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Spannungsregler mit Last-oder Stellbegrenzung
Die Spannungsregler der Wechsel-und Drehstromgeneratoren, die auf grosse Netze arbeiten, haben erstens dafür zu sorgen, dass ihre Maschinen sich an der Spannungsregelung und der Deckung des Blind- leistungsbedarfs im Netz angemessen beteiligen. Zweitens müssen sie bei starkenSpannungssenkungen durch rasche Steigerung der Erregung die Stabilität des Parallelbetriebes aufrechterhalten und drittens bei plötzlicher Entlastung oder Abtrennung ihrer Generatoren vom Netz einen unzulässig hohen Spannungsanstieg verhindern.
Die heutigen Spannungsregler entsprechen diesen Anforderungen insofern noch nicht, als man mit ihnen die Blindleistungserzeugung und-verteilung und die Spannungshaltung nicht in wünschenswerter Weise durchführen kann, ohne Gefahr zu laufen, dass die Maschinen überlastet werden. Deshalb besteht auch beim Bedienungspersonal mitunter die Neigung, die Spannungsregler abzuschalten und lieber mit der
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gel der Spannungsregler werden sich mit zunehmender Leistungsfähigkeit und Ausdehnung des Netzverbundbetriebes und der wachsendenEnergieversorgungsdichte immer stärker bemerkbar machen.
Denn dann wird die Leistungsfähigkeit der einzelnen Maschineneinheit - abgesehen von den ganz grossen neuen Ma- schinensätzen-im Verhältnis sowohl zur Gesamtleistung des ganzen Netzverbandes als auch zu der eines örtlichen Netzbezirkes bestimmten Umfanges immer kleiner. Zweitens verringern sich die elektrischen Entfernungen (nach wirksamen Impedanzen bzw. Reaktanzen gerechnet) zwischen den einzelnen Kraftund Umspannwerken, u. zw. nicht nur, weil diese nähel beieinander liegen, sondern auch, weil die Leistungsfähigkeit aller Übertragungsanlagen grösser wird, weil Hoch-und Höchstspannungsnetze überlagert werden und weil man die Netze auch mehr vermascht.
Denkt man sich einmal die Netzimpedanzen bis zu dem theoretischen Grenzwert Null verringert, so wäre im ganzen Netz, abgesehen von der Spannungsübersetzung durch die Umspanner, die Spannung gleich gross, ganz unabhängig von den Wirk-und Blindleistungsflüssen in den Leitungen. Man hätte also dann ganz ähnliche Verhältnisse wie bei derDrehzahl-bzw. Frequenzregelung, nur mit dem Unterschied, dass man die Spannung beim Verbraucher durch Regelumspanner auf dem Sollwert halten kann, auch wenn die Spannung in den übergeordneten Hoch-und Höchstspannungsnetzen schwankt.
Wie bei der Drehzahlund Wirkleistungsregelung hätte man dann auch bei der Spannungs- und Blindleistungsregelung die beiden Möglichkeiten, entweder eine einzige Maschine im Netz- entsprechend der Frequenzmaschine bzw. der
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- mitandern Maschinen statisch arbeiten zu lassen oder aber sämtlichen Maschinen im ganzen Netz statische Kennlinien zu gehen bzw. die natürlichen, durch die Umspannerreaktanzen hervorgebrachten Kennlinien bestehen zu lassen oder lediglich ihre Neigung zu verkleinern. Das erstere Verfahren wäre unzweckmässig, da die eine spannungshaltende Maschine alle Blindlastschwankungen an sich ziehen würde.
In Betracht
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Netz arbeitenden Maschinen hätte den grossen Vorteil, dass man im ganzen mit der kleinstmöglichen Gesamtleistungsfähigkeit aller Blindleistungserzeuger auskäme, da die Gesamtblindbelastungskurve wegen des gegenseitigen Ausgleichs zwischen den Einzellasten wesentlich geringere Schwankungen aufweist als die Belastungskurven von Teilnetzen oder gar von örtlichen Netzen. Dieser Vorteil auf der Maschinenseite müsste aber durch eine ständige Blindleistungsfluktuation im ganzen Netz erkauft werden. Denn von jeder irgendwo anfallenden Blindbelastung würden bei den heutigen und noch mehr bei den künftigen grossen Netzen die örtlichen Maschinen nur mehr sehr wenig übernehmen ; das meiste würde aus allen Teilen des ganzen Netzes, also durchschnittlich aus grossen Entfernungen, zufliessen.
In Wirklichkeit schlägt man einen Mittelweg ein, u. zw. zunächst in der Weise, dass man sich durch den Maschineneinsatz und durch entsprechende Einstellung der Blindbelastung der Maschinen von Hand dem örtlichen Blindleistungsbedarf. der : lank der ständigen Aufschreibungen im vorausnäherungsweise bekannt ist, in grossen Zügen anpasst. Bei der Aufteilung des Restes, für die die Spannungsregler zu sorgen haben, bieten die in Wirklichkeit stets vorhandenen, soeben nur vorübergehend für eine erste überschlägige Betrachtung als verschwindend klein angenommenen Leitungsimpedanzen eine sehr willkommene Möglich- keit zur Einhaltung einer mittleren Linie zwischen örtlicher Deckung und Bezug von aussen her.
Hiefür gibt es bei der Drehzahlregelung kein Gegenstück, sondern nur bei der eine Stufe höher stehenden Drehungsregelung (Richtvektorregelung), die deshalb in mancher Hinsicht als Vorbild dienen kann, wenn man die Spannungsregelung zur Netzregelung weiterentwickeln will. Je grösser die Leitungsimpedanzen sind, desto stärker werden bei einer bestimmten Kennlinieneinstellung Blindlaständerungen örtlich gedeckt. im Grenzfall unendlich grosser Impedanzen, d. h. wenn das Netz in Teilnetze aufgetrennt N, muss jeder Teil seine Blindbelastung ganz allein übernehmen.
Auch wenn man umgekehrt bei gegebenen Leitungsimpedanzen die Kennlinien flacher einstellt, überwiegt immer mehr die örtliche Deckung, bis schliesslich bei waagrechten Kennlinien die Laständerungen gan7. an Ort und Stelle festgehalten und zwischen den Kraftwerken oder Netzteilen nur noch konstante einstellbare Blindleistungen - bei gleichen Spannungssollwerten die Blindleistungen Null - ausgetauscht werden.
Einem bestimmten Mittelweg oder, anders ausgedruckt, einem bestimmten Aufteilungsverhältnis zwischen örtlicher Deckung und Bezug von aussen her entspricht also unter gegebenen Verhältnissen eine ganz bestimmte Kennlinienneigung. Da nun im Laufe der künftigen Entwicklung, wie eingangs gesagt, die Leitungsimpedanzen kleiner und die Netze grösser werden, muss man in Zukunft allmählich zu immer flacheren Kennlinien Übergehen, wenn man ein bestimmtes Aufteilungsverhältnis beibehalten will.
Statt aber die Laständerungen alle gleichermassen in einem bestimmten Verhältnis auf örtliche Deckung und Fernbezug aufzuteilen, wird man besser das folgende Verfahren anwenden. Man wird, ohne die betrieblich eingesetzte Maschinenleistung zu vergrössern, bei vielen Maschinen die Kennlinien - auf die Umspannerklenlmen bezogen-waagrecht oder sogar ansteigend einstellen. Dann werden von diesen
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ten Maschinen.
Auf diese Weise erreicht man nicht nur die bestmögliche Ausnutzung der eingesetzten Blindleistungserzeuger, sondern zugleich auch sehr gute Konstanthaltung der Spannung. ferner die günstigsten Arbeitsbedingungen für die Regelumspanner in den Mittel- und Niederspannungsnetzen, die kleinstmögliche Beunruhigung des Netzes durch Blindleistungsflüsse und schliesslich übersichtliche Betriebsverhältnisse sowie Entlastung des Personals.
Allerdings besteht dabei die Gefahr, dass die Regler die Maschinen überlasten, da der Regelbereich für den Erregerstrom mit Rücksicht auf aussergewöhnliche Betriebszustände und-vorfälle stets ziemlich viel grösser gewählt werden muss, als für den Nennbetrieb erforderlich. Denn wenn die Maschinen infol- ge ihrer waagrechten oder flachen Kennlinien die ganze Blindbelastung in einem mehr oder weniger grossen Umkreis an sich ziehen, so können sie sich dabei, sofern keine geeigneten Gegenmassnahmen getroffen werden, leicht übernehmen. Ausserdem hängt die Blindbelastung der einzelnen Maschine bei flacher Kennlinie auch stärker von den Spannungsverhältnissen in der Umgebung und von Schaltmassnahmen ab, wie etwa vom Zu- und Abschalten von Leitungen.
Waagrechte Kennlinien an den Klemmen der Umspanner von mehreren auf die gleiche Sammelschiene arbeitendenMasch1nensätzen haben den Nachteil, dass man die Blindleistung nicht in gewohnter Weise mit Hilfe der Umspannerreaktanzen auf die verschiedenen Einheiten verteilen kann. Unter den verschie- dene ! ! Möglichkeiten. diese Schwierigkeit zu umgehen, wird voraussichtlich künftig die beste die sein. ansteigende Kennlinien zu verwenden, da man damit zugleich den Spannungsabfall in den Leitungen und Umspannern zu den Verbrauchern hin ganz oder teilweise ausgleichen kann.
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Was bisher aber die Spannungsregelung von synchronem Wechsel-oder Drehs : romgeceratoren gesagt wurde, gilt sinngemäss auch für die von Synchronmotoren, regelbaren Asynchronmaschinen sowie ändern Wechsel- und Drehstrommaschinen einschliesslich Phasenschiebern (Kompensatoren) aller Art, Wechsel- und Umrichtern, und nicht zuletzt vonRegelumspannern, die das zweite Haup : anwpndungsgebiet der Span -
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regler durch Zu-und Abschalten von Windungen die Spannung auf der geregelten Seite bestimmen, während den Blindleistungsfluss durch den Umspanner der Blindleistungsbedarf der Abnehmer vorschreibt.
Arbeitet der Regelumspannst aber mit andern Umspannern, Generatoren oder sonstigen Bl1ndleistungserze\l" gern zusammen, handelt es sich vor allem um die Kupplung selLitänd1ger Netze, so wird die Spannungslage und diesslindlastverteilung durch das Zusammenwirken aller parallelen Einheiten nach Massgabe ihrer Kennlinien und der Impedanzen bzw. Reaktanzen der Netzleitungen bestimmt. Es gilt daher für die Regelumspanner das oben filrGeneratorenGes1\gte sinngemäss ebenfalls.
Die Gefahr der Überlastung ist bei den Umspannern sogar noch grösser, einmal weil es bei ihnen keine natürliche Grenze für die Belastung gibt und dann auch weil bei ihnen Konstanthalten der Spannung durch den Regler an sich schon eine waagrechte Kennlinie bedeutet und nicht wie bei den Generatoren dank der Umspannerreaktanz eine fallende, Anderseits vertragen die Umspanner allerdings such eine beträchtliche Überlastung, was mit Vorteil ausgegenützt werden kann.
Bei der Spannungsregelung von regelbaren Drosseln und Kondensatorbatterien besteht zwar die Gefahr der Überlastung nicht, doch kann es wegen der Spannungshaltung im Netz und zur Vermeidung der Überlastung von Leitungen usw. zweckmässig sein, die Spannungsregler so auszubilden, dass man mit ihnen die Blindleistungsaufnahme oder -abgabe begrenzen kann.
Es sindRegler mit Stellbegrenzungen bekannt geworden(vgldie deuttche Patentschrift Nr. 833975). die mit Anschlägen für Leerlauf und Vollerregung ausgerüstet sind. Der Vollerregungsanschlag kann dabei in Abhängigkeit vom Belastungsstrom stehen und beim Auftreten bestimmter Bedingungen seine Lage so ändern, dass sich eine dem neuen Zustand entsprechend höhere Erregung einstellt.
Ferner ist in der deutschen Patentschrift Nr. 707089 eine Einrichtung zur Spannungsregelung von Generatoren beschrieben, die bei höheren Überströmen (Kurzschluss) nach Abklingen der Störung das Spannungsniveau, das durch den Regler eingestellt werden soll, absenkt und darauf das normale Niveau wieder einstellt. Diese Einrichtung arbeitet ohne Berücksichtigung des jeweiligen Leistungsfaktors der Belastung und nur bei Störungen (Kurzschluss), die eine Spannungsabsenkung hervorrufen. Die Einrichtung ist also nicht in der Lage, die Maschinen gegen Überlastung, die im Normalbetrieb auftreten können, zu schüt- zen, da in diesem Fall häufig die Spannung im Netz nicht oder nicht genügend abgesenkt wird.
Ferner ist durch die deutsche Patentschrift Nr. 645225 eine Anordnung zur Regelung der Blindstrom verteilung an parallelarbeitenden Drehstrommaschinen bekannt geworden, bei der auf die Spannungsregler der einzelnen Maschinen ausser der steuernden Netz- oder Maschinenspannung der Blindstrom der zugehörigen Maschinen statisierend und ihr Wirkstrom kompensierend-einwirken und die auf den Regler ein- wirkenden Ströme von dem rechtsläufigen Drehfeldstrombzw. Drehfeldsystem des für die Einwirkung in Frage kommenden Leistungsabschnittes geliefert werden. Diese Anordnung erzwingt dann, wenn in einer der parallelarbeitenden Maschinen der Blindstrom aus irgendeinem Grund über das proportionale Mass hinaus steigt, infolge der statisierenden Wirkung des Blindstromes eine Verminderung des Erregergleich- stromes.
Der Blindstrom wird infolgedessen bei konstant bleibender Spannung zurückgehen. Es handelt sich also um eine Anordnung zur Regelung der Blindstromverteilung, bei der eine bestimmte Blindstromverteilung über den gesamten Belastungsbereich aufgezwungen wird. Eine Änderung der Spanungs/Belastungskennlinie ist nicht vorgesehen.
In der deutschen Patentschrift Nr. 711257 ist ein Spannungsregler für elektrische Stromerzeuger beschrieben, der mit einem Strombegrenzungsregler ausgerüstet ist. Der Strombegrenzungsregler arbeitet in Abhängigkeit von dem Strom einer bestimmten Netzstelle ausserhalb des Kraftwerkes, die im normalen Betrieb von mehreren Maschinen versorgt wird. Hiedurch wird erreicht, dass das zu speisende Netz bei Überschreitung eines bestimmten Belastungsstromes gegen zu starke Strombeanspruchung geschützt wird. Eine Spannungs/Belastungskennlinie, die jeder Maschine eine bestimmte Blindleistungsabgabe zuordnet, wird hiedurch nicht erreicht.
Ferner ist eine elektromagnetische Regeleinrichtung für Stromerzeuger (s. die deutsche Patentschrift Nr. 821517) bekannt geworden, bei der bis zu einer bestimmten Stromgrenze der Regler in Abhängigkeit von der Erzeugerspannung den Stromerzeuger auf gleichbleibende Spannung regelt. Ab einer bestimmten itromgrenze des Stromerzeugers jedoch spricht. der Regler auf die Stromstärke an und regelt auf gleichbleibenden Strom. Es handelt sich auch hiebei nicht um eine stufenweise Einstellbarkeit der Spannungs/
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die deutsche Patentschrift Nr.schrift Nr. 8291 & 5) zur Regelung elektrischer Wechselstromerzeuger vorgeschlagen worden, die mit Hilfe von einem Messorgan für die Frequenz und einem zweiten Messorgan für die Leistung beeinflusst wird.
Je nach den Betriebsgegebenheiten wird von einer bestimmten Frequenzabweichung ein mit der Grösse der Frequenzabweichung veränderlicher zusätzlicher Frequenzeinfluss aufdenRegler ausgeübt oder einzusätz- licher Leistungseinfluss. Es handelt sich dabei also nicht umRegler mit stufenweise einstellbarerSpannungs/ Belastungskennlinie, sondern um einen in verschiedenen Bereichen von dem einen oder andernMesswert beeinflussten Regler. Auch die Änderung der Reglerkennlinie durch Einflussnahme auf das Messsystem ist bekannt (Schweizer Patentschrift Nr. 25101l).
Die bekannten Einrichtungen beziehen sich auf Regler, deren Regelcharakteristiken einstellbar sind.
Jedoch ist eine Einflussnahme auf die Spannungs-Belastungskennlinie derart, dan sie Stufen oder Absätze enthält, nicht möglich. Die oben erläuterten Schwierigkeiten werden somit durch diese Regler nicht gelöst.
Die Erfindung bezweckt, für die beschriebenen Anwendungsfälle die SpannungsreglerdenAnforderungen des künftigen Netzbetriebes anzupassen. Dies ist dadurch erreicht, dass gemäss der Erfindung der einzuhaltende Spannungswert selbsttätig stufenweise einstellbar ist, u. zw. bei Überschreitung einer bestimm- ten einstellbaren, gegebenenfalls fernverstellbaren Belastung mit induktivem Leistungsfaktor (d. h. mit Abgabe von Magnetisierungsleistung) nach unten hin und bei Überschreitung einer bestimmten einstellbaren, gegebenenfalls fernverstellbaren Belastung mit kapazitivem Leistungsfaktor (d. h. mit Aufnahme von Magnetisierungsleistung) nach oben hin.
Die Anordnung lässtSich auch so treffen, dass die Last-oder Stellbe - grenzung selbsttätig wieder aufgehoben wird, wenn und - gegebenenfalls - so lange bestimmte Betriebsgrössen, insbesondere die Spannung, bestimmte Werte über-oder unterschreiten. Ferner kann man die Last- oder Stellbegrenzung auch fernverstellbar einrichten. Die Belastung (Blindbelastung der Maschine usw.) lässt sich dann aus beliebiger Entfernung beeinflussen.
Die Kennlinien der Fig. 1 und 2 zeigen an zwei Beispielen, wie die Erfindung grundsätzlich wirken soll. Auf den Abszissenachsen ist die Belastung abgetragen, worunter man sich zunächst, was aber noch einer späteren genaueren Festlegung bedarf, die Scheinleistung N, die Blindleistung Nb, denGesamtstrom J oder den Blindstrom Jb vorstellen kann. Dabei soll unter Blindleistung hier und im folgenden stets Magnetisierungsleistung verstanden werden. Positive Blindleistung soll bei Maschinen Abgabe von Magnetisierungsleistung, also Übererregung, bedeuten, negative umgekehrt Aufnahme von Magnetisierungs- leistung, also Untererregung. Entsprechendes gilt für denBlindstrom. Auf den Ordinatenachsen ist die Klemmenspannung U derMaschinen, Umspanner usw., bei letzteren die geregelte Spannung abgetragen.
Bei Maschinen kann U auch die Spannung auf der Oberspannungsseite des Maschinenumspanners sein. Die in Fig. 1 dargestellte Kennlinie ist beispielsweise waagrecht angenommen, entsprechend astatischer Reglereinstellung ; s e. könnte aber ebensogut auch fallen oder steigen, also eine gewisse positive oder negative Statik haben. Sie bricht auf beiden Seiten, rechts bei hoher, 1inks bei mittlerer Belastung ab. was ebenfalls nur beispielsweise gilt. Die gestrichelte Fortsetzung der Kennlinie über diese durch die erfindungsmässig Last-oder Stellbegrenzung erzwungenen Belastungsgrenzen hinaus soll daraufhinweisen, dass die Maschine, der Umspanner usw, noch höher belastet werden können, wenn auch vielleicht wegen Überschreitung der zulässigen Erwärmung nicht dauernd.
Die punktierten Linien sollen andeuten, dass es ausser der festenBegrenzung der Belastung (senkrechte ausgezo- gene und punktierte Linien) auch die Möglichkeit gibt. die Belastung bei erniedrigtembzw. erhöhtem Span- nungssollwert über die Belastungsgrenzen hinausgehen zu lassen, was sich als Stufe oder Absatz in der Kennli- nie darstellt (waagrechte punktierte Linien).
Fig. 2 zeigt als weiteres Beispiel eine mit der Belastung ansteigende Kennlinie. Auf beiden Seiten ist diese steigende Kennlinie mehr oder weniger stark abgeknickt. Die Knickstellen können eckig oder, wie in Fig. 2 rechts unten angedeutet, abgerundet sein. Von den Knickstellen an nimmt die Belastung zwar noch weiter zu, aber nur bei rasch sinkender bzw. ansteigender Spannung. Dieses Verhalten ist in vielen Fällen, besonders bei Umspannern mit ihrer verhältnismässig hohen vorübergehenden Überlastbarkeit sehr zweckmässig, da esdie äusserste Ausnutzung aller parallelarbeitenden Einheiten erlaubt.
Wenn etwa ein Umspanner bei zunehmender Belastung seine Nennleistung erreicht hat, so entzieht er sich nicht wie bei der senkrecht abbrechenden Kennlinie von Fig. 1 jeder stärkeren Inanspruchnahme, sondern er beteiligt sich weiterhin an derAufbringung der wachsenden Last, aber nur bei ziemlich stark verringerter bzw. er- höhter Spannung, also gewissermassen nur unter der Bedingung, dass auch die parallel arbeitenden ändern Einheiten ihren Teil mit beitragen und die Verbraucher gegebenenfalls ihren Bezug ebenfalls ein wenig einschränken, so dass mit vereinten Kräften die Belastungsspitze überwunden oder zum mindesten genügend
Zeit für Aushilfsmassnahmen gewonnen sind. Für die getrichelten und ptmMeifcn. Linien gilt das bereits
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Gesagte hier ebenfalls.
Auch die Spannungsregler von G leichstrommaschinen und Gleichrichtern aller Art kann man mit einer
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trieb manchmal zweckmässiger sein, eine Begrenzung sowohl auf der elektrischen als auch auf der Antriebsseite zu bewerkstelligen.
Die Stabilität des Parallelbetriebes von Wechsel- odet Drebst ommaschinen kann unter Umständen dadurch beeinträchtigt werden, dass bei starken Spannungsabsenkungen, beispielsweise infolge von Kurzschlüssen, die Spannungsregler durch die Last- oder Stellbegrenzung daran gehindert werden. - die Erregung bis zum höchstmöglichen Wert zu steigern. Dabei kann es sich empfehlen, die obere Begrenzung (Blindleistungsabgabe) durch einUnterspannungsrelais oder ein ähnliches Gerät aufheben zu lassen, gegebenenfalls nur so lange, bis die Gefahr des Aussertrittfallens beseitigt ist und dic Spannung wieder normale Werte angenommen hat. Ob solche Massnahmen notwendig sind, hängt auch von der Ausführungsart der Lastoder Stellbegrenzungen ab.
Manche wirken, was die späteren Beispiele noch deutlicher zeigen werden, wie ein Anschlag und lassen überhaupt nicht zu, dass der Regler das Stellglied über die Grenze hinaus verstellt, bei ändern kann der Regler zunächst unbehindert arbeiten und'erst nachträglich wird für dieEln- haltung der Grenzen gesorgt.
Nach dem bisher Gesagten weist die Last-oder Stellbegrenzung für die Spannungsregler von Wechsel-
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licher Bauart auf, doch bestehen anderseits auch wesentliche Unterschiede. Während der Drehzahlregler unmittelbar die Grösse, nämlich die Wirkleistung, beeinflusst, die durch die Öffnungsbegrenzung daran gehindert werden soll, über einen bestimmten Wert hinaus zu steigen, wirkt der Spannungsregler nur mittelbar über die Erregung auf die Blindleistung oder den Blindstrom ein und die Erregung wird ausserdem nicht nur durch diese, sondern auch durch die Wirkleistung und die Spannung bestimmt. woraus sich weitere Unterschiede ergeben, auf die später noch kurz eingegangen werden wird.
Um im Kraftwerks-und Netzbetrieb eine einfachere und von dem Namen Öffnungsbegrenzung leicht zu unterscheidende Bezeichnung für die erfindungsgemässe Last-oder Stellbegrenzung zu haben, könnte man sie vielleicht auch Blindbegrenzung oder Strombegrenzung oder Scheiäbegrenzung oder MVA- bzw.
VA-Begrenzung nennen.
Die Ausführungsmöglichkeiten für die Last- oder Stellbegrenzung sind bei der grossen Zahl gebrauchlicher Reglerbauformen sehr mannigfaltig, zumal es auch einen wesentlichen Unterschied bedeutet, ob man die Erfindung bei neu zu bauenden oder bereits vorhandenen Reglern anwendet, was beides ! in Betracht
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densatorbatterien. Gleich-, Wechsel-oder Umrichter, verwendbaren begonnen werden. Von den drei Möglichkeiten, nämlich im Stellwerk des Reglers selbst, vor dem Reglermesswerk oder hinter seinem Stellglied, einzugreifen, sei zunächst die erstgenannte behandelt.
Als Beispiel für die erste Hauptgruppe der gebräuchlichen Spannungsregler, die mittelbar wirkenden, ist in Fig. 3 einRegler mit hydraulischem Stellmotor dargestellt, der lediglich der Übersichtlichkeit halber mit einem Stellglied für geradlinige statt der meist gebräuchlichen kreisförmigen Bewegung gezeichnet ist.
Ausser den bekanntenHauptbestandteilen derartigerRegler, nämlich dem Spannungsmesswerk 1, dessen Skala gleich für die Abweichung der Spannung U von ihrem Sollwert geeicht dargestellt ist, dem Sollwerteinsteller 2, statt dessen gewöhnlich ein Einstellwiderstand vor dem Spannungsmesswerk ver-
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le gegebenenfalls auch ein anderes Steuerorgan treten kann, dem Ruckführkatarakt 6 und det Rückführfeder 7, hat der Regler eine doppelseitige Lastbegrenzungsvorrichtung gemäss der Erfindung.
Diese besteht aus einem Messwerk 8 für die Belastung (d. h. bei Wechsel-oder Drehstrom entweder die Scheinleistung Nus dite Blindleistung Njj, den Strom J oder den Blindstrom Jb, bei Gleichstrom den Strom J oder die Leistung N) und zwei Begrenzungshebeln 9 und 10, die in einstellbaren Drehpunkten 11 und 12 drehbar gelagert sind.
Sie werden vom Messwerk 8 über ein Gestänge verstellt und drücken bei Erreichung bestimmter positiver und negativer Grenzwerte der Belastung von oben bzw. von unten her gegen einen Anschlag, 13 an der Steuerventilstange und sorgen so dafür, dass diese Belastungsgrenzen nicht überschritten werden oder, wenn dies ausnahmsweise-insbesondere nach zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Belastungsänderungen gleichen Vorzeichens-einmal vorgekommen ist, die Belastung wieder auf. diese Werte zurückgeht, Innerhalb des durch die beiden Grenzen gezogenen Bereiches kann der Regler, wie man.
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sieht, ungehindert arbeiten.
Vor dem Messwerk 8 kann nötigenfalls, d. h. wenn der Messwerksverzug selbst hiefür nicht ausreicht, noch ein verzögerndes Glied 14 angebracht werden, damit der Regler bei Belastungsänderungen in der Nähe der Grenzbelastungen zunächst vorübergehend auch über die Grenzen hinausgehen kann. Ausserdem ist auch noch ein in der Zeichnung nur schematisch angedeuteter Schalter 15 vorgesehen, der durch ein Unterspannungsrelais oder eine ähnliche Einrichtung geöffnet wird, wenn und gegebenenfalls so lange die Spannung unter einen bestimmten einstellbaren Wert sinkt, womit die Begrenzungsvorrichtung ausser Tätigkeit gesetzt wird.
Auf den Bau des Messwerks 8 braucht hier nicht näher eingegangen zu werden, da er dem Fachmann keine besonderen Schwierigkeiten bietet. Wenn bei Wechsel- ouer Drehstrom die Lastbegrenzung nach der Scheinleistung Ns oder dem Strom J erfolgen soll, was sehr zweckmässig ist, weil man damit die Maschinen usw. auch bei schwankender Wirkbelastung stets voll für die Blindleistungserzeugung ausnützen kann, muss man jeweils unterscheiden, ob bei gegebener Scheinleistung oder gegebenem Strom die Blindleistung positiv oder negativ ist, ob also die Maschine usw. über- oder unterer. regt ist.
Wenn die Maschine Wirkleistung abgibt, gehen Scheinleistung und Strom bei Übergang vom positiven zum negativen Arbeitsbereich nicht durch Null ; das Messwerk muss vielmehr umgeschaltet werden und dabei ändert sich sein Ausschlag sprungartig, doch ist dies ohne Belang, da es im mittleren Bereich sowieso ausser Wirksamkeit ist.
Verwandelt man beispielsweise T : ur Scheinleistungsmessung Spannung und Strom in verhältnisgleiche Gleichströme, deren Produkt mit einem Gleichstromwattmeter gemessen wird. so muss man bei einem der Ströme die Fliessrichtung umkehren, wenn die Blindleistung il1 : Vorzeichen wechselt, was etwa durch ein wattmetrisches Relais geschehen kann, bei dem, sofern es sich urn Drehstrom handelt, in bekannter Weise der Strom der Phase verwendet wird, an die der Spannungswandler nicht angeschlossen ist.
Das Beispiel von Fig. 4 zeigt, wie man durch das Messwerk 8 für die Belastung, bei dem jetzt die positiven Ausschläge nach unten, die negativen nach oben gehend angenommen sind, sowie durch die Begrenzungshebel 9 und 10 die Bewegung des Zeigers dqs Spannungsmesswerks 1 auch unmittelbar begrenzen kann. Es braucht hiezu wohl nur bemerkt zu werden, dass es von den Kräften bzw. Drehmomenten der Messwerke und ihrer Federn abhängt, ob die Begrenzung hart ausfällt, wie in Fig. 1, oder mehr oder weniger weich, wie in Fig. 2 dargestellt.
Wenn die Feder des Spannungsmesswerks 1 im Verhältnis zu der des Belastungsmesswerks 8 nur schwach ist, entsteht eine fast senkrecht abgebrochene Kennlinie nach Fig. l, andernfalls beeinflusst die Messwerksfeder 1 auch den Ausschlag des Zeigers des Belastungsmesswerks 8 und damit die Belastungsgrenzen, u. zw. in dem Sinne, dass im positiven Lastbereich bei Spannungen unterhalb des eingestellten Sollwertes, im negativen Bereich bei Spannungen über dem Sollwert höhere Belastungen zugelassen werden, was geknickte Kennlinien nach Fig. 2 mit mehr oder weniger starker Neigung der Kennlinienendabschnitte ergibt. Entsprechendes gilt übrigens auch fi11 die Anordnung nach Fig. 3.
Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen zwei Möglichkeiten, die Lastbegrenzung bei Reglern der bisher be- trachteten Art durch Einwirkung auf die Rückführfeder 7 zu erreichen. Im Falle der Fig. 5 hat das Messwerk 8 für die Belastung vorgespannte Federn, die mit ihren freien Enden von oben und unten her gegen einen festen Anschlag (in der Mitte des Messwerks links) drücken und gegen den der Zeiger anschlägt, sobald eine Kraft bzw. ein Drehmoment ihn aus seiner Mittellage bringt.
Erst wenn die Belastung in positivem oder negativem Sinne so gross ist, dass der Zeiger die Gegenkraft der entsprechenden Feder überwinden kann, macht er einen der weiteren Belastungszunahme vemältnisgleichen Ausschlag, verlagert dabei über den Hebel 16 den Fusspunkt der Rückfuhrfeder 7 und knickt auf diese Weise die Kennlinie ab.
Die Grenzbelastungen, bei denen die Knickstellen liegen sollen, lassen sich durch Änderung der Vorspannung der Federn leicht ändern, ebenso die Neigungen der abgeknickten Endabschnitte der Kennlinien, beispeilsweise durch Verschiebung des Drehpunktes 17 des Hebels 16. Bei der Anordnung nach Fig. 6 ist das Messwerk für die Belastung wieder ein Messwerk üblicher Art wie im Falle von Fig. 3 und 4, aber bei Wechsel- oder Drehstrom nur in der Ausführung für die Blindleistung oder den Blindstrom, nicht für die Scheinleistung oder den Strom, da das Messwerk hier über den ganzen Bereich stetig arbeiten muss und nicht springen darf. Es verschiebt nämlich über den Kniehebel 18 eine Schablone 19, gegen die der Fühl- hebel 20 angedrückt wird, der seinerseits den Fusspunkt der Rückführfeder 7 verlagert.
Eine Änderung der Kennlinie wird in diesem Falle durch Einsetzen einer andern Schablone erreicht.
Bemerkenswert an den beiden eben besprochenen Anordnungen nach Fig. 5 und 6 ist, dass der Regler bei einer Spannungsänderung zunächst ganz unbehindert arbeiten, also die Belastung gegebenenfalls auch über die Grenzen hinaus steigern kann, und erst gegen Ende des Regelvorganges die Begrenzung zu spüren bekommt. Daher kann man hier bei Wechsel- oder Drehstrom unter Umständen auf eine Aufhebung der Grenzen bei grösseren Spannungsabweichungen verzichten, zumal wenn man die Begrenzung nach der
Scheinleistung oder Blindleistung vornimmt, da dann bei abgesunkener Spannung ein entsprechend höherer
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oder Stellbegrenzung unmittelbar auf die vom Messwerk 1 betätigte Stange einwirken lassen, beispielsweise da, wo in Fig. 3 die Einstellvorrichtung 2 sitzt.
Damit erhielte man wieder eine unverzögerte WU- kung. Der Unterschied in der Arbeitsweise wird durch den Vergleich besonders deutlich.
Als Beispiel für die zweite Hauptgruppe der gebräuchlichen Spannungsregler, die unmittelbar wirkenden, veranschaulichtFig. 7 schematisch einen Regler mit astatischem Spanmmgsrnesswerk 21, das bekanntlich keine ausschlagabhängige, sondern eine konstante, etwa durch ein Gewicht oder ein entsprechend abgestimmtes Federsystem hervorgebrachte Gegenkraft hat, dessen Messwerkszeiger daher keine bestimmte Stellung einnimmt, was in der Zeichnung dadurch angedeutet ist, dass keine Teilstriche in die Messwerksskala eingezeichnet sind.
Der Zeiger geht bei Ansteigen der Spannung über ihren durch einen Vorwiderstand einstellbaren Sollwert ganz nach oben, im ändern Fall ganz nach unten und verstellt damit den Er-
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katarakt 24 für gedämpfte Einregelung des neuen Endzustands nach einer aufgetretenen Spannungsabwei-. chung sorgen. Die Vorrichtung zur Last-oder Steilbegrenzung besteht bei diesem Beispiel aus einem . ebenfalls astatischen Messwerk 25 für die Belastung, bei dem die Gegenkräfte ähnlich wie im Falle der Fig. 5 gegen einen Anschlag in der Skalenmitte drücken, solange nicht die auf den Zeiger im einen oder andem Sinne ausgeübte Kraft ausreicht, um sie zu überwinden. Die Gegenkräfte sind aber hier, da. das Messwerk astatisch sein soll, konstant u. zw. den jeweils gewünschten Belastungsgrenzen verhältnisgleich.
Sie werden wieder durch Gewichte oder abgestimmte Federsysteme hervorgebracht und können auf beiden Seiten unabhängig von einander nach Wunsch eingestellt werden. Sobald die Belastungsgrenzen im einen oder andern Sinne überschritten werden, wandert der Zeiger nach oben oder unten, ohne dass ihm dabei eine bestimmte Stellung vorgeschrieben wäre, und nimmt mittels de. Stange 26 und dem Anschlag an ihrem unteren Ende den Schleif- oder Wälzbügel am Widerstand 22 nach oben oder unten mit. So wird bei Überschreitung der Belastungsgrenzen aus dem astatischen Spannungsregler gewissermassen ein astatischer Regler für die Belastung.
Diese wird aber dann nicht konstant gehalten, was ein senkrechtes Abbrechen der Kennlinien gemäss Fig. l bedeuten würde, sondern es ergeben sich, was meist für den Betrieb auch zweckmässiger ist, mehr oder weniger stark abgeknickte Kennlinien nach Fig. 2, da gegen den Zeiger des Belastungsmesswerks 25, wenn er eingreift, auch noch die der Spannung verhältnisgleiche Kraft des Spannungsmesswerks 21 urückt. Durch Wahl der Kräfteverhältnisse bei den beiden Messwerken hat man es in der Hand, die Steilheit der Kennlinienendabschnitte nachBelieben zu wählen. Wie die früher beschriebenen, so kann man auch diese Ausführungsform nötigenfalls durch ein verzögernde Glied und durch einen Schalter ergänzen, der das Belastungsmesswerk 25 bei Absilllien der Spannung unter einen bestimmten Wert ausser Wirksamkeit setzt.
Weitere Beispiele für denEinbau der Last-oder Stellbegrenzung in den Regler selbst erübrigen sich, da es dem Reglerfachmann keine Schwierigkeiten macht, die angegebenen Richtlinien auch auf andere gebräuchliche Reglerbauarten, wie etwa die Vibrations-oder die Kohledruckregler anzuwenden.
Dagegen sollen nun einige Beispiele für Last-oder Stellbegrenzungen folgen, die vor dem Regler in die Zuleitungen vom Spannungswandler zum Spannungsmesser einzubauen sind. Solche Vorsatzgeräte haben den Vorteil, dass sie nachträglich angebracht und ganz allgemein für alle Reglerarten verwendet werden können, so dass man die heutigen Reglertypen beibehalten kann.
Fig. 8 zeigt ein erstes Gerät dieser Art, mit dem Belastungsmesswerk 8, dessen Zeiger wie beim Messwerk 8 von Fig. 6 gegen vorgespannte Federn arbeitet, dem Ö1katarakt 27, der dämpfend und verzögernd wirkt, sowie dem über ein Hebelgestänge mit verschiebbarem Drehpunkt 28 vom Messwerkszeiger aus mehr oder weniger weit kurzgeschlossenen Vorwiderstand 29 vor dem Spannungsmesswerk 1 des Reglers.
Sobald die Belastung ihre obere Grenze erreicht, die sich durch die Vorspannung der oberen Feder im Belastungmesswerk 8 einstellen lässt, macht dessen Zeiger einen der Überschreitung verhältn1sgleichenAusschlag nach oben und verschiebt damit die Bürste auf dem Vorwiderstand 29 um ein entsprechendes Stück nach unten, wodurch sich der Vorwiderstand verkleinert und dem Regler ein etwas niedrigerer Sollwert vorgeschrieben wird. Das Gleiche gut sinngemäss für die untere Grenze. Da. der Strom im Messkreis durch den Regler konstant gehalten wird, entstehen somit auch hier wieder abgeknickte Kennlinien nach Fig. 2, bei denen die Steilheit der Endabschnitte durch Verschieben des Hebeldrehpunktes 28 leicht in weiten Grenzen geändert werden können, falls dies notwendig erscheint.
Ebenso kann die ganze Begrenzungseinrichtung nötigEnfalls bei starkem Spannungsrückgang auch wieder selbsttätig abgeschaltet werden.
Sobald der Zeiger des Messwerks 8 oder die Bürste auf dem Vorwiderstand 29 am oberen oder unteren Ende des Mess-bzw. Stellbereichs angelangt sind, hält der Regler weiterhin den damit erreichten Span-
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nungswert konstant oaer er arbeitet wieder nach seiner statischen, jedoch um eine Stufe nach unten bzw. oben verlegten Kennlinie weiter, wie in Fig. 1 und 2 durch die waagrechtcn bzw. leicht ansteigenden punktierten Linien angedeutet ist. Die Höhe der Stufe hängt von der Auslegung des Belastungsmesswerks und des Vorwiderstandes ab.
Eine Maschine, ein Umspanner usw., die mit einem solchenRegler ausgerüstet allein auf ein Netz arbeiten, werden also auch über die Stufe oder Knickstelle hinaus belastet, wenn der Verbrauch weiter steigt, doch wird der Bezug durch die Spannungserniedrigung bzw. -erhöhung etwas herabgesetzt. Im Normalfall des Parallelarbeitens mit andern Einheiten dagegen wird der steigende Bedarf dank der Spannungsänderung grösstenteils von den andern Einheiten beigesteuert und die Stufe wirkt wie beabsichtigt als Grenze.
Stufen in der Kennlinie lassen sich auch dadurch herstellen, dass man als Beiastungsmesswerk ein Kontaktinstrument verwendet, das bei Erreichung bestimmter Belastungswert Vor widerstände vor dem Messwerk zu-oder abschaltet. Dieses Verfahren ergibt aber streng genommen keile Stufen, sondern Sprünge, bei denen nur der obere oder der untere Spannungswert, aber kein Zwischenzustand möglich ist. Deshalb kann dabei leicht der Fall eintreten, dass der Regler in der Nähe der Stufen hin und herspringt und nicht mehr zur Ruhe kommt.
Wie früher bereits bemerkt wurde, müssen bei Wechsel-oder Drehstrom die Belastungswesswerke beim Vorzeichenwechsel der Blindleistung umgeschaltet werden, sofern man die Begrenzung der Belastung nach der Scheinleistung oder dem Strom vornimmt. Es liegt nahe, diese Umschaltung zugleich dazu zu benutzen, um gewissermassen die eine Hälfte des Belastungsmesswerks zu sparen und die andere doppelt auszunützen. Die einfachste Lösung dieser Art stellt wohl die in Fig. 9 dargestellte dar, bei der eint vom Belastungsstrom J durchflossene, also etwa in den Stromwandlerkreis eingeschaltete Spule 30, gedämpft oder verzögert beispielsweise wieder durch einenÖlkatarakt 31, gegen eine vorgespannte Feder 32 drückt. deren durch die-Stellschraube 33 einstellbare Kraft sie bei dem gewünschten Grenzstrom überschreitet.
Dabei wird wie beim vorigen Beispiel ein Vorwiderstand 34 im Mess : reis des Spannungsreglers verstellt, jedoch diesmal stets in der gleichenRichtung von einem Ende des Widerstandes her, nicht wie im Falle der Fig. 8 von seiner Mitte aus. Die andere Hälfte des Vorwiderstands-abgesehen von d m ausserdem immer auch noch vorhandenen Einstellwiderstand - braucht nicht verstellbar ausgeführt zu werden, sondern kann ein fester Widerstand 35 sein.
Durch einen Schalter 36 können die beiden Teilwiderstände so zu- und umgeschaltet werden, dass bei Überschreitung der eingestellten Stromgrenze der wirksame Gesamtwiderstand beider Teile zusammen wie bei der Anordnung von Fig. 8 bei weiterer Belastungszunahme entweder ver- grössen wird (Schalter in der unteren, in Fig. 9 gezeichneten Stellung) oder aber verkleinert (obere Schalterstellung). Die Zwischenkontakte, die beim Umschalten nacheinander kurzzeitig mit den beiden Hauptkontakten verbunden werden, haben lediglich dafür zu sorgen, dass der Strom beim Schalten nicht unterbrochen wird.
Umgeschaltet muss werden, wenn die Blindleistung oder der Blindstrom ihr Zeichen wechseln, wobei es nicht auf grosse Genauigkeit ankommt, da dann der Strom unterhalb der vorgesehenen Grenzen liegt und die ganze Einrichtung daher ausser Wirksamkeit ist. Die Umschaltung kann von Hand oder selbsttätig in Abhängigkeit vom Blindstrom oder von der Blindleistung oder aber durch den Spannungsregler selbst vorgenommen werden, sei es mechanisch, wenn sein Stellglied die Mittelstellung durchläuft, sei es elektrisch, beispielsweise in Abhängigkeit vom Erregerstrom oder von der Erregerspannung, wenn diese mittlere Werte unter-oder überschreiten. Im übrigen wird es viele Fälle geben, in denen man die Begrenzung im praktischen Betrieb nur auf einer Seite, bei Maschinen beispielsweise für Blindleistungabgabe (Übererregung), benötigt, so dass die Umschalteinrichtung entbehrlich ist.
Eine etwas andere, in Fig. 10 dargestellte Ausführung der gleichen Einrichtung besteht aus einem Strommesser 37 irgendwelcher Art für Drehbewegung, dessen mittels der Stellschraube 38 vorgespannte Feder den Messwerkszeiger bzw. einen Arm an der Messwerkswelle so lange gegen einen Anschlag bei der Nullstellung drückt, bis die Stromstärke den eingestellten Grenzweit erreicht. Mit der Messwerkswelle ist in bekannter Weise ein Wälzsektor 39 verbunden, der bei Überschreitung der Suomgrenze über die Kontaktbahn 40 abrollt und damit den Vorwiderstand 41 um einen der jeweiligen Stromüberschreitung verhältnisgleichen Betrag verringert, so dass der Spannungsregler einen entsprechend niedrigeren Spannungswert und damit eine abgeknickte Kennlinie einregelt.
Auf derMesswerkswelle sitzt ausserdem eine Metallscheibe 42 mit übergreifendem Dauermagnet 43 als Dämpfungs-oder Verzögerungseinrichtung. Soll die Strombegrenzung nicht nur einseitig, sondern auf beiden Seiten vorgenommen werden, so benötigt man wie beim vorigen Beispiel noch einen festen Widerstand 35 und einen Umschalter 36. Sowohl die Anord-
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Gleichstrom verwenden.
Dagegen eignen sich die folgenden, in Fig. 1l dargestellten, wieder nu L fUr Wechsel- oder Dreh-
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strom. Die Anordnung von Fig. lla hat im Falle einseitiger Begrenzung überhaupt keine bewegten Teile.
Die Begrenzung erfolgt hier wieder durch Änderung des wirksamen Widerstandes im Messkreis des Reglers, die der Belastungsstrom J hervorbringt. Dieser durchfliesst, vom Stromwandlerkommend, durch die Graetz-Schaltung 44 gleichgerichtet und durch den Kondensator 45 geglättet, die Spule 46 und magnetisiert dadurch die Drossel 47 vor, deren Eisenkern eine scharf abgeknickte Magnetisierungskurve auf- weist. Ein Teil des Belastungsstromes fliesst über den veränderbaren Parallelwiderstand 48. Mit seiner Hilfe kann der Strom in der Wicklung 46 so eingestellt werden, dass gerade dann das Knie der Magnetisierungskurve erreicht wird, wenn der Belastungsstrom die jeweils gewünschte, vom Regler einzuhaltende Grenze überschreitet.
Durch diese Vormagnetisierung wird die Induktivität einer zweiten Wicklung 49 auf der Drossel 47 geändert, die parallel mit einem Kondensator 50 und einem Widerstand 51 in den Messkreis des Reglers vor dessen Spannungsmesser 1 geschaltet ist. Die Verhältnisse sind dabei so gewählt, dass im unteren Bereich der Magnetisierungskurve der Drossel 47, d. h. also, so lange der Belastungsstrom unterhalb des eingestellten Grenzwertes liegt, der Ladestrom des Kondensators 50 den Strom in der Wicklung 49 überwiegt und die Parallelschaltung 49-50-51 somit kapazitiv wirkt, dagegen induktiv, wenn derBelastungsstrom die Grenze überschritten hat. Der Widerstand 51 sorgt dabei dafür, dass die Spannung an der Parallelschaltung 49-50-51 beim Durchgang durch den Resonanzbereich nicht zu hoch wird.
Da der Messkreis im ganzen vorwiegend induktiven Widerstand hat und im Endzustand immer den gleichen, vom Regler konstant gehaltenen Strom führt, wirkt die Parallelschaltung 49-50-51 wie ein Vorwiderstand, der rasch zunimmt, wenn der Belastungsstrom über den eingestellten Grenzwert hinausgeht, so dass der Regler dann eine höhere Spannung einregelt entsprechend dem linken Teil der Kennlinie von Fig. 2, abgesehen davon, dass die Knickstelle nicht so scharf ist wie dort gezeichnet. Das Zeigerdiagramm
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noch deutlicher. Dabei ist i der Strom im Messkreis und Um die Spannung am Messwerk, die beide vom Regler konstant gehalten werden.
Up die Spannung an der Parallelschaltung und U die Spannung an den Klemmen des Messkreises, sofern man den ausserdem stets noch vorhandenen Einstellwiderstand ausser Betracht lässt.. Mit den Indices 1, 2 und 3 bei U und Up sind 3 verschiedene Zustände gekennzeichnet, nämlich der bei ungesättigter Drossel (Belastungsstrom unterhalb des Grenzwertes), der der Resonanz zwischen Drossel und Kondensator und der bei gesättigter Drossel (Belastungsstrom oberhalb des Grenzwertes).
Lässt man den Kondensator 50 und den Widerstand 51 weg, so dass von der Parallelschaltung nur noch die Drossel 49 übrigbleibt, so wird umgekehrt, wenn derBelastungsstrom den eingestellten Grenzwert über- steigt, der Vorwiderstand verkleinert und die Spannung am Messkreis vergrössert, was ein Abknicken der Kennlinie nach unten wie *auf der rechten Seite von Fig. 2 ergibt.
Will man vom einen zum andern Schaltzustand ohne Spannungssprung übergehen, so muss man, wie in Fig. llb angedeutet, noch eine Drossel 52 und gegebenenfalls einen Widerstand 53 in den Messkreis einfügen und mit den Schaltern 54 und 55 von Hand oder selbsttätig, wie bereits beschrieben, umschalten.
Im übrigen wird man die beim Bau magnetischer Verstärker (Transduktoren) gewonnenen Erfahrungen mit Vorteil auch hier anwenden, beispielsweise um eine Rückwirkung des Messkreiswechselstroms auf den Gleichstromkreis zu vermeiden. Schliesslich kann man auch wieder die ganze Last-oder Stellbegrenzung bei starken Spannungsrückgängen selbsttätig ausser Wirksamkeit setzen lassen, doch wird dies im allgemei- nen nicht nötig sein, da auch bei sehr starkem Anwachsen des Belutungsstroms infolge der Sättigung der Drossel 49 (und gegebenenfalls auch schon des Stromwandlers) die Spannung nur wenig weiter sinkt und der Regler bei starken Spannungseinbrüchen anfangs ebenso rasch und kräftig eingreift, ob ihm nun der Span-
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der Belastungsstrom J,
von dem wie früher ein Teil durch den regelbaren Widerstand 56 abgezweigt werden kann, in zwei Umspannern 57 und 58, deren Primärwicklungen er in entgegengesetztem Sinne durchfliesst, zwei Sekundärspannungen E und Ex, dite hintereinander in den Messkreis eingeführt sind. Bei den beiden Umspannern wird das Knie der Magnetisierungskurve bei verschiedenen Werten des Belastungstroms erreicht, so dass beispielsweise, wie in Fig. 14 dargestellt (ausgezogene Linie), die Spannung E. bei zunehmendem Strom noch weiter linear ansteigt, während bei der Spannung E., die mit entgegengesetztem Vorzeichen erscheint, das Knie schon überschritten ist.
Die Summenspannung EI + E, hat dann beispielsweise den im Diagramm von Fig. 14 unten gezeichneten Verlauf, wobei die Verhältnisse so gewählt sein sollen, dass die Summenspannung bei dem gewünschten Grenzwert des Belastungsstroms nach unten abbiegt. Der weitere Verlauf der Summenkurve hängt dann davon ab, wie man das Knie der Span-
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weiter steil ab, liegt es in der Nähe, so biegt die Summenkurve in die Waagrechte ein, wie die gestrichelten Linienstücke mit der Bezeichnung Et' bzw. E'-t-E in Fig. 14 andeuten.
Wie sich dieSummenspannungE +E,, die dem Belastungsstrom J um 900 nacheilt, zur Spannung Um am Spannungsmesswerk geometrisch addiert und dadurch-von dem stets im Messkreis noch vorhandenen Einstellwiderstand abgesehen-die vom Regler eingehaltene Spannung U am Messkreis beeinflusst, ist aus
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des J und für nacheilendes J gelten. Da bei vielen Spannungsreglern üblicher Bauart die Statik bekanntlich in ähnlicher Weise erzeugt wird, braucht hier nicht im einzelnen nachgewiesen zu werden, dass im wesentlichen nur die senkrecht zu U stehende Komponente von J die Spannung U vergrössert bzw. verkleinert.
Wenn J und U also bei reiner Wirklast in Phase sind, was bei gewöhnlichem Wechselstrom stets und bei Drehstrom dann der Fall ist, wenn U die Sternspannung ist, wird U praktisch nur durch den BlindstromJb beeinflusst. Das gleiche lässt sich, wenn U bei Drehstrom die verkettete Spannung ist, durch zweckensprechende Schaltungen erreichen, beispielsweise durchSchaffung eines künstlichen Sternpunkts oder durch Erregung der Umspanner 57 und 58 mit zwei verschiedenen Phasenströmen oder durch Einschaltung eines Shunts in denStromwandlerkreis und Speisung derUmspanner mit der davon41bgenommenenSpannung über einen zwecks Herstellung der richtigen Phasenlage vorgeschalteten Widerstand.
So erhält man die Kennlinie von Fig. 16, die ganz aen in Fig. 2 rechts unten als wünschenswert dargestellten Verlauf hat und an den Enden, wie punktiert angedeutet, entweder nach unten bzw. oben weitergeht oder aber in die Waagrechte einbiegt. Im letzteren Falle entsteht im Ganzen eine abgerundete Stufe oder Welle, was den Vor-
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in Fig. 14 steiler oder ebenso steil vom Nullpunkt aus ansteigen lässt wie die E = Kurve, und dass überhaupt durch zweckentsprechende Auslegung der Umspanner 57 und 58, insbesondere durch Wahl von Blechen mit passenden magnetischen Eigenschaften, durch Veränderung der Windungszahlen der Wicklungen usw. die Kennlinien weitgehend nach den Anforderungen desEinzelfalles gestaltet werden können, bedarf keiner weiteren Erläuterung.
Bemerkt sei lediglich noch, dass es unter Umständen besser, wenn auch etwas umständlicher ist, die Neigung (Statik) der Kennlinien in bekannter Weise getrennt von der Last-oder Stellbegrenzung hervorzubringen, weil man dann freier ist und insbesondere die Kennlinienneigung nicht durch andere Einstellung der Belastungsgrenzen mittels des Widerstands 56 geändert wird, was man gegebenenfalls durch Änderung der Windungszahl der Wicklungen wieder ausgleichen muss.
Wie schon gesagt, sind die zuletzt beschriebenen Vorsatzgeräte nur für Wechsel-oder Drehstrom geeignet, die in Fig. 8,9 und 10 dargestellten dagegen ebenso gut auch für Gleichstrom u. zw. nicht nur als Vorsatzgeräte, sondern auch als selbständige Regel- oder Steuereinrichtungen. Wenn beispielsweise bei einem Gleichstrom-Nebenschluss-Generator, der seine Spannung von sich aus, ohne Regler, genau oder mit einer gewissen Statik konstant hält, die Leistungsabgabe im Parallelbetrieb auf einen bestimmten Wert begrenzt werden soll, so kann man etwa die Vorrichtung nach Fig. 9 oder 10 auf einen Widerstand im Erregerkreis wirken lassen und damit die Spannung, sobald der Strom den gewünschten Wert überschreitet, in Abhängigkeit vom Strom herabsetzen, so dass eine Kennlinie nach Fig. 2 entsteht.
Das gleiche gilt sinngemäss auch für anders angetriebene Gleichstrommaschinen, Einankerumformer, Gleichrichter usw.
Zum Schluss sollen noch die Möglichkeiten kurz besprochen werden, die Last- oder Stellbegrenzung am Stellglied des Reglers oder dahinter anzubringen, Im allgemeinen kommt dieser Weg praktisch kaum inBetracht, da auf dieser Seite des Reglers meist die Kräfte grösser sind und die Einrichtungen demgemäss einen höheren Aufwand erfordernals die bisher beschriebenen. In dem Sonderfall aber, dass es sich um die Spannungsregelung von Wechsel-oder Drehstrommaschinen, vor allem also Synchrongeneratoren, handelt, kann man unter Umständen zu verhältnismässig einfachen Lösungen kommen.
Die in Fig. 17 und 18 dargestellten Zeigerdiagramme für die Spannungen in der Ständerwicklung eines Synchrongenerators, ersteres fir Blindleistungsabgabe (Übererregung), letzteres für Blindleistungsaumahme (Untererregung), lassen erkennen, wie sich der Strom J und seine Blindkomponente Jb bei gleichbleibender Wirkbelastung undErregung ändern, wenn die Klemmenspannung U der Maschine bei Blindleistungsabgabe (Fig. 17) um einen gewissen Betrag sinkt bzw. bei Blid1eistungsaufl1ahme (Fig. 18) um ebenso viel steigt und damit den neuen Wert U'annimmt. Der Wirkstrom Jw ändert sich dabei, da die Wirklast gleichbleiben soll, im umgekehrten Verhältnis wie die Klemmenspannung.
Die neuen Werte des Stromes und seiner Komponenten sind in den Diagrammen ebenfalls mit einem Strich bezeichnet, die Synchronreaktanz mit k. Man kann aus solchen Diagrammen entnehmen, wie sich die Maschine verhält, wenn ihr erstens von ihrer Antriebsmaschine konstante Leistung zugeführt wird, wie dies bei der Mehrzahl der Maschinensätze in den heutigen grossen Netzen infolge der ausserordentlich guten Frequenzkonstanz der Fall ist, und
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troffen werden, die dafür sorgen, dass der Spannungsregler die Erregerspannung auch bei Änderungen der Netzspannung nicht über einen bestimmten einstellbaren Wert hinaus erhöhen bzw. erniedrigen kann, wobei ersteres für Abgabe, letzteres für Aufnahme von Blindleistung gilt.
Die Kennlinien der Fig. 19 zeigen das Ergebnis für einige Belastungsfälle u. zw. das obere, mit a bezeichnete Bild für den Strom J, das untere Bild (b) für die Scheinleistung N.. Dabei wurden die ungünstigsten in der Praxis vorkommenden Werte der Synchronreaktanz zu Grunde gelegt und die üblichen Phasenverschiebungen vorausgesetzt. Man sieht daraus, dass man mit einem Anschlag am Erreger'viderstand oder einer ähnlich wirkenden Vorrichtung den Strom oder die Scheinleistung ebenfalls in wünschenswerter Weise begrenzen kann.
Besonders günstig liegen die Verhältnisse gerade in dem praktischen wichtigsten Fall der Vollbelastung : die Scheinleistung, die die Erwärmung der Maschine im wesentlichen bestimmt, bleibt nach Erreichung des Anschlags auch bei sinkender bzw. steigender Spannung so gut wie konstant. Der Regler kann also dann die Maschine nicht mehr überrasten.
Wie ein solcher Anschlag im einfachsten Falle ausgeführt werden kann, zeigt schematisch die Fig. 20 an einem Beispiel für einseitige Begrenzung der Erregerspannung nach oben hin, also im Bereich der Übererregung. Der Weg des Stellgliedes 59, das den Erregerwiderstand 60 verstellt, wird durch den Anschlag 61 begrenzt, der zur Milderung des Stosses auch gefedert, etwa wie ein Puffer, ausgeführt werden kann. Dieser Anschlag lässt sich mittels des Handrades 62, an dessen Stelle wie stets auch eine Fernsteuereinrichtung treten kann, in eine gewünschte Stellung bringen und durch einen Hubmagneten 63 unwirksam machen, der bei Absinken der Spannung unter einen bestimmten Wert eingeschaltet wird und gegebenenfalls bei Wiederansteigen der Spannung aus.
Sieht man am andern Ende des Erregerwiderstands auch einen solchen Anschlag vor, so ist bei diesem ein Hubmagnet nicht erforderlich,
Für mittelbar wirkende Regler, für die Anschläge dieser einfachen Art nicht zweckmässig sind, da der Regler mit seiner grossen Stellkraft dagegen drücken würde, führt man die Begrenzung besser in der von den Drehzahlreglern her bekannten Art und Weise aus, wie dies Fig. 21a an dem von Fig. 3 übernommenen Beispiel eines Reglers mit hydraulischen Hilfsmotor wieder für einseitige Begrenzung bei Blindleistungsabgabe zeigt. Die mit den gleichen Ziffern bezeichneten Reglerbauteile stimmen mit denen von Fig. 3 überein.
An Stelle der dortigen Lastbegrenzung ist hier eine vom Stellglied (Rückführstange) betätigte, auf das Steuerventil 3 zurückwirkende Stellbegrenzung getreten, die aus zwei miteinander gelenkig verbundenen Hebeln 64 und 65, einem Anschlag 66 an der Steuerventilstange, einer Vorrichtung 67 zum Einstellen der gewünschten Grenzlast und einem Hubmagneten 68 zur Freigabe des Steuerventils und damit Aufhebung derBegrenzung besteht.
Da bei einer solchen Stellbegrenzung der Regler auch nicht vorübergehend über die vorgesehene Grenzstellung hinausfahren kann-ausgenommen bei starkem Span- nungsrückgang - wird im allgemeinen eine Anordnung, wie in Fig. 21b für den gleichen Regler bezeichnet, vorzuziehen sein, bei der von der Rückführstange über ein Hebelgestänge 69 ein Anschlag 70 den Fusspunkt der Rückführfeder 7 gegen die Kraft der Feder 71 vom Anschlag 72 wegzieht, sobald die mit dem Handrad 73 einstellbare Grenzstellung des Stellglieds überschritten wird. Besondere Massnahmen für den Fall starken Spannungsrückgangs sind dabei im allgemeinen wohl entbehrlich.
Eignen sich die zuletzt beschriebenen Möglichkeiten vor allem für neu zu bauende Regler, so können die folgenden ohne
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ten Teil des Erregerwiderstands 75 und den zugehörigen Segmenten der Kontaktbahn 76 nacheinander, mit der letzten beginnend, unterbrochen und ein Segment nach dem andern mit dem jeweils benachbarten verbunden. Der Regler kann dann, wenn er die Bürste in der Zeichnung nach rechts zum Ende der Kontaktbahn hin verschiebt, den Erregerwiderstand, sobald er bei dem letzten umgeschalteten Segment angekommen ist, nicht weiter verkleinern. Die Erregerspannung ist also damit wie durch einen Anschlag nach oben hin begrenzt. Mittels des Hubmagneten 77 und der von ihm gemeinsam betätigten Schalter kann die Stellbegrenzung ausser Wirksamkeit gesetzt werden.
Der Anordnung von Fig. 23 liegt der Gedanke zuGrunde, dass der Erregerwiderstand 79 zwar weiter verkleinert wird, wenn die auf ihm schleifende Bürste 80 sich nach rechts bewegt, dass sie aber bei Über- schreitung des gewünschten Grenzwerts an eine Stange 81 anschlägt, deren Länge mittels einer übergestülpten Hülse verändert werden kann. Es wird dann gegen die Kraft der Feder 82 ein zusätzlicher, mit dem Erregerwiderstand 79 in Reihe geschalteter Widerstand 83 nach und nach eingeschaltet, so dass sich der Gesamtwiderstand im Erregerkreis nicht mehr ändert. Durch Kurzschliessen des Widerstands 83 mit Hilfe eines Hubmagneten kann auch in diesem Falle die Begrenzung leicht unwirksam gemacht werden, was in Fig. 23 nicht eigens dargestellt ist.
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Bei dem Beispiel von Fig. 24 wird die Begrenzung dadurch erreicht, dass je noch dem gewünschten Wert der Grenzlast ein Teil des Erregerwiderstands 84 durch einen metallischen Schieber 85 kurzgeschlossen und gleichzeitig ein entsprechender Teil des im Erregerkreis liegenden Zhsatzwiderstandes 86 eingeschaltet wird.
Grundsätzlich kann man die beschriebenen Lösungen auch für Stellbegrenzungen am ändern Ende des Erregerwiderstands, also im Bereich der Untererregung verwenden. Im allgemeinen wird aber für diese Seite die in Fig. 25 angedeutete Möglichkeit vorzuziehen sein, bei der auf dem Erregerwlderstand 87 bzw. der dazugehörigen Kontaktbahn ausser der Hauptbürste 88 noch eine mit dieser verbundene Nebenbürste 89 vorgesehen ist, die von Hand oder durch Fernsteuerung verschoben wird und auch an derHaupt - bürste 88 vorbei auf ihre andere Seite gebracl1werden kann. Die Nebenbürste 89 bildet die Stellbegrenzung, da der jeweils links von ihr liegende Teil des Erregerwiderstands 87 ausgeschaltet ist.
Schliesslich kann man den Erregerstrom bzw. die Erregerspannung und dM] it, WM nachgewiesen wur- de, auch die Belastung der Hauptmaschine dadurch begrenzen, dass man die oben beschr1ebenenerfin- dungsmässigen Verfahren, soweit sie sich für Gleichstrommaschinen bzw. Gleichrichter eignen, bei der Erregermaschine (gegebenenfalls Verstärkermaschine) oder dem etwa zur Erregung benützten Gleichrichter anwendet.
Dieser Überblick über die grosse Zahl von Möglichkeiten zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens zeigt wohl deutlich genug den Weg, um in jedem einzelnen Falle die geeignetste Lösung zu finden, auch wenn sie vorstehend nicht näher beschrieben ist. Welche Ausführungsform man jeweils auch wählt, immer wird der Kostenaufwand für die Last- oderStellbegrenzung gering sein verglichen mit den durch sie erreichbaren wirtschaftlichen Vorteilen, Denn nur mit Ihrer Hilfe kann man, wie aus den eingangs gemachten Bemerkungen hervorgeht, die Spannungsregelung zur Netzregelung machen und damit die.
Spannungshaltung und die Blindleistungsverteilung soweit wie überhaupt möglich vervollkommnen. Dies bedeutet nicht nur eine-auch finanziell betrachtet, recht beachtliche - Verringerung der Leitungsverluste und Verbilligung der Regelumspanaer, weil ihr Regelbereich kleiner gehalten werden kann, sondern ermöglicht es unter Umständen auch, die Generatoren künftig für höhere Leistungsfaktoren auszulegen, wodurch sich bei dem heutigen hohen Neubaubedarf an Kraftwerken ansehnliche Beträge einsparen liessen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Selbsttätiger Spannungsregler für Wechsel-und Drehstrommaschinen aller Art (einschliesslich Phasenschiebern, Umspannern, Drosselspulen, Kondensatorbatterien, Wechsel-und Umrichtern) zur Einrege- lung belastungsabhängiger Spannungswerte, dadurch gekennzeichnet, dass der einzuhaltende Spannungswert selbsttätig stufenweise einstellbar ist, u. zw. bei Überschreitung einer bestimmten einstellbaren, gegebenenfalls femverstellbaren, Belastung mit induktivem Leistungsfaktor (d. h. mit Abgabe von Magnetisierungsleistung) nach unten hin und bei Überschreitung einer bestimmten einstellbaren, gegebenenfalls femverstellbaren, Belastung mit kapazitivem Leistungsfaktor (d. h. mit Aufnahme von Magnetisierungsleistung) nach oben hin.