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Spannungsregler für Transformatoren mit Stufenschaltwerken Transformatoren
mit Stufenschaltwerken gestatten eine stufenweise Spannungseinstellung unter Last.
Der Antrieb des Stufenschaltwerkes erfolgt über schützengesteuerte Dreh- oder Wechselstrommotoren,
die von Hand oder selbsttätig über einen Spannungsregler in Abhängigkeit von der
Spannungsabweichung von einem Sollwert gesteuert werden.
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Als Spannungsregler sind Kontaktregler bekannt, wobei eine Regelabweichung
den Regelimpuls entweder nach dem Prinzip des Fallbügelreglers oder mittels Kontaktrelais
bildet und den Antrieb des Stufenschaltwerkes einschaltet. Zur Schonung der Reglerkontakte
und des Stufenschal.twerkes werden hierbei: auch zusätzliche Einrichtungen unter
Verwendung von Zeitrelais angewandt, die bewirken, daß eine Schaltung erst dann
erfolgt, wenn die Abweichung längere Zeit be-stehenbleibt. Hierbei, kann die Schaltverzugszeit
auch abhängig von der Größe und Richtung der Regelabweichung gemacht werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe besitzen diese Kontaktregler eine Reihe
von Relais mit vielen Kontakten, die eine gewisse Störanfälligkeit besitzen und
daher gewartet werden müssen. Andererseits muß man, namentlich bei. großen spannungsgeregelten
Transformatoren, auf absolute Sicherheit Wert legen.
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Es ist daher schon versucht worden, bei Spannungsreglern für Transformatoren
mixt Stufenschaltwerk, das durch einen Motorantrieb betätigt wird, die Spannungsabweichung
vom Sollwert in magnetischen Verstärkern in Gegentaktschaltung zu bilden. Dadurch
sind die Kontaktregler durch kontaktlose Regler ersetzt, die naturgemäß völlig wartungsfrei
sind. Die bekanntgewordene Schaltung besitzt jedoch erhebliche Nachteile. Der Spannungsregler
selbst muß einen Unempfindlichkeitsbereich haben, der größer als die Stufenspannung
des Transformators ist, da sonst das Stufenschaltwerk ständig zwischen zwei Stufen
hin- und herpendeln würde. Bei: der bekannten Schaltung wird diese Unempfindlichkeit
im Antriebsmotor für das Schaltwerk selbst gebildet, und zwar so, daß der
Motor erst dann das erforderliche Drehmoment entwickelt, wenn die Spannungsabweichung
vom Sollwert größer als die Stufenspannung ist. Innerhalb dieses UnempfindHichkeitsbereiches
erhält der Motor jedoch je nach der Größe der Spannungsabweichung eine Spannung
zugeführt, die zwar noch keinen Anlauf bewirkt, jedoch einen erheblichen Strom zur
Folge hat, der den Motor thermisch überlastet und je nach der Zeitdauer dieses Zustandes
den Motor sogar zerstören kann. Außerdem erhält bei Überschreiten des Unempfindlichkeitsbereiches
der Klotor bei geringen überschreitungen der Spannungsabweichung über den Wert der
Stufenspannung nur einen Teil seiner vollen Betriebsspannung. Dies hat zur Folge,
daß der Motor einerseits thermisch überlastet ist, andererseits infolge zu geringer
Drehzahl einen schleppenden Gang des Stufenschaltwerkes verursacht. Schließlich
wird das Stufenschaltwerk auch bei einer kurzzeitigen Spannungsabweichung vom Sollwert
in Gang gesetzt, eine Tatsache, die eine unnötige Schaltungshäufigkeit und damit
einen unnötigen Kontaktverschleiß der Schaltorgane verursacht.
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Alle diese Nachteide werden bei einem Spannungsregler für Transformatoren
mit Stufenschalüverken, bei denen das Stufenschalt`,verk durch einen Motorantrieb
betätigt und die Spannungsabweichung vom Soll"vert in magnetischen Verstärkern mit
Gegentaktschaltung gebildet wird, erfindungsgemäß dadurch vermieden., daß die magnetischen
Verstärker ein Sprungverhalten zwischen minimaler und maximaler Aussteuerung besitzen,
daß der zum Betrieb des Spannungsreglers notwendige Unempfindlichkeitsbereich vermittels
zusätzlicher Steuerwicklungen in die magnetischen Verstärker gelegt ist und daß
ferner die Betätigung des Motorantriebs verzögert erfolgt. Dadurch gelingt es, einen
kontaktfreien, wartungslosen und, vor allen Dingen absolut betriebssicheren Spannungsregler
für Transformatoren zu schaffen, der alle betrieblichen Forderungen erfüllt und
somit auch für große Tranformatoreinheiten geeignet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführung des magnetischen Spannungsr eglcrs unter
Verwendung von Impulsrelais für die Betätigung des Antriebes des Stufenschaltwerkes;
in Fig.2 ist ein magnetischer Verstärker als Sperrverstärker für die Regeleinrichtung
bei starkem Spannungsrückgang dargestellt;
Fig. 3 zeigt einen magnetischen
Spannungsregler mit einer zusätzlichen, von der Größe der Regelabweichung abhängigen
Zeitverzögerung und Fig.4a bis 4c die Kennlinien der zugehörigen magnetischen Verstärker.
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In Fig. 1 stellt 1 das von dem zu regelnden Transformator gespeiste
Netz dar. Die Spannungsabweichung ± d U des Spannungs-Istwertes vom Spannungs-Sollwert
(= Regelabweichung) wird von zwei, in Gegentaktschaltung angeordneten, selbstsättigenden
magnetischen Verstärkern 2 und 3, die über den Transformator 4 von der Transformatorspannung
1 gespeist werden, ermittelt. Je nachdem, ob die Spannung zu hoch oder zu tief ist,
öffnet der Verstärker 3 oder 2, wodurch die Impulsrelais 6 oder 5 an Spannung gelegt
werden und »Tiefer«- oder »Höher«-Impulse auf den Antrieb 7 des Stufenschaltwerkes
geben, bis die Transformatorspannung den Sollwert innerhalb eines bestimmten Unempfindlichkeitsbereiches
erreicht .hat, wo dann beide Verstärker 2 und 3 sperren und damit die Impulsrelais
5 und 6 stillsetzen.
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Die Regelabweichung wird in beiden Verstärkern 2 und 3 magnetisch
gebildet. Zu diesem Zweck wird den Steuerwicklungen 2 c und 3 c der mittels Transformator
8 gemessene Spannungs-Istwert über Gleichrichter 9 und Sollwerteinsteller 10 so
zugeführt, daß der »Tiefer«-Verstärker 3 positiv und der »Höher«-Verstärker 2 negativ
ausgesteuert wird. Der in einem Stromkonstanthalter 14 gebildete konstante Sollwert
wird den Steuerwicklungen 2 b und 3 b so zugeführt, daß 2 b entgegen 2 c und 3 b
entgegen 3 c wirken. Dadurch wird erreicht, daß bei positiver Regelabweichu ng der
Verstärker 3 öffnet und der Verstärker 2 gesperrt bleibt, und umgekehrt. Durch einen
mittels Widerstand 15 einstellbaren konstanten Vorstrom in den Wicklungen 2a. und
3a, der bei beiden Verstärkern im sperrenden Sinne wirkt, wird ferner erfindungsgemäß
erreicht, daß die Verstärker 2 bzw. 3 erst nach einer gewissen Regelabweichung,
der Unempfindlichkeit, öffnen. Mittels Widerstand 15 kann die Unempfindlichkeit
eingestellt werden. Der Verlauf des Ausgangsstromes Ja der Verstärker 2 bzw. 3 bei
Auftreten einer positiven oder negativen Regelabweichung d U isst in Fig.
1 b dargestellt. Das sprungartige Verhalten der magnetischen Verstärker 2 und 3
kann in bekannter Weise dadurch erzielt werden, daß der gleichgerichtete Ausgangsstrom
jedes Verstärkers auf eine weitere Steuerwicklung rückgekoppelt wird. Da die vorliegenden
Verstärker Wechselstromausgang haben, können auch die Teilströme in den Leistungswicklungen,
die einen pulsierenden Gleichstrom darstellen, auf Steuerwicklungen rückgekoppelt
werden.
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. Soll die Transformatorspannung 1 nicht konstant, sondern in Abhängigkeit
vom Belastungswirk- oder -blindstrom geregelt werden, so wird in an sich bekannter
Weise ein dem mit Stromwandler 11 gemessenen Laststrom proportionaler und
einstellbarer Spannungsabfall am Widerstand 13 gebildet, der nach Gleichrichtung
in 12 dem Spannungs-Istwert 9 hinzugefügt werden kann.
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Die von einem kleinen, selbst anlaufenden Synchronmotor angetriebenen
Impulsrelais 5 und 6 bewirken, daß dem Antrieb 7 des Stufenschaltwerkes so lange
kurzzeitige »Höher«- oder »Tiefer«-Impulse zugeleitet werden, bis die Regelabweichung
kleiner als der Unempfindlichkeitsbereich ist. Die Impulsrelais 5 und 6 werden dabei
nur für die Dauer der Regelabweichung eingestellt. Grundsätzlich eignet sich dieser
Spannungsregler auch für kontaktlose Antriebe, wobei die Einschaltung des Motors
und die Drehrichtungsumkehr z. B. mittels magnetischer Verstärker in Abhängigkeit
von einer positiven oder negativen Steuergleichspannung erfolgt. Z@'erden die Verstärker
2 und 3 für Gleichstromausgang ausgebildet, so liefert diese Regeleinrichtung bereits
die gewünschten Steuerspannungen für kontaktlose Motorantriebe. Da bei Antrieben
von Stufenschaltwerken ein einmal eingeleiteter Schaltvorgang von einer Stufe zur
nächsten stets ganz ausgeführt werden muß, kann dann bei kontaktlosen Motorantrieben
mittels eines Kontaktes, der mit der Motorbewegung gekuppelt ist, so lange eine
positive Steuerspannung an eine weitere Steuerwicklung des Verstärkers 2 bzw. 3
gelegt werden, biss der Schaltvorgang zur nächsten Stufe beendet ist. Dieser Hilfskontakt
braucht nur die geringe Steuerleistung eines magnetischen Verstärkers zu schalten.
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Soll die Regeleinrichtung verzögert ansprechen, können zwischen die
Verstärker 2 und 3 bzw. zwischen die Impulsrelais 5 und 6 und den Antrieb 7 bekannte
Verzögerungsglieder elektrischer, mechanischer oder elektrisch-mechanischer Art
geschaltet werden.
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Um zu verhindern, daß die Regeleinrichtung bei anormalen Spannungsabsenkungen,
z. B. Kurzschlüssen, den Transformator unnötig hochregelt, kann in an sich bekannter
Weise die Regeleinrichtung durch ein Unterspannungsrelais 16 ausgeschaltet werden,
das bei Spannungsrückgang, z. B. unter 75% der Transformatorenspannung, den Transformator
4 primär oder, wie dargestellt, sekundär abschaltet. An Stelle eines derartigen
Kontaktrelais kann erfindungsgemäß auch .eine kontaktlose Einrichtung in Form eines
magnetischen Sperrverstärkers 18 (Fig. 2) verwendet werden, der an Stelle des Relais
16 an die Klemmen a, b gelegt wird. Durch einen einstellbaren, konstanten Vorstrom
in Steuenvicklung 18a. wird der Verstärke.rarbeitspunkt nach A in das sperrende
Gebiet gelegt. Sobald die Transformatorspannung, die im öffnenden Sinne auf die
Steuerwicklung 18b einwirkt, z. B. 75% des Nennwertes übersteigt, öffnet der Verstärker,
so daß die Regelverstärker 2 und 3 oberhalb dieser Spannungsgrenze ihre geschilderte
Reglerfunktion ausüben können. Bei Spannungsrückgang unter 75% der Nennspannung
sperrt der Verstärker 18, wodurch die Verstärker 2 und 3 ebenfalls gesperrt werden.
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Um die Stufenschaltwerke der Transformatoren und die Antriebe zu schonen,
besteht der Wunsch, die Schaltzahl pro Zeiteinheit oder die Schaltverzögerung von
der Größe der Regelabweichung abhängig zu machen. Die Anordnung nach Fig.3 ergibt
eine von der Größe der Regelabweichung abhängige Zeitverzögerung des dem Antrieb
7 zugeführten Regelimpulses mittels einer kontaktlosen Anordnung, bestehend aus
den beiden Meß- und Regelverstärkern 2 und 3 für »Höher«- bzw. »Tiefer«-Regelung,
den zwei Verzögerungsverstärkern 19 und 20 und den beiden Schaltverstärkern 21 und
22. Der Einfachheit halber ist nur die Impulskette für Regelbefehl »Höher« vollständig
dargestellt, für »Tiefer« .ergibt sich sinngemäß dieselbe Anordnung.
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Im Meßverstärker 2 für »Höher« wird mittels der im sperrenden Sinne
wirkenden Istwert-Steuerwicklung 2 c und der im öffnenden Sinne wirkenden Sollwert-Steuenvick:lung
2 b entsprechend der Wirkungsweise in Fig. 1 a die Regelabweichung gebildet, wobei
der Verstärker nur ausgesteuert wird, wenn die Regelabweichung negativ ist. Die
Wicklung 2a dient wieder zur Erzielung eines Unempfindlichkeitsbereiches. Im Gegensatz
zu Fig. 1 a haben jedoch die
im Gegentakt arbeitenden Verstärker
2 und 3 ein Kennlinienverhalten nach Fig, 4 a, d. h.., der Ausgangsstrom der Verstärker
2 bzw. 3 soll, sobald die Regelabweichung größer als die Unempfindlichkeit wird,
stetig mit der Regelabweichung ansteigen.
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Der Arbeitspunkt des Verzögerungsverstärkers 19 ist gemäß Fig.4b durch
einen konstanten Vomstrom in Wicklung 19 a auf Punkt A eingestellt,
d. h., wenn der Meßverstärker 2 keinen Steuerstrom (Ja, =0) der Steuerwicklung 19
b zuführt; weil keine Regelabweichung vorhanden ist, ist der Verstärker 19 voll
geöffnet und hält damit den Schaltverstärker 21 über die Steuerwicklung 21a gesperrt
(Arbeitspunkt A in Fig. 4c), so daß dem Antrieb 7 kein Steuerstrom zugeführt wird
(Ja, = 0). Gemäß Fig. 4c erhält der Schaltverstärker 21 Sprungverhalten durch
die Rückkopplungswicklung 21 b.
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Tritt nun eine negative Regelabweichung -A U auf, die nach
Fig.4a größer als e ist, so wird der Ausgangsstrom Ja, vom Verstärker 2 den Verstärker
19 sperren. Die Sperrung des Verstärkers 19 kann nun mittels der kurzgeschlossenen
Steuerwicklung 19c zeitlich verzögert werden, wobei die Zeiteinstellung durch den
Widerstand 23 erfolgt. Solange Jag größer als der zur Sperrung des Verstärkers 21
notwendige Wert Jag = 0 (Fig. 4c) ist, bleibt Verstärker 21 gesperrt. Somit
macht der Schaltverstärker erst nach Ablauf einer durch die Einstellung des Verstärkers
19 bedingte Totzeit plötzlich auf.
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Je größer die Regelabweichung A U ist, desto schneller wird
der Verstärker 19 gesperrt und desto schneller spricht dann auch der Schaltverstärker
21 an, und umgekehrt.
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Die beschriebene magnetische Spannungsregeleinrichtung kann vorteilhaft
in Verbindung mit kontaktlosen Motorantrieben und induktiven Stufenschaltwerken
(ohne Lastschalter-Kontakte) verwendet werden, wodurch eine kontaktlose Spannungsregelung
von Stufentransformatoren möglich ist.