Synchronisation von Gleichstromgeneratoren: Best Practices für Parallelbetrieb und Lastteilung

Parallelbetrieb von Gleichstromgeneratoren – Bedingungen, Vorteile und Lastverteilung

In elektrischen Versorgungsnetzen wird Energie von zahlreichen Generatoren eingespeist, die in einem Verbundnetz gekoppelt sind. Statt eines einzelnen Großgenerators werden häufig mehrere kleinere Gleich- oder Wechselstromgeneratoren parallel betrieben.

Manchmal dienen Gleichstromgeneratoren als Reservekraftwerke. Da nicht immer ein einzelner Generator den Lastbedarf decken kann, werden mehrere Gleichstromgeneratoren parallelgeschaltet, um die Nachfrage zu befriedigen.

Heute wird der Parallelbetrieb von Gleichstromgeneratoren weitverbreitet eingesetzt, um folgende Vorteile zu nutzen:

Vorteile des Parallelbetriebs von Gleichstromgeneratoren

Versorgungskontinuität

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ist essenziell. Ein Einzelgenerator kann dies nicht gewährleisten: Fällt er aus oder wird gewartet, steht das gesamte Kraftwerk still. Durch den Einsatz mehrerer Generatoren steigt die Zuverlässigkeit erheblich. Kritische Verbraucher (Krankenhäuser, Fabriken) benötigen eine unterbrechungsfreie Versorgung.

Bessere Wirtschaftlichkeit

Generatoren erreichen ihren Höchstwirkungsgrad bei Volllast. Da der Leistungsbedarf schwankt (Tagesspitze vs. Nachtminimum), ist es wirtschaftlich, nachts kleine und tagsüber große Generatoren zu betreiben. Bei steigender Last werden beide parallelgeschaltet, um den Bedarf effizient zu decken.

Einfache Wartung und Reparatur

Generatoren benötigen regelmäßige Wartung. Währenddessen muss ein anderer Generator die Last übernehmen. Auch bei Störungen kann ein intakter Generator die Versorgung aufrechterhalten.

Flexibilität

Kleinere Generatoren lassen sich an verschiedenen Standorten installieren und parallelschalten. Ein einzelner Großgenerator benötigt mehr Platz und Infrastruktur.

Kosteneffizienz

Die Stromgestehungskosten sinken, wenn Generatoren stets im Volllastbereich arbeiten. Bei hoher Last werden mehr, bei niedriger Last weniger Generatoren parallelgeschaltet. Die übrigen bleiben in Bereitschaft. So arbeiten alle Generatoren im optimalen Lastbereich.

Einfache Erweiterung

Der Strombedarf wächst stetig. Beim Kraftwerksbau werden Erweiterungsflächen vorgehalten. Statt eines kompletten Neubaus lassen sich zusätzliche Generatoren einfach parallel anschließen.

Aufgrund dieser Vorteile ist der Parallelbetrieb weit verbreitet. Gleichstromgeneratoren werden in drei Haupttypen unterteilt:

• Gleichstrom-Nebenschlussgenerator (Shunt)
• Gleichstrom-Reihenschlussgenerator (Series)
• Gleichstrom-Zusammenschlussgenerator (Compound)

Da die Anschlussart von Anker- und Erregerwicklung je Typ unterschiedlich ist, wird der Parallelanschluss für jeden Typ separat betrachtet.

Parallelbetrieb von Gleichstrom-Nebenschlussgeneratoren

Zum Parallelschalten müssen die Plus- und Minuspole beider Generatoren mit den entsprechenden Sammelschienen (Busbars) verbunden werden. Die Sammelschiene ist ein massiver Kupferstab, dessen Anschlüsse die Klemmen des gesamten Kraftwerks bilden.

Generator 1 speist bereits das Netz. Generator 2 wird hinzugefügt. Dabei ist auf exakte Polarität zu achten – andernfalls entsteht ein gefährlicher Kurzschluss.

Vor dem Zuschalten ist Schalter S geöffnet. Ein Voltmeter misst die Spannungsdifferenz. Der Anker von Generator 2 wird auf Nenndrehzahl beschleunigt. Die Erregung wird so lange variiert, bis das Voltmeter Null anzeigt – die Klemmenspannung entspricht dann der Sammelschienenspannung.

Nach Schließen von S läuft Generator 2 im Leerlauf mit (schwebender Betrieb), da die induzierte Spannung der Sammelschienenspannung entspricht. Erst wenn die Erregung erhöht wird (E > V), übernimmt Generator 2 Lastanteile. Der von Generator 2 gelieferte Strom:

Mit Rₐ = Ankerwiderstand, E = induzierte EMK, V = Sammelschienenspannung.

Durch Steuerung der Erregung (Feldstrom) lässt sich der Lastanteil präzise regeln.

Parallelbetrieb von Gleichstrom-Zusammenschlussgeneratoren

Zusammenschlussgeneratoren besitzen steigende Kennlinien. Ohne Korrekturmaßnahmen ist ihr Parallelbetrieb instabil. Bei Lastübernahme durch Generator 1 stärkt der erhöhte Reihenschlussstrom dessen Erregung, was die EMK anhebt und weitere Last auf Generator 1 zieht. Generator 2 wird entlastet, sein Reihenschlussstrom sinkt, die EMK fällt – ein kumulativer Prozess, bis Generator 1 die Gesamtlast übernimmt und Generator 2 als Motor läuft. Dann löst ein Schutzschalter aus.

Stabilisierung durch Ausgleichsleiter (Equalizer Bar):

Ein niederohmiger Ausgleichsleiter verbindet die Ankerenden der Reihenschlusswicklungen. Er zwingt beide Generatoren, den Reihenschlussstrom proportional zu teilen. Nimmt Generator 1 mehr Last, fließt ein Teil des zusätzlichen Reihenschlussstroms durch Generator 2, wodurch beide Generatoren gleichmäßig beeinflusst werden. So wird ein Übernehmen der Gesamtlast verhindert.

Für stabilen Parallelbetrieb und gleichmäßige Lastteilung müssen die Regeldifferenzen (Steilheit der Kennlinien) identisch sein und die Reihenschlusswiderstände umgekehrt proportional zu den Nennleistungen dimensioniert werden.

Parallelbetrieb von Gleichstrom-Reihenschlussgeneratoren

Bei identischen Generatoren teilen sie sich die Last zunächst gleichmäßig. Steigt die EMK von Generator 1 (E₁ > E₂), wächst I₁ und schwächt I₂. Dies verstärkt das Feld von Generator 1 und schwächt das von Generator 2 – ein kumulativer Prozess, der schließlich zur Übernahme der Gesamtlast durch Generator 1 führt. Auch hier löst der Equalizer-Bar das Problem und erzwingt annähernd gleiche Strombeiträge.

Lastteilung bei Gleichstromgeneratoren

Der Nebenschlussgenerator besitzt eine leicht fallende Kennlinie und eignet sich daher am besten für stabilen Parallelbetrieb. Übernimmt ein Generator mehr oder weniger Last, stellt sich durch die inhärente Kennlinienform sofort die ursprüngliche Lastverteilung wieder ein.

Bei Störungen wird der fehlerhafte Generator abgeschaltet (Feldschwächung, Auslösung des Schutzschalters). Dies schützt das System vor Schocks und plötzlichen Störungen der Antriebsmaschinen.

Bei gleicher Klemmenspannung V liefert Generator 1 den Strom I₁, Generator 2 den Strom I₂. Der Generator mit steilerer Kennlinie (stärkerer Spannungsabfall) liefert weniger Strom. Bei identischen Kennlinien und gleichem Spannungsabfall von Leer- bis Volllast teilen sich beide Generatoren die Last an jedem Betriebspunkt gleichmäßig.

Bei Generatoren unterschiedlicher Nennleistung erfolgt die Lastteilung proportional zu ihren Nennleistungen. Ihre externen Kennlinien, in Prozent der Nennleistung dargestellt, müssen deckungsgleich sein:

Beispiel: 100 kVA und 200 kVA Generator parallel an 240 kW Last → 80 kW (100 kVA) und 160 kW (200 kVA).

Die Gesamtkennlinie lässt sich grafisch oder rechnerisch aus den Einzelkennlinien ableiten:

Bei linearen Kennlinien ist die rechnerische Ermittlung einfacher. Berechnung der Lastverteilung bei ungleichen Leerlaufspannungen:

• E₁, E₂ = Leerlaufspannungen
• R₁, R₂ = Ankerwiderstände
• V = gemeinsame Klemmenspannung

Die Sammelschienenspannung kann konstant gehalten werden, indem Φ₂ oder N₂ erhöht bzw. N₁ oder Φ₁ verringert werden. N₁, N₂ werden über die Antriebsdrehzahl, Φ₁, Φ₂ über die Nebenschlusswiderstände eingestellt.