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Einrichtung zur Erhöhung der Klemmenspannung von mit Leerlaufstrom arbeitenden Wechselstroniverbrauchern bei Zunahme der Belastung.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die die selbsttätige Erhöhung der primären Klemmenspannung von mit wattloser Leerlaufstromkomponente arbeitenden Wechselstrom- verbrauchern, z. B. Transformatoren oder Induktionsmotoren bezweckt. wenn diese Vorrichtungen unter Belastung kommen.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass mit dem Stromverbraueher eine mit magnetisierbarem Metallkern ausgerüstete Selbstinduktionsspule in Reihe geschaltet ist. in der bei Leerlauf ein Spannungsabfall auftritt der 3"/ (, der Klemmenspannung des unbelasteten Stromverbrauchers übersteigt und deren magnetisierbarer Kern im unbelasteten Zustande soweit gesättigt ist. dass bei Wattstrombelastung des Stromverbrauchers der in der Selbstinduktionsspule auftretende Spannungsvektor nicht proportional mit dem durch die Spule fliessenden Strom, sondern nur soweit wächst, dass der nach vektorialem Abzug dieses
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in Dreiphasenschaltung.
Zwischen die Stromleiter 1, 1 ist der mit Leerlaufstrom arbeitende Stromverbraucher. z. B. der Transformator 3 geschaltet, dessen primäre Klemmenspannung bei Zunahme der Belastung steigen soll. Vor den Transformator ist gemäss der Erfindung eine Selbstinduktionsspule 4 geschaltet, deren aus magnetisierbarem Metall, insbesondere Eisen bestehender Kern ü derart bemessen ist. dass eine zur Erzielung der nachstehend erläuterten Wirkung genügende Sättigung eintritt. Die Selbstinduktionsspule 4 muss derart bemessen sein. dass dieselbe bereits bei Leerlauf eine Spannung aufnimmt, die einen nennenswerten Prozentsatz der Klemmenspannung des Stromverbrauchers 3 beträgt, damit die angestrebte Regelwirkung erreicht wird.
Diese Spannung muss mehr als 20/0 der Klemmenspannung der zu regelnden Vorrichtung betragen. Steigt also die Belastung des Stromverbrauchers 8. so nimmt auch der durch die Selbstinduktionsspule 4 fliessende Strom zu und trachtet die Magnetisierung des Eisenkern 5 zu erhöhen. Befindet sich aber das Eisen in der Nähe der Sättigung, so wächst die Magnetisierung in geringerem Masse als der durch die Selbstinduktionsspule fliessende Strom, weshalb
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der Strom. Die Wirkungsweise ist an der Hand des in Fig. 2 veranschaulichten Vektordiagramms erläutert.
Der Vektor E bedeutet die zwischen den Leitern 1, 1 herrschende Gesamtspannung. die bei Leerlauf sich derart verteilt, dass die Selbstinduktionsspule- die Spannung eo und der Stromverbraucher 3 die Spannung Eo aufnimmt. Wird der Stromverbraucher mit Wattstrom belastet, so nimmt die durch die Selbstinduktionsspule aufgenommene Spannung die vektoriale Grösse ei an. wodurch auf den Stromverbraueher S die Spannung Ei entfällt.
Die Klemmen- spal1nung Ei des Stromverbrauchers 3 ist demnach in bezug auf den bei Leerlauf vorhandenen
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in der Praxis also vernachlässigbarer Wattstrombelastung kann die Spannung des Stromverbrauchers in ganz geringem Masse auch abnehmen. Dieser Fall kann dann eintreten, wenn bei Leerlauf in der Selbstinduktionsspule die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung kleiner ist, als in dem zu regelnden Stromverbraucher.
Die Charakteristik der Selbstinduktionsspule kann den verschiedenen Anforderungen dadurch angepasst werden, dass man die Sättigung entsprechend wählt, dass man im Eisenkern einen verjüngten Steg 6 oder einen Luftspalt anbringt, oder im Nebenschluss zur Selbstinduktionsspule einen ohmschen Widerstand 7 schaltet. In Fig. 3 sind zwei Selbstinduktionsspulen mit verschiedener Charakteristik in Reihe geschaltet, z. B. die mit dem Nebenschlusswiderstand 7 ausgerüstete Spule 4 mit einer einfachen Spule dz
Wohl hat man Transformatoren bereits Drosselspulen vorgeschaltet, doch dienten diese bloss zum Auffangen von steilen Überspannungswellen und wurden mit einer für die Betriebsfrequenz möglichst geringen Selbstinduktion ausgeführt, enthielten also meistens keinen Eisenkern.
Desgleichen wurden zwar bereits gesättigte Drosselspulen für Spannungsregler verwendet. doch dienten diese Drosselspulen-u. zw. nur in Kombination mit ungesättigten Drosselspulen-unter Anschluss an das Spannungsrelais des Reglers ausschliesslich dazu, um bei Spannungsschwankungen die auf den Regler entfallende prozentuelle Schwankung in positivem oder negativem Sinne zu vergrössern, damit der Spannungsregler auch auf geringere Spannungs- schwankungen anspricht.
Man benutzte bei Transformatoren zur Begrenzung der Kurzschlussströme auch vorgeschaltete Drosselspulen. Aber auch diese enthielten entweder gar kein Eisen, oder aber einen so grossen Luftspalt, dass der in der Drosselspule auftretende Spannungsabfall möglichst proportional dem Belastungsstrom war, so dass der Eisenkern auch bei Vollbelastung die Sättigung nicht erreichen konnte.
Die Spannung, die sowohl in den zum Schutz gegen Überspannungen,
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bedeutend geringer als "/o der Klemmenspannung des Transformators, wenn bloss der Leerlaufstrom durch die Drosselspulen durchfliesst,'darüber aber sollte die Spannung annähernd
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eintreten, so ist es erforderlich, dass einerseits die in der Selbstinduktionsspule auftretende Spannung bereits bei Leerlauf 2% übersteigt und dass anderseits die Spannung nicht proportional mit dem durchfliessenden Strom, sondern in bedeutend geringerem Masse wächst.
Den praktischen Anforderungen entspricht, dass die in der Selbstinduktionsspule auftretende Spannung höchstens das 1#4fache der Leerlaufspannung beträgt, wenn der durch die Selbstinduktionsspule durchfliessende Belastungsstrom das doppelte des Leerlaufstromes erreicht hat, und wenn der Strom auf das 10 fache des Leerlaufwertes gewachsen ist, so darf die Spannung der Selbstinduktionsspule höchstens auf den vierfachen Wert steigen.
Da die Spannung des Stromverbrauchers. infolge des Umstandes wächst, dass durch die Wattstrombelastung der in der Selbstinduktionsspule auftretende Spannungsvektor sich verdreht, kann eine praktisch in Betracht kommende Spannungsregelung nur dann zustande kommen, wenn die Phasenverschiebung des Leerlaufstromes genügend gross ist und die Belastung mindestens eine so grosse Wattkomponente aufweist, dass bei normaler Belastung die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung vor dem Stromverbraucher und der Selbstinduktionsspule nicht mehr als 450 beträgt, d. h. der Leistungsfaktor (Cos. m) nicht kleiner als 0-7 ist.
Die Selbstinduktionsspulen gemäss der Erfindung werden bei Öltransformatoren zweck- mässig mit dem Transformator in einem gemeinsamen Ölbehälter untergebracht.
Die Fig. 4 zeigt die Einrichtung beispielsweise in einer Dreiphasenschaltung, bei welcher drei Selbsünduktionsspulen auf einem gemeinsamen Eisenkern 5 angeordnet sind.
Bei dieser Anordnung kann trotz der Sättigung des Eisenkernes, bei starker Zunahme des Stromes (z. B. auf das 10-20fache) vorkommen, dass der Spannungsabfall in den Selbstinduktionsspulen 2-3 mal grösser wird, was die Wirkung der Einrichtung zur Erhöhung der Klemmenspannung des Stromverbrauchers nicht unbedeutend beeinträchtigen würde. Um dies zu verhindern, empfiehlt es sich für eine jede Phase je noch eine weitere Spule 2 vorzusehen, die untereinander in Dreieckschaltung verbunden sind.
Man hat zwar bereits für Dreiphasentransformatoren Wicklungen in einer in sich geschlossener Dreieckschaltung verwendet, u. zw. bei Transformatoren in Sternschaltung ; wenn nämlich an der sekundären Seite die Phasen ungleich belastet werden, insbesondere wenn zwischen dem Nullpunkt und den einzelnen Phasenenden eine ungleichmässige Belastung erfolgt, so tritt ein starker Spannungsabfall in dem belasteten Zweig auf, während in den unbelasteten Zweigen auch eine Spannungserhöhung auftreten kann. Zur Beseitigung der etwa bei ungleichmässiger Belastung eintretenden grossen Ungleichmässigkeit der drei Phasen verwendete man eine Wicklung in einer in sich geschlossener Dreieckschaltung, in welcher unter der Wirkung der
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heit bedeutend verringert wird.
Ausserdem hat man Wicklungen in der erwähnten Dreieckschaltung bei Dreiphasentransformatoren zur Verringerung der im Eisenkern und im Gehäuse infolge der durch die dritte harmonische Schwingung des Magnetisierungstromes verursachten Streuung eintretende Verluste bzw. bei zur Spannungsregelung in verketteten Dreiphasensystemen dienenden Transformatoren zur Erzielung eines stabilen neutralen Punktes in der in Stern geschalteten Primärwicklung des Transformators verwendet.
Demgegenüber dienen die gemäss der Erfindung vorgesehenen, untereinander in Dreieckschaltung verbundenen Spulen 2 nach Fig. 4 ausscliesslich zur Unterstützung der im Sinne der Erfindung geschaffenen spannungserhöhenden Wirkung durch die Selbstinduktionsspulen 4 mit gesättigtem Eisenkern. Wenn nämlich der Sinusstrom durch den gesättigten Eisenkern fliesst, so tritt in der Spule zufolge der besonderen Form der Magnetisierungskurve des Eisens eine Spannung auf, die eine starke dritte harmonische Schwingung enthält, deren Grössen- ordnung diejenige der Grundharmonischen erreichen kann.
Zur Vermeidung eines starken Spannungsabfalles in der Einrichtung dient im Sinne des beabsichtigten Zweckes, namentlich bei zunehmendem Strom die Spannung hinter der Einrichtung zu erhöhen, in erster Linie die Massnahme, dass der Eisenkern der Selbstinduktionsspule schon bei Leerlauf gesättigt ist. Bei starker Sättigung besteht aber ein grosser Teil der Spannung aus einer dritten harmonischen Schwingung, welche nun durch die beschriebenen Spulen, 2 beseitigt wird, wodurch der Spannungsabfall in geringerem Masse zunimmt. In dieser Weise wird eine wirksamere Regelung durch die Einrichtung gemäss der Erfindung auch für dreiphasigen Wechselstrom gesichert.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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