sinngemäß für die Regelung der Dampfzufuhr
zum zweiten Niederdruckteil.
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Die Verwendung einer Turbine zur Abstützung des Getriebes ist nicht
die einzige Möglichkeit für die Durchführung der Erfindung. Es wäre im Rahmen des
Erfindungsgedankens durchaus möglich, die Stützturbine der Fig. I durch eine elektrische
Maschine zu ersetzen, sofern diese nur hinsichtlich ihres Schlupfes das gleiche
Verhalten wie eine Turbine zeigt. Allerdings wird dann voraussichtlich der Bauaufwand
höher sein. Auch wird die Regelung möglicherweise verwickelter sein. Die Abstützung
kann im übrigen, worauf bereits hingewiesen wurde, auch durch eine Maschine, insbesondere
eine elektrische Maschine; eingeführt werden, die nicht Leistung an das Getriebe
abgibt, sondern aufnimmt. Schließlich würde eine erfolgversprechende Anwendung der
Erfindung auch für den Fall denkbar sein, daß die beiden Maschine- als Umformer
an verschiedenen Netzen hängen, aber zum Leistungstransport miteinander unter Verwendung
einer Stützmaschine gekuppelt sind.