Verfahren zur Rapidregelung der Spannung von Wechselstromnetzen. Es ist bekannt, Wechselstromgeneratoren durch eine Nebenschlussgleichstromdy namo zu erregen und die Spannung des gespiese- nen Netzes bei geänderter Belastung dadurch konstant zu halten, dass ein Widerstand im Erregerkreis der Wechselstrommaschine oder im Nebenschlusskreis der Gleichstrom maschine selbsttätig in Funktion des Be lastungsstromes eingestellt wird. Diese Re gelung wirkt bei langsamen Änderungen der Belastung ausreichend, jedoch bei schnel len Belastungsänderungen folgt sie nur mit einer erheblichen Verzögerung; unter Um ständen ist sie erst nach mehreren Sekun den beendet, während welcher die Spannung den Sollbetrag mehrfach über- und unter schritt. Sie ist daher keine Rapidregelung.
Eine genauere Untersuchung der Vor gänge zeigt nun, dass bei plötzlicher Be- lastungsä nderung (die Dauer v der Um schaltung im Belastungskreise umfasse je doch trotz ihrer Kleinheit viele Perioden T des Wechselstromes) eines Wechselstrom- generators der Erregerstrom sich schon vor der Verstellung rdes Regulierwiderstandes ändert, und zwar in gleichem Sinne wie der effektive Wert des Belastungsstromes, unter Umständen in solchem Mass, dass das Feld und daher die elektromotorische Kraft des Wechselstromgenerators während der Zeit dauer t praktisch konstant bleibt, trotzdem jeder der beiden Ströme einen Sprung er leidet.
Dieses Verhalten des Erregerstromes erklärt sich folgendermassen: Die elektromotorische Kraft einer Ma schine kommt zustande unter der Wirkung eines Feldes, das von den Amperewindungen der Erregerwicklung und denjenigen des Ankers gebildet wird. Die Zusammensetzung .der von diesen Amperewindungen herrühren den Teilfelder zu einem resultierenden Feld ergibt sich aus dem Diagramm Fig. 1. Man denke zunächst an den Fall eines mehrpha- sigen Wechselstromgenerators mit Erreger wicklung am ,Ständer, so dass jedem Behar rungszustand stillstehende konsta@ite Felder entsprechen.
Der Anker drehe sich im Sinne des Pfeils w. In Fig. 1 bedeutet N. ,das ver tikal angenommene Teilfeld der Erreger wicklung, N,- das Teilfeld .des Ankers, N das resultierende Feld und V die Vertikalkom ponente von N. Wird nun zum Beispiel in folge Abnehmens des Ankerstromes das An kerfeld N2 auf den Wert N'2 gebracht, so wächst V auf einen grösseren Wert V'. Das Anwachsen des durch die Erregerwindungen gehenden Fluxes V induziert nun eine dem Erregerstrom entgegenwirkende elektromoto rische Kraft und bewirkt daher das Sinken des Erregerstromes.
Hiermit sinkt auch N1, und zwar um einen Betrag N1-N1 der sieh zu V'-V so verhält wie die Selbstinduktion der Erregerwicklung, unter Abzug der Streuung, zur Selbstinduktion des äussern Teils des Erregerkreises. Wird zufälliger weise N' = N, wie in der Zeichnung ange nommen, so hat während der Zeitdauer # die elektromotorische Kraft des Wechselstrom generators keine Änderung erfahren. Im Falle von Einphasenstrom wären in Fig. 1 N2 und N als Mittelwerte aufzufassen, um welche noch Schwingungen von der Periode 2 T stattfinden würden.
Würde auch nach der Umschaltung, d. h. nach der Zeit #, keine Änderung am Regu lierwiderstand vorgenommen, so würde bei einer gewöhnlichen Anordnung der Erreger strom allmählich auf seinen Anfangswert zurückkehren.
Der Erfindung gemäss wird nun zwecks Erreichung einer Rapidregelung der Erreger strom des Generators so beeinflusst, dass sein duch den Sprung erreichter Wert auch nach her ganz oder nahezu aufrecht erhalten bleibt, indem gleichzeitig mit dem Erreger strom auch die elektromotorische Kraft der Erregermaschine einen Sprung erfährt. ',Na türlich muss jener Wert genau oder nahezu derjenige sein, welcher für den Beharrungs zustand des Wechselstromgenerators mit dem veränderten Belastungsstrom arnd der vorgeschriebenen Spannung erforderlich ist.
In Fig. 2 ist unter Annahme einer plötz- lichren Abnahme des Effektivwertes 1. des Belastungsstromes ein gemäss der Erfindung erzielbarer Verlauf des Erregerstromes #, and des Effelktivwertes # P der Klemmen- spannung des Wechselstromgenerators durch volle Linien dargestellt, mit der Zeit t als Abszisse. Durch beträchtliches Abschalten von Belastungen springt nicht nur I2 son dern auch, wie oben auseinandergesetzt ist, der Erregerstrom #1 beträchtlich nach unten, wäihrend der Flux F' der Wechselstrom i maschine und damit ihre elektromotorische Kraft E unter Umständen ihren Wert bei behält.
Im letzteren Falle macht die Klem menspannung # P nur noch einen kleinen Sprung nach oben, entsprechend der Ab nahme des Spannungsabfalles infolge der Streuung arnd dles Ohmschen Widerstandes des Ankers. Liesse man nun den Erreger stromkreis unbeeinflusst, dl. h. würde nicht reguliert, so würde allmählich #1 auf seinen Anfangswert zuriüclkkelhren und daher # P beträchtlich ansteigen, wie es de gestrichel ten Kurven zeigen. Wird aber der Erfindung gemäss dafür gesoro,t, dass sich il nach dem Sprung nicht mehr ändert, so bleibt auch # P ungeändert, wie es die vollen Linien zeigen.
(Soll noch der in vollen Linien gezeich nete kleine Sprung von L\ P nachträglich iiusgegliehen werden. so kann man i, nach der strichpunktierten Linie abnehmen Iaz;- sen, damit 0I' genau auf den Anfanz.z;w(,rt zurückkehre;
dies soll später erläutert \ver- den.)
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Zur <SEP> Ausführung <SEP> dt,s <SEP> Verfahrens <SEP> geniiiss
<tb> der <SEP> Erfinden;, <SEP> lässt <SEP> sieh <SEP> als <SEP> Erregermaschine
<tb> eine <SEP> Iieilien:
schlussgleichstronidynamo <SEP> vei- ivenden, <SEP> die <SEP> im <SEP> metastabilen <SEP> Gleicli-'ewicht
<tb> arbeitet.
<tb> Nach <SEP> dem <SEP> Ausführungsbeispiel <SEP> der <SEP> Fig. <SEP> 3
<tb> wird <SEP> das <SEP> Dreipliasennetz <SEP> <I>rr.</I> <SEP> vom <SEP> Generator <SEP> <I>1r</I>
<tb> mit <SEP> der <SEP> Erregerwicklung <SEP> c <SEP> gespeist. <SEP> Die <SEP> Ei, iegermaacliine <SEP> <I>1r</I> <SEP> iriit <SEP> Serienwicklung <SEP> <I>q</I> <SEP> ist <SEP> so
<tb> ausgeführt <SEP> und <SEP> wird <SEP> mit <SEP> einer <SEP> solchen <SEP> Dreh zah1 <SEP> angetrieben, <SEP> dass <SEP> ihre <SEP> Widerstandslinie
<tb> c,, <SEP> ', <SEP> sich <SEP> mit <SEP> dem <SEP> nahezu <SEP> gradlinigen <SEP> Teil
<tb> ihrer <SEP> Charakteristih <SEP> 1i <SEP> (Fig. <SEP> d) <SEP> deckt <SEP> und
<tb> dass <SEP> sie <SEP> in <SEP> diesem <SEP> Gebiete <SEP> arbeitet.
<SEP> Der
<tb> schraffierte <SEP> Teil <SEP> vnri <SEP> Fig. <SEP> -1 <SEP> entspricht <SEP> einer
<tb> IIj'Stere51@C111Clfe <SEP> zwisehen <SEP> sehr <SEP> grossen
<tb> Masirnalwerten <SEP> <B><I>P--</I></B><I> <SEP> 11</I> <SEP> und <SEP> <I>-H)</I> <SEP> der <SEP> m@ta- netischen Intensität; alle Punkte der Wider standslinie, welche in diesem schraffierten Teil liegen, stellen mögliche Gleichgewichts zustände dar.
Im mathematischen Grenzfall, wo die Hysteresisschleifen unendlich schmale Parallelogramme wären (Fig. 4a), deren Längsseiten zur Widerstandslinie parallel blieben, würde ein Sprung des Erregerstro mes #1 von A nach D auf dem Wege ABCD erfolgen, wobei D unendlich nahe von C wäre; das Verhältnis von e (elektromotorische Kraft der Erregerdynamo) zu il wäre bei D dasselbe wie bei A, der Strom #1 hätte daher keine Veranlassung, sich nach dem Sprung weiter zu ändern. In Wirklichkeit sind we der AB noch BC gerade Linien und hat der horizontale Abstand zwischen C und D, wel cher einem nachträglichen Anwachsen von #1 entspricht, einen endlichen unerwünschten Betr ag.
Der durch D dargestellte Gleichgewichts zustand ist als ,,stabil" zu bezeichnen, in sofern die Linie CD oberhalb der Wider standslinie liegt. Diese "Stabilität" ist der Hysteresis zu verdanken; hieraus folgt: einerseits, dass man für die Erregerdyna mo Eisen mit ausgesprochener Hysteresis brauchen wird; um ein möglichst grosses Stück der Widerstandslinie im schraffierten Gebiet der Fig. 4 zu bekommen, kann man sogar Eisen mit grosser Hysteresis nehmen: anderseits, dass diese "Stabilität" nur Metastabilität ist, indem sie auch den vor übergehenden Charakter der Hysteresis be sitzt; die wirkliche Stabilität wird nur am obern Schnittpunkt 3M der Widerstandslinie mit der Kurve K erreicht.
Es erscheint daher angezeigt. die zu nächst in metastabilem Gleichgeviclht arbei tende Maschine p der Fig. 8 mit einer Ein richtung zu kombinieren, welche, ohne die beschriebenen Vorgänge beim Belastungs sprung zu stören, nachträglich durch eine gecignete Verstellung der Widerstandslinie relativ zur Charakteristik die wahre Stabi lität herstellt. Diese Stabilisieren gseinrich- tung bralucllt nicht eine rapid wirkende zu sein, sie darf eine allmäihlich wirkende sein. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 be steht die Stabilisierungseinrichtung aus einem Relais s, einem Servomotor und einem zur Erregerwicklung q parallel geschalteten Wi derstand w.
Je nachdem die Klemmenspan nung # P zu gross oder zu klein ist, wird der Anker s' des Relais s gehoben oder ge senkt; infolgedessen wird der Servomotor t im einen oder andern Sinn arbeiten und den auf seiner Welle t' festsitzenden Kontaktarm des Widerstandes w nach oben oder unten drehen; hierdurch wird das Feld der Erreger maschine und bei nicht zu grossem Eigen widerstand der Spule q auch der Strom i1 geschwächt oder verstärkt. Es handelt sich hier um eine gleichzeitige Verstellung der Charakteristik und der ,Widerstandslinie".
Wäre der Regelwiderstand w in Reihe zur Wicklung q geschaltet, so würde in Fig. 4 nur die Widerstandslinie verstellt, und zwar um 0 gedreht; es ergäbe sich aber der Nach teil, dass für den stabilen Wert von il eine unveränderliche untere Grenze durch die Abszisse des Punktes N gegeben wäre, des sen Tangente durch 0 geht. Der Widerstand 2o wird zweckmässig induktiv ausgebildet. damit die Nachregelung nicht stossartig, son dern mit einer gewissen Dämpfung erfolge.
Die Stabilisierungseinrichtung der Fig. 5 gleicht natürlich auch den kleinen unge- wünschten Sprung von A Paus. welchen die vollen Linien der Fig. 2 andeuten; durch nachträgliche Abschwiieliung des Stromes i, entsteht dann der strichpunktiert gezeich nete Verlauf.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. G erfolgt die Stabilisierung mit einer Hilfserre gung, ohne Widerstandsänderung und ohne irgendwelche mechanische Versteliu.ng. Die .,Widerstandslinie" i,, r, der Fig. 4 bleibt unveränderlich;
hingeben wird die Charakte ristik K in horizontalem Sinne nach rechts oder links verschoben, je nachdem !, P zu gross oder zu klein isst. Die Maschine p hat ausser der Serienwicklung q eine Hilfswick lung o, deren Wirkung bei normalem A P durch eine dritte Wicklung r kondensiert wird. Letztere ist an Schienen s angeschlossen, zwischen welchen eine konstante Gleichstrom spannung G herrscht. Die Wicklung o wird s einem Gleichrichter g gespeist, der an z aus der Spannung des Wechselstromnetzes Tiber dem Transformator d hängt.
Steigt oder sinkt # P, so überträgt sich die Spannungsände rung über den Transformator d und den Gleichrichter g auf die Regelwicklung o, die der Serienwicklung q entgegenwirkt, wo durch das Feld der Maschine p geschwächt oder verstärkt wird. Insofern man die Span nung G beliebig wählen und dadurch den normalen Wert von A P beliebig einstellen kann, lässt sich r als Einstellwicklung be zeichnen.
Die Anordnung nach Fig. 6 hat den Nachteil, dass bei jeder Stromänderung in der Wicklung q eine störende elektronioto- risclhe Kraft der gegenseitigen Induktion irr der Wicklung r entsteht. Man kann diesen Nachteil abschwächen, indem man hinter r eine Drosselspule schaltet, um die Selbst induktion zu vergrössern. Man kann ihn aber ganz aufheben, wenn man die gegenseitige Induktion zwischen q und r durch eille gleich grosse und entgegengesetzte kompensiert, niaeli Fig. 7 durch die gegenseitige Induk tion zwischen den Speulen nr und v eine- Transformators t, wobei ru in Serie mit q liegt und v in Serie mit i.
Man kann auf gleichem Wege die gegen seitige Induktion zwischen den Spulen q und o aufheben. Jedoch erübrigt sich diese Massnahme, wenn der Transformator d ge- niügencd Induktivität besitzt.
Die Stabilisierungseinrichtung wirkt noch rasclier, wenn man den Transformator d im Sättigungsgebiet benützt und nach Fig. die sekundären Spulen voll d so schaltet, dass wir die dritte Harmonische der Spannung deal Gleichrichter zugeführt wird. Indem diese dritte Harmonische bei kleiner Feld amplitude nicht auftritt, sondern erst mit der Sättiguing entsteht, so wird der Strom in o rascher als proportional mit # P varieren. Während die Primärspulen voll d in Steril geschaltet sind, bilden die Sekundärspulen zwei in Reihe geschaltete Dreieclkwicklungen e, f. Der Anfang voll e ist an1 die Anocde ha des Gleiclhriclhters g angeschlossen, das Ende von f an die Anode i.
Von der Verbindung 1e der beiden Dreieckwichlungen ist, die eine Gleichstromleitung, l, abgeführt, während die andere, m, an die Kathode n, des Gleich richters angeschlossen ist.
Beim Beispiel nach Fig. 9 ist die Stabili sierungseinrichtung deswegen empfindlicher als beim Beispiel nach Fig. 6, weil der Gleichriclhter nur durch die Differenz der transformierten Maschinenspannung a G 7P (a = Transformationsverhältnis von d) und einer von der Belastung unabhängigen Spannung V erregt wird. Im Gegensatz zur Gleichstromspannung G, welche der Wick lung r über Drosselspule vw zugeführt wird. ist die Spannung V eine Wechselspannung von derselben Frequenz und Phase wie die Maschinenspannung # P; die Amplitude der Spannung Vt' ist konstant.
Der Transforma tor d trägt zwei Primärwiclungen x und y, von denen die erste all das Netz, die zweite an einen kleiinen Hilfsgenerator 2 angeschlos sen ist; die Wicklungen x und y sind gegen einander greschaltet, so dass nur die Differenz ihrer respektiv en Spanungen a # P und F zur Wirktung konmt.
Da der Gleichirichter g zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens einer Mindeststronlstärhe bedarf, so darf jene Differenz nie verscliwiriden; auch bei normalem G <I>P</I> fliesst daher ein Stroh durch g und o;
die magriet.isiereilde Wirhuiig von o wird dann durch die Wirkung voll r- aiif- gehoben.
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Der <SEP> Hilfsgenerator <SEP> \? <SEP> wird <SEP> durch <SEP> einen
<tb> all <SEP> der <SEP> I\Tetzspaiirliii)", <SEP> liegenden <SEP> Synchron motor <SEP> an@@etrieben. <SEP> Dii, <SEP> Maschinen <SEP> 2 <SEP> und
<tb> 3 <SEP> haben <SEP> eine <SEP> @elneinsarnr <SEP> Welle <SEP> 1 <SEP> und <SEP> wc#r doll <SEP> beide <SEP> von <SEP> den <SEP> Schienen <SEP> s <SEP> aus <SEP> mit <SEP> kon stantenl <SEP> Gleichstrom <SEP> erregt.
<SEP> Bei <SEP> der <SEP> Moli ta(ye <SEP> Wird <SEP> <B>111,111</B> <SEP> rleli <SEP> Rotor <SEP> einer <SEP> der <SEP> ilZascbi nen <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> auf <SEP> der <SEP> @@'rlle <SEP> 1 <SEP> o <SEP> lange <SEP> verdrehen,
<tb> bis <SEP> die <SEP> ,5,''ewltll@c'llte <SEP> P11,-1>ell""lelehllelt <SEP> zwi@e1-wn
<tb> den <SEP> S1);111111111gel1 <SEP> ._'-P <SEP> 1111d <SEP> j<B>'</B> <SEP> zustande <SEP> kommt.
<tb> Die <SEP> Enlpfin.dliellh@@it <SEP> wird <SEP> noch <SEP> st < irl.er.
<tb> wc-,iiii <SEP> plan <SEP> guliliilFi@g. <SEP> 10 <SEP> eine <SEP> Dreieleldroderl rühre <SEP> 4 <SEP> zwischeil <SEP> die <SEP> Teile <SEP> g <SEP> und <SEP> o <SEP> dor <SEP> Fig.9 schaltet, indem man g in den Gitterkreis und o in den Anodenkreis setzt. Als Anoden spannung dient nach Fig. 10 die Spannung G zwischen den Schienen s.
Der Hilfsgenera tor 2 und der Transformator d können dann sehr klein ausfallen, d a sie nur noch die Span nung für das Gitter zu liefern haben. Diese Anordnung hat den weiteren Vorteil, dass die elektromotorische Kraft, welche in o in duziert wird, wenn sich der Strom in q än- clert, nicht auf g übertragen werden kann.
Die Anorcdnung naeh Fig. 6 kann wesent lich vereinfacht werden, indem man die Wicklungen r und o durch eine einzige Hilfs wicklung u ersetzt, welche nur bei abnorma lem # P erregt wird, und zwar im einen oder andern Sinne, je nachdem # P den Sollwert über- oder unterschreitet. Zu diesem Zweck ist beim Ausführungs beispiel nach Fig. 11 eine Batterie 6 zwi schen dem Gleichrichter g und der Hilfs- wieklung u geschaltet; die elektromotorische Kraft B dieser Batterie ist der sekundären elektromotorischen Kraft des Transformators d, d. h. der transformierten Maschinenspan nung a#P, entgegengerichtet.
Zwischen oberem und unterem Ende von u ergibt sich daher die Potentiadifferenz D = a#P - # - B, wo ö den Spannungsabfall im Gleich richter bedeutet; B wird nun so gewählt, dass diese Potentialdifferenz bei normalem # P verschwindet. Ist # P zu gross, so ergibt sieh dann in u ein Strom y = # im Sinne des Pfeils a; w ist der Widerstand von u. Ist # P zu klein, so ergibt sich in u ein Strom im Sinne des Pfeils ss; ein solcher Strom kann sich nicht durch den Gleichrichter g hindurch schliessen, wohl aber durch einen Nebenschlusswiderstand 7.
In allen Fällen, auch bei normalem #P, fliesst in g ein Strom von konstanter Richtung.
Der Stromverbrauch der Batterie 6 ist bei normalem # P Null. Schwankt # P, so wird sie im Mittel ebenso oft im einen wie im andern Sinne vom Strom durchflossen, also entladen und wieder aufgeladen. Ihre elektromotorische Kraft bleibt daher im we sentlichen konstant.