Synchronisiersäule - Die frühe Zuschaltung eines Generators auf ein Netz

Im Gegensatz zu Gleichstrom, der in Akkumulatoren gespeichert werden kann, muss die Erzeugung von Wechselstrom und damit auch des dreiphasigen Drehstroms stetig an den Verbrauch angepasst werden. Wird zu viel erzeugt steigt die Frequenz von 50 Hz in Europa (60 Hz in USA u. a.), wird zu wenig erzeugt sinkt sie. Bevor bei steigendem Bedarf ein weiterer Drehstrom-Synchrongenerator – angetrieben durch eine Dampf-, Wasser-, Gasturbine oder einen Motor – einem bestehenden Netz zugeschaltet werden darf muss dieser drei Bedingungen einhalten:

• Er muss die gleiche Frequenz erzeugen wie sie das Netz hat. Erreicht wird dies durch eine vorsichtige Drehzahlanpassung der antreibenden Maschine.
• Nachdem die Frequenzangleichung auf 50 Hz durch Veränderung der Energiezufuhr erreicht wurde muss der zuzuschaltende Generator auch die gleiche Spannung wie im vorhandenen Netz abgeben. Dies wird durch Veränderung der magnetischen Induktion des drehenden Polrades erreicht.
• Nach Angleichung von Frequenz und Spannung darf auch keine größere vor- oder nacheilende Phasenverschiebung des zuzuschaltenden Generators gegenüber dem Netz bestehen. Diese würde je nach Dimensionierung des Generators zu kurzzeitigen heftigen Ausgleichströmen bis hin zur Abschaltung führen. Eine Zusammenschaltung ist nur bei sehr kleinen Phasenverschiebungen zulässig, um Ausgleichsströme bei der zwangsläufig durch das starre Netz erzwungenen Synchronisierung zu vermeiden.

Wenn diese drei Maßnahmen durchgeführt sind, kann eine Zuschaltung des Generators erfolgen, dieser bei steigendem Bedarf mit einer Leistungsabgabe das Netz stützen und somit eine Frequenzabsenkung verhindern. Hierfür wurden seinerzeit Synchronisiersäulen in den Kraftwerken installiert, die unterschiedliche Lampenschaltungen und Messgeräte enthielten. Alle waren so groß, dass sie auch aus etwas größerer Entfernung ablesbar waren als das bei den im TMK ausgestellten Geräten im Format 96 x 96 oder 144 x 144 mm möglich ist.

In der unten abgebildeten Grafik wird der Ausgangszustand vor der Synchronisierung dargestellt:

• Der Generator hat noch eine Frequenz von 52 Hz, die Antriebsmaschine läuft also etwas zu schnell
• Er gibt bei einer Netzspannung von 10 kV eine Spannung von nur 9 kV ab, ist also untererregt

Wenn in den jetzt folgenden ersten beiden Schritten zur Synchronisierung Frequenz und Spannung angeglichen sind wird zwangsläufig eine Phasendifferenz übrig bleiben, die für den Generator gegenüber dem Netz voreilend, aber auch nacheilend sein kann. Durch erneuten vorsichtigen Eingriff in das Drehzahlstellorgan der Antriebsmaschine wird dieser ausgeglichen und die Zuschaltung kann erfolgen.

Unsere aus drei Messgeräten erstellte (nicht historische) Synchronisiersäule beinhaltet rechts einen Doppel-Zungen-Frequenzmesser, links einen Doppelspannungsmesser und oben einen Nullspannungsmesser, alle von Siemens hergestellt und vermutlich in der Zeit nach der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert entwickelt, beschrieben in einem Buch von O.-Ing. Werner Skirl aus 1923. Derzeit fehlt eine Lampe mit hohem Temperaturkoeffizienten in Reihenschaltung mit dem Nullspannungsmesser.

Für Frequenzmessgeräte verwendete Siemens seinerzeit die indirekte Erregung der auf mechanische Resonanz abgestimmten metallischen Zungen Z, welche auf einem gemeinsamen, auf Federn F gelagerten Steg, dem Zungenkamm K, befestigt waren (Bild links bzw. je nach Endgerät oben).
Der Zungenkamm trug einen Anker A, der einem feststehenden Elektromagneten M gegenüber stand. Bei Erregung dieses Magneten wurden über den Anker der Zungenkamm und hierdurch die federnden Zungen angeregt.
Die Zungen, deren Eigenschwingungszahl mit der Frequenz des Wechselstromes übereinstimmte, gerieten infolge der Resonanzwirkung in heftige Schwingungen, so dass ein deutlich sichtbares Schwingungsbild entstand. Die übrigen Zungen, deren Eigenschwingungszahl von der Frequenz des Wechselstromes abwich, schwangen nur ganz leicht mit, so dass sie praktisch als "in Ruhe" erschienen.
Um die Frequenz der zuzuschaltenden Maschine bequem mit der Netzfrequenz vergleichen zu können, wurden Generator- und Netzfrequenzmesser zu einem Doppelfrequenzmesser zusammengefasst. Bei diesem liegen, auch heute noch, die beiden Skalen dicht übereinander. Entsprechend dem Vorgang beim Parallelschalten wanderte das Schwingungsbild der zuzuschaltenden Maschine auf der oberen Skala, während das zur Netzfrequenz gehörige Schwingungsbild auf der unteren roten Skala feststand. Die Drehzahl der zuzuschaltenden Maschine wurde dann solange verändert, bis die beiden Schwingungsbilder genau übereinander standen.

Als Messwerk für die Spannungsmessgeräte wurde vorzugsweise das Dreheisenprinzip verwendet, bestehend aus einem drehbar gelagerten und je nach Hersteller unterschiedlich geformten Stück magnetisierbarem Eisen.
Siemens verwendete bei ihren Flachspul-Instrumenten ein kleines herzförmiges Eisenstückchen D, das exzentrisch auf der Zeigerachse gelagert war und in den Hohlraum einer seitlich angeordneten Spule F hineingezogen wurde (Bild links bzw. oben). Als Gegenkraft diente meist eine Spiralfeder (hier nicht dargestellt) und zur Dämpfung der Zeigerbewegung wurde eine Luftkammer L mit bremsendem Blechstreifen verwendet.
Um das Vergleichen der beiden Spannungen zu erleichtern wurden die Spannungsmessgeräte des Netzes und des zuzuschaltenden Generators wie beim Doppelfrequenzmesser derart in einem Gehäuse vereinigt, dass die beiden Messwerke hintereinander angeordnet waren und somit die beiden Zeiger über einer Skala spielten. Um mit nur einer Skalenteilung auszukommen führte Siemens die Eichung so aus, dass der Nullpunkt und der der normalen Netzspannung entsprechende Teilstrich für beide Messwerke übereinstimmten. Die weiteren Teilstriche wurden dann als Mittelwerte eingetragen, etwaige Abweichungen traten nur bei den weniger wichtigen Skalenteilungen auf und wurden durch die Mittelwerteintragung halbiert.
Da der Zeiger für die Netzspannung stets auf einem bestimmten, der normalen Betriebsspannung entsprechenden Wert stand und der Zeiger der hinzuzuschaltenden Maschine auf diesen Wert eingestellt werden sollte, wurde der Zeiger für die Netzspannung als unten angeordnete rote bewegliche Kennmarke ausgebildet wie auch der Blick auf unser Exponat für Niederspannung mit 250 V zeigt. Die zuzuschaltende Maschine wurde dann stets so erregt, dass abschließend der Zeiger des vorderen Messwerkes über dieser roten Kennmarke stand.

Bei den Nullspannungsmessgeräten mit Dreheisenmesswerk von Siemens wurde eine besonders weite Anfangsteilung, wie links bzw. oben ersichtlich, dadurch erreicht, dass an Stelle des üblichen Vorwiderstands aus weitgehend von der Temperatur unabhängigem Material ein solcher aus einem Metall mit hohem Temperaturkoeffizienten verwendet wurde.

Hierzu wurde eine Metalldrahtlampe in luftleerer Ausführung (Widerstandsverhältnis Kalt:Warm = 1:10) und alternativ mit einer Gasfüllung (1:12) verwendet. Der Wert eines Skalenteils war hierdurch höchstens ein Zehntel des Skalenendwerts und der für das Zuschalten maßgebende Nullpunkt der Skala wurde durch eine rote Kennmarke besonders hervorgehoben. Die Schaltung mit den üblicherweise verwendeten zweipolig isolierten Spannungswandlern ist links bzw. oben wiedergegeben: Das Nullspannungsmessgerät NV wurde wie auch auf der Skala unseres Exponats mit der Lampe V in Reihe geschaltet an die beiden Sekundäranschlüsse u der über die beiden geerdeten Anschlüsse v miteinander verbundenen Wandler angeschlossen. Da unsere drei Messgeräte an der Säule für Niederspannung 250 V ausgelegt sind entfielen die Wandler und die Neutralleiter von Netz und Generator waren vermutlich miteinander verbunden.

Neben der hier beschriebenen Synchronisiersäule mit einer Technik aus der Zeit um 1900 bis 1920 gab es mit der Dunkel- und der Hellschaltung von Lampen, der kreisförmigen Anordnung von bis zu sechs Lampen in einem Gehäuse mit konischem Reflektor und davor angeordneter transparenter Glasscheibe, Umkehrschaltungen und elektrodynamischen Synchronoskopen zahlreiche weitere Schaltungen, um in einem Kraftwerk Generatoren ans Netz zu schalten. Darüber informieren wir Sie gern bei einem Besuch im TMK!

Text: Wolfgang Dünkel, TMK

Fotos: Katharina Armbrecht, TMK

Grafiken: Helmut Lotz, TMK

(last update 14.08.2023)

Hier finden Sie eine verlinkte Auflistung unserer seit Oktober 2020 vorgestellten Objekte des Monats.

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Bild- und Textquellen historischer Instrumente: Meßgeräte und Schaltungen zum Parallelschalten von Wechselstrom-Maschinen, 2. Auflage, O.-Ing. Werner Skirl, Verlag von Julius Springer, Berlin, 1923