DE292839C

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Publication number: DE292839C
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KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung umfaßt alle Fälle, wo mehrere mit unabhängigen, selbsttätigen Regulierungen versehene Einheiten oder Gruppen von solchen für Erzeugung, Aufspeicherung und Verbrauch von elektrischer Energie und deren Umformung in andere Energiearten — Formen und Verhältnisse, wie z. B. Stromerzeuger, Akkumulatoren, Transformatoren, Umformer, Zusatzmaschinen, Motoren, Elektroöfen, galvanische

ίο Elemente und Stromverbraucher aller Art — auf gemeinsamen Betrieb arbeiten. Durch die Art und Weise, wie man diese Einheiten oder Gruppen von solchen gemeinsam wirken läßt (parallel, hintereinander, mehrfach parallel, gemischte Schaltung oder mechanische Kupplung), geraten diese Einheiten, oder Gruppen unter Umständen in mehrfache gegenseitige Abhängigkeit, so daß das gute Zusammenarbeiten gestört ist oder nicht mit der gewünschten gleichmäßigen Beteiligung der Einheiten an der Energieumsetzung erreicht wird. Allgemein arbeiten die Einheiten 'um so besser zusammen, je mehr die Charakteristiken ausgeprägt und ähnlich sind. In vielen Fällen sind aber stark ausgeprägte Charakteristiken für die praktische Verwendung in anderer Beziehung ungünstig und werden durch selbsttätige Regler beseitigt. Solche beseitigen damit aber auch die Eignung für gemeinsamen Betrieb.

Man hat sich daher vielfach damit beholfen, alle Einheiten einem gemeinsamen Regler zu unterwerfen oder mehrere Regler mechanisch zu verbinden. Es sind auch mehrere Systeme bekannt, nach welchen Einzelregler in geeig

neter Weise durch Größen beeinflußt werden, welche bei unrichtiger Arbeitsweise auftreten. Alle diese Hilfsmittel haben den Nachteil, daß sie die Schaltungen und Apparate komplizieren, . und sie versagen sogar in wirtschaftlicher Beziehung ganz, wenn die Stromerzeuger auf große Entfernungen zusammenarbeiten sollen.

Alle bisher bekannten Regler sind astatisch, und man hat diesen Charakter peinlich angestrebt, d. h. die regulierte Größe wird unabhängig vom Betriebszustand auf· konstantem Wert gehalten.

Der Erfindungsgedanke der vorliegenden' Erfindung ist nun, zum Teil auf diese Konstanz der regulierten Größe zu verzichten, dafür aber einen Regler zu erhalten, welcher die Charakteristiken der Einheiten nur bis auf das äußerst zulässige Maß mildert, und auf diese Weise ohne Hilfsbeeinflussungen die beiden Funktionen der Regulierung und der Arbeitsverteilung der Einheiten oder Gruppen zu erfüllen.

Der zweite. Teil der Erfindung besteht darin, durch eine einzige Hilfsbeeinflussung die Wirkung der unvollkommen aufgehobenen Charakteristiken in einzelnen Fällen nach außen ganz zu kompensieren oder umzukehren (Überkompoundierung).

In der Fig. I ist die Anordnung dargestellt, wie zwei Gleichstromerzeuger mit unabhängigen Spannungsreglern gezwungen werden können, sich gleichmäßig ihrer Größe entsprechend an der Stromaufnahme zu beteiligen. Die beiden Dynamomaschinen A₁ und A₂ mit Nebenschlußerregerwicklungen B₁ und B₂ arbeiten parallel '

auf die Sammelmaschinen C. Jede Maschine wird durch einen eigenen, unabhängigen Spannungsregler D₁, D₂ in der Spannung nachreguliert, indem die Nebenschlußwiderstände E₁ und Ii₂ selbsttätig verstellt werden. Die erforderliche Verstellkraft wird in jedem Regler von einem magnetischen System geleistet, das aus der Feldwicklung F und der Drehspule G · besteht, an die Klemmenspannung angelegt ist

ίο und in Abhängigkeit von deren Größe ein Drehmoment auf den Kontakthebel H ausübt. Dieses sei beispielsweise bei ioo Volt gerade ausbalanciert durch die Feder K. Sobald die Spannung von roo Volt abweicht, wird der Kontakthebel H im Sinne des Ausgleiches der Spannungsabweichung verstellt. Der Einfachheit halber sind nur fünf Kontakte gezeichnet. In der Stellung auf Kontakt O ist der Widerstand vollständig kurzgeschlossen, und es besteht die maximale Erregung. In der Stellung 4 ist der Widerstand ganz vorgeschaltet, entsprechend der minimalen Erregung der Dynamomaschinen.
Würden nun die Regler unabhängig von der Lage ihrer Kontakthebel auf den Widerständen einen absolut konstanten Wert der Spannung halten (wie astatische Regler), so würde eine bestimmte Verteilung der Belastung auf die beiden Dynamomaschinen nicht stattfinden.

Es könnte im Gegenteil leicht der Fall ein-. treten, daß die Regler allmählich in ganz extreme Stellungen geraten, der eine auf maximale, der andere auf minimale Erregung. Dabei hätte die erstere Maschine.die ganze Belastung aufgenommen, während die zweite unbelastet mitliefe oder gar als Motor angetrieben würde. Die Belastungsverteilung wäre eine ganz labile und käme dem Fall gleich, daß Nebenschlußmaschinen ohne Spannungsabfall parallel laufen sollen.

Um die Regulierung auf gewollte Belastungsverteilung stabil zu machen, werden die Systeme der Regler nun so gebaut, daß diese bei der Stellung der Hebel H auf Kontakt 4 eine etwas höhere Spannung halten als bei der Stellung der Hebel auf Kontakt O. Bei empfindlichen Reglern genügt es, wenn diese Differenz (die »Statik des Reglers«) 2 bis 3 Prozent betfägt.

Auf welche Weise diese Statik erreicht wird, hängt von der Konstruktion der Regler ab und ist für die Erfindung nebensächlich. Die Regulierung erfolgt darin entsprechend den Kurven in Fig. 2, wo die regulierte Spannung in Funktion der Stellung der Kontakthebel gezeichnet ist. Die schraffierten Streifen bedeuten den Unempfindlichkeitsbereich der Regler, die strichpunktierten Linien den Mittelwert zwi-

'. sehen oberer und unterer Ünempfindlichkeitsgrenze. In der Fig. 2 ist angenommen, daß die beiden Regler verschiedene Unempfindlichkeitsgrade besitzen, wie es in der Praxis immer der Fall ist. Für D₁ sei die Unempfindlichkeit _+ ι Prozent, für D₂ +. V₂ Prozent.

Solange die Dynamomaschinen unbelastet sind, befinden sich die Regulierhebel auf den Kontakten 4 und sind bei 100 Volt ausbalanciert. Bei allmählicher Belastung bleibt der Regler D₁ vorerst stehen, D₃ aber spricht infolge höherer Empfindlichkeit des Relais an, sobald die Klemmenspannung unter den Wert von 99,5 Volt (untere Unempfmdlichkeitsgrenze von D₂ in Stellung 4) zurückgeht, und verstärkt die Erregung der Dynamomaschine A₂, indehi sich der Regulierhebel auf Kontakt 3 stellt. In dieser neuen Stellung bildet 98,75 Volt die untere Unempfindlichkeitsgrenze, während diejenige von Regler D₁ immer noch 99 Volt ist, nämlich in Stellung 4. Bei weiter zunehmender Belastung und damit verbundenem Rückgang der Spannung muß D₁ daher zuerst ansprechen und die Dynamomaschine A₁ einen entsprechenden Teil der Belastung übernehmen. Der Regler D₁ wird durch die abfallende Charakteristik von D₂ zwangsweise mitgezogen.

Der analoge, aber -umgekehrte Fall tritt ein, wenn die Belastung von Vollast langsam abnimmt. Die beiden Hebel hatten bei 97 Volt Klemmenspannung die Stellung auf den Kontakten O innegehabt. Wiederum ist es Regler D₂ mit der höheren Empfindlichkeit, der beim ersten Ansteigen ■ der Spannung zuerst reagiert. Sein Regulierhebel H₂ stellt sich auf Kontakt 1 mit 98,25 Volt als oberer Unempfindlichkeitsgrenze. Die entsprechende Grenze für Regler D₁ in Stellung O ist 98 Volt. Demgemäß muß der letztere beim nächsten Ansteigen der Klemmenspannung zuerst ansprechen.

Es ist einleuchtend, daß ein Auseinandergehen beider Regler unter diesen Umständen ausgeschlossen ist. Um bei diesem Zahlenbeispiel zu bleiben, genügt bei den angenommenen, sehr stark verschiedenen Unemfindlichkeiten eine Statik von 3 Prozent, um zu verhindern, daß die Abweichung der beiden Regulierhebel mehr als eine Kontaktstufe beträgt. Mit geringeren und weniger ungleichen Unempfindlichkeiten würde auch ι Prozent genügen, um die maximale Divergenz der Regulierorgane noch kleiner zu halten. Die Statik der Regler bewirkt demnach genau dasselbe wie der Spannungsabfall der Dynamomaschinen, ohne selbsttätigen Regler gedacht; es können also bei Verwendung von statischen Reglern Dynamomaschinen mit verschiedenen Belastungscharakteristiken im Parallelbetrieb ohne weiteres verwendet werden. Dieselben Betrachtungen gelten ebensogut für drei und noch mehr Dynamos.

In vielen Fällen ist es nun aber unzulässig, die Klemmenspannung bei Vollast auch nur etwas sinken zu lassen. Dann werden die

Regler, wie in Fig. 3 angedeutet und wie es bei astatischen Reglern bekannt ist, mit Kompensationswicklungen ausgerüstet, d. h. mit je einer weiteren Wicklung J₁ und J₂, deren Amperewindungen dem gesamten, von den Dynamomaschinen abgegebenen . Strom proportional und dem Magnetisierungssinn der Spannungsspulen F entgegengesetzt gerichtet sind, d. h. bei Spannungsabnahme und Stromzunahme addieren sich die Wirkungen der beiden Spulen im Sinne einer Spannungserhöhung, also nach Kontakt O hin, während bei Spannungszunahme und. Stromabnahme ein Ausschlag des Reglers im Sinne einer Spannungserniedrigung, also nach Kontakt 4 hin erfolgt. Diese Spannungsspulen F brauchen dadurch bei belasteten Dynamomaschinen einen größeren Strom, um die Federn K auszubalancieren, und es stellt sich

ao eine in diesem Maße höhere Klemmenspannung ein, als es ohne Kompensationswicklungen der Fall ist. Es kann auf diese Weise der Abfall durch Statik nach Kurve α in Fig. 4 gerade aufgehoben werden zu einer Regulierung nach Kurve b, oder wenn bei Vollast eine höhere Klemmenspannung erforderlich ist als bei Leerlauf, so kann in bei astatischen Reglern bekanner Weise auch eine Überkompensation nach Kurve b eingestellt werden wie in Fig. 5.

Der Shunt L ist, wie in Fig. 3 angedeutet, in den abgegebenen Gesamtstrom gelegt und speist sämtliche Kompensationswicklungen; es könnte aber auch jede dieser Wicklungen. an einen eigenen Shunt angeschlossen sein. Durch eine derartige Kompensation oder Uberkompensation verschwindet die Statik der Regler nur in der Wirkung nach außen, während sie in der Wirkung nach innen, also der Regler gegeneinander, bestehen bleibt.

In der Fig. 6 ist die Stabilisierung der unabhängigen Regler zweier parallel auf die Sammelschienen C arbeitender Dreiphasengeneratoren A₁ und A₂ dargestellt. Angekuppelte Erregerdynamomaschinen B₁ und B₂ speisen die Magnetwicklungen. Die Regler sind nicht mehr wie in den Fig. 1 und 3 als direkt wirkende gezeichnet, sondern werden beispielsweise durch Motorsteuerung in Verbindung mit Kontaktrelais betätigt. Die Regulier widerstände E₁ und E₂ liegen im Hauptstromkreis der Erregerdynamomaschinen, könnten jedoch ebensogut in der Feldwicklung derselben liegen. Die Spannungsrelais F₁, F₂ setzen bei Abweichungen der Generatorspannung den einen der beiden Steuermagnete H₁, H₂ . mittels der Kontakte G unter Strom. Dadurch werden die Anker K₁, K₂ nach bestimmter Seite angezogen und legen die starr mit ihnen verbundenen Umschalter N₁, N₂ entsprechend um, so daß die. Steuermotoren M₁, M₂ die Erregerwiderstände E₁, E₂ im Sinne eines Ausgleiches der Spannungsschwankung verschieben. Hierauf unterbrechen die Relais F die Kontakte G wieder, die Anker K der Steuermagnete fallen durch Federkraft in die Mittellagen, die Umschalter N öffnend, die Motoren kommen zum Stillstand.

Die Änderung der regulierten Spannung nach dem Stand des Regulierorgans wird hier durch einen kleinen Regulierwiderstand O bewirkt, der im Stromkreis der Spannungsspule des Relais J⁷ eingeschaltet ist und gleichzeitig und gleichsinnig mit dem Erregerwiderstand E verändert wird. In der Stellung des letzteren auf Kontakt O ist er ebenfalls kurzgeschlossen (Vollast). Durch diese Widerstandsvermehrung, die das Relais beim Verschieben des Erregerwiderstandes in Stellung 4 (Leerlauf) erfährt, wird die Gleichgewichtsspannung des Relais um den gewünschten Betrag gehoben und dem Regler dadurch die gewünschte Statik verliehen.

An Stelle des Shunts in Fig. 3 tritt ein beispielsweise in den Gesamtstromkreis verlegter Stromtransformator L zur Speisung der Kornpensationswicklungen / der Relais F. An Stelle desselben kann auch für jeden Generator, zwischen diesen und die Sammelschienen verlegt, ein eigener Stromtransformator für die Speisung der Kompensation des zugehörigen Regulators verwendet werden, wenn diejenige Phase dazu ausgesucht wird, in welcher für die Beeinflussung nur die Wattkomponente zur Geltung kommt.

Auch in Einphasenanlagen ist diese Einzelkompensation unabhängig von der Stromverteilung auf die Einheiten, wenn die Phase des Stromes in der Spannungswicklung der Relais F derart gemacht wird, daß für die Beeinflussung durch den Generatorstrom nur dessen Wattkomponente zur. Geltung kommt.

Immer bleibt der statische Charakter der Regler unter sich bestehen, trotz der Kompensation. Diese bewirkt auch hier nur, daß die in Fig. 2 schraffierten Unempfmdlichkeitsbereiche parallel zu sich, aber beide in gleichem Maße nach oben verschoben werden. Die Generatoren verhalten sich immer noch so, als ob ihre. Charakteristiken genau gleich abfallend waren.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Lastverteilung proportional zu den Leistungen der Einheiten sein müsse, sondern dieselbe kann durch Änderung der Statik und Kompensation den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden.

In analoger Weise wie in den beschriebenen Beispielen kann die Methode der statischen Regler auch auf beliebige andere Maschinenarten und Einheiten für Urnsetzung von oder in elektrische' Energie angewendet werden. Die Methode ist mit denselben Grundsätzen

ebensogut wie für elektromechanische Regler auch für elektrothermische, elektrooptische, elektrochemische und für solche Regler, durchführbar, welche auf dem Induktionsprinzip begründet sind. Dasselbe gilt für deren Inversionen, also z. B. thermoelektrische, lichtelektrische, chemischelektrische Regler usw.

Als weitere Beispiele mögen erwähnt sein: Zwei Reguliertransformatoren sind primär und

ίο sekundär parallel geschaltet. Sie sollen konstante Sekundärspannung abgeben und sich im Verhältnis ihrer Nennleistungen an der Transformation beteiligen. Zwei Einzelregler stehen unter dem Einfluß der Sekundärspannung und sind statisch. Die Kompensationswicklungen werden in Abhängigkeit des gesamten ankommenden oder abgehenden Stromes gespeist.

Drei Gleichstromzentralen arbeiten auf ein gemeinsames Straßenbahnnetz. Jede besitzt eine Akkumulatorenbatterie mit Zusatzdynamomaschine. Es wird verlangt, daß jede.Zentrale von der zugehörigen Batterie so gepuffert wird, daß sämtliche Dynamomaschinen konstant belastet sind. Dies ist der Fall, wenn die Regler dafür sorgen, daß die Spannung in den Zentralen konstant bleibt. Dann ist, Dynamomaschinen mit Spannungsabfall und konstanter Tourenzahl vorausgesetzt, auch die von diesen abgegebene Leistung konstant. Die Aufgabe ist also, die Spannung der Akkumulatoren so zu regulieren, daß diese bei konstanter Netzspannung alle Schwankungen der Belastung mit geeigneter Ladung und Entladung aufnehmen. Praktischer aber wird man die Regler dem Einfluß der Dynamomaschinenbelastungen unterstellen, damit die Schwankungen etwas ursprünglicher als erst mit der Spannungsschwankung zur Beeinflussung der Zusatzmaschinenerregungen herangezogen werden. Durch Verleihung einer minimalen Statik an die Regler wird verhindert, daß die Batterien sich, ineinander entladen. Kompensation dürfte überflüssig sein.

Zwei Förderanlagen mit direkt an ein Dreiphasennetz angeschlossenen Motoren besitzen jede ein. eigenes Pufferaggregat, bestehend aus Asynchronmaschine mit Schwungrad. Beide Anlagen sollen sich gegenseitig in der Pufferung aushelfen. Zu diesem Zweck werden die Schlupfregler von der Summenleistung beider Anlagen beeinflußt und statisch gebaut. Infolgedessen werden die beiden Pufferaggregate genau so arbeiten, wie ein einziges Aggregat von doppelter Größe und sich an der zu leistenden Arbeit gleichmäßig beteiligen. Auch hier wird eine Kompensation nicht erforderlich sein.

An einem Netz arbeiten zwei Kompensationseinheiten, deren selbsttätige Regler jeder für sich bestrebt ist, den cos φ — ι zu erhalten. Durch den statischen Charakter der Regler ist es ausgeschlossen, daß der eine Kompensator z. B. phasenvoreilenden Strom erzeugt, welcher mit ebensoviel Ampere mit Phasennacheilung aufgewogen werden müßte. Kompensation kann, wenn erwünscht, z. B. durch den Gesamtstrom der Anlage erfolgen.

Mehrere dem synchronen Gang nicht unterworfene Motoren arbeiten auf gemeinsamen mechanischen Antrieb und besitzen, separate Tourenregler. Werden diese Regler statisch ge- 7o' baut, d. h. so, daß sie die Tourenzahl mit zunehmendem Drehmoment etwas sinken lassen, so wird erreicht werden können, daß die Drehmomente aller Motoren gleichmäßig zu- und abnehmen. Der Tourenabfall kann in Abhängigkeit von der gesamten konsumierten Energie kompensiert sein oder nach Bedarf sogar in eine Zunahme der Umdrehungszahl verwandelt werden. .

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung eines gegenseitig abhängigen Ganges der selbsttätigen und selbständigen Regler von Einheiten oder Gruppen von Einheiten für Erzeugung, Umformung und Verbrauch elektrischer Energie, bei der die die Regelung bewirkenden Organe von nur einer elektrischen Größe

(z. B. Spannung oder Strom) unmittelbar beeinflußt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der zu regelnden Größe durch die Regler nicht auf dem ganzen Regelbereich konstant gehalten (astatische Reg-

. ler), sondern mit der Lage der Regelungsorgane im Regelbereich in bestimmtem Sinne verändert wird (statische Regler), so daß die Regler in gemeinsamem Betrieb mehrerer Einheiten gleichzeitig mit der eigentlichen Regelung auch das richtige Zusammen-

·■ arbeiten bzw. eine gleichmäßige Beteiligung der Einheiten an der Energieumsetzung herbeiführen, ohne daß sie der Beeinflussung ■ durch eine weitere, infolge ungleicher· Arbeitsweise der Einheiten auftretende Größe (wie. z. B. Ausgleichströme, Belastungs- oder

■ Phasenunterschiede) bedürfen.

2. Einrichtung für Regler nach Anspruch I, welche die Statik unter Beibehaltung des gegenseitig abhängigen Ganges der Regler in ihrer Wirkung nach außen (d. h. auf die Konstanz der zu regelnden Größe) aufheben oder umkehren kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler noch von einer Größe beeinflußt werden, welche nicht mit der ungleichen Arbeitsweise der Einheiten im Zusammenhange steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.