Transformatoranordnung mit regelbarer Übersetzung. Zum Kuppeln von. Netzen oder eines Netzes mit einem Verbraucher verwendete man bisher entweder Transformatoren mit unveränderlicher Übersetzung oder aber solche, deren Übersetzung durch Stufen schalter oder andere mechanische Einrich tungen (Drehtransformatoren) nur verhält nismässig langsam verändert werden' konnte. Die Erfindung gibt einen Weg an, wie zwei gleichfrequente oder zumindest annähernd gleichfrequente Netze, deren Spannungs- phasenlage nicht übereinzustimmen braucht, miteinander gekuppelt werden können.
Man verwendet hierzu gemäss der Erfindung eine Transformatoranordnung mit regelbarer Übersetzung, bei der Mittel vorgesehen sind; um das Übersetzungsverhältnis wenigstens eines Teils der Transformatoranordnung periodisch im Takte der doppelten Netz frequenz von positiven zu negativen Werten zu ändern.
Das - Übersetzungsverhältnis ü muss also, zumindest in erster Annäherung, der Gleichung Ü =cl <I>.</I> sin <I>(2</I> 0o t-8) <I>(1)</I> genügen. Darin bedeuten cl und ö beliebige Konstanten und a) die Kreisfrequenz des speisenden Netzes. Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist schematisch in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.
Ein bei spielsweise einphasiges Wechselstromnetz 1 speist die Transformatoranordnung 2 mit der Sekündärwicklung 3, von deren Mitten anzapfung eine Leitung zu dem nicht näher dargestellten Verbraucher 5 geführt ist. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des Transforma tors 2 wird im Takt der doppelten Netz frequenz mit Hilfe des Gleitkontaktes 4 zwi schen positiven und negativen Werten ge ändert und eine Leitung von dem Gleitkon- takt 4 zu dem andern Pol des nicht darge stellten Verbrauchers 5 geführt.
Der Antrieb des Gleitkontaktes 4 kann zum Beispiel von einem Motor aus, der eine der doppelten Netzfrequenz entsprechende Drehzahl be sitzt, über ein Schubkurbelgetriebe erfolgen.
In Fig. 2 sind die Spannungsverhältnisse für eine Anordnung gemäss Fig. 1 graphisch dargestellt. U bezeichnet die Spannung des Netzes 1, ü das Übersetzungsverhältnis, das im Takt der doppelten Netzfrequenz schwankt, und zwar ebenfalls sinusförmig. Die Schwankungen erfolgen zwar synchron mit der Spannung U,, jedoch mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung, die voll kommen beliebig sein kann und mit dem Winkel d bezeichnet wurde.
Die Folge einer solchen Übersetzungsschwankung auf der Sekundärseite ist zwar die, dass ein solcher Transformator eine urspünglich rein sinus- förmige Primärspannung (U,) in eine Se kundärspannung mit überlagerter dritter Harmonischer (UJ verwandelt; daher wird auch der ursprünglich rein sinusförmige Sekundärstrom im Primärstrom ebenfalls eine dritte Harmonische erzeugen.
Bei den in Fig. 2 dargestellten Verhältnissen ist an genommen worden, dass im Scheitelwert der zeitlich sinusförmigen veränderlichen Über setzung die Übersetzung 1 : 1, bezogen auf den Mittelpunkt und ein Ende der Wick lung 3, besteht.
Wie der Fig. 2, Kurve U, zu entnehmen ist, besitzt die (nicht mass üblich gezeichnete) Grundwelle U" der Ver braucherspannung U, gegenüber der Primär spannung U, eine mit cp bezeichnete Phasen verschiebung, die abhängig von der Phasen lage der Sinuskurve für die Übersetzung in bezug auf die Primärspannung ist.
Die aus dritten Harmonischen bestehenden Ober wellen der Sekundärspannung U, lassen sich bei geeigneten Mehrphasenschaltungen, zum Beispiel bei Dreieck-Sternschaltungen, sehr leicht schon im Transformator selbst kom pensieren, so dass die zu kuppelnden Netze praktisch oberwellenfrei bleiben.
Handelt es sich hingegen, wie in dem Ausführungsbei spiel gemäss Fig. 1 um Einphasentransforma- toren, so können entsprechende Glättungs- kreise angewendet werden (Siebkreise), die die Sekundärspannung bis zu dem gewünsch ten Mass glätten. Gemäss der Erfindung wird also mit vollem Bewusstsein eine von der Sinusform abweichende Spannungskurve auf der Sekundärseite erzeugt, und zwar ergibt sich dabei der Vorteil, dass sich die Sekun därspannung in ihrer Phasenlage stufenlos verschieben lässt.
Bei einer derartigen über synchronen Änderung des Übersetzungsver hältnisses wird, wie leicht nachweisbar ist, ein Leistungsfaktor des Sekundärnetzes, in einem beispielsweise induktiven Sinne, in einen solchen in anderem Sinne, beispiels weise kapazitiven Sinne, im Primärnetz ver wandelt. Die gewünschte Sinusform der Aus gangsspannung ergibt sich, wie bereits ge sagt, entweder aus geeigneter Zusammen setzung von einzelnen Phasenspannungen bei Mehrphasenbetrieb oder mit Hilfe von Glät- tungseinriohtungen.
Gemäss einem weiteren Ausführungsbei spiel der Erfindung kann die Transformator anordnung aus einem solchen Transformator mit periodisch geänderter Übersetzung zu sammen mit einem bekannten normalen Transformator mit unveränderlicher Über setzung bestehen.
Da der normale Transfor mator nacheilende Blindlast der Grösse und dem Vorzeichen nach unverändert auf die Primärseite überträgt, der Transformator ge mäss der Erfindung, wie bereits gesagt, nacheilende Blindlast in voreilende umwan delt, so heisst. das, dass ein sekundärseitig aus den beiden Transformatoren zusammenge setzte Transformatoranordnung primärseitig gewissermassen zugleich vor- und nacheilende Blindlast aufweisen kann, die sich bei geeig neter Auslegung der einzelnen Komponenten gerade aufheben (vergleiche hierzu auch Fig. 5).
Die zusammengesetzte Transforma- toranordnung ist somit imstande, von sich aus Blindleistung an das Sekundärnetz ab zugeben und dabei das Primärnetz mit einem Leistungsfaktor von 1 zu belasten, unab hängig von der sekundären Phasenverschie bung.
Lässt man gewisse Unvollkommen- heiten in der gegenseitigen Kompensation zu, das heisst also, dass sich die beiden Teiltrans- formatoren in ihrer Blindlastlieferung im vor- bezw. nacheilenden Sinn nicht immer genau ausgleichen, so ist diese zusammen gesetzte Transformatoranordnung imstande,
durch Verändern der Phasenlage der vom Teiltransformator mit veränderlichem Über setzungsverhältnis erzeugten Sekundärspan nung im gespeisten Sekundärnetz auch eine Wirklastregelung durchzuführen, da dann gleichzeitig mit der Summe der Blindleis tungen, die nicht Null wird, eine entspre chende andere Wirklastsumme auftritt.
Zur Durchführung der Erfindung sind alle Anordnungen geeignet, die gestatten, die Übersetzung ü zwischen Primär- und Sekun därseite periodisch so zu ändern, dass sie der bereits genannten Gleichung 1 entsprechen.
Handelt es sich um eine Zusammensetzung eines Transformators mit unveränderlichem Übersetzungsverhältnis und eines Transfor mators mit veränderlichem Übersetzungsver hältnis, so nimmt die Gleichung unter der Voraussetzung gleicher Primärspannungen beider Transformatoren, die bei einer ge meinsamen Primärwicklung wie in dem Aus führungsbeispiel gemäss Fig: 5 gegeben ist, die Form an:
ü <I>=</I> cl + c_ . sin <I>(2</I> a) <I>t -</I> d). <I>(2)</I> mit cl- ist also das unveränderliche Über setzungsverhältnis des normalen Transfor mators bezeichnet worden.
Die Richtigkeit dieser Überlegungen sowie die Tatsache, dass der Transformator gemäss der Erfindung tat sächlich in der Lage ist, die eine Art der Blindleistung auf der Sekundärseite in die andere Art der Blindleistung für die Primär seite umzuwandeln, können leicht aus den folgenden Überlegungen und Umformungen der Gleichung erhalten werden.
Bekanntlich ist die Sekundärspannung u3 gleich 25B <I>-</I> 26 <I>'</I> 24p, wobei 24I, den Augenblickswert der Primär spannung bedeuten soll.
Es ist aus der Wechselstromfheorie her bekannt, dass diese Primärspannung durch folgenden Ausdruck ersetzt werden kann: 24p - Up # sin (co <I>t</I> -J a,,). <I>(4)</I> Dabei bedeuten Up die Amplitude und a, die Phasenverschiebung der Primärspannung gegenüber einem beliebig wählbaren Bezugs- zeitpunkt. Setzt man den Wert dieser Glei chung in diejenige für den Augenblickswert der Sekundärspannung ein und multipliziert ihn aus, so erhält man:
EMI0003.0049
24S <SEP> = <SEP> [cl <SEP> + <SEP> c_ <SEP> . <SEP> sin <SEP> <I>(2a) <SEP> t <SEP> - <SEP> ö)] <SEP> . <SEP> Up</I> <SEP> sin <SEP> <I>(co <SEP> t <SEP> - <SEP> a,)</I>
<tb> = <SEP> cl <SEP> . <SEP> Up <SEP> sin <SEP> <I>(co <SEP> t <SEP> - <SEP> cep)</I> <SEP> -f- <SEP> Ui, <SEP> . <SEP> c;
<SEP> sin <SEP> <I>(2 <SEP> co <SEP> t <SEP> - <SEP> 8)</I> <SEP> sin <SEP> <I>(co <SEP> t <SEP> -</I> <SEP> az,)
<tb> cl <SEP> U <SEP> sin <SEP> <I>(c) <SEP> t</I> <SEP> - <SEP> ap) <SEP> <U>UP <SEP> C <SEP> z</U>
<tb> = <SEP> . <SEP> p <SEP> -I- <SEP> <U>2</U> <SEP> [cos <SEP> <I>(co <SEP> t</I> <SEP> -I- <SEP> ap <SEP> - <SEP> IS) <SEP> - <SEP> cos <SEP> <I>(3 <SEP> c</I><B>)</B> <SEP> <I>t</I> <SEP> (5)
<tb> <I>- <SEP> ap <SEP> - <SEP> d)]</I>
<tb> 1 <SEP> 2 und zwar unter der Voraussetzung, dass man noch die bekannte Umformung
EMI0003.0051
durchführt.
Aus dieser Gleichung ist nun zu erkennen, dass der Ausdruck 1 für den be kannten normalen Transformator mit unver änderlichem Übersetzungsverhältnis gilt, und dass dieser Transformator die Blindleistung mit gleichem Vorzeichen von der Sekundär auf die Primärseite überträgt. Der Aus- druck 2 jedoch, der für den Transformator gemäss der Erfindung Gültigkeit hat, weist unter anderem das Glied cos (U) t +,a, - ö) auf.
Daraus ist zu ersehen, dass gegenüber der Primärspannung, in der das Glied sin (a) <I>t -</I> a,) <I>(8)</I> auftritt, eine Phasenverschiebung von 2 ap - ö + <B>90'</B> auftritt. Ferner kann dem Teil 2 der Gleichung entnommen - werden, dass eine dritte Harmonische wegen des Gliedes cos <I>(3</I> w <I>t -</I> a,, <I>- d)</I> (9) auftreten wird.
Die Erfindung kann beispielsweise auch dadurch verwirklicht werden, dass man zwei Drehregler, die in bekannter Weise mecha nisch so miteinander gekuppelt sind, dass sich ihre Drehmomente gerade aufheben, mit Hilfe eines zusätzlichen kleinen Motors so betreibt, dass sich das Übersetzungsverhält nis in der gewünschten Weise ändert. Dieser Gedanke kann so durchgeführt werden, dass ein Antriebsmotor verwendet wird, dessen Polpaarzahl gleich der Hälfte der Polpaar zahl der Drehregler ist. Dadurch wird er reicht, dass ohne jedes Übersetzungsgetriebe das Übersetzungsverhältnis stets mit der doppelten Netzfrequenz zwischen positiven und negativen Werten schwankt.
Es sind ferner Anordnungen bekannt ge worden, bei denen das Übersetzungsverhält nis eines Transformators zum Zwecke der Konstauthaltung der sekundär abgegebenen Spannung auch bei steigender Belastung mit Hilfe einer zusätzlichen Gleichstromvormag- netisierung geändert werden kann. Dabei muss, damit keine gegenseitige Steuerung der verschiedenen Flüsse eintritt, dafür gesorgt werden, dass die Wechselstromwicklungen und die Gleichstromwicklung keine gegen seitige Kopplung aufweisen.
Der Erfin dungsgedanke kann nun so verwirklicht wer den, dass an Stelle der bisher verwendeten Gleichstromwicklung, die, beispielsweise in Abhängigkeit von der Belastung, allmählich das Übersetzungsverhältnis ändert, eine Wechselstromwicklung vorgesehen wird, die von einem Magnetisierungsstrom der doppel ten Netzfrequenz erregt wird, der beispiels weise einer Hilfsmaschine entnommen wird.
Legt man auf die Möglichkeit, die Phasenlage der Sekundärspannung verschie ben zu können, keinen Wert, so 'kann man es so einrichten, dass jedem Augenblickswert der konstanten Primärspannung ein ganz be stimmter Wert der zeitlich sinusförmig ver- änderlichen Übersetzung entspricht. Man kann also. auch Anordnungen zur Durchfüh rung des Erfindungsgedankens verwenden, bei denen der Scheitelwert des zeitlich sinus- förmig veränderlichen Übersetzungsverhält nisses von der Grösse der zugeführten im Effektivwert schwankenden Primärspan nung abhängt, und trotzdem eine konstante Sekundärspannung geliefert wird.
Dies sind insbesondere Transformatoren, die leicht zu sättigende Kernteile enthalten, so dass sich je nach Grösse des primär erzeugten Flusses die Flussverteilung und damit die Verkettung zwischen Primär- und Sekundärwicklung ändert. Um diese Änderung besonders stark werden zu lassen, kann man in bekannter Weise den ganzen Transformatorkern oder auch Teile desselben aus Speziallegierungen, insbesondere Eisen- und Nickellegierungen (zum Beispiel Mu-Metall) herstellen.
Das Übersetzungsverhältnis kann ferner auch durch Schaltvorgänge geändert werden. lTrn die Zahl der Schaltstellen nicht zu gross zu erhalten, wird man sich im allgemeinen damit begnügen, den gewünschten zeitlichen Verlauf der Übersetzung stufenweise anzu nähern, und wird die hierbei entstehende, meist geringe Verzerrungsleistung in Kauf nehmen.
Die einfachste dieser Schaltanord nungen dürfte ein Transformator sein, so wie er auch in Fig. 1 dargestellt ist, der eine aussenliegende, eine blanke Kontaktbahn auf weisende Sekundärwicklung erhält, auf der ein Rollkontakt nach Massgabe der gewünsch ten Frequenz (doppelte Netzfrequenz) auf- und abbewegt wird. Von diesem einfachen Beispiel bis zum Anzapftransformator, des sen Anzapfungen in gegenseitiger Reihen folge zu- und abgeschaltet werden können, lassen sich alle der vielen bekannten Schalt anordnungen zur Durchführung des Erfin dungsgedankens benutzen.
Fig. 3 zeigt eine einfache, einphasige An ordnung, die mit einem Anzapfungstransfor- mator und mit zu beliebig wählbaren Zeit punkten in beliebig wählbarer Richtung durchlässigen Entladungsstrecken arbeitet. (Es können hierzu beispielsweise auch je Schaltstelle zwei gegensinnig parallel ge schaltete, gittergesteuerte Entladungsstrecken angewendet werden). An den Enden und An zapfungen der Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 befinden sich die Ent ladungsstrecken 11', 12', 11", 12" und 13. Die Entladungsstrecke 13 entspricht dem Übersetzungsverhältnis Null.
Es sei beispiels weise angenommen, dass die Entladungs strecken 11' und 11" dem Übersetzungsver- hältnis 1, die Entladungsstrecken 12' und 12" dem Übersetzungsverhältnis 2 entspre chen. Die Übersetzungskurve ist, wie Fig. 4 zeigt, eine Treppenkurve. Von der Steuerung der Entladungsstrecken ist die. Phasenlage der Übersetzungskurve der Fig. 4 abhängig. Durch Verändern der Phasenlage, das heisst durch Verändern der Zündzeitpunkte der ein zelnen Entladungsstrecken, kann die über tragene Scheinleistung des Transformators im gewünschten Sinn geändert werden.
Be züglich des Aufbaues der Steuerung, der Steuer- und Kommutierungsverhältnisse, gel ten die gleichen Bedingungen, wie für eine der bekannten Umrichtersteuerungen. Zweck mässigerweise wird die Brenndauer der ein zelnen Entladungsstrecken von dem Augen blickswert der zeitlichen Änderung der Se- kundärspannung beeinflusst;
soll die An näherung der Übersetzung utats der Fig. 4 an die gewünschte Sinusform üia möglichst er reicht werden, so kann dies durch entspre ahende Vergrösserung der Zahl der Aaszapf stellen unter Anwendung weiterer Entla dungsstrecken erreicht werden. Bei einer solchen Spannungserzeugung treten wegen der unstetigen Änderung des Übersetzungs verhältnisses ausser der dritten noch weitere Harmonische in der Ausgangsspannung auf.
Soll, wie bereits weiter oben angegeben, eine Kompensation der sekundären Blindlast auf der Primärseite durch geeignete Zusam mensetzung eines normalen und eines Trans formators mit gemäss der Erfindung ver änderlicher Übersetzung erreicht werden, so genügt es, wie Fig. 5 zeigt, eine weitere Sekundärwicklung 6 in den Sekundärstrom kreis einzufügen.
Soll die im Netz auftretende bezw. die dem Transformator zugeführte Schein leistung geregelt werden, so können Grösse und Phasenlage der in Fig. 2 mit ü be zeichneten Übersetzungsschwankung geän dert werden. Es ist bereits ausgeführt wor den, dass damit die Grösse und die Phasen lage der erzeugten Spannung geändert wer den kann.
Bei geeigneter, gleichzeitiger An wendung eines Transformators mit unver änderlichem- und eines Transformators mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis wird es also dann gelingen, die Scheinleistung dem gewünschten Wert vollständig auszugleichen.