DE959836C - Einrichtung zum Umschalten von motorischen Wechselstromverbrauchern von einer Speiseqelle auf eine andere - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 14. MÄRZ 1957

S 274ooVIIIbl 2IC

Bei größeren motorischen Verbrauchern, bei denen zwei oder mehrere Speisestromquellen' zur Verfügung stehen, tritt häufig die Aufgabe auf, während des Betriebes die Motoren von einer Speisequelle auf die andere umzuschalten unter Verwendung von Schaltmitteln, deren Einschaltzeit größer als die Ausschaltzeit ist. Diese Aufgabe ist beispielsweise gegeben bei Eigenbedarfsanlagen von Dampfkraftwerken, bei denen der gesamte Eigenbedarf oder auch eine Gruppe desselben beim Inbetriebsetzen der Anlage zunächst vom Netz gespeist und nach Inbetriebsetzung auf den oder die vorhandenen Generatoren umgeschaltet wird.

Eine solche Umschaltung bereitet bei völliger Phasengleichheit und bei Synchronismus der beiden Speisestromquellen an sich keine besonderen Schwierigkeiten, weil in diesem Falle ohne weiteres ein Parallelschalten beider Stromquellen möglich ist, bevor die eine Stromquelle abgeschaltet wird, so daß keine Unterbrechung der Stromzufuhr zum Verbraucher eintritt. Eine solche Parallelschaltung ist jedoch aus verschiedenen Gründen nicht immer durchführbar, und zwar weder dann, wenn die beiden Stromquellen bzw. Netze miteinander gekuppelt sind, noch dann, wenn es sich um zwei voneinander unabhängige Stromquellen bzw. Netze handelt. Im ersteren Falle kann trotz der Kupplung infolge dazwischenliegender Induktivitäten (Transformatoren und längere Leitungen) keine völlige Übereinstimmung in der Spannungsvektorlage

herrschen, so daß eine — wenn auch nur vorübergehende — Parallelschaltung zu unzulässig großen Ausgleichströmen führen würde. Im zweiten Falle, d. h. bei getrennten Netzen, ist ohnehin die gegenseitige Phasenlage unbestimmt, so daß eine Parallelschaltung nur mit Hilfe der an sich bekannten Synchronisiereinrichtungen bzw. Parallelschaltgeräte möglich wäre. Handelt es sich hierbei um zwei starke Netze, die beim vorliegenden Umschalt-Vorgang über verhältnismäßig kleine Transformatoren oder schwache Leitungen gekuppelt werden müßten, so kann nicht erwartet werden, daß ein Synchronismus tatsächlich erzielt wird, da die synchronisierenden Kräfte über die schwachen Transformatoren bzw. Leitungen nicht übertragen werden können. Es müssen also in beiden Fällen Vorkehrungen getroffen werden, um beim Zuschalten der neuen Stromquelle sicherzustellen, daß keine unzulässig großen Ausgleichströme fließen. Es ist daher in solchen Fällen erforderlich, die eine Stromquelle abzuschalten, bevor die andere zugeschaltet wird. Dann ist folgendes zu berücksichtigen :

Wird ein Wechselstrommotor abgeschaltet, so tritt bekanntlich an seinen Klemmen infolge der noch vorhandenen Bewegungsenergie (durch Generatorwirkung) und des nur relativ langsam abklingenden Läuferfeldes eine Spannung auf. Die Frequenz dieser »Auslaufspannung« nimmt mit der Drehzahl ab, sie ist also von den Schwungmassen des Motors und der von ihm angetriebenen Arbeitsmaschine abhängig. Solange die Auslaufspannung einen bestimmten Wert nicht unterschreitet, werden mehrere parallel liegende Motoren noch untereinander synchron bleiben, wobei einzelne als Generatoren, die anderen als Motoren arbeiten. Unterschreitet die Auslaufspannung diesen Wert, so wird das synchronisierende Moment nicht mehr ausreichen, und die Motoren werden infolgedessen durcheinanderlaufen. Die Folge ist, daß Ausgleichströme zwischen den einzelnen Motoren auftreten, die zu einem schnellen Zusammenbruch der Auslaufspannung führen.

Sobald die Auslaufspannung einen bestimmten niedrigen Wert unterschritten hat, kann ohne weiteres die Aufschaltung des motorischen Verbrauchers auf die andere Speisestromquelle erfolgen. Würde man bei höherer Auslaufspannung aufschalten, so bestünde die Gefahr, daß diese mit dem zuzuschaltenden Netz nicht in Phase ist und daß bei mehr oder weniger starker Phasenopposition Beschädigungen der Motoren durch die dabei auftretenden hohen Ströme entstehen.

Gemäß der Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß das zur Durchführung der Umschaltung erforderliche Ausschaltkommando zeitlich derart später gegeben wird als das Einschaltkommando, daß sich eine zulässige Unterbrechungs- oder Paralletschaltzeit für beide Stromquellen ergibt.

Diese Zeit kann etwa von der Dauer einiger Perioden sein. Es soll also z. B. die zwischen dem Ausschalten der ersten Stromquelle und dem Einschalten der zweiten Stromquelle liegende Unterbrechungszeit so kurz gewählt werden, daß der Spannungsvektor des motorischen Verbrauchers sich vom Spannungsvektor des zuzuschaltenden Netzes im Augenblick des Zuschaltens nicht um einen größeren Winkel entfernt hat als etwa ± 6o° el., bei dem die durch die Winkellage der beiden Vektoren bestimmte Querspannung gleich oder kleiner ist. als die Nennspannung des motorischen Verbrauchers. Je kleiner der Winkel bzw. die Querspannung im Augenblick des Zuschaltens der neuen Stromquelle ist, um so kleiner werden die Ausgleichsvorgänge, d. h., um so günstiger liegt der Einschaltzeitpunkt.

Dieser Fall setzt voraus, daß der Spannungsvektor des motorischen Verbrauchers im Zeitpunkt des Ausschaltens sich in seiner Lage vom Spannungsvektor des zweiten zuzuschaltenden Netzes nicht oder nur unwesentlich unterscheidet, was immer dann der Fall ist, wenn die beiden Stromquellen miteinander gekuppelt sind. Damit bei voneinander getrennten Stromquellen · bzw. Netzen eine Aufschaltung des motorischen Verbrauchers auf die zweite Stromquelle zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die beiden Spannungsvektoren sich decken, jedenfalls keinen größeren Winkel miteinander einschließen als etwa + 6o°el., werden gemäß der weiteren Erfindung die Schaltmittel zum Ab- und Zuschalten der beiden Stromquellen auch noch in Steuerabhängigkeit von der Spannungsvektorlage gebracht. Da aber bekanntlich von der Schaltkommandogafoe bis zur Ausführung des Kommandos beim Ein- und Ausschalten verschieden lange Zeiten liegen, wird die Abgabe der Schaltkommandos durch an sich bekannte Mittel (Synchronisiereinrichtung bzw. Parallelschaltgerät) davon abhängig gemacht, daß die beiden Vektoren gerade eine solche Relativbewegung ausführen, daß im Augenblick des Zuschaltens der zweiten Stromquelle, d. h. also nach Ablauf der Schaltzeit, die beiden Vektoren möglichst übereinstimmen, jedenfalls nicht um mehr als etwa ± 6o° el. voneinander abweichen. Es kann dabei auch eine Überlappung bzw. Parallelschaltung der beiden Stromquellen in Betracht kommen. Diese Parallelschaltzeit darf dabei aber nur so kurz sein, daß währenddessen keine größere Abweichung der beiden Spannungsvektoren eintritt, als etwa ± 6o° el., d. h. also, daß die möglicherweise auftretende Querspannung etwa der Nennspannung des motorischen Verbrauchers entspricht.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend noch näher erklärt.

In Fig. ι ist als Beispiel der Fall angenommen, daß die Eigenbedarfsanlage eines Dampfkraftwerkes zunächst am Netz liegt und nach Inbetriebsetzen des Generators auf diesen umgeschaltet wird.

Der Generator ist mit 1 bezeichnet; er möge über einen Transformator 2' ein Netz 3 speisen. Die Eigenbedarfsanlage 4, welche aus verschiedenen Motoren 5 besteht, wird vor dem Inbetriebsetzen des Generators 1 zunächst von einem fremden Netz 6 aus über den Transformator 7 und den

Schalter 8 gespeist. Das Netz 6 sei mit dem Netz 3 in irgendeiner Weise, beispielsweise durch dazwischenliegende Transformatoren oder längere Leitungen, gekuppelt. Die beiden Netze haben also gleiche Frequenz, aber infolge der zwischengeschalteten Induktivitäten können ihre Spannungsvektoren an dem Schalter 9, mit dem der Verbraucher 4 über den Transformator 10 an den Generator ι angeschlossen werden kann, um einen gewissen Winkelbetrag voneinander abweichen. Würde man nach Inbetriebsetzen des Generators 1 eine — wenn auch nur vorübergehende — Parallelschaltung des Generators-1 und des Netzes 6 durch Schließen des Schalters 9 vornehmen, so könnten die bei einer vorhandenen Phasenabweichung auftretenden Ausgleichströme von den Verbindungsleitungen, den Transformatoren'7 und 10 und den dazwischenliegenden Schaltern usw. nicht übernommen werden, da diese nur für die Leistung des

ao Verbrauchers 4 bemessen sind. Es muß also das Netz 6 vom Verbraucher 4 getrennt werden, bevor der Schalter 9 eingelegt wird.

Im praktischen Falle wird der Phasenwinkel zwischen den beiden Stromquellen, 1 und 6 kaum größer sein als etwa 30⁰. Es wird deshalb die Unterbrechungszeit so kurz gemacht, daß bis zum Einlegen des Schalters 9 der Spannuügsvektor des motorischen Verbrauchers in dieser Zeit nicht um mehr als insgesamt etwa 6o° el. vom Spannungsvektor des Generators 1 abweicht. Nun ist aber, wie sich aus Fig. 2 ergibt, die Einschaltzeit t_x von Schaltern immer größer als die Ausschaltzeit t₂. Würde man entsprechend Fig. 2 zunächst das Kommando zur öffnung des Schalters 8 geben und bei dessen Öffnung erst den Schalter 9 anregen, so würde die Unterbrechungszeit gleich der Einschaltzeit t_t des Schalters 9 sein. Diese Einschaltzeit ist aber so groß, daß während dieser Zeit sich die Phase des motorischen Verbrauchers von der ursprünglichen Relativlage im Zeitpunkt der Kommandogabe auf einen unzulässigen Betrag entfernt hat. Deshalb wird zur Abkürzung der Unterbrechungszeit das Einschaltkommando für den Schalter 9 früher gegeben als das Ausschaltkommando für den Schalter 8.

In Fig. 3 ist dieser Fall dargestellt, wo t_x wieder die Einschaltzeit für den Schalter 9 und t_z die Ausschaltzeit für den Schalter 8 ist. Das Ausschaltkommando für den Schalter 8 liegt um die Zeit t_s später als das Einschaltkommando für den Schalter 9, so daß als Unterbrechungszeit die Differenz t_i — t_t — (£₂ + t_a) erzielt wird. Je nach Wahl der Größe von t₃ kann somit die Unterbrechungszeit t_i beliebig kleine Werte annehmen.

Zur Einstellung dieser Unterbrechungszeit t_i bzw. des zeitlichen Unterschiedes t₃ in der Kommandogabe kann auf einfache Weise ein Zeitschaltwerk mit einstellbarer Verzögerungszeit verwendet werden. Dieses Zeitschaltwerk kann entweder nach seiner Auslösung die beiden Kommandos in einem gewissen einstellbaren Zeitabstand geben, oder es kann auch so ausgeführt sein, daß es gleichzeitig mit' der ' Abgabe des Einschaltkommandos angeworfen wird und dann nach einer einstellbaren Zeit das Ausschaltkommando für den Schalter 8 gibt.

Die höchstzulässige Unterbrechungszeit läßt sich von Fall zu Fall auf einfache Weise durch eine einmalige Messung des zeitlichen Verlaufes der Auslaufspannung feststellen, wenn dabei die zu erwartende ungünstigste Vektorlage der Stromquelle 1 zu der des Netzes 6 berücksichtigt wird.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß die Stromquelle ι bzw. das Netz 3 und das Netz 6 nicht miteinander gekuppelt sind, sondern daß sie nur eine praktische Frequenzgleichheit aufweisen, was bedeutet, daß die Frequenz der einen Seite beispielsweise 49,6 und die der anderen Seite 50,2 haben kann. In diesem Falle ist ein Umschalten von der einen zur anderen Stromquelle nur dann vorzunehmen, wenn im Augenblick des Zuschaltens der Stromquelle 1 auf den Verbraucher 4 keine zu große Phasenabweichung vorliegt. Deshalb wird eine nicht näher dargestellte, an sich bekannte Synchronisiereinrichtung verwendet, welche vor dem öffnen des Schalters 8 die Vektorlage des Netzes 6 mit der vor dem Schalter 9 vergleicht und welche das Kommando zur Auslösung des Umschaltvorganges so früh gibt, daß nach Ablauf der Unterbrechungszeit t₄, d.h. beim Einlegen des Schalters9 praktisch Phasengleichheit herrscht, jedenfalls kein größerer Phasenunterschied als etwa 6o° el. Man wird also das Zeitlaufwerk· durch das Phasenprüfgerät in Tätigkeit setzen.

Bei nicht gekuppelten Netzen ist es nicht unbedingt erforderlich, daß eine Unterbrechung der Stromzufuhr zum motorischen Verbraucher 4 herbeigeführt wird. Vielmehr kann auch eine kurzzeitige Parallelschaltung der beiden Netze stattfinden, sofern dafür gesorgt ist, daß entsprechend der angegebenen Bedingung die Vektoren der beiden parallel geschalteten Spannungen sich während der Parallelschaltzeit um nicht mehr als etwa ± 6o° el. unterscheiden. Die Synchronisiervorrichtung in Verbindung mit einem davon in Tätigkeit gesetzten und nach Fig. 3 arbeitenden Zeitlaufwerk kann dies auf einfache .Weise erreichen. Um diese vorübergehende Parallelschaltung zu erreichen, braucht nur die Zeit t₃ am Zeitlaufwerk entsprechend verlängert zu werden.

Die Erfindung ist nicht nur entsprechend dem ge- no wählten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zum Umschalten bei Eigenbedarfsanlagen geeignet, sondern sie kann mit den gleichen Vorteilen auch beim Umschalten von motorischen Verbrauchern oder von mit motorischen Verbrauchern belasteten Netzen von einem Netz auf ein anderes Netz angewendet werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Umschaltung von motorischen Wechselstromverbrauchern von einer Speisestromquelle auf eine andere, unter Verwendung von Schaltmitteln, deren Einschaltzeit größer als die Ausschaltzeit Jet, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausschaltkommando zeit-

   Hch derart später gegeben wird als das Einschaltkommando, daß sich eine zulässige Unterbrechungs- oder Parallelschaltzeit für beide Stromquellen ergibt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Nacheilung des Ausschaltkommandos gegenüber dem Einschaltkammando so gewählt ist, daß innerhalb der sich ergebenden Unterbrechungs- oder Parallelschaltzeit der Winkel zwischen dem Spannungsvektor des motorischen Verbrauchers und gegebenenfalls der ersten Stromquelle gegenüber dem Spannungsvektor der zuzuschaltenden zweiten Stromquelle etwa ± 6o° el. nicht überschreitet.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht miteinander gekuppelten Speisestromquellen zusätzlich eine Synchronisierungseinrichtung verwendet ist, die die Schaltkommando zur Wirkung kommen läßt, wenn die beiden Netze im Bereich der Synchronisierphase sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abgabe der Einschalt- und/oder Ausschaltkommandos ein Zeitlaufwerk mit vorzugsweise einstellbarer Laufdauer vorgesehen ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: '
   Deutsche Patentschriften Nr. 583 220, 572 085.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ) 609547/227 6.56 (609 835 3.57}