Vorrichtung zur selbsttätigen Spannungsregelung. Vorrichtungen zur Spannungsregelung, die die Spannung von Wechselstromnetzen konstant halten, sind bekannt. Diese Span- nungs,regler können durch ein s.pannungs- empfindliches Organ betätiget werden, aber es kann. das Ausmass der Spannungsregelung auch von der Stärke des Belastungsstromes abhängig gemacht werden.
Die Regelung kann innerhalb einer sehr kurzen Zeit er folgen, wenn man mit einem Schnellregler arbeitet; es kann jedoch die Vorrichtung auch mit einer Zeitverzögerung versehen werden.
Der Spannungsregler gemäss der im Nach folgenden beschriebenen Erfindung, zu dem keinerlei Schaltvorrichtung oder Relaisein- richtung erforderlich ist, liefert zwischen den Regelgrenzen eine mit dem Ansteigen des Belastungsstromes wachsende Spannung und bewirkt die Regelung als Schnellregler praktisch ohne jede Zeitverzögerung.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Induktions,dreh- regler, dessen Ständer- und Läuferwicklun gen phasenweise in Reihe geschaltet sind, während die geregelte Spannung zwischen den Ständer- und Läuferwicklungen, abge griffen wird: und der Läufer, abweichend von den bekannten Induktionsdrehreglern, in seinen wechselnden Betriebslagen nicht starr festgehalten ist.
Die Erfindung sei mit Hilfe der in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiele näher erläutert. Die in Fig. 1 in einem prinzipiellen Schaltschema dargestellte Regelvorrichtung besteht im Wesen aus einem sogenanuten In duktionsdrehregler, deren Ständer- und Läu ferwicklungen phasenweise in Reihe geschal tet sind.
Fig. 2 stellt das Vektordiagramm der Spannungsregelung gemäss der Erfin dung, Fig. 3 ein zweckmässiges Zubehör einer besonderen Ausführungsform des Reglers und schliesslich Fig. 4 das Schaltsohema. einer erweiterten Ausführungsform des Reglers dar.
Gemäss F'ig. 1 schaltet man die Phasen R-S-T des Netzes an die Klemmen U-V-W <I>des</I> Induktionsreglers und speist den Verbraucher von den vor dem Läufer befindlichen Klemmen u-v-w. Der Läufer ist, abgesehen von der Lagerreibung, frei drehbar, und seine Verdrehung aus seiner vorhergehenden Gleichgewichtslage erfolgt, sobald eine Änderung der Belastungsstrom stärke stattfindet, wodurch die Spannung an den Klemmen u, <I>v,</I> -w sich gleichsinnig mit der Änderung der Stromstärke ändert (z. B. im Falle des Ansteigens der Stromstärke).
Zwecks besseren Verständnisses des Vor ganges sei zuerst jener Fall untersucht, bei dem an die Punkte u--v-w noch keine elek trische Belastung angeschaltet wird, die Klemmen U-V-W jedoch bereits unter der Netzspannung stehen.
Der Läufer befindet sich in der durch den kleinsten magnetischen Widerstand bestimmten. Ruhe- oder Grund- stellung, in der die Achsen der Ständer- und der Läuferwindungen je Phase zusammen fallen.
Wird der Läufer aus dieser Stellung durch äussere Kraft herausgedreht und nach her freigelassen, so, dreht sich derselbe von selbst in. die Grundlage zurück; zwischen dem Ständer und .dem Läufer entsteht ein rückführendes Drehmoment; dabei fliesst durch die in Reihe geschalteten Dichtungen lediglich der Magnetisiernxngsstrom des Reg lers. Ist die Netzspannung das heisst z.
B. die Phasenspannung <I>U-0,</I> kon stant, so ergibt,die Summe der Ständer- und Läuferspannungen je Phase in jeder Stellung des Läufers die ganze Phasenspannung, also es ergibt z. B. die Summe der Spannungen U-u und u-0 stets die Spannung<I>U-0.</I> Solange der Rotor sich in. der Grundstellung befindet, sind die Spannungen U-ac und u--0, infolge der übereinstimmenden magne tischen Achsen ihrer .Spulen,
miteinander ge mäss Fig. 2 in Phase. Wird hingegen der Läufer aus der Grundstellung um einen be liebigen Winkel a .durch äussere Kraft ver dreht, so werden die Phasen der Spannungen U-u und u--0 voneinander um den Win kel a abweichen, und gleichzeitig wird, wie dies aus dem Vektordiagramm laut Fig. 2 gefolgert wird, sowohl die Phasenspannung U-u als auch die Phasenspannung u--0,
also auch die Spannung u-v-w anwachsen.
Wenn man an die Punkte u--v-w eine elektrische Belastung anlegt, so verdreht sich der Läufer unter der Wirkung der Watt komponente .des Belastungsstromes aus seiner Grundstellung auch von selbst in eine neue Gleichgewichtsstellung. In diesem Falle be sitzt nämlich auch der im Läufer strömende Strom eine Wattkomponente, die zusammen mit dem umlaufenden magnetischen Feld ein Antriehsmoment erzeugt, das den Läufer so weit zu verdrehen sucht, bis.
ein Gleich- g,ewicht mit .dem rückführenden Drehmoment erlangt ist. Durch diese Verdrehung erhöht sich die Spannung u-v-w aus demselben Grunde wie im Falle der mit äusserer Kraft erzeugten Verdrehung.
Die beschriebene selbsttätige Spannungs- steigerungsvorrichtung ist in dieser einfach- sten Ausführungsform mit zwei praktischen Unvollkommenheiten behaftet, deren eine darin, besteht, da.ss das Mass der Spannungs erhöhung der Belastungsstromstärke nicht proportional ist. Diesen Nachteil kann man dadurch beseitigen, da.ss man auf die Welle ,
des freigelassenen Läufers ein. in der Rich tung des rückführenden Drehmomentes mit tels Federkraft erzeugtes äusseres Dreh moment einwirken lässt.
Ein einfacher Kunstgriff zur Erzeugung dieses äussern Drehmomentes ist in Fig. 3 dargestellt. Die nötige Hilfseinrichtung be steht aus dem auf die Welle des Induktions reglers .gekeilten Zahnrad z1 und dem mit demselben in Eingriff stehenden Zahnrad @, welch letzteres zweckmässig einen kleineren Durohmesser besitzt als das Rad z,
und in der Grundstellung des Läufers einer Zug- virkung der in der Ruhelage radial wir kenden Feder unterliegt. In der Grundstel- lung des Läufers wird daher auf die Welle desselben von der Feder kein zusätzliches Drehmoment übertragen, während in dem Falle, wo der Läufer unter der Wirkung des aus dem Belastungsstrome entspringenden Antriebsmomentes eine Verdrehung z.
B. in der Pfeilrichtung 1 (das. heisst in einer der Pfeilrichtung 2 des rückführenden Momentes entgegengesetzten Richtung) erleidet, die Fe der in die Lage f' gelangt und auch ihrerseits ein in. der Richtung des rückführenden Dreh momentes (also dem verdrehenden Dreh moment entgegen) wirkendes Drehmoment in der Pfeilrichtung 3 bezw. 2 ausübt, wobei durch Wahl einer geeigneten Federcharak teristik das Verhältnis zwischen der Strom stärke und der Spannungsänderung ange nähert linear gemacht werden kann.
Die zweite Unvollkommenheit der vor- beschriebenen Einrichtungg besteht darin, dass unter der Einwirkung der wattlosen Komponente des Belastungsstromes das rück führende Drehmoment anwächst und daher die Regelvorrichtung im Falle einer grösseren wattlosen Komponente des Belastungsstromes die Spannung zwischen den Punkten u-v-w bei derselben Stromstärke in kleinerem Masse steigern wird als, im Falle einer kleineren wattlosen Komponente. Mit andern Worten: das.
Ausmass der Regelung hängt stark von dem cos. 9p des Belastun.gsstromets ab. Diesem Nachteil kann man dadurch abhelfen, dass mau auf die Welle des Reglers ein in der Richtung des den Läufer verdrehenden Dreh momentes wirkendes äusseres zusätzliches Drehmoment einwirken lässt, das. mit der Stromstärke und mit dem Phasenwinkel des Belastungsstromes anwächst. Eine einfache iHöglichkeit zur Verwirklichung einer solchen Anordnung ergibt sich durch Anwendung eines zweiphasigen,
asynchronen Hilfsmotors lt mit Kurzschlussanker gemäss Fig. 4, dessen eine Phasenwicklung n, man über einen Kon densator c an eine Phasenspannung des ge regelten Netzes schaltet und durch ihre an dere Phasenwicklung s ,den Strom ,derselben Phase leitet. Diese Wicklungen können natürlich auch über Transformatoren vom geregelten Netz gespeist werden. Anstatt den Kondensator der Spannungsspule des Motors vorzusüha-lten, kann man denselben auch der Stromspule parallel schalten.
Durch Verwen dung des Kondensators lässt sich in beiden Fällen erreichen, dass sich zwischen den Klemmspannungen der beiden Wicklungen des Hilfsmotors derselbe Zeitwinkel einstellt, wie zwischen dem Strom und der Spannung der Belastung vorhanden ist. Hieraus folgt dann, dass das durch den Motor erzeugte Moment verhältnisgleich der Blindkompo nente -des Belastungsstromes wird.
Der Hilfsmotor übergibt sein Antriebs drehmoment unmittelbar oder über eine Za:hnradübe.rsetzung auf die Welle des Reglers; dieses zusätzliche Antriebsdreh moment besitzt bei cos rp = 1 der Netzlast den Wert Null, da bei richtiger Bemessung des Kondensators in diesem Falle Spannung und Strom zeitlich phasengleich sind, und erreicht seinen höchsten Wert bei cos p = 0, da dann die zeitliche Phasenabweichung zwi- sohen der Phasenspannung und der Be- la.stungsstromstärke 90 beträgt.
In den meisten praktischen Fällen ist der Regelbereich nicht gross (10-15%), so dass die Läuferwicklung im Verhältnis zur Stän- derwicklung mit einer grossen Windungszahl auszuführen ist; gegebenenfalls kann auch durch Hinauftransformierung der Spannung zwischen dem Netz und dem Regler der in .der Wicklung des Ständers entstehende Span nungsabfall ausgeglichen werden.
Device for automatic voltage regulation. Devices for voltage regulation which keep the voltage of alternating current networks constant are known. These voltage regulators can be operated by a voltage-sensitive organ, but it can. the extent of the voltage regulation can also be made dependent on the strength of the load current.
The regulation can follow within a very short time if one works with a fast regulator; however, the device can also be provided with a time delay.
The voltage regulator according to the invention described below, for which no switching device or relay device is required, supplies between the control limits a voltage that increases with the increase in the load current and controls as a fast regulator with practically no time delay.
The device according to the invention is characterized by an induction rotary regulator, the stator and rotor windings of which are connected in phases in series, while the regulated voltage between the stator and rotor windings is tapped: and the rotor, unlike the known induction rotary regulators, is not rigidly held in its changing operating positions.
The invention is explained in more detail with the help of the exemplary embodiments from shown in the accompanying drawings. The control device shown in Fig. 1 in a basic circuit diagram consists essentially of a so-called In duktionsdrehregler, whose stator and Läu ferwicklungen are switched in phases in series.
Fig. 2 shows the vector diagram of the voltage regulation according to the inven tion, Fig. 3 an appropriate accessory of a particular embodiment of the controller and finally Fig. 4 the circuit diagram. an extended embodiment of the controller.
According to Fig. 1 you switch the phases R-S-T of the network to the terminals U-V-W <I> of the </I> induction regulator and feed the consumer from the terminals u-v-w in front of the rotor. Apart from the bearing friction, the rotor is freely rotatable, and its rotation from its previous equilibrium position occurs as soon as the load current strength changes, whereby the voltage at the terminals u, <I> v, </I> -w moves in the same direction changes with the change in the current intensity (e.g. in the case of an increase in the current intensity).
For a better understanding of the process, the case will first be examined in which no electrical load is connected to points u - v-w, but terminals U-V-W are already under mains voltage.
The rotor is located in the area determined by the smallest magnetic resistance. Rest or basic position in which the axes of the stator and rotor windings coincide for each phase.
If the runner is turned out of this position by external force and then released, it turns back by itself into the base; between the stator and .dem rotor there is a return torque; only the magnetizing current of the controller flows through the series-connected seals. Is the mains voltage that is z.
B. the phase voltage <I> U-0, </I> constant, it results in the sum of the stator and rotor voltages per phase in every position of the rotor, the entire phase voltage, so it gives z. B. the sum of the voltages Uu and u-0 always the voltage <I> U-0. </I> As long as the rotor is in the basic position, the voltages U-ac and u - 0, due to the coincident magnetic axes of their coils,
with each other ge according to FIG. 2 in phase. If, on the other hand, the rotor is rotated from its basic position by any angle a. By external force, the phases of the voltages Uu and u - 0 will deviate from each other by the angle a, and at the same time it will be what the vector diagram shows Fig. 2 it is concluded that both the phase voltage Uu and the phase voltage u - 0,
so the voltage u-v-w also increase.
If an electrical load is applied to the points u - v-w, the runner turns automatically from its basic position into a new equilibrium position under the effect of the watt component of the load current. In this case, the current flowing in the rotor also has a watt component which, together with the rotating magnetic field, generates a drive torque that tries to twist the rotor until.
an equilibrium is achieved with .the returning torque. As a result of this twisting, the voltage u-v-w increases for the same reason as in the case of twisting generated by an external force.
In this simplest embodiment, the described automatic voltage increasing device is afflicted with two practical imperfections, one of which is that the extent of the voltage increase is not proportional to the load current. This disadvantage can be eliminated by getting on the wave,
of the runner released. in the direction of the returning torque with means of spring force generated external torque can act.
A simple trick for generating this external torque is shown in FIG. The necessary auxiliary equipment consists of the gear wheel z1 wedged onto the shaft of the induction regulator and the gear wheel @ which is in engagement with the same, which the latter appropriately has a smaller diameter than the wheel z,
and in the basic position of the rotor a tensile effect is subject to the spring acting radially in the rest position. In the basic position of the rotor, therefore, no additional torque is transmitted to the shaft of the rotor by the spring, while in the case where the rotor rotates under the effect of the drive torque arising from the load current.
B. in the direction of the arrow 1 (that is, in a direction opposite to the direction of the arrow 2 of the returning torque), the Fe gets into the position f 'and in turn a in the direction of the returning torque (i.e. the twisting torque against) acting torque in the direction of arrow 3 respectively. 2 exercises, whereby the relationship between the current strength and the voltage change can be made linear by choosing a suitable spring characteristic.
The second imperfection of the device described above is that under the influence of the wattless component of the load current, the return torque increases and therefore the control device increases the voltage between the points and many others to a lesser extent in the case of a larger wattless component of the load current is than, in the case of a smaller wattless component. In other words: that.
The extent of the regulation depends heavily on the cos. 9p of the load current set. This disadvantage can be remedied by allowing an additional external torque to act on the shaft of the controller, acting in the direction of the torque that rotates the rotor, which increases with the current strength and with the phase angle of the load current. A simple way of realizing such an arrangement results from the use of a two-phase,
asynchronous auxiliary motor lt with short-circuit armature according to FIG. 4, whose one phase winding n, one switches via a capacitor c to a phase voltage of the ge regulated network and conducts the same phase through their other phase winding s, the current. These windings can of course also be fed from the regulated network via transformers. Instead of connecting the capacitor to the voltage coil of the motor, it can also be connected in parallel to the current coil.
By using the capacitor, it can be achieved in both cases that the same time angle is set between the clamping voltages of the two windings of the auxiliary motor as is the case between the current and the voltage of the load. It then follows from this that the torque generated by the motor is proportional to the reactive component of the load current.
The auxiliary motor transfers its drive torque directly or via a gear train to the controller shaft; this additional drive torque has the value zero at cos rp = 1 of the network load, since with correct dimensioning of the capacitor in this case the voltage and current are in phase with one another, and reaches its highest value at cos p = 0, because then the temporal phase deviation between so the phase voltage and the load current is 90.
In most practical cases, the control range is not large (10-15%), so that the rotor winding must be designed with a large number of turns in relation to the stator winding; If necessary, the voltage drop occurring in the winding of the stator can also be compensated for by stepping up the voltage between the network and the regulator.