DE205039C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur . selbsttätigen Regelung von elektrischen Strömen, welche mit Hilfe eines Gleichrichters, beispielsweise eines Kommutators, oder eines Umformers von Wechselströmen in Gleichstrom verwandelt werden. Das Verfahren löst die Aufgabe durch Zusammenwirken der magnetischen Felder von Wechselström und Gleichstrom, d. h. ohne daß bewegte Teile erforderlich sind.

Die Erfindung besteht darin, daß eine der Netzspannung entgegenwirkende elektromotorische Kraft in einer Spule induziert wird, deren Eisenkern bezüglich seines Sättigungsgrades von der Belastung abhängig gemacht ist.

In der Zeichnung sind die Fig. 1 bis 6 schematische Darstellungen verschiedener Schaltungen zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung und die Fig. 7 bis 9 Polardiagramme, durch welche die Wirkung der Schaltungen veranschaulicht wird.

In Fig. ι ist G ein Wechselstromerzeuger, welcher die Leitungen A und B speist. Aus diesen Leitungen erhält eine Gleichstromzweigleitung HI Strom durch Vermittlung eines Gleichrichters C. An die Gleichstromleitungen sind die Stromverbraucher, beispielsweise Akkumulatorenzellen P, Motoren F oder Lampen Q, angeschlossen. Der Gleichrichter besteht aus Schleifringen r r' und Kommutator ί und wird von einem Motor D angetrieben, welcher mit dem primären Wechselstrom in der Hauptleitung synchron läuft. Mit dem Gleichrichter in Reihe ist zwisehen die Hauptleitungen A und B eine Spule / geschaltet, die auf einen geblätterten Eisenkern E aufgewickelt ist. Auf den Kern E ist außerdem in demselben Sinne eine Nebenschlußspule A^T aufgewickelt, die zwischen Gleichrichter und Hauptleitung B geschaltet ist. Zweck dieser Nebenschlußspule ist, eine elektromotorische Kraft zu induzieren, die derjenigen des Stromerzeugers G entgegengesetzt gerichtet ist, so daß die Spannung an den Klemmen des Gleichrichters kleiner ist als die Netzspannung. Auf den Kern E ist ferner noch eine dritte Spule M gewickelt, die in der Gleichstromleitung H liegt. Endlich kann noch eine Drosselspule T in die Gleichstromleitung eingeschaltet sein, um Wechselströme abzudrosseln, die sonst aus der Spule M in den Gleichstromkreis gelangen könnten.

Die Wirkung der Einrichtung ist folgende: Wenn die Belastung in dem Gleichstromzweig zunimmt, so steigert die Stromzunahme in der Spule M die magnetische Sättigung des Eisenkernes E, so daß die Induktionswechselwirkung zwischen den beiden Wechselstromspulen N und / vermindert wird. Dadurch wird also die gegenelektromotorisclie Kraft vermindert, die in der Spule / durch die Spule N induziert wird. Dementsprechend wird also die Klemmenspannung am Gleichrichter gesteigert, und die Spannung im Gleichstromkreis steigt ebenfalls. Durch die Steigerung der Sättigung des Eisenkernes E wird ferner die Selbstinduktion der Neben-

schlußspule TV vermindert, so daß der Strom in dem Zweig dieser Spule zunimmt. Um diese Stromzunahme in mäßigen Grenzen zu halten, kann eine Induktionsspule L oder ein Widerstand R oder beides in die Zuleitung der Spule N eingeschaltet werden. Die Größe der Stromzunahme in der Spule N ist alsdann abhängig von dem Verhältnis der Induktion L und des Widerstandes R zur Selbstinduktion

ίο der Spule N, und diese Größen werden daher vorzugsweise regelbar gemacht, wie das in der Zeichnung angedeutet ist.

Damit die gegenelektromotorische Kraft der Phase nach derjenigen der Netzspannung genau entgegengesetzt gerichtet sei, muß der Strom in der Spule N um 90⁰ hinter der Netzspannung zurückbleiben. Die gegenelektromotorische Kraft folgt wiederum dem Nebenschlußstrom in einem Abstand von 90⁰, so daß sich im ganzen eine Phasenverschiebung von i8o° oder vollständige Opposition ergibt. Die Selbstinduktion der Spule L kann im Verhältnis zum Widerstand J? groß angenommen werden, wodurch die Phasenverschiebung des Nebenschlußstromes auf nahezu 90⁰ gebracht wird. Dies ist insofern von Vorteil, als Selbstinduktion keine Energie verbraucht.

Infolge dieser Beziehungen der Phasen bewirkt die gegenelektromotorische Kraft der Spule / eine Übertragung von Energie auf die Spule TV. Bei Leerlauf erreicht die Übertragung ihren höchsten Wirkungsgrad, aber da bei Leerlauf der Strom Null ist, so ist die übertragene Energie auch Null. Nimmt die Belastung irgendeinen endlichen Wert an, tritt beispielsweise halbe Belastung ein, so wächst der Strom ebenfalls auf die Hälfte seines größten Wertes, und die gegenelektromotorischee Kraft sollte dann ebenfalls näherungsweise die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes betragen, damit die regelnde Wirkung, d. h. also die Spannungssteigerung, der Belastung entspricht. Unter diesen Umständen wird eine Energiemenge von der Reihenschaltungsspule / auf die Nebenschlußspule N übertragen, welche dem Produkt aus der Hälfte des Stromes bei Vollbelastung und ungefähr der Hälfte des größten vorkommenden Wertes der gegenelektromotorischen Kraft gleich ist. Demgemäß wird der Gleichrichter mit einem größeren Strom und mit einer kleineren Spannung gespeist als diejenigen sind, welche der Stromerzeuger liefert.

Je mehr man der Vollbelastung sich nähert, desto mehr steigt der Wechselstrom in der Reihenschaltungsspule J, aber ihre gegenelektromotorische Kraft sinkt infolge der magnetischen Sättigung des Eisenkernes durch die Spule M. XJm die Regelung vollkommen zu machen, müßte die gegenelektromotorische Kraft bei Vollbelastung Null werden. Tatsächlich hat sie aber auch bei Vollbelastung einen gewissen endlichen Wert, da die Sättigung nicht vollkommen ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein doppelter Eisenkern E verwendet, so daß zwei Kraftflüsse entstehen, die auf der Zeichnung· . durch die punktierten Linien p und y angedeutet sind. Die beiden Wechselstromspulen N und / sind auf den gemeinsamen, mittleren Schenkel des Eisenkernes gewickelt, und die Gleichstromspule ist in zwei gleiche Teile M und M' zerlegt, die einander entgegengesetzt auf den beiden äußeren Schenkeln des Eisenkernes sich befinden. Die induzierenden Wirkungen des Wechselfeldes auf diese beiden Spulen heben sich also gegenseitig auf, und es entsteht daher kein Wechselstrom in dem Gleichstromzweig, so daß die Drosselspule wegfallen kann. Wenn die Belastung steigt, wird der gegenseitige. Ausgleich der beiden Spulen allerdings weniger vollkommen, weil die Gleichstromerregung nur in einem Sinne magnetisch erregend wirkt und daher in diesem Sinne nur eine geringere Änderung des Kraftflusses durch die Wechselstromerregung zuläßt als im entgegengesetzten Sinne, insbesondere wenn dem Sättigungszustand nahe gekommen wird. Da aber mit zunehmender Sättigung gleichzeitig die Induktionswirkung vermindert wird, so kommen diese Ungleichheiten nicht in Betracht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist an Stelle der Induktion L die Kapazität K eingeschaltet, so daß eine Phasenvoreilung des Stromes im Nebenschluß erhalten wird. Besitzt diese Voreilung ihren höchsten Wert, nämlich 90⁰, so wird die elektromotorische Kraft im Nebenschluß um 90⁰ gegen den Strom zurückbleiben und wird daher mit der Netzspannung gleichphasig sein. Deshalb muß in diesem Fall der Strom in der Reihenschaltungsspule demjenigen in der Nebenschlußspule entgegengesetzt gerichtet sein, was durch entsprechende Wickelung der beiden Spulen zu erreichen ist.

Bei dieser Einrichtung erhält die Nebenschlußspule Energie unmittelbar aus dem Netz, anstatt durch Transformation aus der Reihenschaltungsspule, wie dies bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 der Fall war. Die Nebenschlußspule wird also hier mit einer konstanten oder fallenden Spannung gespeist, während in den Beispielen nach den Fig. 1 und 2 eine steigende Spannung vorhanden ist.

Fig. 4 stellt eine Abänderung der Schaltung nach Fig. 2 dar in der Weise, daß außer den beiden Reihenschaltungsgleichstromspulen M und M' zwei ihnen entgegenwirkende Nebenschlußgleichstromspulen O und O' auf den

Kern £ aufgewickelt sind. Die Gleichstromerregung des Eisenkernes entspricht also dem Unterschied in den Amp.-Windungszahlen der beiden Spulenpaare, so daß die Wirkung der Belastungsänderungen verstärkt wird. Bei dieser Einrichtung findet auch eine Gleichstromerregung bei Leerlauf statt, während bei den zuerst beschriebenen Beispielen die Gleichstromerregung der Belastung" proportional ist.

ίο Fig. 5 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Quecksilberdampfgleichrichter nach Cooper-Hewitt. Die Regelvorrichtungen nach der Erfindung sind hier in die drei Leitungszweige eines geeigneten. Dreiphasen-Stromerzeugers G' eingeschaltet. Die Ströme in den Reihenschaltungsspulen J, J, J werden zu den positiven Elektroden E₁, E₂, E_s am oberen Ende des Gleichrichters geführt. Die Nebenschlußströme in den Spulen N, N, N verlaufen zum neutralen Punkt O des Dreiphasenstromerzeugers. Die Gleichstromleitungen H, I liegen zwischen dem neutralen Punkt des Stromerzeugers und dem negativen Pol des Gleichrichters. Der Gleichrichter ist mit einer vierten positiven Elektrode -E₄ versehen, durch welche er beim Anlassen Strom aus einer geeigneten Stromquelle 5" empfängt. Fig. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung auf den Fall, daß Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden soll. Ein Gleichstromerzeuger 5* speist die Gleichstromleitungen H und I. Aus diesen Leitungen entnehmen die Wechselstromleitungen A und B Wechselstrom durch Vermittlung eines rotierenden Umformers. Zwischen die Wechsel-Stromleitungen sind entweder unmittelbar oder durch Vermittlung von Transformatoren die Stromverbraucher geschaltet. Die Regelvorrichtung ist nach Fig. 2 eingerichtet. Sie besteht aus einer Reihenschaltungsspule / in einer der Wechselstromleitungen, einer Neben-.schlußspule N, welche die Wechselstromleitüng überbrückt, und einer geteilten Gleichstromspule M, M' in einer der Gleichstromleitungen des Umformers. Wie oben induziert die Nebenschlußspule eine gegenelektromotorische Kraft in der Reihenschaltungsspule ./, so daß die resultierende elektromotorische Kraft kleiner ausfällt als die Spannung an den sekundären Klemmen des Umformers. Der Gleichstrom in den Spulen M₁ M', welcher mit der Belastung wächst, erhöht die Sättigung des Eisenkernes E und erhöht dadurchdie gegenelektromotorische Kraft im Wechselstromleitungszweig A₁ B.

Das folgende Zahlenbeispiel soll zeigen, wie der Erfindung entsprechend die Vorrichtung den tatsächlichen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann. Es soll hierbei z. B. die Schaltung nach Fig. 2 zugrunde gelegt werden. Der mittlere Schenkel des Eisenkernes E möge einen Querschnitt von 28 X 20 cm oder von 560 qcm_rhaben, und die Querschnitte der beiden seitlichen Schenkel seien halb so groß, d. h. 14X20 cm oder 280 qcm. Wird ein Kraftfluß von 13500 Kraftlinien auf den Quadratzentimeter angenommen, so ergibt sich die Gesamtzähl der Kraftlinien zu 560 X 13500 = 7 560 000 Kraftlinien. Jeder magnetische Kreis möge 1 m lang sein und verlangt ungefähr 10 Amp.-Windungen für den Zentimeter oder 100 χ 10 = 1000 Amp.-Windungen in der Nebenschlußspule N, um den angenommenen Kraftfiuß von 13500 Linien auf den Quadratzentimeter zu erhalten. Bei einer Wech-. seizahl von 60 ergibt dieser Kraftfluß eine effektive elektromotorische Kraft von 20 Volt in jeder Windung der Reihenschaltungsspule /, so daß fünf Windungen 100 Volt ergeben, die der Netzspannung entgegengesetzt gerichtet sind. Diese gegenelektromotorische Kraft wird in dem Diagramm nach Fig. 7. durch die Linie o-c dargestellt, die Netzspan-.nung durch die Linie o,g. Wird die letztere zu 650 Volt angesetzt, so beträgt die resultierende Klemmenspannung am rotierenden Umformer (C in Fig. 2) bei Leerlauf 550 Volt, welche im Diagramm durch die Linie o-r. dargestellt werden.

Bei halber Belastung beträgt die Amplitude des Stromes in der Wechselstromspule J . 280 Amp., so daß ihre maximale magnetomotorische Kraft 280 X 5 = 1400 Amp.-Windungen beträgt und mit der Klemmenspannung des Stromerzeugers gleichphasig ist (s. 0, s in Fig. 8). Diese mit den Nebenschluß-Amp.-Windungen zusammen, welche auf 1500 angewachsen sein mögen, ergibt die Resultante 0 m von 2050 Amp.-Windungen, welche somit die gesamte magnetomotorische Kraft darstellt. Jede von den Gleichstromspulen M, M' möge 13 Windungen haben und einen Strom von 138 Amp. führen. Demnach ist die magnetomotorische Kraft jeder Spule 138 X 13 oder rund 1800 Amp.-Windungen. Diese Kraft ist konstant und gleichgerichtet, und daher erzeugt sie zusammen mit der wechselnden magnetomotorischen Kraft ein Maximum von 1800 + 2050 = 3850 und ein Minimum von 1800·—2050 = —250 Amp.-Windungen. Die Veränderung des Kraftflusses, die dadurch entsteht, ergibt in der Reihenschaltungswechselstromspule / eine elektromotorische Kraft von ungefähr 82 .Volt, welche um 90⁰ gegen die wechselnde magnetomotorische Kraft 0 c in Fig. 8 zurückbleibt. Diese elektromotorische Kraft zusammen mit derjenigen 0 g des Stromerzeugers ergibt die Resultante 0 r von 590 Volt, also 40 Volt mehr als bei Leerlauf.

Bei voller Belastung führt die R.eihenschaltungswechselstromspule einen Strom von 560 Amp., so daß sich 560 X 5 = 2800 Amp.-

Windungen ergeben, welche durch ο s in Fig. 9 dargestellt werden. Diese zusammen mit ο t, der magnetomotorischen Kraft des Nebenschlusses, welche auf 2000 Amp.-Windüngen angewachsen ist, ergibt die Resultante 0 m von 3440 Amp.-Windungen als gesamte magnetomotorische Kraft. Der Gleichstrom ist bei voller Belastung 276 Amp. und erzeugt eine magnetomotorische Kraft von 276 X 13 oder näherungsweise 3600 Amp. - Windungen in jeder der beiden Spulen M₁ M'. Dies zusammen mit der wechselnden magnetomotorischen Kraft ergibt ein Maximum von 3600 -f 3440 = 7040 und ein Minimum von 3600 — 3440 = 160 Amp.-Windungen. Diese Veränderung des Kraftflusses erzeugt eine wechselnde elektromotorische Kraft 0 c von 48 Volt in der Reihenschaltungsspule/, welche zusammen mit 0 g, der Klemmenspannung des Stromerzeugers, die Resultante 0 r von 625 . Volt erzeugt, also 35 Volt mehr als bei halber Belastung, so daß der Spannungszuwachs ungefähr der Belastung proportional ist.
Der Zuwachs des Nebenschlußstromes beruht auf der Abnahme der Induktion infolge der zunehmenden Sättigung des Eisenkernes durch die Gleichstromspulen M, M'. Diese Wirkung kann auch erhalten oder verstärkt werden, indem die Nebenschlußspule JV, wie in Fig. 2, oberhalb der Reihenschaltungsspule J angeschlossen wird, so daß ihre Klemmenspannung mit der Belastung zunimmt. Der Widerstand R im Nebenschluß vermindert die Phasenverschiebung. Wird z. B. in Fig. 2 der Widerstand R vergrößert und die Induktion von L vermindert, so wird der Winkel zwischen den Amp.-Windungen 0 t und der elektromotorischen Kraft des Stromerzeugers 0 g kleiner als 90⁰. Unter sonst gleichen Verhältnissen wird dadurch die Wirkung der gegenelektromotorischen Kraft 0 c vermindert. Durch Veränderung der Induktion L oder des Widerstandes,R oder beider und durch Veränderung der Windungszahlen der verschiedenen Spulen kann also die regelnde Wirkung der Einrichtung verschieden eingestellt oder verschiedenen Betriebsbedingungen angepaßt werden. In dem Zahlenbeispiel liefert der Stromerzeuger 650 Volt effektiv und 560 Amp. max. oder 397 Amp. effektiv, also 258 Kilowatt bei voller Belastung; der Raum, den die Regelvorrichtung beansprucht, beläuft sich auf nur 100 X 30 X 50 cm oder edm. Die Zahlen des Beispieles gelten nur ungefähr, da sie von der Permeabilität des benutzten Eisens und anderen veränderlichen Bedingungen abhängen. Außerdem findet zwischen der Nebenschluß- und der Reihenschaltungswechselstromspule eine Transformatorwirkung statt, so daß der Strom, den der Gleichrichter oder Umformer empfängt, größer und die Spannung kleiner ist als die entsprechenden Größen am Stromerzeuger.

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Regelung von Gleichstrom, welcher durch Gleichrichtung oder Umformung von Wechselstrom erhalten wird, oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Netzspannung entgegengesetzt gerichtete elektromotorische Kraft mit Hilfe einer Spule erzeugt wird, deren Eisenkern gleichzeitig durch eine von Gleichstrom durchflossene Spule erregt wird, wobei die Spannung dieses Gleichstromes von der Belastung abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern mit drei Wicklungen versehen ist, von denen die eine in einer der Wechselstromhauptleitungen, die zweite in einer Wechselstromnebenschlußleitung und die dritte in einer Gleichstromhauptleitung liegt.

3. Abfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern für zwei magnetische Kreise dreiteilig hergestellt ist. und je eine Hälfte der Gleichstromspule auf den beiden äußeren Teilen aufgewickelt ist, wobei die beiden Spulen derart geschaltet sind, daß die darin induzierten wechselnden elektromotorischen Kräfte einander entgegengesetzt gerichtet sind, zum Zweck, zu verhindern, daß Wechselströme in den Gleich-Stromkreis übergehen.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Reihenschaltungsgleichstromwicklung auch eine Nebenschlußgleich- Stromwicklung auf den Eisenkern aufgebracht ist, zum Zweck, den Einfluß der Belastungsschwankungen auf die Sättigung des Eisenkernes zu erhöhen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunpen.