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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

M 145385
KLASSE 21 d. M 145385
CLASS 21 d.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 2. September 1902 ab.Patented in the German Empire on September 2, 1902.

Bei elektrischen Arbeitsübertragungen mit langen Leitungen macht eine gute Regulierung der Spannung an der Sekundärstation oft die Umformung des Stromes zu einer Notwendigkeit. In anderen Fällen werden Prüfdrähte gezogen, um von der Primärstation aus die Spannung an der Sekundärstation konstant halten zu können. Ferner sucht man bei größeren Anlagen durch Übererregung vonIn the case of electrical work transmissions with long lines, make a good regulation the voltage at the secondary station often makes the conversion of the current a necessity. In other cases, test wires are pulled from the primary station to keep the voltage at the secondary station constant to be able to hold. Furthermore, one looks for larger systems by overexcitation of

ίο Synchronmotoren und Umformern Phasengleichheit zwischen Strom und Spannung in den Leitungen herzustellen, damit die Energieverluste in den Leitungen möglichst klein ausfallen und die Überlastungsfähigkeit der Anlage gesteigert, wird.ίο Synchronous motors and converters are in phase between current and voltage in the lines to reduce energy losses in the lines are as small as possible and the overload capacity of the Plant is increased.

Im folgenden soll nun eine einfache Anordnung zur gleichzeitigen Regulierung der Spannung und Phasenverschiebung einer Arbeitsübertragung beschrieben werden. Dieselbe ermöglicht auf elektrischem AVege innerhalb weiter Grenzen eine selbsttätige Regulierung der Spannung.The following is a simple arrangement for the simultaneous regulation of the Voltage and phase shift of a work transfer are described. Same enables automatic regulation within wide limits on electrical AVege the tension.

Fig. ι zeigt das Schema einer einphasigen Arbeitsübertragung. G ist der Generator, L die Doppelleitung mit dem Ohm'schen Widerstand T₁ und der Reaktang X₁ und Ph ein Phasenregler, der zwischen die Sekundärklemmen der Leitungen parallel zur Belastung JB der Sekundärstation geschaltet wird. Der Phasenregler liefert nur wattlose Ströme, die der Spannung nach- oder voreilen können. Wünscht man, daß die Spannung E₀ an der Primärstation und die Spannung E an der Sekundärstation, beide für jede Belastung B der Arbeitsübertragung konstant bleiben sollen, so wird man finden, daß der von dem Phasenregler Ph gelieferte wattlose Strom J_pi, folgende Bedingung erfüllen muß:Fig. Ι shows the scheme of a single-phase transfer of work. G is the generator, L the double line with the ohmic resistance T ₁ and the reactance X ₁ and Ph a phase regulator, which is connected between the secondary terminals of the lines in parallel with the load JB of the secondary station. The phase regulator only supplies wattless currents that can lag or lead the voltage. If it is desired that the voltage E ₀ at the primary station and the voltage E at the secondary station, both should remain constant for each load B of the work transfer, it will be found that the wattless current J _p i supplied by the phase regulator Ph has the following condition must meet:

J ph = JwI J ph = JwI

Ex₁ — YE₀* Zf Ex ₁ - YE ₀ * Zf - - (E (E. T₁ + T ₁ + J_n, Zf)* J _n , Zf) *

woWhere

Z₁ = Yr₁ ² -f- Z ₁ = Yr ₁ ² -f-

J_n, = Wattkompo- J _n , = watt compo-

nente und J_n, ι = wattlose Komponente des von der Belastung B verbrauchten Stromes J. Es ist alsonente and J _n , ι = wattless component of the current J consumed by the load B , so it is

Jph —. Jwi + Jb, Jph -. Jwi + Jb,

d. h., der vom Phasenregler gelieferte wattlose Strom muß gleich dem von der Belastung aufgenommenen wattlosen Strom /„,/ vermehrt um einen Strom Jg sein, der eine 7 ² that is, the wattless current supplied by the phase regulator must be equal to the wattless current consumed by the load / ", / increased by a current Jg that represents a 7 ²

Funktion des Wattstromes J_n, oder der Belastung E J_n, ist. In Fig. 2 ist fürFunction of the watt current J _n , or the load EJ _n , is. In Fig. 2 is for

verschiedene Verhältnissedifferent ratios

der wattlosethe wattless one

Strom Jp, als Funktion des Wattstromes J_n, oder der Belastung E J_n, graphisch aufgetragen. Die Kurve für E = E₀ geht, wie vorauszusehen war, durch den Ursprung; alle positiven Ordinaten stellen phasenverfrühte Ströme dar. Die Kurven können mit großerCurrent Jp, as a function of the watt current J _n , or the load EJ _n , plotted graphically. The curve for E = E ₀ , as was to be expected, goes through the origin; all positive ordinates represent out-of-phase currents. The curves can with large

Annäherung durch gerade Linien ersetzt werden, so daß man schreiben kann:Approximation can be replaced by straight lines so that one can write:

J_n = a + b J_n,
und man erhält J _n = a + b J _n ,
and you get

Jph = α -\- b J_n, -\- J_n,i,Jph = α - \ - b J _n , - \ - J _n , i,

d. h. der wattlose Strom J_pi, ist unter Annahme von konstanter Primär- (E₀) und Sekundärspannung (E) eine lineare Funktion der beiden Komponenten /,„ und J_n, / des Belastungsstromes. Damit nun der Phasenregler Ph, in Fig. i, diesen wattlosen Strom zu liefern vermag, so ist derselbe sowohl mit einer Nebenschlußerregung NE als mit einer Hauptschlußerregung HE versehen.ie the wattless current J _p i, assuming constant primary (E ₀ ) and secondary voltage (E), is a linear function of the two components /, and J _n , / of the load current. So that the phase regulator Ph in FIG. 1 is able to supply this wattless current, it is provided with both a shunt excitation NE and a main excitation HE .

Die Anordnung des Phasenreglers ist aus Fig. 3 zu ersehen; derselbe ist eine Kommutatormaschine, deren Statorwicklung S, welche induziert wird, mit den Arbeitsübertragungsleitungen L unmittelbar verbunden ist, und deren Rotorwicklung R, welche induzierend wirkt, mit zwei Strömen gespeist wird, von denen der eine (die Nebenschlußerregung) mit der Sekundärspannung E und der andere (die Hauptschlußerregung) mit dem Belastungsstrome / der Sekundärstation proportional und in Phase sind. Die Nebenschlußerregung ist, um eine passende Spannung zu erhalten, von drei Punkten der dreiphasigen Ständerwicklung abgezweigt und wird mittels der Bürsten B₁ B₂ B₃ und des Kommutators K der nach Art einer Gleichstromwicklung ausgeführten Läuferwicklung R zugeführt. Zur Einführung der Hauptschlußerregung dient der mit den Leitungen in Serie geschaltete Kompoundtransformator C T, der mit den Bürsten by b.₂ b_s verbunden ist, welch letztere ebenfalls auf dem Kommutator K schleifen.The arrangement of the phase regulator can be seen from FIG. 3; The same is a commutator machine whose stator winding S, which is induced, is directly connected to the working transmission lines L , and whose rotor winding R, which has an inductive effect, is fed with two currents, one of which (the shunt excitation) with the secondary voltage E and the others (the main circuit excitation) are proportional and in phase with the load currents / secondary station. In order to obtain a suitable voltage, the shunt excitation is branched off from three points of the three-phase stator winding and is fed to the rotor winding R, which is designed in the manner of a direct current winding , by means of the brushes B ₁ B ₂ B ₃ and the commutator K. The compound transformer C T, connected in series with the lines and with the brushes by b. ₂ b _{s is} connected, the latter also looping on the commutator K.

Zur Regelung der Hauptschlußerregung ist parallel zu derselben ein Regulierwiderstand JV R geschaltet. Außer der Glcichstromwicklung R kann der Rotor auch eine kurzgeschlossene Wicklung M besitzen, damit der Phasenregler leichter als Motor anläuft, und damit die Tourenzahl fast konstant (in der Nähe vom Synchronismus) bleibt. A regulating resistor JV R is connected in parallel to regulate the main circuit excitation. In addition to the DC winding R , the rotor can also have a short-circuited winding M so that the phase regulator starts up more easily as a motor and so that the number of revolutions remains almost constant (close to synchronism).

Die Wirkungsweise eines derartigen Phasenreglers ist nun die folgende: Man denke sich der Einfachheit halber zuerst den Rotor s)^rnchron laufend, \vas bei Leerlauf praktisch der Fall sein wird. Ist die Sekundärstation ohne Belastung, so wird der Phasenregler nur von einem der Sekundärspannung E proportionalen Nebenschlußstrom' erregt und bei richtiger Bürstenstellung (B₁ J3₀ Β_Ά) einen wattlosen Strom C₂ E — C₁ liefern. C₁ entspricht dem Magnetisierungsstrom des Phasenreglers. Dieser nimmt auch einen kleinen Wattstrom auf, der dazu dient, die Verluste in der Maschine selbst zu decken. Da dieser Strom höchstens ein paar Prozent des Belastungsstromes J der Sekundärstation ausmachen wird, soll in den folgenden Betrachtungen dieser Wattstrom vernachlässigt werden.The operation of such a phase shifter is now the following: first Imagine for simplicity the rotor s) ^r nchron running, \ vas at idle practically will be the case. If the secondary station with no load, the phase shifter is energized the secondary voltage e proportional shunt 'by only one, and ₍₁ J3 ₀ _Β Ά B) a watt-free stream C ₂ E when properly brush position - supply C. ₁ C ₁ corresponds to the magnetizing current of the phase regulator. This also takes up a small watt current, which is used to cover the losses in the machine itself. Since this current will make up at most a few percent of the load current J of the secondary station, this watt current will be neglected in the following considerations.

Wird die Sekundärstation mit einem Strom/, dessen Wattkomponente J_n, = J cos φ, und dessen wattlose Komponente J_n, ι — J sin φ ist, belastet, so würde der Phasenregler, in irgend einer Weise auf Synchronismus gehalten, einen Strom erzeugen, dessen Wattkomponente/cos (φ -|- Jr) und dessen wattlose Komponente / sin (φ -j- Jr) proportional wäre. pr ist hier der Winkel, um den die Bürsten by b₂ b₃ aus der Lage verschoben sind, in welcher ein Wattstrom in der Hauptschlußerregung nur einen Wattstrom in dem Stator S erzeugt.If the secondary station is loaded with a current /, whose watt component is J _n , = J cos φ, and whose wattless component is J _n , ι - J sin φ, the phase regulator would generate a current in some way kept in synchronism , whose watt component / cos (φ - | - Jr) and whose wattless component / sin (φ -j- Jr) would be proportional. Here pr is the angle by which the brushes by b ₂ b ₃ are displaced from the position in which a watt current in the main circuit excitation generates only one watt current in the stator S.

Wird aber der Phasenregler, der durch die kurzgeschlossene Phasenwicklung M vollständig die Eigenschaften einer Asynchronmaschine erhält, sich selbst überlassen, so wird er natürlich nur eine so große Wattkomponente aufnehmen, als eben zur Deckung der eigenen Verluste nötig ist. In der Ständerwicklung S kann somit kein Wattstrom entstehen, der die von der Komponente /cos (φ -|- £\) in d^er Erregerwicklung R erzeugten Amperewindungen kompensieren kann. Diese der Stromkomponente / cos (φ -|- Jr) proportionalen Amperewindungen bei Synchronismus werden bei einer passenden Schlüpfung des Läufers teils durch eine in der Erregerwicklung R induzierte E. M. K. verkleinert, teils durch einen in der Phasenwicklung M induzierten Strom kompensiert werden.If, however, the phase regulator, which completely retains the properties of an asynchronous machine due to the short-circuited phase winding M , is left to its own devices, it will of course only absorb as large a watt component as is necessary to cover its own losses. In the stator winding S Watt no current thus can occur, of the component / cos (φ - | £ \ -) can compensate ampere turns generated in t ^he excitation winding R. These ampere turns proportional to the current component / cos (φ - | - Jr) with synchronism are partly reduced by an EMF induced in the excitation winding R and partly compensated by a current induced in the phase winding M when the rotor slips properly.

Es wird deswegen der Phasenregler, sich selbst überlassen, derartig schlüpfen, daß er nur als Motor laufen kann und einen kleinen Wattstrom aufnimmt. Ist die Stromkom- ion ponente /cos (φ -\-P) so gerichtet, daß der Phasenregler bei Synchronismus einen Wattstrom in das Netz liefern würde, so wird der Phasenregler, sich selbst überlassen, untersynchron laufen. Und ist die Stromkomponente / cos (φ -f Jr) so gerichtet, daß der Phasenregler bei Synchronismus einen Wattstrom vom Netz aufnehmen würde, so wird der Phasenregler, sich selbst überlassen, übersynchron laufen. Die Größe der Schlüpfung des Phasenreglers ist desto kleiner, je kleiner die Stromdichte des Kompoundstromes in der Erregerwicklung R gewählt, und je größer der Kupferaufwand in der Kurzschlußwicklung M ist.The phase regulator is therefore left to its own devices to slip in such a way that it can only run as a motor and draws a small watt current. If the current component / cos (φ - \ - P) is directed in such a way that the phase regulator would deliver a watt current to the network in the case of synchronism, the phase regulator will run undersynchronously if it is left to its own devices. And if the current component / cos (φ -f Jr) is directed in such a way that the phase regulator would take up a watt current from the mains in the case of synchronism, the phase regulator will run over-synchronously, left to its own devices. The size of the slip of the phase regulator is the smaller, the smaller the selected current density of the compound current in the excitation winding R and the greater the copper expenditure in the short-circuit winding M.

Man sieht somit, daß der Phasenregler, sich selbst überlassen, eine kleine Wattkomponente aufnimmt und erstens einen wattlosen Strom C_n E — C₁ von der Nebenschlußerregung erzeugt, und zweitens einen wattlosen Strom proportional / sin (φ -f- Jr), von der Hauptschlußerregung erzeugt, liefert.It can thus be seen that the phase regulator, left to its own devices, picks up a small watt component and firstly generates a wattless current C _n E - C ₁ from the shunt excitation, and secondly a wattless current proportional / sin (φ -f- Jr), from the Main final excitation generates, delivers.

Man kann also den totalen, vom Phasenregler gelieferten wattlosen Strom gleich setzenSo you can equate the total wattless current supplied by the phase regulator

J_ph = C₂ E— C₁ + C₃ /sin (φ + SO =
C₂ E— C₁ -|- C₃ /sin φ cos Sr + C₃ Jcos φ sin Jr = C₂E— C₁ + C₃ cos £· J_n,ι -f C₃ sin Jr J_n,. J _ph = C ₂ E— C ₁ + C ₃ / sin (φ + SO =
C ₂ E - C ₁ - | - C ₃ / sin φ cos Sr + C ₃ Jcos φ sin Jr = C ₂ E - C ₁ + C ₃ cos £ · J _n , ι -f C ₃ sin Jr J _n,.

Wie oben entwickelt, soll sein:
ίο Jpii = α -j- b J_n, -\- J,,,;. As developed above, should be:
ίο Jpii = α -j- b J _n , - \ - J ,,,;.

Also mußSo must

und
alsoand
so

b = C₃ sin b = C ₃ sin

ι jι j

I = C₃ cos Sr,I = C ₃ cos Sr,

sein.be.

C₁ bedeutet, wie erwähnt, den Magnetisierungsstrom des Phasenreglers; die Konstante C₂ ergibt sich aus der ersten Gleichung zuAs mentioned, C ₁ denotes the magnetizing current of the phase regulator; the constant C ₂ results from the first equation

undand

C₂ =C ₂ =

C₃ =C ₃ =

a+ C₁ a + C ₁

b\b \

eine Konstante, die im allgemeinen zwischen ι und i,|. liegt. Der Verstellungswinkel Sr der Bürsten b₁ b.₂b_x ergibt zu arc tg b, der im allgemeinen zwischen 10 und 45 ° liegt. Wie hieraus zu ersehen, ist es also möglich, einen derartigen kompoundierten Phasenregler, der einen wattlosen Stromis a constant that is generally between ι and i, |. lies. The adjustment angle Sr of the brushes b ₁ b. ₂ b _x results in arc tg b, which is generally between 10 and 45 °. As can be seen from this, it is thus possible to use such a compounded phase regulator which produces a wattless current

Jph — ^a + b J₁,, -\- J,pι Jph - ^a + b J ₁ ,, - \ - J, pι

liefert, zu bauen.supplies, build.

Durch Aufstellung eines kompoundierten Phasenreglers in der Sekundärstation einer Anlage hat man die Möglichkeit der Kompoundierung , d. h. der Konstanthaltung der Sekundärspannung bei gegebener Primärspannung der Anlage erreicht. In gleicher Weise ist es auch möglich, eine Anlage zu überkompoundieren, d. h. bei gegebener Primärspannung E₀ die Sekundärspannung E mit dem Wattstrome J_1V oder mit der Belastung EJ_n, zu erhöhen, und zwar soll eine derartige Spannungserhöhung am besten alsBy setting up a compounded phase regulator in the secondary station of a system, one has the possibility of compounding, ie keeping the secondary voltage constant for a given primary voltage of the system. Similarly, it is also possible to überkompoundieren a plant, the secondary voltage E that is, at a given primary voltage E ₀ to the Watt stream J _1V or with the load EJ _n to increase, namely to such a voltage increase at the best as

■ eine geradlinige Funktion des Wattstromes /„, geschehen, was mittels eines überkompoundierten Phasenreglers mit großer Annäherung erreicht werden kann.■ a straight line function of the watt current / ", happen, what by means of an overcompounded phase regulator with great approximation can be reached.

Es braucht ferner nicht die Klemmspannung an der Primärstation konstant gehalten zu werden; es genügt auch, die in dem Generator induzierte E. M. K. konstant zu halten, was durch Konstanthaltung des Erregerstromes geschieht.Furthermore, the clamping voltage at the primary station does not need to be kept constant to become; it is also sufficient to keep the E.M.K. induced in the generator constant, what happens by keeping the excitation current constant.

Die kurzgeschlossene Phasenwicklung M in Fig. 3 ist für die vorliegende Einrichtung nicht unbedingt notwendig. Die Anwendung einer solchen bietet aber den Vorteil, daß der Phasenregler stets bei Einschaltung der Spannung von selbst leicht anläuft und trägt ferner in hohem Grade dazu bei, die Schlüpfung klein zu halten, indem durch sie die Amperewindungen entsprechend der Stromkomponente /cos (φ -\- p) teilweise kompensiert werden. The short-circuited phase winding M in FIG. 3 is not absolutely necessary for the present device. However, the use of this offers the advantage that the phase regulator always starts up slightly by itself when the voltage is switched on and also makes a major contribution to keeping the slip small by reducing the ampere turns according to the current component / cos (φ - \ - p) to be partially compensated.

Die Phasenwicklung M braucht nicht in sich selbst geschlossen zu werden, sondern kann auch durch die Erregerwicklung R geschlossen werden. Man kann auch statt einer Phasenwicklung eine Käfigwicklung anordnen oder man kann. der Wicklung R durch Anordnung von Widerständen r zwischen benachbarten Lamellen des Kommutators K die Eigenschaften einer Käfigwicklung geben, wie in Fig. 3 a gezeigt.The phase winding M does not need to be closed in itself, but can also be closed by the excitation winding R. You can also arrange a cage winding instead of a phase winding or you can. give the winding R the properties of a squirrel cage winding by arranging resistors r between adjacent laminations of the commutator K , as shown in Fig. 3a.

Die Schaltung Fig. 3 beruht darauf, daß der Nebenschlußstrom der als Phasenregler dienenden Kommutatormaschine der Sekundärspannung E proportional ist, und daß der Strom der Hauptschlußerregung dem Belastungsstrome / der Sekundärstation proportional ist. Es lassen sich aber Anordnungen nach diesen Grundsätzen in vielfacher Weise variieren und kombinieren. Ein Beispiel einer derartigen Anordnung zeigt Fig. 3a. Hier ist in der Sekundärstation' ein Drehstromtransformator D T mit der Primärwicklung Pr und der Sekundärwicklung Sc aufgestellt. Die Primärwicklung des Transformators D T ist in Serie mit der Hauptschlußerregung des Phasenreglers, während der Nebenschlußstrom desselben von drei Punkten der Sekundärwicklung des Transformators entnommen wird.The circuit of FIG. 3 is based on the fact that the shunt current of the commutator machine serving as a phase regulator is proportional to the secondary voltage E , and that the current of the main circuit excitation is proportional to the load current / the secondary station. However, arrangements based on these principles can be varied and combined in many ways. An example of such an arrangement is shown in FIG. 3a. Here, a three-phase transformer DT with the primary winding Pr and the secondary winding Sc is set up in the secondary station '. The primary winding of the transformer D T is in series with the main circuit excitation of the phase regulator, while the shunt current of the same is taken from three points of the secondary winding of the transformer.

Man könnte den Nebenschlußstrom auch einer zweiten getrennten Wicklung, die auf dem Stator des Phasenreglers oder auf dem Transformator D T angeordnet werden kann, entnehmen oder aus drei Punkten der Primärwicklung Pr des Drehstromtransformators DT, oder aber unmittelbar aus dem Netz oder einem besonderen Transformator.The shunt current could also be taken from a second separate winding, which can be arranged on the stator of the phase regulator or on the transformer D T , or from three points on the primary winding Pr of the three-phase transformer DT, or directly from the mains or a special transformer.

Ebenso kann die Hauptschlußerregung in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators D T geschaltet werden.The main circuit excitation can also be connected in series with the secondary winding of the transformer DT.

In den beiden Fig'. 3 und 3 a sind überall im Stator und Rotor Dreiphasenwicklungen vorgesehen; natürlich lassen sich avif dem Stator Wicklungen jeder Phasenzahl und Schaltung anordnen, da immer eine ■ zweite Statorwicklung zur Abgabe des Nebenschlußstromes angeordnet und ein Kompoundtransformator zur Abgabe des Hauptschlußstromes in die Leitungen eingeschaltet werden kann. Die Phasenwicklung M des Läufers kann mitIn the two Fig '. 3 and 3a three-phase windings are provided throughout the stator and rotor; Of course, windings of any number of phases and circuits can be arranged on the stator, since a second stator winding can always be arranged to deliver the shunt current and a compound transformer can be switched on to deliver the main circuit current into the lines. The phase winding M of the rotor can with

jeder Phasenzahl und Schaltung ausgeführt werden. Durch die Scott'sche Transformatorschaltung ist es auch möglich, die Erregung zweiphasig auszuführen, selbst wenn die Arbeitsübertragung dreiphasig ausgeführt ist und umgekehrt.each phase number and circuit can be executed. By Scott's transformer circuit it is also possible to carry out the excitation in two phases, even if the transfer of work is carried out in three phases and vice versa.

Claims

Patent claim:

ίο arrangement for automatic regulation

the voltage and phase shift in AC systems by means of a compounded AC commutator machine, characterized in that the stationary induced winding between the lines are switched, while the winding of two currents is synchronized or with a small slip is fed, one of which is the constant line voltage and the second is supplied to the electricity consumer Current is proportional.

1 sheet of drawings.