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Verfahren zum Ab- und Zuschalten von Wechselstromspannungen. Das Ab-
und Zuschalten von Wechselstromspannungen ist eines der wichtigsten Probleme der
Wechselstromtechnik und bereitet ganz außerordentliche Schwierigkeiten, wenn man
von der Verwendung Ohmscher Widerstände absieht. Bei der Regulierung von Gleichstromspannungen
sind diese Widerstände zwar nicht zu vermeiden, -aber dort gibt es .praktisch keinen
besseren. Weg und man hat sich damit abfinden müssen. Anders liegen die Verhältnisse
bei Wechselstromnetzen. Auch hier wäre an sich ein Ab- und Zuschalten von Spannungen
in der Art sehr willkommen, daß man ohne Stromunterbrechung von Stromkontakt zu
Stromkontakt mit praktisch unendlichen Stufenzahlen, wie bei der Widerstandsregulierung,
schreiten könnte. Dies zwar aber bisher bei den hier gebräuchlichen Mitteln - Hilfsdrosselspulen,
Hilfstransformatoren - nicht möglich, teils wegen der Schwierigkeit, diese Hilfsapparate
mit . sehr vielen Anzapfungen zu versehen, teils weil die Überbrückung zweier benachbarter
Kontakte einen gefährlichen Kurzschluß für den Hilfsapparat und auch für das ganze
Netz bedeutet. So ist man auf Stufenregulierung der Wechselstramspannung angewiesen
und müß es vermeiden, benachbarten Stufen angehörende Kontakte unmittelbar zu überbrücken.
Dadurch wird das Ab- und Zuschalten von Wechs.elstromspannungen sehr kompliziert
und erfordert teure Anlagen. Auch ein stetiges Steigen bzw. Fallen der Spannung
wird bei den bekannten Verfahren meist nicht erreicht, weil die Spannung an den
Hilfsapparaten in hohem Maße eine Funktion des Verbrauchsstromes ist und sich zur
Hauptspannung addiert bzw. subtrahiert. So kann beim Übergang auf die nächste höhere
Spannungsstufe der Fall eintreten, daß die Spannung beim Überschalten erst noch
unter den ursprünglichen Wert sinkt um dann momentan. um mehr, als die Stufenspannung
beträgt, heraufzuschnellen.
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Ein einfachesVerfahren dieserArt ist z. B. jenes, nach welchem zwischen
die jeweilige Spannungsstufe eine Zwischenstufe vermittels einer in der Wicklungsmitte
angezapften Drosselspule geschaffen wird. Diese Drosselspule ist mit ihren Enden
an die Spannungsstufe angeschlossen, der Strom wird ihrer Anzapfung entnommen, und
so wirkt sie in dieser Schaltstellung wie ein als Spannungsteiler verwendeter Autotransformator.
Von diesem Spannungsmittelpunkt der Stufe kann man nun auf den höheren oder tieferen
Spannungspunkt der Schaltstufe dadurch übergehen, daß man das an diesem Spannungspunkt
liegende Ende der Drosselspule daran liegen läßt und das andere Ende ebenfalls dorthin
legt. Sobald man nun aber das andere Ende von dem Anschlußpünkt loslöst, hört die
Wirkung als Transformator auf und es entsteht eine Drosselspannung, welche sich
von, der vorhandenen Hauptspannung mit einem Betrage subtrahiert, der von der Induktivität
der Drosselspulen und der jeweiligen Stromstärke abhängig ist. Verbindet man nun
aber das freie Ende der Drosselspule mit dem betreffenden Stufenkontakt, so erhält
man den bereits erwähnten Spannungsstoß.
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Es ist nun Gegenstand vorliegender Eriindung
ein
Verfahren zum Ab- und Zuschalten von Wechselstromspannungen über Zwischenstufen
unter Verwendung von Hilfsdrosselspulen, nach welchem die Wechselstromspannung durch
mindestens eine in Reihe geschaltete Anzahl von mehr als zwei Hilfsdrosselspulen
überbrückt wird, welche paarweise induktiv verkettet sind, wobei die induktiv verketteten
Drosselspulen auf verschiedenen Seiten des Spaünung smittelpunktes der Reihe liegen
und wobei die Zwischenstufen durch diese Hilfsdrosselspulen bestimmt werden, so
daß das Ab- und Zuschalten der Wechselstromspannung vermittels eines Gleitkontaktes
in der Weise erfolgen kann, daß der Gleitkontakt von Zwischenkontakt zu Zwischenkontakt
geführt wird, ohne daß dabei die gleichzeitige Berührung benachbarter Zwischenkontakte
wegen Herbeiführung eines schädlichen Kurzschlusses zu vermeiden ist: Zur Erläuterung
des Erfindungsgedankens diene das Ausführungsbeispiel der Fig.-i. L, und L, seien
die Leiter eines Wechselstromnetzes, 11 und 1; die Abzweigleitungen zu den Regelungskontakten
i und 5. An i und 5 liege der Einphasenkollektormotor IN;
und es ist die Aufgabe
gestellt, die Spannung von dem 'Motor abzuschalten. Nach dein Verfahren der Erfindung
können hierzu beispielsweise die gezeichneten vier Drosselspulen a, b, a', b'
verwendet werden. Diese sind paarweise induktiv verkettet, und zwar liegen a und
a' auf dem gemeinsamen Eisenkern T1, desgleichen b und b' auf dem
gemeinsamen Eisenkern T2. Sie sind alle in Reihe geschaltet und die Enden der Reihe
sind mit 11 bzw. 1= verbunden. Ihre Reihenfolge in der Reihe ist derart gewählt,
daß sich die - induktiv verketteten Drosselspulen auf verschiedenen Seiten des Spannungsmittelpunktes
befinden. Die Verbindungsleitungen der einzelnen Drosselspulen sind zu den Zwischenkontakten
2, 3 und q. geführt, von denen Kontakt 3 den Spannungsmittelpunkt der Reihe darstellt.
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Um die Spannung von dem Motor abzuschalten, wird der Gleitkontakt
K vom Kontakt i über die Kontakte 2, 3 und q. nach Kontakt 5 hin bewegt, und man
kann die elektrischen Vorgänge in den Zeiten t, bis t" welche den verschiedenen
Stellungen des Kontaktes K entsprechen, betrachten, wobei noch zu bemerken ist,
daß die Breite des Kontaktes K so gewählt ist,- daß er zwei Zwischenkontakte gleichzeitig
zu bedecken vermag.
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Die Stellung von K zur Zeit t, ist die Ausgangsstellung.: Der Motor
i1.2 hat die volle Spannung. Die Drosselspulen führen den Mägnetisierüngsstrom i..-und
da sie zunächst gleich groß bemessen sein sollen, so wird sich die Gesamtspannung
auf die einzelnen Zwischenstufen gleichmäßig verteilen.
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Zur Zeit t2 wird die Spule a durch K überbrückt, also kurzgeschlossen.
Dieses bedeutet aber auch Spannungslosigkeit für die Spule a', da der Eisenkern
T, jetzt kein Feld führen kann. Die. ganze Spannung verteilt sich daher auf die
beiden Drosselspulen b und b', so daß für diese die Spannung pro Spule und das Feld
in T, auf den doppelten Wert steigt. Der Motor liegt hierbei immer noch an der vollen
Netzspannung. Der Magnetisierungsstrom der Drosselspulen b und
b' ist auf den doppelten Wert gestiegen und da er auch die Spule a.' durchfließt,
so ist der in der direkt kurzgeschlossenen Spule a fließende Strom auch nur gleich
dem doppelten Wert des ursprünglichen Magnetisierungsstromes i" der Drosselspulen.
Dieser Kurzschluß ist also kein Kurzschluß für das Wechselstromnetz.
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Zur Zeit t3 befindet sich Kontakt K nur über Kontakt :2 und diesem
wird nur der Verbrauchsstrom des Motors entnommen. Ist dieser beispielsweise gleich
dem Magn.etisierungsstrorn i. der Drosselspulen, dann tritt hierbei eine Stromverteilung
ein, die sich aus den Vektardiogrammen für verschiedene Phasenverschiebungen entnehmen
läßt. Hat der Verbrauchsstrom einen cos. y - i, dann führen die Spulen
b, a' "und b' einen Strom gleich i,o6 i", während der Strom in Spule
a gleich 433 i" ist. Die Spannung zwischen Kontakt i und 2 ist hierbei unbedeutend
größer als o,25 E, wenn E die Spannung des Netzes ist. - Gegenüber der Stellung
zur Zeit t1 hat man also an dieser Zwischenstufe einen ganz minimalen Spannungsabfall
zu erwarten, wenn der Verbrauchsstrom ein reiner Wattstrom und gleich dem Magnetisierungsstrom
der Drosselspule ist.
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Zur Zeit t,, überdeckt K die Kontakte 2 und 3 gleichzeitig und schließt
die Spule b unmittelbar kurz, so daß der Eisenkern T, kein Feld führen kann. Damit
verschwindet aber auch die Spannung an der Spule b', so daß sich die ganze Spannung
auf die beiden Spulen a und a.' verteilt. Die Spannung an diesen Spulen und das
Feld Tl steigen daher auf das Doppelte des.ursprünglichenWertes. Da auf ca nun bereits
die halbe Netzspannung entfällt, liegt auch der Motors bereits an der halben Netzspannung.
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Dieser Zustand bleibt erhalten, wenn der Kontakt K zur Zeit t. lediglich
auf dem Mittelkontakt 3 steht. Jetzt besteht kein Kurzschluß einer Drosselspule
mehr und die Stromverteilung ist unter der Annahme, daß der Verbrauchsstrom -wieder
gleich i,1 und sein cos. 9 - i ist, folgende: Die Drosselspulen a und
b, wie auch a' und b' führeneinen
Strom gleich I,22
2", wobei sich die in a und b einerseits und die in a' und b' anderseits
fließenden Ströme geometrisch zum Verbrauchsstrom zusammensetzen. Die Spannung an
allen einzelnen Zwischenstufen ist jetzt aber genau gleich o,25 E und die am Motor
ist gleich o,5' E.
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Wenn zur Zeit t, der Gleitkontakt die Kontakte 3 und 4 überdeckt,
dann ist der elektrische Zustand- analog dem zur Zeit t, nur haben die Spulen a,
a' und b, b' ihre Rollen vertauscht. Auch in dieser Stellung des Gleitkontaktes
herrscht an den Motorklemmen die Spannung
, und der Kurzschluß der Spule a' bedeutet keinen Kurzschluß für das Wechselstromnetz.
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Zur Zeit t, ruht K_ lediglich auf dem Kontakt 4. Die Spannung zwischen
i und 4 ist, wie sich aus dem zugehörigen V ektordiagramm für cos. q),= i des Verbrauchsstromes
ergibt, - 0,775 E (gegen o,75 E zur Zeit tj), wenn der Verbrauchsstrom t=
itt gesetzt wird. Hier bedingt -also die Entnahme eines Verbrauchsstromes in der
Größe von i" einen Spannungsabfall von o,o25 E. Die Stromverteilung in den Drosselspulen
ist hierbei folgende: Die Ströme in allen Spulen sind. @- 1,16 i" und der in Spule
b' fließende Strom setzt sich mit dem in den Spulen a, b und a' fließenden Strom
geometrisch zum Verbrauchsstrom zusammen. Die Spannung am Motor ist 0,225
E (gegen 0,25 E zur Zeit t1).
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Mit der Überbrückung von Kontakt und 5 durch K in der Zeit t" verschwindet
bereits die Spannung am Motor 11. Die elektrischen Vorgänge entsprechen denen zur
Zeit t2 und bedürfen keiner weiteren Erläuterung mehr.
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Schließlich berührt zur Zeit t, der Gleitkontakt K nur noch den Endkontakt
5 und damit ist die Wechselstromspannung vom Motor abgeschaltet und- die Gesamtspannung
verteilt sich wie zur Zeit t1 gleichmäßig auf die vier Drosselspulen.
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Bei .ausreichender Bemessung der Spulen und Eisenkerne kann der Kontakt
K in jeder Zwischenstellung _dauernd belassen werden, und man erkennt, daß die Spannungsab-
b7-,v. -zuschaltung nach dem Verfahren der Erfindung in genau gleicher Weise erfolgt,
wie wenn zwischen die äußeren Spannungsleiter ein Ohmscher Widerstand geschaltet
wäre, und man ohne Stromunterbrechung den -Gleitkontakt auf diesem entlangführte.
Gegenüber der Regelung durch Widerstand hat man sogar noch dien erheblichen Vorteil,
daß mit Ausnahme prozentual geringer Verluste keine der aufgenommenen Kilov oltamperezalil
entsprechende Energie in den Drosselspulen verzehrt wird. Als Nachteil der Anwendung
dieses Ausführungsbeispiels kommt die relative Größe der Drosselspulen in Betracht,
da zeitweise ihr Eisen und Kupfer mit dem doppelten Wert der Linien- und Stromdichte
beansprucht werden, und zwar tritt dies jedesinal dann ein, wenn eine Spule durch
den Gleitkontakt kurzgeschlossen wird. Dieser Nachteil läßt sich aber in folgender
Weise zum größten Teil beseitigen. Man verwendet für je zwei Paare der induktiv
verketteten Drosselspulen einen geneinsamen Eisenkern mit drei Schenkeln und ordnet
sie derart auf diesem an, daß sich die Paare gegenseitig induktiv nicht beeinflussen.
Seien die Drosselspulen des einen Paares a und a', die des andern Paares b und b',
so kann man sie gemäß Fig:2 so anordnen, daß a und a' auf beiden äußeren
Schenkeln liegen und das durch sie erzeugte Feld nicht .den mittleren Schenkel durchsetzt,
während b und b' auf dem mittleren Schenkel liegen und ihr Feld diesen Schenkel
und auch die beiden äußeren Schenkel, aber im entgegengesetzter Richtung, durchsetzt.
Ein Kurzschluß der Drosselspule a bzw. a' bedeutet hier keinen Kurzschluß für
b und b' und umgekehrt. Sind beide Paare normal als Drosselspulen
erregt, dann addieren sich in dem einen äußeren Eisenkern die Felder, in dem andern
subtrahieren sie sich. Gleiche Verhältnisse für beide Paare vorausgesetzt bedeutet
dies. daß für jede Halbwelle des Stromes ein Kern gerade feldfrei ist. Werden nun
aber die Drosselspulen eines Paares kurzgeschlossen, so verschwindet das diesem
Paar zugeordnete Feld und nun bildet sich das Feld des andern Paares so aus, daß
es beide Eisenkerne durchsetzt. Die elektromotorische Kraft der Drosselspulen der
andern Paares steigt also von selbst nahezu auf den. zweifachen Wert, so wie man
es bei dem neuen Verfahren gerade braucht. Da sich also gewissermaßen das eine Paar
gegebenenfalls des dein andern Paare zur Verfügung stehenden Eisenquerschnittes
zur Felderzeugung bedient, ist es nicht notwendig, die Drosselspulen wesentlich
größer zu bemessen, als für den Fall der einfachen Beanspruchung. Berechnungen haben
ergeben, daß, um eine vierstufige Abschaltung zu bewirken unter Voraussetzung der
Dauerbeansprunchung jeder Zwischenstufe die Modellgröße der Drosselspulen insgesamt
etwa 75 Prozent derKilovoltamperezahl der abzuschaltenden Wechselstromleistung entsprechen
muß.
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Ganz besonders günstig geschaltet sich das Verfahren bei der Regulierung
von Einphasenkollektormotoren, besonders beine Anlauf und Betrieb von Bahnmotoren.
Bisher war man gezwungen, den Haupttransforma-
Loren eine große
Anzahl von Anzapfungen zu geben, die mit Stufenkontakten verbunden waren. Da es
sich um sehr große Leistungen handelt; führten die Anzapfungen große Ströme und
machten den Bau der Transformatoren außerordentlich schwierig. Nach dem Verfahren
der Erfindung ist es jedoch möglich, mit relativ geringem Aufwand,, die Gesamtstufenzahl
z. B. vier mal so groß zu machen als die Zahl der Herausführungen, oder bei gleicher
Gesamtstufenzahl, die Zahl der Herausführungen auf ein Viertel zu reduzieren. Man
wird zu diesem Zwecke die in Reihe geschalteten Hilfsdrosselspulen jeweils zwischen
diejenige Sfufenspannung des Haupttransformators schalten, an welcher gerade die
Regulierung erfolgen soll. Mari hat hierbei noch den schwerwiegenden Vorteil der
einfachen Regulierung durch Verschiebung eines einzigen breiten Gleitkontaktes unter
gleichzeitiger Bedeckung je zweier benachbarter Kontakte. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel
dieser Art dargestellt. T bedeutet den Haupttransformator mit der Primärwicklung
P und der Sekundärwicklung S. Letztere hat vier Ableitungen I, II, III und IV, durch
welche die gesamte Sekundärspannung i"n drei Teilspannungen I-II, II-III und III-IV
zerlegt wird. Die Hilfsdrosselspulenreihe a, b, a' und b' kann je
nach Bedarf an eine dieser Teilspannungen gelegt werden und bietet die Möglichkeit,
von einer Hauptstufe zur andern über vier Zwischenstufen zu schreiten. Bei der dargestellten
Anordnung ist man in der Lage, dem Motor 11 die Sekundärspannung in 4. mal 3 = 1-2
Stufen ohne Stromunterbrechung zuzuführen. Ist nämlich der Gleitkontakt K vom Kontakt
5 bis Kontakt i verschoben «-orden, dann löst man die Drosselspulenreihe von
111 und IV ab und legt sie zwischen 11 und III. Hat der Gleitkontakt
K die Ableitung II erreicht, dann legt man die Reihe zwischen 1 und II usw.
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Eine weitere Verbesserung lädt sich dadurch erzielen, d.aß man die
Drosselspulen so bemißt, daß man die Gleichheit der Stufen bei Entnahme des normalen
Verbrauchsstromes erhält. Haben alle. Drosselspulen gleiche Induktivität, dann hat
für den Fall i = O die Spannung an allen Zwischenstufen den gleichen Wert. Wird
aber in diesem Falle ein gewisser Verbrauchsstrom entnommen, dann tritt eine Ungleichheit
der Stufengröße auf, da die Spannung an den Ableitungen des Haupttransformators
und der Spannungsmittelpunkt der Drosselspulenreihe unverändert bleibt, die Spannung
an den übrigen Stufen aber mit der Belastung fällt. Man kann aber hierfür einen
Ausgleich dadurch .schaffen, daß man erstens die induktiv verketteten Drosselspulen
in der Drosselspulenreihe so anordnet, daß die zugehörigen Drosselspulen aller Paare
voneinander den gleichen Abstand. haben (wie es in den Beispielen der Fig. i und
3 auch dargestellt ist), und daß die Induktivität der in der Reihe aufeinanderfolgenden
Drosselspulenpaare so bemessen ist, daß, wenn keine Stromentnahme stattfindet, die
Spannungsstufen ungleich sind, daß sie aber bei Stromentnahme durch den in den Zwischenstufen
auftretenden Spannungsabfall gleich werden. Natürlich tritt dann die absolute Gleichheit
nur bei einem gewissen Wert des Verbrauchsstromes ein, aber auch größere Abweichungen
dieses Stromes ' haben bei diesem Verfahren keine praktisch ins Gewicht fallcnde
Änderungen der Spannungen an den Zwischenstufen zur Folge, so daß auch hierin ein
Vorteil gegenüber .den bekannten Verfahren zu erblicken ist.