Synchronoskop

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Synchronisationseinrichtungen in Umspann- und Kraftwerken sind Mess- bzw. Kontrolleinrichtungen auf Spannungs-, Phasen-, Frequenz- und Drehfeldgleichheit, die das richtige Parallelschalten von Generatoren an das Netz bzw. von Netzen oder Netzteilen im Synchronpunkt ermöglichen.

Synchronisiersäule mit Synchronoskop, Doppelspannungs- und Doppelfrequenzmesser

Das Synchronisiergerät (Synchronisiersäule) enthält dabei alle für die Synchronisierung notwendigen Messgeräte und besteht aus

Doppelspannungsmesser
Doppelfrequenzmesser
Schaltanzeiger-Synchronoskop

Im Betriebsdienst sind sowohl das Synchronisieren von Hand, die halbautomatische und die vollautomatische Synchronisation üblich.

Die Synchronisation von Hand erfolgt durch Parallelschalten der jeweiligen Abzweige bzw. Netzteile durch Einschalten des dazu gehörigen Leistungsschalters, unter Beachtung der Schaltereigenlaufzeit, im Synchronpunkt. Dabei kommt ein sogenannter Synchronisiersteckschlüssel zum Einsatz, mit dem der Leistungsschalter des Abganges unter Berücksichtigung der Synchronisationsbedingungen eingeschaltet wird. Elektrotechnische Anlagen werden im wesentlichen nach der Einschlüsselmethode ausgeführt, wobei ein Synchronisiersteckschlüssel für die gesamte Anlage Verwendung findet.
Bei der Zweischlüsselmethode wird der Synchronisierschalter in dem parallelzuschaltenden Abgang und dem zur Parallelschaltung herangezogenen Abgang betätigt.

Die halbautomatische Synchronisierung erfolgt durch Parallelschalten der jeweiligen Abzweige und Netzteile durch Einschalten des dazugehörigen Leistungsschalters im Synchronpunkt mit Parallelschaltgerät. Das Parallelschaltgerät erteilt nach Anwahl des entsprechenden Abzweiges oder Abganges den Einschaltimpuls für den Leistungsschalter unter Berücksichtigung der Schaltvorgabezeit sowie des Schaltschlupfes. Spannung und Frequenz im Netz werden dabei vom Gerät nicht beeinflusst. Dabei ist die Schaltvorgabezeit die Zeit, die unter Berücksichtigung der Schaltereigenzeit sowie der Steuer- und Relaiszeiten dem Einschaltimpuls des Leistungsschalters vorgegeben werden muss, um ein Parallelschalten im Synchronpunkt zu ermöglichen. Als Schaltschlupf bezeichnet man die maximal zulässige Frequenzdifferenz, die von den Netzkonstanten und den zu synchronisierenden Leistungen bzw. von der Generatorauslegung abhängig ist, um beim Parallelschalten größere Ausgleichströme mit Pendelungen zu vermeiden.

Die vollautomatische Synchronisierung erfolgt durch Parallelschalten der jeweiligen Netzteile durch Einschalten des dazugehörigen Leistungsschalters im Synchronpunkt mit Parallelschaltgerät, das in Verbindung mit einem Spannungs- und Frequenzabgleichgerät arbeitet. Die moderne Mikroprozessortechnik ermöglicht es, dass heutige Synchronisiereinrichtungen viel mehr Funktionen auf Grund oft unterschiedlicher Anlagenkonfigurationen besitzen. Um alle notwendigen Anlagenkonfigurationen abzudecken, verfügen moderne Synchronisiergeräte über mehrere Synchronisierarten. Diese können sein zum Beispiel:

Generator mit Netz oder Leitung
Synchrone oder asynchrone Netze oder Leitungen
Synchroncheck für händisches Zuschalten
Sammelschienenschnellumschaltung
Messung der Leistungsschalter-Eigenzeit

Herstellung der Verbindung mit dem Netz

Die Synchronmaschine soll mechanisch mit einer Arbeitsmaschine (z.B. Turbine) gekuppelt sein. Die Verbindung der Ankerstränge mit dem starren Netz ist noch nicht hergestellt. Der Leistungsschalter als Verbindungsstelle ist geöffnet. Die Arbeitsmaschine treibt die Synchronmaschine mit einer beliebigen Drehzahl $n$ an. Die Erregerwicklung der Synchronmaschine wird mit Gleichstrom gespeist. Da der Anker keinen Strom führt, wird in dem vorliegenden Leerlauf bei offenen Ankerklemmen nur vom Polsystem her ein magnetisches Feld aufgebaut, das dann gleich dem resultierenden Feld ist.
Die Ankerwicklung der Synchronmaschine ist in Sternschaltung ausgeführt. Der für die Spannungsinduktion im hier zu betrachtenden Strang $a$ maßgebende magnetischer Fluss $\underline{\Phi}_h=\underline{\Phi}_p$ hat die Kreisfrequenz $ω = 2π p n$ und induziert die Spannung $\underline{e}_{hp}=-j\omega(w\xi_1)\underline{\Phi}_p$ gleicher Frequenz. Damit beobachtet man als Klemmenspannug

$\underline{u}=\underline{u}_p=j\omega(w\xi_1)\underline{\Phi}_p$

eine Spannung, deren Betrag wegen $ω = 2π p n$ der Drehzahl $n$ und wegen $\hat{\Phi_p}\sim I_{fd}$ dem Erregerstrom proportional ist und deren Frequenz durch die momentane Drehzahl der Synchronmaschine gegeben ist. Ihr Augenblickswert lässt sich wie folgt darstellen als

$u_p = \omega(w\xi_1)\hat{\Phi}_p cos(\omega t+\phi_{up})=\hat{u_p}cos(\omega t+\phi_{up})$

Die Spannung des Netzes, dem die Synchronmaschine zugeschalten werden soll, weist den Betrag $\hat{u_n}$ und die Kreisfrequenz $ω n$ auf. Diese Spannung lässt sich für den zu betrachteten Strang $a$ wie folgt darstellen

$\underline{u}_N=\hat{u_N}cos(\omega_{N}t+\phi_{uN})$

Der Leistungsschalter als Verbindung zum starren Netz kann eingeschaltet werden, ohne das ein Strom zu fließen beginnt, wenn vor dem Einschalten die Spannung in jedem Augenblick

$u s = u N - u = 0$

ist. Daraus folgen als die Synchronisationsbedingungen, dass die Spannungen der Synchronmaschine und des Netzes entsprechend den drei Bestimmungsstücken einer Sinusgröße nach Effektivwert, Frequenz und Phasenlage übereinstimmen müssen. Es muss also gelten

$U = U N$

$ω = ω n$ bzw. $2π p n = ω N$ bzw. $n=n_0=\frac{f_N}{p}$

$ω u = ω u N$

Die einfachste Art, die Einhaltung der Synchronbedingungen zu beobachten, ist die sogenannte Synchronisiersäule. Die beiden Spannungsmesser (Spannung Synchronmaschine bzw. Spannung des Netzes) sind in einem Doppelspannungsmesser vereinigt, wobei die Zeiger beider Messwerke einer Skale zugeordnet sind. Ebenso sind die beiden Frequenzmesser als Doppelfrequenzmesser ausgeführt, bei dem die Reihen von Schwingzungen in einem Gehäuse nebeneinanderliegen. Um den Phasenwinkel bzw. die Phasenverschiebung der Spannungen $u$ und $u N$ zu beobachten, dienen sogenannte Phasenlampen.
Man unterscheidet bei der Schaltung der Phasenlampen zwischen einer

Dunkelschaltung
Hellschaltung

Bei der Dunkelschaltung sind die Synchronisierbedingungen erfüllt, wenn die beiden Spannungen (Synchronmaschine und Netz) hinsichtlich ihrer Frequenzen und Beträge bereits zur Übereinstimmung gebracht worden sind, dann auch die gleiche Phasenlage besitzen, wenn über den Schalterkontakten keine Spannung anliegt, so das die parallelgeschalteten Lampen nicht aufleuchten.

Bei der Hellschaltung sind die Synchronisierbedingungen erfüllt, wenn ebenfalls die beiden Spannungen hinsichtlich Frequenz und Betrag in Übereinstimmung gebracht und die gleiche Phasenlage erreicht ist. Hierbei werden die Phasenlampen nicht parallel zu den Leistungsschalterkontakten geschalten, sondern zwischen die Leiter. Die Phasenlampen leuchten dann im Synchronpunkt hell auf.

Die Spannungen für die Phasenlampen werden über die Spannungswandler der beiden Systeme bereitgestellt.
Die Phasenlampen werden heutzutage nur noch im Versuchsbetrieb verwendet. Anstelle der Lampen tritt das Synchronoskop. Das ist ein Gerät, in dem ein Zeiger durch Richtung und Geschwindigkeit seiner Bewegung die Abweichung der Drehzahl der Maschine von der erforderlichen synchronen Drehzahl und durch seine Lage zu einer feststehenden Marke die Phasenverschiebung zwischen den beiden Spannungen anzeigt. Seine Wirkungsweise beruht auf dem Vergleich zweier Drehfelder, von denen das eine vom Netz her und das andere von der Synchronmaschine her aufgebaut wird. Durch Verstellen des Drehzahlorgans der Antriebsmaschine bewegt sich der Zeiger schneller oder langsamer. Das Parallelschalten erfolgt, wenn der Zeiger im Rechtsdrehsinn in langsamen Lauf die Marke des Synchronpunktes erreicht.
Um eine ordnungsgemäße Synchronisation von Hand durchzuführen, ist die Synchronisiereinrichtung mit einer Parallelschaltsperre versehen. Diese verhindert das Einschalten, wenn der Spannungsunterschied zu groß ist bzw. die Drehzahl der Antriebsmaschine nicht stimmt.

Die Maßnahmen, die erforderlich sind, um die Synchronisierbedingungen zu erfüllen, bezeichnet man als Synchronisieren.
Die Drehfeldgleichheit der Netze wird vor der Erstinbetriebnahme der Anlagen realisiert.
Danach beginnt man damit, die Frequenzen der beiden Spannungen in Übereinstimmung zu bringen. Dazu muss entsprechend $f = p n$ die Drehzahl der Synchronmaschine geändert werden. Das geschieht durch den Eingriff in das Drehzahlstellorgan der Antriebsmaschine. Anschließend werden die Beträge der beiden Spannungen durch Änderung des Erregerstroms der Synchronmaschine angeglichen. Diese Reihenfolge ist erforderlich, da sich die Maschinenspannung im anderen Falle, wenn zuerst ihr Betrag durch Ändern des Erregerstromes dem der Netzspannung angeglichen würde, beim anschließenden Frequenzabgleich durch Änderung der Drehzahl ebenfalls ändern würde.
Nachdem die beiden Spannungen nach Frequenz und Betrag übereinstimmen, können sie sich nur noch durch die Phasenlage unterscheiden. Diese Phasenverschiebung wird beseitigt, indem nochmals ein kurzzeitiger Eingriff in die Drehzahlstellorgane der Antriebsmaschine vorgenommen wird. Dadurch verändert sich die Frequenz der Maschinenspannung während dieser Zeit. Diese kurzzeitige Frequenzänderung muss bei Phasengleichheit beendet sein, wenn über den Leistungschalterkontakten keine Spannung mehr existiert. Sind die Synchronisierbedingungen $\underline{u}_s=0$ erfüllt, kann der Leistungsschalter eingeschaltet werden, ohne dass Ausgleichsströme zu fließen beginnen. In diesem Falle spricht man von einer Feinsynchronisierung. Die Maschine befindet sich mit stromlosem Anker am Netz. Durch erneutes Eingreifen in das Drehzahlstellorgan der Antriebsmaschine wird nun ein Wirkleistungsumsatz erwungen.

[Bearbeiten] Quellen

G. Müller: Elektrische Maschinen. VEB Verlag Technik Berlin
A. Varduhn / W. Nell: Handbuch Elektrotechnik. Fachbuchverlag GmbH Leipzig
L. Schauer / A. Reißmann: Betreiben elektrotechnischer Anlagen. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig

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Kategorien: Energietechnik | Frequenz | Steuerungs- und Regelungstechnik

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