Das Parallelschalten von Wechselstrom-Synchronmaschinen und die Synchronisier-Einrichtungen. Von Oberingenieur F. A. Foerster, Berlin. FOERSTER, Das Parallelschalten von Wechselstrom-Synchronmaschinen. In allen Zentralstellen für elektrische Stromerzeugung der städtischen Elektrizitätswerke, der Ueberlandzentralen und in den elektrischen Zentralen der großen Industriewerke sind in der Regel zwei oder mehr Stromerzeugungsmaschinen aufgestellt. Einmal deswegen, weil man große elektrische Generatoren nur bis zu einer bestimmten Leistungsgrenze zu bauen vermag, die heute bei Turbo-Generatoren immerhin schon bei 160000 KVA liegt. Dann aber auch, weil es unrentabel wäre, eine einzelne sehr große Maschine, deren Leistung die Gesamtbelastung des Leitungsnetzes zu decken imstande wäre, während des größten Teiles der Betriebszeit nur mit ¼ bis ½ ihrer Nenn-Leistung laufen zu lassen. Man wählt deshalb zweckmäßig mehrere Maschinen in Einheiten, die dem jeweiligen Tages- oder Nachtbedarf entsprechen, und schaltet sie je nach Bedarf bei größer werdender Netzbelastung parallel, so daß sie bei der Höchstbelastung des Netzes zusammen den Gesamtbedarf, in ihren Einheiten summiert, genau wie eine einzelne große Maschine decken. Bei Gleichstrom erfolgt das Parallelschalten der Maschinen in sehr einfacher Weise, wenn diese gleiche Spannung und gleiche Stromrichtung haben, d.h. man verbindet ihre gleichnamigen Pole miteinander oder mit denen der gemeinschaftlichen Sammelschienen. Die Be- oder Entlastung der einen oder anderen Maschine erfolgt im Parallelbetrieb mit Hilfe des Nebenschlußreglers durch Beeinflussung der Feldstärke. Für das Parallelschalten von Wechselstrommaschinen untereinander oder mit dem unter Spannung stehenden Leitungsnetz ist nicht nur wie beim Gleichstrom gleiche Spannung und gleiche Stromrichtung erforderlich, sondern sie müssen während des Parallelschaltens außerdem zeitlich gleiche Phasen und gleiche Frequenz, d. i. gleiche Wechsel- oder Periodenzählen haben. Mit anderen Worten, ihre Spannungskurven müssen sich im Momente der Parallelschaltung völlig decken. Bei Drehstrommaschinen ist des weiteren noch gleiche Drehfeldrichtung dazu erforderlich. Von nicht zu unterschätzender Bedeutung ist auch, daß die für die Parallelschaltung verwandten Maschinen möglichst gleiche Kurvenform aufweisen, daß also nicht etwa eine Maschine, die in den zeitlichen Schwingungen der erzeugten elektrischen Energie die reine Sinusform aufweist, mit einer Maschine, deren Oszillationen durch eine flache oder spitze, oder sonstwie verzerrte Kurvenform mit störenden Oberschwingungen charakterisiert ist, parallel geschaltet werden soll, was mancherlei Mißhelligkeiten im Parallelbetrieb ergeben würde. Die Be- und Entlastung der einen oder anderen der parallelgeschalteten Maschinen erfolgt hier auch nicht wie beim Gleichstrom durch Regulierung der Feldstärke, sondern dies kann nur durch Einwirkung auf die Kraftzufuhr zur Antriebmaschine erfolgen, sei es durch Drosselung der Dampfzufuhr bei den Dampfmaschinen oder der Wasserzufuhr bei den Wasserkraftmaschinen durch von der Schalttafel aus zu bewirkende Beeinflussung des Regulators oder der Schwunggewichte (Dettmarsche Wirbelstrombremse) u. dgl. m. Jedenfalls muß dafür eine Einrichtung vorhanden sein, die es ermöglicht, diese Kraftzufuhr von Hand in kleinen Beträgen zu verändern. Die gleiche Drehfeldrichtung (gleiche Phasenfolge), d.h. den richtigen Anschluß der Maschinenkabel an die Haupt-, Sammel- oder Verteilungsschienen der Anlage, kann man in einwandfreier Weise dadurch ein für allemal, nachprüfen und sichern, daß man jede der parallel zu schaltenden Maschinen für sich allein auf die Hauptschienen schaltet und von diesen einen beliebigen Motor für einen kurzen Moment antreibt. Ist die Drehrichtung dieses zur Prüfung benutzten Motors bei Anschluß jeder einzelnen der für Parallelbetrieb aufgestellten Maschinen die gleiche, so ist auch die Drehfeldrichtung der Maschinen die gleiche. Im anderen Falle sind zwei von den drei Anschlußleitungen der Maschine untereinander in ihren Anschlüssen zu der anderen Maschine oder zu den Hauptschienen zu vertauschen. Die Drehfeldrichtung oder Phasenfolge hängt von der Wicklungsart der Maschine und von ihrer Drehrichtung ab. Sie bleibt nach erstmaligem richtigen Anschluß in der Folge unverändert. Die Frequenz der parallel zu schaltenden Maschine ist leicht in völlige Uebereinstimmung mit der des Leitungsnetzes zu bringen durch Aenderung der Umlaufzahl der Antriebsmaschine (wie oben). Die Antriebsmaschine muß auf eine Umlaufzahl gebracht werden, durch welche die elektrische Maschine für eine bestimmte Belastung die gleiche Frequenz wie das Netz, auf welches sie parallelgeschaltet werden soll, erhält. Der zuzuschaltende Generator muß mit anderen Worten auf Synchronismus gebracht werden. Um nun die für den Moment des Parallelschaltens erforderliche zeitliche Phasengleichheit feststellen bzw. ihren Eintritt jeweilig beobachten und für die Ausführung der Schaltung sicher abpassen zu können, bedient man sich der sogenannten Synchronisier-Einrichtungen, die in ihren einfachsten Ausführungsformen aus Phasenlampen und Spannungsmesser bestehen. Die Phasenlampen können dabei je nach Art des Anschlusses auf hell oder dunkel bei Phasengleichheit geschaltet sein. Der Spannungsmesser dient zur Kontrolle der Spannung der zuzuschaltenden Maschine. Textabbildung Bd. 342, S. 218 Abb. 1. Als Synchronisier-Einrichtung für Drehstrommaschinen wird man gewöhnlich, wie in Schaltung Abb. 1 angegeben, einen Spannungsmesser V und zwei Glühlampen G als Phasenlampen verwenden, die man zwischen die entsprechenden Maschinenleitungen T1T2 und S1S2 (vgl. Abb. 1) schaltet. Wenn die Frequenzen der beiden Maschinen nicht übereinstimmen, so treten wie bei zwei nicht genau abgestimmten Stimmgabeln in den Lampen G Schwebungen, entsprechend dem Frequenzunterschied, auf. Die Lampen werden zeitweise hell und dunkel. Dieser Wechsel tritt um so schneller ein, je größer der Frequenzunterschied ist. Geringer Frequenzunterschied wird demnach an der langsamen Aenderung der Leuchtstärke der Glühlampen erkannt. Bei Phasengleichheit sind die Lampen, gleiche mittlere Spannungen der Maschinen vorausgesetzt, dunkel (Dunkelschaltung). In solchem Moment kann der Schalter S geschlossen werden, um die Parallelschaltung zu vollziehen. Kreuzt man die Zuleitungen zu den Glühlampen auf einer Seite des Anschlusses, so ist bei Phasengleichheit die Leuchtstärke der Lampen am größten (Hellschaltung), bei der die Parallelschaltung erfolgen muß. Oft wird man als Synchronisier-Einrichtung für Drehstrommaschinen auch drei Phasenlampen antreffen, die im Kreise angeordnet und nach der Michalke-Schaltung (SSW) so geschaltet sind, daß bei Phasengleichhheit eine Lampe dunkel ist, während die beiden anderen aufleuchten. An dem scheinbaren Umlaufen der dunklen Lampe ist bei dieser Einrichtung noch zu erkennen, ob die parallel zu schaltende Maschine zu schnell oder zu langsam läuft. Hierfür hat man auch unter der Bezeichnung Synchronoskope Meßgeräte auf den Markt gebracht, die als Gleichlaufzeiger erkennen lassen, ob die Frequenz der zuzuschaltenden Maschine zu hoch oder zu niedrig ist, oder ob Synchronismus herrscht. Je nach dem Ausschlag des Zeigers (Abb. 2 bis 4) zeigen diese Instrumente zu hohe oder zu geringe Frequenz, also zu schnellen oder zu langsamen Lauf der Maschine an. Steht der Zeiger auf dem Nullpunkt, so herrscht Phasengleichheit und der Moment des Parallelschaltens ist gegeben. Textabbildung Bd. 342, S. 218 Abb. 2.SSW-Synchronoskop. Textabbildung Bd. 342, S. 218 Abb. 3.Synchronoskop (Innenansicht). Textabbildung Bd. 342, S. 218 Abb. 4.Synchronoskop (Außenansicht). Für Hochspannungsmaschinen müssen diese Synchronisier-Instrumente über Spannungswandler an das Leitungsnetz angeschlossen werden, was die Schaltung Abb. 5 auch erkennen läßt. Bei dem in Abb. 3 bis 5 dargestellten neuen AEG-Synchronoskop ist die Einrichtung so getroffen, daß das Aufleuchten einer Glühlampe im Innern des Instrumentes in gewissen Beziehungen zu den Zeigerbewegungen steht, so zwar, daß bei Phasenopposition die Lampe dunkel ist, während sie bei Phasengleichheit hell aufleuchtet und dabei den Zeiger von unten derart beleuchtet, daß sein Schatten auf die vor dem Zeiger befindliche Mattglasscheibe des Zeigers geworfen wird. Je nachdem die Frequenz der zuzuschaltenden Maschine zu klein oder zu groß ist, erfolgt die Beleuchtung des Zeigers, wenn er sich nach rechts oder links bewegt. Bei Phasenopposition (d. i. wenn die Spannungen entgegengesetzte Richtung haben) ist der Zeiger gar nicht beleuchtet, seine Bewegung auch nicht zu erkennen. Sind die Frequenz-Unterschiede durch die Umlaufregulierung ziemlich ausgeglichen, so werden die Zeigerbewegungen langsamer, so daß beim Durchgange des beleuchteten Zeigers durch die gekennzeichnete Mittelstellung geschaltet werden kann.Vergl. R. Dietze, AEG-Mitteilungen, Heft 12 1926. Textabbildung Bd. 342, S. 219 Abb. 5.Prinzipielles Schaltbild des Synchronoskops. 1 = Synchronoskop, 2 und 3 = Generatoren, 4 = Streckvorrichtungen, 5 = Spannungswandler, 6 = Wattmetrisches System, 7 = Glühlampe, 8 = Transformator, 9 = Ausschalter. Um das Parallelschalten von Wechselstrommaschinen (Synchron-Generatoren) von der Geschicklichkeit oder von den Fähigkeiten des Bedienungspersonals unabhängig zu machen, sind auch selbsttätig arbeitende Parallelschalteinrichtungen hergestellt worden. Eine der bewährtesten Einrichtungen dieser Art ist die als System Vogelsang bekannt gewordene V & H-Einrichtung (Abb. 6 und 7). Eine Vorbedingung für diese selbsttätige Parallelschalteinrichtung sind ferngesteuerte selbsttätige Oelschalter. Die Einrichtung ist dann so getroffen, daß in dem Zeitpunkt, in welchem die drei Bedingungen zur Parallelschaltung: Spannungsgleichheit, Phasengleichheit, gleiche Frequenz erfüllt sind, der Kontaktschluß für die Erregung der Einschaltspule des Fern-Oelschalters erfolgt. Zur ordnungsmäßigen Abwicklung der hierzu erforderlichen Funktionen sind an der Gesamt-Apparatur (Abb. 6) mehrere in bestimmter Weise aufeinander abgestimmte Relais vorgesehen. Die Schaltung ist aus Abb. 7 ersichtlich. Das Leitungsnetz und die im Betrieb befindlichen Maschinen sind über Spannungswandler an einem Steckumschalter angeschlossen, mit dem man den Spannungswandler der parallel zu schaltenden Maschine in Phasenschaltung mit dem Spannungswandler des Netzes bringen und die für die Einrichtung erforderliche Gleichstromquelle auf die Einschaltspule des jeweils in Betracht kommenden Oelschalters umschalten kann. Außer der Einschaltung des Steckumschalters ist zur selbsttätigen Parallelschaltung noch ein Einschaltautomat einzubauen, der den Hilfsstromkreis für den Betrieb der Einrichtung schließt. Die erste Grundbedingung zur Parallelschaltung, die richtige Spannung, wird durch eine als Differential-Spannungsrelais bezeichnete Kontaktvorrichtung festgestellt, die aus zwei Spannungsspulen zu beiden Seiten eines Wagebalkens besteht. Die linksseitige Spule wird durch die Spannung des Netzes, die rechtsseitige Spule durch die Spannung der zuzuschaltenden Maschine erregt. Ein von dem Wagebalken herunterhängender Hebelarm gibt je nach dem Ausschlagen des Wagebalkens rechts oder links Kontakt. Wenn die Spannung für die Parallelschaltung beiderseits gleich ist, hängt der Hebel zwischen den beiden Kontakten, ohne einen Stromschluß herbeizuführen. Die Kontaktvorrichtung beeinflußt drei Lampen, die mit Bezug auf die Spannung angeben „zu hoch,“ „zu niedrig“ oder „richtig.“ Bei linksseitigem Kontakt leuchtet die Lampe „Spannung zu hoch,“ bei rechtsseitigem Kontakt die Lampe „Spannung zu niedrig.“ Beide Male wird durch den Kontaktschluß auch die Spule eines für gewöhnlich geschlossenen Ruhestromrelais RR erregt und dieses geöffnet. Sind beide Kontakte des Differentialrelais geöffnet, dann schließt das Ruhestromrelais RR den Stromkreis der dritten Lampe „Spannung richtig“. Textabbildung Bd. 342, S. 219 Abb. 6 Die Erfüllung der weiteren Bedingung zur Parallelschaltung, die Uebereinstimmung der Phasen, wird durch eine zweite Kontaktvorrichtung, das Phasenrelais, zur Mitwirkung gebracht. Bei den Phasenrelais wirken je zwei Spulen an den Armen eines Wagebalkens. Die Spulen werden wie beim Differentialspannungsrelais von der Netz- bzw. Maschinenspannung erregt, aber jede in besonderer Weise. Von den beiden linksseitigen Spulen wird die untere von der Netzspannung, die obere von der Spannung der zuzuschaltenden Maschine erregt, so daß also hier die beiden Spannungen unabhängig voneinander einzeln wirken können. Die beiden Spulen auf der rechten Seite des Wagebalkens sind hintereinander und den Phasenlampen parallel geschaltet, erhalten also immer die summierte Spannung von Netz und zuzuschaltender Maschine. Von dem Wagebalken hängt ein Hebelarm nach unten, der eine doppelte Kontaktgebung veranlaßt. Der Kontaktschluß tritt ein, wenn die Phasenlampen aufleuchten, d.h. wenn die Summenspannung den Einzelspannungen das Gleichgewicht hält. Textabbildung Bd. 342, S. 220 Abb. 7.Schaltbild zur automatischen V & H-Parallelschalteinrichtung; Z. R. = Zeit-Relais; M. R. = Minimal-Relais; Sch. R. I. = Schutz-Relais I; Sch. R. II. = Schutz-Relais II; Ü. R. = Uberbrückungs-Relais; R. R. = Ruhestrom-Relais. Hierbei wird zunächst der Kontakt eines Hilfsrelais Sch. R. I geschlossen, welches die Zugspule des Zeitrelais ZR einschaltet. Wenn dieser Stromschluß gewisse Zeit andauert (entsprechend einem längeren Aufleuchten der Phasenlampen bei richtiger Spannung der zuzuschaltenden Maschine), kann das Zeitrelais ablaufen und seinerseits den ersten von zwei hintereinander geschalteten Kontakten für die Einschaltspule des selbsttätigen Oelschalters schließen. Durch das Phasenrelais wird noch ein weiterer Kontakt geschlossen, durch den ein Hilfsrelais Sch. R. II eingeschaltet wird. Dieses Relais schließt für den selbsttätigen Oelschalter einen zweiten Kontakt, der – wie erwähnt – in Hintereinanderschaltung mit dem von dem Zeitrelais ausgeführten Kontakt liegt. Der zweite Kontaktschluß des Phasenrelais geschieht nur dann, wenn die Phase wirklich voll ausgefüllt ist, d.h. wenn der höchste Wert der Summenspannung erreicht ist, während der Kontaktschluß für das Zeitrelais schon früher eintritt. Das Zeitrelais soll also seinen Weg bereits zurückgelegt und seinen Kontakt geschlossen haben, wenn durch die zweite Kontaktgebung des Phasenrelais der Stromschluß für die Einschaltung endgültig vollzogen wird. Infolge des Zeitunterschiedes zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt des Phasenrelais war es möglich, die Schaltung so auszubilden, daß der Kontakt für die Einschaltung des Oelschalters nur dann geschlossen wird, wenn die Phase noch eben im Ansteigen begriffen ist. Dies ist wünschenswert, da das Einschalten des Oelschalters duvch die erforderliche Schaltzeit immerhin eine kurze Verzögerung erleidet. Durch den Stromschluß der beiden in Serie geschalteten Kontakte des Zeitrelais ZR und des Hilfsrelais Sch. R. II wird schließlich noch ein Ueberbrückungsrelais ÜR eingeschaltet, das mit der Einschaltspule des selbsttätigen Oelschalters hintereinander geschaltet ist. Sein Zweck ist folgender: Es könnte vorkommen, daß zwar die notwendigen Kontaktgebungen alle richtig vollzogen sind, daß aber der hergestellte Stromschluß zu kurz ist, um die Einschaltspule des Oelschalters die Einschaltbewegung vollständig ausführen zu lassen. In diesem Fall läge die Gefahr vor, daß der selbsttätige Oelschalter nur halb einschaltet, was unbedingt vermieden werden muß. Das Ueberbrückungsrelais ÜR hat daher die Aufgabe, den Stromschluß, auch wenn er nur einen kurzen Augenblick von der selbsttätigen Parallelschaltvorrichtung hergestellt wurde, endgültig festzuhalten, bis der Fernölschalter richtig eingeschaltet ist.