Parallelbetrieb elektrischer Maschinen. Von Dr. Karl Michalke, Charlottenburg. MICHALKE, Parallelbetrieb elektrischer Maschinen. Die Vorgänge beim Parallellauf und Parallelschalten von elektrischen Maschinen sind nicht so übersichtlich, daß sie ohne weiteres verständlich sind. Im Folgenden soll versucht werden, insbesondere das verschiedene Verhalten von Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen beim Parallellauf verständlich zu machen. Den Parallelbetrieb elektrischer Maschinen kann man sich durch die Vorgänge bei tierischen Leistungen versinnbildlichen. Wenn zwei oder mehrere Zugtiere zusammen – parallel – arbeiten, etwa den gleichen Wagen ziehen, so laufen sie synchron. Sind die Tiere so angespannt, daß jedes Tier unabhängig von dem anderen den Wagen ziehen kann, so verteilt sich die Belastung auf die einzelnen Tiere, je nachdem sie angetrieben werden. Die Last kann so willkürlich verteilt werden. Soll das eine Tier sich mehr an der Gesamtbelastung beteiligen, so muß es so angetrieben werden, daß es das Bestreben hat, schneller als die übrigen Tiere zu laufen, d.h. plötzlich entlastet, würde es eine größere Geschwindigkeit als die übrigen Tiere annehmen, Nur so geht gewissermaßen ein stärkerer Arbeitsfluß vom Tier auf den Wagen über. Allgemein muß ein Zugtier das Bestreben haben, schneller zu laufen als der Wagen, der die geleistete Arbeit aufnimmt und durch Reibung als Wärme abgibt oder durch Heben seines Gewichtes bei Bergfahrt speichert. Bei Talfahrt, wenn die Reibungsverluste durch die sinkende Last eben ausgeglichen werden, das Zugtier unbelastet vor dem Wagen geht, hat es keinerlei Bestreben, schneller zu laufen, als das Gefährt, erst wenn dieses gebremst wird, also das Bestreben hat, langsamer zu laufen, als das Zugtier, muß dieses wieder Arbeit leisten und zwar, wenn es allein am Wagen zieht, die gesamte Arbeit, oder bei gemeinsamem Betrieb mehrerer Zugtiere eine Teilarbeit, deren Betrag davon abhängt, in welchem Maße es schneller zu laufen das Bestreben hat, als der gezogene Wagen sich fortbewegt. In ähnlicher Weise kann bei elektrischen Stromerzeugern, die parallel laufen, die Last verteilt werden oder bei Motoren die Last geregelt werden. Eine Belastungsänderung, also eine Verschiebung des Arbeitsflusses kann nur eintreten, wenn entweder die treibende oder die angetriebene Maschine das Bestreben hat, die Drehzahl gegenüber der angetriebenen oder treibenden Maschine zu ändern. Gleichstrommaschinen ändern, sich selbst überlassen, ihre Drehzahl, wenn die Belastung oder die Spannung der Maschine, oder nur des Ankers, oder wenn der Erregerstrom der Magnete geändert wird. Bei Drehstromsynchronmaschinen ist das nicht der Fall. Ihre Drehzahl ändert sich weder bei Belastung noch bei Aenderung der Erregung, sie hängt nur von der Frequenz (Anzahl der Wechselstromperioden in der Sekunde) ab. Laufen mehrere Gleichstromerzeuger parallel, so kann eine Aenderung der Lastverteilung nur stattfinden, wenn das gegenseitige Verhältnis von antreibender und angetriebener Maschine bezüglich des Bestrebens zu beschleunigen oder zu verzögern geändert wird. Soll also der eine Stromerzeuger mehr Last aufnehmen, so muß er entweder das Bestreben haben, mit zunehmender Last langsamer zu laufen oder die antreibende Maschine das Bestreben, schneller zu laufen. Bei unveränderlicher Drehzahl der antreibenden Maschine kann dies durch Verstärken des Erregerstroms geschehen, da damit das Bestreben der Gleichstrommaschine, langsamer zu laufen, verbunden ist. Selbstverständlich würde die gleiche Wirkung erreicht werden, wenn versucht wird, die Antriebsmaschine etwa durch vermehrte Dampfzufuhr schneller laufen zu lassen. Arbeiten also mehrere Gleichstromerzeuger mit veränderlicher Belastung auf ein gemeinsames Netz, so ist selbsttätige gleichmäßige Lastverteilung nur möglich, wenn bei vermehrter Stromabgabe die Maschinen in gleichem Maße das Bestreben haben, die Drehzahl zu vermindern, in gleichem Maße abzufallen. Wenn etwa in Folge ungünstiger Bürstenstellung eine Gleichstrommaschine das Bestreben hat, mit zunehmendem Ankerstrome die Drehzahl zu steigern, so ist ein gutes Parallelschalten ausgeschlossen. Bekanntlich kann in solchen Fällen durch passendes Compoundieren der Erregung für den erforderlichen Abfall in der Drehzahl bei erhöhtem Strom gesorgt werden. Wechselstrom-Asynchronmotoren vergrößern mit zunehmender Belastung ihren Schlupf, d.h. sie vermindern ihre Drehzahl. Weiter vergrößert wird der Schlupf, wenn Widerstände in den Läuferkreis geschaltet werden. Sie können daher gut parallel auf die gleiche Transmission arbeiten. Die Last wird sich bei allen Belastungen der Transmissionswelle auf die Motoren verteilen, wenn der Schlupf bei allen Motoren in gleicher Weise der Belastung entspricht. Durch Widerstände im Läuferkreis kann die Lastverteilung geändert werden. Wechselstrom-Synchronmotoren nehmen eine Drehzahl an, die nur von der Frequenz des Wechselstromes und der Polzahl des Motors abhängt. Die Drehzahl des Motors kann also im Betriebe (ohne Aenderung von Frequenz oder Polzahl) nicht geändert werden. Arbeiten Synchronmotoren gemeinsam auf eine Transmission, so kann demnach durch Maßnahmen an den Motoren die Belastung nicht auf die einzelnen Motoren beliebig verteilt werden. Infolge ganz geringer Unterschiede im Durchmesser der Antriebscheiben kann es vorkommen, daß der eine Motor überlastet ist, während der andere leer oder gar als Generator arbeitet. Auch wenn nur ein Synchronmotor auf die Transmission arbeitet, die gleichzeitig noch etwa durch eine andere Kraftmaschine angetrieben wird, kann die Belastung des Synchronmotors nur durch äußere Mittel, wie Verschiebung des Riemens auf konischen Riemenscheiben geändert werden, durch die das Bestreben erzeugt wird, die Transmission zu beschleunigen. Aenderung der Erregung kann also bei Synchronmotoren nicht wie bei Gleichstrommaschinen eine Belastungsänderung herbeiführen. Das gleiche ist auch der Fall bei parallel laufenden Wechselstrom-Synchrongeneratoren. Auch in diesem Falle kann Aenderung der Erregung keine Aenderung in der Abgabe von Wirkleistung zur Folge haben. Bei zu starker oder zu schwacher Erregung wird vom Generator zwar ein erhöhter Netzstrom erzeugt, für die Stromerhöhung wird aber keine Leistung aufgewendet, die Netzleistung wird entsprechend weder erhöht noch erniedrigt. Der erhöhte Strom ist nur Blindstrom, der Generator nimmt bei zu schwachem Strom Blindleistung (mit Strom, der hinter der Spannung in Phase zurückbleibt) als Erregerleistung auf, bei zu starker Erregung gibt er Blindleistung zur Verbesserung des Leistungsfaktors (cos. ϕ) (mit Strom, der der Spannung in Phase vorauseilt) ab. Bekanntlich werden übererregte Synchronmotoren zuweilen an Netze mit schlechtem cos. ϕ (Verhältnis von Wirkleistung zur Scheinleistung) „als stille Teilnehmer“ angeschlossen, um durch Abgabe von Blindleistung an das Netz den cos. ϕ zu verbessern. Um parallellaufende Wechselstrom-Synchrongeneratoren in der Belastung zu ändern, müssen Maßnahmen an den Kraftmaschinen getroffen werden, indem z.B. die Dampfzufuhr gesteigert wird, sodaß den antreibenden Maschinen das Bestreben aufgedrückt wird, schneller zu laufen. Die Eigenschaften der Regler müssen hiernach festgelegt sein. Zwischen Leerlauf und Normallast muß der Regler eine Geschwindigkeitsänderung hervorrufen, die erfahrungsgemäß 4–6% betragen soll. Das Bestreben, den Generator auf schnelleren Lauf zu bringen, muß umso stärker sein, je stärker die Belastung ist. Es muß bei jeder, auch bei kleiner Belastung vorhanden sein, d.h. wenn die Belastung plötzlich verschwindet, der Generator entkuppelt wird, muß die Drehzahl zunehmen. Die Abfallkurve für den Regulator, d.h. die Abhängigkeit der Drehzahl von der Belastung, wenn die Wechselstrommaschine vom Drehstromnetz getrennt ist, darf also in keinem Teil parallel zur Abzisse verlaufen. In Bild 1 ist die Abfallkurve der Drehzahl mit zunehmender Belastung dargestellt. Bei gradlinigem Abfall nach Linie a findet bei jeder Belastungsänderung ein Abfall statt, bei Entlastung steigt die Drehzahl. Auch bei Abfall nach Linie b würde die Drehzahl bei Entlastung der Maschine in jedem Belastungszustand steigen. Bei Anschluß des Generators an ein Wechselstromnetz würde also die Antriebsmaschine in jedem Belastungszustande das Bestreben haben, schneller zu laufen als bei Leerlauf. Anders ist dies bei den Linien c und d. Bei Abfall nach Linie c, die sich tangential an die Horizontale anlegt, ist bei geringer Last der Abfall Null, bei Abfall nach Linie d ist dies bei großer Belastung der Fall. Bei Verwendung eines Reglers, der nach Linie c arbeitet, würde kein Parallelbetrieb bei geringer, nach Linie d bei großer Belastung möglich sein. Textabbildung Bd. 337, S. 74 Abb. 1. Auch die Erfordernisse eines richtigen Parallelschaltens kann man sich bildlich darstellen. Für zwei Gefährte, die sich auf einer Straße fortbewegen, ist ein stoßfreies Kuppeln nur möglich, wenn die Richtung die gleiche ist und die Geschwindigkeiten nahezu übereinstimmen. Dies entspricht den Vorgängen beim Parallelschalten von Gleichstrommaschinen. Gleichstrommaschinen können an Netz angeschlossen, also parallel geschaltet werden, wenn die Richtung der Spannungen, die Polarität und die Höhe der Spannungen übereinstimmen. Hat die zuzuschaltende Maschine zu hohe Spannung (infolge zu hoher Drehzahl oder zu hoher Erregung), so arbeitet sie nach dem Anschluß ans Netz sofort als Generator, im entgegengesetzten Falle als Motor. Bei übereinstimmender Spannung ist der Anschluß völlig stoßfrei. Textabbildung Bd. 337, S. 74 Abb. 2. Bei Drehstromsynchrongeneratoren, bei denen im Parallellauf die Wechselstromspannungskurven sich genau überdecken sollen, liegen die Verhältnisse weniger übersichtlich. Um zwei Drehstrommaschinen parallel schalten zu können, müssen übereinstimmen die Phasenfolge, die Spannung, die Phase und die Frequenz. Es seien a, b, c (Bild 2) Spannungskurven eines Drehstromerzeugers, wobei die Kurve b um 120° (⅓ Periode) gegen a verschoben ist, sodaß die Spannung von b um die Zeitdauer ⅓ Periode später auftritt, als die von a, Kurve c gegen b um 120° verschoben ist. Die 3 entsprechenden Spannungskurven der parallel zu schaltenden Maschine müssen in der gleichen zeitlichen Folge auftreten. Die Spannung des Generators wird bestimmt durch den Amplitudenwert BC. Es muß die parallel zu schaltende Maschine den gleichen Spannungswert besitzen. Sollen die Phasen der parallel zu schaltenden Maschinen übereinstimmen, so müssen die entsprechenden Spannungen zu gleicher Zeit einsetzen, also Spannung a für beide Maschinen bei A gleichzeitig ansteigen. Ferner muß AD, d. i. die Zeitdauer einer Periode, für beide Maschinen gleich sein, damit die Frequenzen übereinstimmen. Textabbildung Bd. 337, S. 75 Abb. 3. Man kann sich ein Bild von den Bedingungen für das richtige Parallelschalten schaffen, wenn man sich die Aufgabe stellt, zwei in einem Kreislauf sich bewegende Gefährte oder einfacher zwei umlaufende Zeiger mechanisch zu kuppeln (Bild 3). Um dies zu ermöglichen, muß der Drehsinn übereinstimmen. Es entspricht dies der Phasenfolge. Die Kuppelstange, die die beiden Zeiger verbindet, muß an gleichen Hebelarmen angreifen C1A1 = C2A2. Es entspricht dies der Forderung gleicher Spannung. Ist der eine Hebelarm länger als der andere, so spannt und verengt sich die zwischengeschaltete Feder F. Es treten keine Arbeitverluste auf, nur ein Aufnehmen und Abgeben der Arbeit in der Feder. Dies entspricht einer Blindarbeit, die auch bei Drehstromgeneratoren auftritt, wenn sie mit abweichender Spannung ans Netz angeschlossen werden. Gekuppelt kann nur werden, wenn die Zeiger die gleiche Lage haben, wenn ϕ1 = ϕ2 ist. In diesem Fall ist die Länge A1A2 = C1C2. Die Feder F bleibt dauernd unter gleicher Spannung. Es entspricht dies der Forderung, daß die Phasen der parallel zu schaltenden Maschinen übereinstimmen. Stimmen die Phasen nicht überein, so spannt sich die Feder F. Der eine Zeiger muß beschleunigt, der andere verzögert werden, bis A1A2 C1C2 ist, d.h. die Phasen übereinstimmen. Sind die Zeiger parallel, aber entgegengesetzt gerichtet (Phasenopposition) so treten die höchsten Beanspruchungen auf. Laufen die beiden Zeiger vor dem Kuppeln mit ungleicher Geschwindigkeit um (ungleiche Frequenz), so überholt der eine Zeiger den anderen und es treten nur zeitweise die Stellungen ein, die für das Kuppeln (Parallelschalten) geeignet sind, bei denen die Zeiger parallel und gleichgerichtet sind. Der etwas schneller laufende muß nach dem Kuppeln den langsamer laufenden mitnehmen, ersterer wirkt also als Motor. Ist der Geschwindigkeitsunterschied sehr groß, so kann das plötzliche Mitreißen des anderen Zeigers große Stöße verursachen. Bei vollkommenem Synchronismus hingegen kann, wenn die Zeiger nicht zufällig auf Phasengleichheit stehen, der eine Zeiger nie den anderen einholen, da sie gleichen Phasenunterschied behalten. In einem solchen Falle wäre ein Kuppeln (Parallelschalten) unmöglich. Es muß also ein kleiner Geschwindigkeitsunterschied (Frequenzunterschied) bestehen, damit der eine Zeiger den anderen einholen kann, je kleiner dieser Unterschied, um so stoßfreier ist das Parallelschalten. Der schneller laufende Zeiger läuft nach dem Parallelschalten antreibend (als Motor), der langsamer laufende angetrieben (als Generator). Es finden hiernach beim Kuppeln der Zeiger ähnliche Vorgänge wie beim Parallelschalten von Wechselstrom Generatoren statt. Um die beiden Zeiger (Bild 3) parallel zu betreiben, kann man sie schon im Ruhezustand kuppeln. Wird der eine Zeiger in Bewegung gesetzt, so nimmt er den anderen synchron mit. Entsprechend können 2 Wechselstromsynchronmaschinen etwa ein Generator und ein Synchronmotor im Ruhezustand parallel geschaltet werden. Wird der Generator nach Erregung der Magnete in Umdrehung versetzt, so wird der Synchronmotor synchron mitgenommen. Dies Verfahren, einen Synchronmotor auf Touren zu bringen, kommt, wenn auch selten, der Praxis auch zur Anwendung.