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Einrichtung zur Regelung der Spannung eines Wechselstromnetzes.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die es gestattet, die Spannung an einer beliebigen Stelle eines Wechselstromnetzes zu ändern, u. zw. je nach Bedarf entweder in dem Sinne, dass die die Regelung bewirkende zusätzliche Spannung die zu regelnde Spannung erhöht oder aber vermindert.
Die Einrichtung besteht aus einem mindestens zwei geschlossene Kraftflüsse aufweisenden Transformator, der erfindungsgemäss für jeden Kraftflusskreis je eine Hauptstromwieklung und je eine aus einer fremden Gleichstromquelle erregbare Erregerspule oder eine kurzschliessbare Hilfsspule trägt, während seine zweite Wicklung derart an die zu regelnde Spannung geschaltet ist, dass der durch diese Wicklung erzeugte Kraftfluss die beiden Hauptstromwirklungen in bezug auf die Wieklungsrichtung in entgegengesetztem Sinne durchfliesst.
Der Vorteil der Einrichtung gemäss der Erfindung gegenüber den bisherigen Spannungsreglersystemen besteht darin, dass die Regelung nicht wie bisher durch bewegliche Regler (Induktions- regler usw. ), die in der Anschaffung teuer und dabei auch heikel sind, sondern durch Transformatoren sicherer Bauart erfolgt, ohne in dem zu regelnden (gewöhnlich Hochspannung-) Stromkreis irgendwelche Schaltungen oder Umschaltungen zu erfordern. Aus diesem Grunde können die kostspieligen Hoehspannungssehalter und-umschalter ganz in Fortfall kommen.
Die Regelung erfolgt dabei entweder mit Gleichstrom oder durch das Kurzschliessen von Hilfsspulen, deren Spannung jedoch beliebig sein kann, so dass die einfachsten Schalter oder gewöhnliche Anlasswasserrheostaten Verwendung finden können.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Einrichtung schematisch dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 einen dreischenkeligen Reglertransformator. Fig. 2 eine Anordnung, bei der die Erregerspulen an einem besonderen Schenkel liegen. Fig. 3-5 veranschaulichen Einrichtungen, bei denen die Zweige des magnetischen Kreislaufes in besonderen Eisenkörpern verlaufen. Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der die Spannungsregelung durch das Kurzschliessen von parallelgesehalteten Hilfsspulen erfolgt. Fig. 7-9 zeigen drei weitere Ausführungsformen.
In Fig.. 1 ist ein dreischenkeliger Transformator veranschaulicht, dessen mittlerer Schenkel die Wicklung s trägt, die zwischen die beiden Leiter L, L geschaltet ist, an denen die Spannung geregelt werden soll. Der durch diese Spannungswicklung erregte Kraftfluss ist in zwei Kreise I und II unterteilt. Ein jeder dieser Kreise ist mit einer Hauptstromwicklung f, f ausgerüstet, die untereinander in Reihe geschaltet sind. Infolge dieser Anordnung sind die durch die Spannungswicklung und die Hauptstromwieklung erregten Kraftflüsse in einem der Zweige, z. B. im Zweige II gleichgerichtet, während sie
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wicklung s erregte Kraftfluss aus dem Zweige I bzw. aus dem Zweige II in den andern Zweig verdrängt.
Je nachdem nun der durch die Spannungswicklung s erzeugte Kraftfluss durch den Zweig I oder durch den Zweig II geschlossen wird, addiert sich oder subtrahiert sich die zusätzliche Spannung zu der bzw. von der Grundspannung.
Um eine induzierende Wirkung der Spannungswicklung s auf die Erregerspulen gl, g2 zu vrrmeiden, kann man die in Fig. 2 dargestellte Anordnung benutzen, bei welcher die Erregerspulen gl'g2 an einem,
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einen jeden der Zweige 1 und 11 der Kreisläufe überbrückenden, besonderen Schenkel liegen, in bezug auf welchen die Hauptstromspulen f, f rechts und linke verteilt sind. Um nun den durch die Weehselströme erzeugten Kraftfluss von dem die Spulen 91'92 tragenden Schenkel fernzuhalten, sind diese Schenkel mit Kurzschlusswindungen k versehen.
Die Zweige 1 und 11 des magnetischen Kreislaufes können auch in besonderen Eisenkörpern verlaufen, wie dies die Fig. 3, 4und 5 zeigen. Dabei trägt ein jeder Eisenkörper eine Spannungswiddung bzw. S2, die derart miteinander verbunden sind, dass die durch die Hauptstromwieklung und Spannungswicklung erzeugten Kraftflüsse in dem einen Eisenkern, z. B. 1, gleichgerichtet, in dem andern Eisenkern aber entgegengesetzt gerichtet sind. Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungen sind die
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nachdem der Einstellkontakt c des Regelwiderstandes r gegen die Spule 9r oder die Spule 92 verschoben wird, fliesst mehr Strom durch die eine oder die andere Spule.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführung weicht von der in Fig. 3 dargestellten nur darin ab, dass die die Erregerspulen 91 bzw. 92 tragenden Schenkel der Eisenkörper in bekannter Weise in wenigstens zwei parallelgeschaltete und je eine Erregerspule aufweisende Zweige unterteilt sind ; dadurch wird erreicht. dass das Gleichstromfeld zwischen den Zweigen dieses Sehenkels geschlossen werden kann.
Eine weitere Wirkung dieser Anordnung besteht darin, dass die Hauptstromspule auf die Erregerspule induktiv nicht zurückwirkt, weil die Erregerspulen 9 in den beiden Zweigen entgegengesetzt gewickelt sind. Damit das Wechselstromfeld auch bei grosser Sättigung des Erregerkreises auf die Erregerspulen nicht zurückwirke, ist eine um die Schenkel gekreuzt kurzgeschlossene Wicklung k angeordnet, wodurch man auch erreicht, dass das Wechselfeld in den beiden Zweigen nur gleichmässig verteilt durchdringen kann.
Jeder eine Erregerspule 91 oder 92 tragende Schenkel der Eisenkörper kann nicht nur, wie in Fig. 4 gezeigt, in zwei Zweige, sondern auch an beliebig vielen Stellen hintereinander in je zwei parallele Teile verzweigt werden, wobei jeder Zweig mit einer Erregerspule versehen wird. Die Stellen, an denen diese Zweige von den übrigen Teilen des Eisenkörpers abgezweigt werden, können an beliebigen Stellen der Länge des Körpers, u. zw. entweder an den mit Hauptstromwicklungen bewickelten oder aber keine Wicklungen tragenden Teilen der Eisenkörper gewählt werden.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung weicht von der in Fig. 4 dargestellten nur darin ab, dass der Eisenkörper an mehreren Stellen verzweigt ist und die Erregerspulen 9 der einzelnen Schenkel derart geschaltet sind, dass die nebeneinanderliegenden Erregerkraftflüsse Fb entgegengesetzte Richtungen aufweisen. Die einzelnen Eisenbrücken, die man auch nachträglich einbauen kann, sind je von einer kurzgeschlossenen Wicklung k umschlungen, welche das Übertreten des Wechselstromfeldes durch die Brücken aus einem Zweig in den andern verhindern.
Die Regelung geschieht bei dieser Anordnung beispielsweise dadurch, dass die Erregerspulen einzeln oder gruppenweise nacheinander erregt werden.
Anstatt die Zweige der Kraftflüsse durch Gleichstrom magnetisch zu sättigen, kann die Regelung auch dadurch erfolgen, dass man einen Zweig bzw. einen der entgegengesetzt geschalteten Transformatoren über einen induktiven oder ohmschen Widerstand stufenweise oder durch Vermittlung von Schaltern plötzlich kurzschliesst.
Dadurch wird der Kraftfluss nach dem zweiten Zweig (Transformator) verdrängt, wodurch die Spannungsänderung hervorgerufen wird. Durch Kurzschliessen des einen Zweiges (Transformators) steigt, durch Kurzschliessen des andern sinkt die Spannung ; wenn beide Zweige offen bind, bleibt die Spannung unverändert. Eine solche Einrichtung mit in besonderen Eisenkörpern verlaufenden Zweigen des Kraftflusses ist in Fig. 6 veranschaulicht. 91 und 92 sind die Hilfsspulen, durch deren Kurzschliessen die Spannungsregelung erfolgt. Das Kurzschliessen erfolgt, z. B. über die ohmschen Widerstände le, bzw. k2, durch Verschiebung des Gleitkontaktes h1 bzw. h2.
Wenn kein Zweig kurzgeschlossen ist, dann tritt bei Belastung des Systems ein von der Belastung
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derart zu schalten, dass sie den von der Belastung abhängigen Spannungsabfall verhindern.
Zu diesem Zwecke werden die beiden Hilfsspulen 91'92 parallelgeschaltet, so dass, wenn in den beiden magnetischen Kreisen der Kraftfluss gleich gross ist, die in den Spulen auftretenden Spannungen einander entgegenwirken und sich gegenseitig aufheben. Sind die Kraftflüsse jedoch verschieden, dann treten Ausgleichströme auf, die das Bestreben haben, die Kraftflüsse gleich gross zu halten, so dass ein von der Belastung abhängiger Spannungsabfall nicht auftreten kann.
Soll die Spannung durch Kurzschliessen der einen oder andern Hälfte geregelt werden, so muss mit dem Kurzschliessen gleichzeitig auch die Parallelschaltung der Spulen aufgehoben werden.
Dies wird am zweckmässigsten dadurch erreicht, dass das Kurzschliessen der Spulen 91 bzw. g2 und das Unterbrechen des parallelgeschalteten Kreises durch eine gemeinschaftliche Vorrichtung (fizz erfolgt. Hiefür kämen z. B. auch zwei zwangläufig betätigte Wasserwiderstände in Betracht.
Die beiden magnetischen Kreise können ebenso wie bei der Gleichstromsättigung auch an einem gemeinschaftlichen Eisenkern vereinigt werden.
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Der von der Belastung abhängige Spannungsabfall soll zweckmässig auch bei der Einrichtung vermieden werden, bei der die Spannungsregelung durch Sättigung mit Gleichstrom erfolgt. Dies geschieht zweckmässig derart, dass in dem Falle, wenn keiner der magnetischen Kreise gesättigt ist, die beiden Erregerspulen (oder besondere Spulen) über eine mit Gleichstrom gesättigte Spule in der oben beschriebenen Weise parallel geschaltet sind. Will man die Spannung regeln und sättigt den einen magnetischen Kreis, dann muss die Gleichstromsättigung der zwischengeschalteten Drosselspule aufgehoben werden.
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licher Spannungsabfall auftreten kann, muss man verhindern, dass sich auf dem in Fig. 9 durch Pfeile 2 angedeuteten Wege ein Kraftlinienfeld entwickeln kann, da nur das mit 1 bezeichnete Feld zur Geltung gelangen darf.
Zu diesem Zwecke werden die durch Gleichstrom erregten Spulen (oder gegebenenfalls besondere Spulen t-t) derart miteinander verbunden, dass unter der Wirkung des Kraftflusses 1 die auftretenden Spannungen einander entgegenwirken, wobei also keine Ausgleichsströme auftreten ; unter der Wirkung des Kraftflusses 2 tritt aber ein Ausgleiehsstrom auf, der die Entstehung des Kraftflusses verhindert. Eine derartige Schaltung der Spulen ist aber aufzuheben, wenn der eine Zweig gesättigt wird, da in diesem Falle die in den beiden Spulen auftretenden Spannungen zwar einander entgegengesetzt, jedoch nicht gleich gross sind, so dass auch der andere Zweig in Kurzschluss gelangt.
Um eine Unterbrechung durch einen Schalter zu vermeiden, wird am zweckmässigsten derart vorgegangen, dass die beiden Spulen nicht unmittelbar, sondern über eine Selbstinduktionsspule verbunden werden, die mit Gleichstrom gesättigt werden kann. Die letztere verhält sich im gesättigten Zustande derart, als würden die beiden Spulen miteinander unmittelbar verbunden, zumal kein induktiver Widerstand vorhanden ist ; wird aber die Sättigung aufgehoben, so gelangt zwischen die beiden Spulen ein hoher Selbstinduktionswiderstand, d. h. die Wirkung ist eine derartige, als ob die beiden Spulen voneinander getrennt wären.
Die geschilderten Einrichtungen können an beliebige Punkte der Wechselstromleitung angeschlossen werden und gestatten eine Spannungsregelung beliebigen Ausmasses.
In gewissen Fällen kann die angestrebte Wirkung auch mit einer einfacheren Schaltung erreicht werden, z. B. wenn die Spannung zwischen zwei Anzapfungen eines Transformators geändert werden soll.
In diesem Falle können die beiden entgegengesetzt geschalteten Reihentransformatoren als spannungsverteilender Transformator ausgebildet werden, d. h. die Haupt-und die Nebenstromwicklungen können zu einer gemeinschaftlichen Wicklung vereinigt werden, deren Mitte herausgeführt ist.
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Spannungen Li, La liegt.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 8 unterscheidet sich von jener nach Fig. 7 durch das Anordnen der Spulen auf einem gemeinschaftlichen Eisenkern. Hier kann der Spannungsabfall in der Mittelstellung auch dadurch vermieden werden, dass der Mittelsteg von einer Hilfsspule r umschlossen ist : diese wird lediglich dann kurzgeschlossen, wenn keine der Spulen gl, kurzgeschlossen ist. Auch hier ist die Anwendung von zwangläufig verbundenen Schaltern vorteilhaft. Selbstverständlich kann die Spannungsregelung auch in diesen Fällen durch Gleiehstromerregung erfolgen.
Man kann natürlich auch mehr als zwei Serientransformatoren verwenden, die nacheinander gesättigt bzw. kurz geschlossen werden, so dass die Regelung in mehreren Stufen erfolgen kann.
Für Dreiphasenstrom können die Spulen der drei Phasen an einem gemeinsamen Eisenkörper angeordnet werden, wobei man zur Sicherung der Symmetrie der einzelnen Phasen für jede Phase noch je eine zusätzliche Spule anordnet, die untereinander in Dreieckschaltung verbunden sind (vgl. Pat Nr. 111.789).
Bei der Anwendung auf Spannungsregelung von Transformatoren kann es vorteilhaft sein, die Spannungswieklung mit der einen, z. B. der Niederspannungsseite, die Hauptstromwicklung mit der andern Seite des Transformators zu verbinden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Regelung der Spannung an einer beliebigen Stelle eines elektrischen Wechselstromnetzes, mittels eines zwei geschlossene Kraftflüsse aufweisenden Transformators, gekennzeichnet durch einen Serientransformator, der für jeden Kraftflusskreis (1 und 11) je eine fremderregte oder je eine eigenerregte, kurzschliessbare Erregerspule (i, trägt und dessen zweite Wicklung (s) derart an die zu regelnde Spannung geschaltet ist, dass der durch diese Wicklung erzeugte Kraftfluss die beiden Hauptstromwieklungen (f) in bezug auf die Wicklungsriehtung in entgegengesetztem Sinne durchfliesst.