DE327173C - Einrichtung zur Strombegrenzung bei Wechselstromverbrauchern mit Hilfe zweier hintereinandergeschalteter Drosselspulen - Google Patents

Description

Bei Wechselstromverbrauchern liegt oft das Bedürfnis vor, die Stromaufnahme zu begrenzen, um entweder den \^erbraucher oder das Netz vor Überlastung zu schützen 5 oder um überhaupt günstigere Betriebsverhältnisse zu erhalten. Bei Schaltvorgängen besonders ist es oft dringend notwendig, große Stromstöße bzw. ein übermäßiges Anwachsen des Stromes zu vermeiden. Ist man, wie beim Betrieb von Bahnmotoren, an eine gewisse kleine Zahl von Schaltstufen gebunden, dann treten in der Anlaufperiode sehr hohe Stromspitzen auf,' deren Höhe auch davon abhängt, mit welcher Geschwindigkeit das Schalten erfolgt.

Einrichtungen und Maßnahmen, welche die Stromaufnahme der Stromverbraucher herabsetzen, sind an sich bekannt, so wird z. B.. jede beliebige, vor den Verbraucher geschaltete Drosselspule dem übermäßigen Anwachsen des Stromes entgegenwirken. Aber alle derartigen Maßnahmen haben den großen Nachteil, daß sie auch wirken, wenn der Strom keinen unzulässig hohen Wert hat, daß sie also auch bei normalem Betrieb die Wirksamkeit der ganzen Anlage herabsetzen,

Gegenstand' der Erfindung ist nun eine Einrictung zur Strombegrenzung bei Wechselstromverbrauchern, die in Wirksamkeit tritt, wenn der Verbrauchsstrom einen gewissen Wert überschreitet, so daß der normale Betrieb nicht beeinflußt wird.. Zu diesem Zweck werden in bekannter Weise zwei hintereinander und in Reihe mit den Wechselstromverbrauchern geschaltete Drosselspulen benutzt, welche "durch Gleichstrom in entgegengesetztem Sinne (bezogen auf die Wechselstromerregung) erregt und gesättigt sind. Die Sättigung der Drosselspulen ist " gemäß der Erfindung durch die Gleichstromerregung derart eingestellt, daß erst beim Anwachsen des Wechselstromes über einen bestimmten, für die Verbraucher noch zulässigen Wert hinaus eine wesentliche, mit dem Strom rasch zunehmende Feldänderung in den Drosselspulen unid damit eine erhebliche Drosselspannung erzeugt wird,· während unterhalb jenes Stromwertes eine wesentliche Drosselwirkung nicht stattfindet.

Die Erfindung sei an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

In Fig. ι bedeuten D₁ und D₂ zwei in Reihe geschaltete Drosselspulen, deren Eisenkerne P₁ und -F₂ durch die Gleichstromwicklungen G₁ und G₂ in entgegengesetztem Sinne (in bezug auf die Wechselstromwicklungen H₁ und H₂) gesättigt sind. Q sei eine Gleichstromquelle (Batterie oder Maschine), W ein

Ohmscher Widerstand, welcher dazu dient, die induzierten Ströme höherer Frequenz von der " Gleichstromquelle fernzuhalten.. Die Drosselspulen seien an sich gleich bemessen,-auch die. Widerstände und Windungszahlen von G₁ und H₁ seien die gleichen wie bei G₂ und H₂.

. Diese Kombination der Drosselspulen kann, wie das Beispiel der Fig. ι zeigt, m Reihe zu ίο einem Einphasenreihensclilußmotor M geschaltet sein, welcher von der Sekundärwicklung 6" des Haupttransformators T durch stufenweise Zuführung der Spannung über •den beweglichen Kontakt K gespeist wird, während die Primärwicklung P des Transformators die Energie dem Fahrdraht L der elektrischen Bahnanlage entnimmt.

Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist nun folgende. In Fig. 2 sei B die Eisensättigungskurve der Drosisielspulen, die von Gleichstrom in entgegengesetzter Richtung stark magnetisiert sein sollen (in bezug auf die Richtung der Wechselstromerregung), undi zwar stellen 00' und 00" die Gleich-Stromamperewindungen, 0' A! und 0" A" die duich isiie erzeugte Kraftliniendichte im Eisen in D₁ bzw. D₂ dar. Werden nun die Wicklungen Ii₁ und H₂ von Wechselstrom durchflossen, dann addieren bzw. subtrahieren sich für jeden Zeitmoment die Gleich- und Wechselstromamperewindungen, und zwar derart, daß, wenn für die eine Halbwelle des Wechselstromasi sich in D₁ die Amperewindungen addieren und gleichzeitig in D₂ die Amperewindungen subtrahieren, sich für die andere Halbwelle in D₁ die Amperewindüngen subtrahieren und zugleich in D₂ die Amperewindungen addieren.

Für die so an der Reihe H₁ bis 'H₂ erzeugte Drosselspannung kommt die in beiden Eisenkernen jeweils erzeugte Feldänderung in Betracht. Für kleine Werte desi Wechselstromes sind die Wechselstromamperewindungen AW'_w auch klein gegenüber den Gleichstromamperewinidiungen AW_s und wegen der hohen Eisensättigung wird keine erhebliche Feldänderung eintreten.

Da nun in dem einen Eisenkern D₁ bzw. D₂ jeweils die Summe der Amperewindungen, in dem andern. Eisenkern D₂ bzw. D_x die "Differenz der Amperewindungen wirksam ist, so wird bei hoher Sättigung durch Gleichstrom und bei kleinem Wert des Wechselstromes die Feldänderung in den Eisenkernen den relativ kleinen Werten υ, und ν in Fig. 2 entsprechen. Die Summe u -\- ν gibt die gesamte Feldänderung der Kombination an und ist für die Größe der Drosselspulenspannung maßgebend. Man erhält demnach ein Bild dieser Spannungskurve, wenn man für verschiedene VVerte das Wechselstromes die 'zugehörigen Werte von % und ν ermittelt und ihre Summe als Ordinaten in Abhängigkeit vom Wechselstrom aufträgt. In Fig. 2 läßt sich die Summenkurve in folgender Weise leicht ermitteln: Man dreht das Kurvenstück A' C der Sättigung3kurve um die Achse 0' A' um Punkt A' herum bis in die symmetrische Lage A' C. Die Ordinatendifferenz der Kurven A' C und A' 0 A" stellt dann unmittelbar die Summe (u -\- v) dar'. Trägt man nun von 0' als Ordinatenanfangspunkt in Richtung auf 0 die Wechisielstromamperewindungen bzw. den Wechselstrom J_w selbst als Abszissen die Werte u -f- ν als· Ordinaten auf, dann erhält man als Kurve der Feldänderung die Kurve E, welche gleichzeitig annäherungsweise ein Maß für die Droisselspannung an der Reihe H₁ bis H₂ ist.

Der Verlauf der Kurve B zeigt nun deut-Hch, daß die Drosselspannung mit wachsendem Strom erst allmählich, dann aber sehr rasch ansteigt, da das Knie in der Sättigungiakurve auch in der £-Kurve zur Geltung kommt. Wird die Anordnung so gewählt, daß von 0' ausgehend bis ζμηι normalen Wert des Wechselstromes das Knie der .Ε-Kurve nicht überschritten wind, dann ist die drosselnde Wirkung der Kombination bei normalem Betrieb sehr gering. Überschreitet aber der go ■ Wechselstrom seinen Normalwert derart, .daß man bei der Ermittlung der u + ν Werte das Knie der £-Kurve überschreitet, dann tritt eine erhebliche Drosiselwirkung ein,' die dem Anwachsen des Stromes¹ entgegenwirkt.

Im Beispiel der Fig. 1 würde z. B. beim Anlauf des Serienmotors stets ein großer Stromstoß auftreten, wenn von einer Schaltstufe zur nächsten übergeschaltet wird und die Drosisielspulen der beschriebenen Art nicht ipo vorhanden wären. Durch die Wirkung der Drosselspulen wird aber ein übermäßiges Anwachsen des Stromeis unmöglich gemacht, die Stromspitzen demnach gewissermaßen abgeschnitten und ein Schleudern der Triebachsen verhütet.

Da nun bei dieser Einrichtung auch Ströme höherer Frequenz, also höhere Har- ' monische auftreten, so könnten im Motor durch. die Öberschwingungen des Feldes in den im Bürstenkurzschluß befindlichen Ankerspulen Ströme höherer Frequenz induziert werden, die zum Feuern Anlaß geben könnten. Um dies zu vermeiden, ist es vorteilhaft, parallel zur Feldwicklung des Motors einen Ohmschen Widerstand W zu schalten, der geeignet ist, die Ströme höherer Frequenz, für welche die Feldwicklung eine große Induktanz darstellt, von dieser abzuleiten.

Die beschriebene Einrichtung kann in allen Fällen vorteilhaft Verwendung finden, wo eine Begrenzung des Stromes ohne Beein-

trächtigung des normalen Betriebes erwünscht ist. So z. B. ist es oft sehr notwendig, ein Netz gegen Überlastung durch angeschlossene Ein- oder Mehrankerumformer zu schützen, besonders auch gegen Kurzschlüsse,, die im Sekundärnetz der Umformer auftreten können. Diese Kurzschlüsse wirken sehr stark auf das Primärnetz zurück und können unter Umständen die ganze Primäranlage außer

ίο Betrieb setzen. Um diaa zu verhüten, können gemäß der Erfindung zwischen Netz und Einbzw. Mehrankerumformer die in der beschriebenen Art gesättigten Drosselspulen geschaltet werden, wodurch das Primärnetz gegen Überbeanspfuchung geschützt ist.

Die Einrichtung ist auch auf Mehrphasenstrom übertragbar, indem in den Stromkreis jeder Phase die beschriebene Kombination von zwei Drosselspulen geschaltet wird, wobei man aber diese Drosselspulengruppen in bekannter Weise kombinieren, und auf einem einzigen vielschenkligen Eisenkern unterbringen kann.

Bisher war stets eine konstante Gleich--Stromerregung der Drosselspulen vorausgesetzt. Unter Umständen kann es aber vorteilhaft sein, die Gleichstromerregung einstellbar zu machen, um die Einrichtung verschiedenen Betriebsverhältnissen anpassen zu können. Besonders=· ist dies beim Bahnbetrieb notwendig, da die Reibungs- und Adhäsionsverhältnisse wechseln oder von äußeren Umständen abhängig sind. Eine einmalige Einstellung der Gleichstromerregung führt daher unter Umständen nicht zu dem gewünschten Erfolg, denn je nach dem Zustand der Schienen, der Last, der Geschwindigkeit des Zuges usw. ist die gewollte Strombegrenzung eine andere. Die Einstellung der Gleich-Stromerregung muß in solchen Fällen in Abhängigkeit von den Verhältnissen d'asi Betriebes erfolgen und, wenn diese von Zeitmoment zu Zeitmoment sich ändern, so geht die Einstellung in eine Regelung der Gleichstromerregung über.

Verfolgt man die Möglichkeiten weiter, so erkennt man, daß beim Anlauf und Betrieb von Bahnmotoren sich durch die Regelung der Gleichstromerregung auch bei geringer Anzahl von Hauptschaltstufen eine fast unbegrenzte Zwischenstufenzahl erreichen läßt, wenn man vor dem Übergang auf die jeweils nächst höhere Schialtstufe die Induktivität der vorgeschalteten Drosselspulen mittels der geregelten Gleichstromerregung vom großen Anfangsiwert auf kleinen Endwert, im Moment der Überschaltung aber wieder sprungweise auf den großen Anfangswert bringt usf. Umgekehrt kann beim Übergang auf niedere Spanungsstufen die Induktivität der vorgeschalteten Drosselspulen erst von kleinem auf großen Wert geregelt und im Moment der Überschaltung wieder auf kleinen Wert gebracht werden usf.

So ergibt sich eine allmähliche Spannungssteigerung, und man kann die in der beschriebenen Weise periodisch zu regelnde Gleichstromerregung der Drosselspulen in Abhängigkeit von der Schaltbewegung das Hauptschalters vornehmen. Die Regelung der Gleichstromerregung kann mit relativ kleinen Strömen und ohne Stromunterbrechung erfolgen, "und es wird bei diesem Verfahren eine Begrenzung des Stromes auch für diejenigen Spannungswerte erreicht, bei welchen die Induktivität der vorgeschalteten Drosselspulen ihren kleinsten Wert hat.

Claims (7)

-Ansprüche:

1. Einrichtung zur Strombegrenzung bei Wechselisitromverbrauchern mit Hilfe zweier hintereinander und in Reihe mit den Wechselstromverbrauchern geschalteter Drosselspulen, welche durch Gleichstrom in entgegengesetztem Sinne (bezogen auf die Wechselstromerregung) erregt und gesättigt isiind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung der Drosselspulen durch die Gleichstromerregung derart eingestellt ist, daß erst beim Anwachsen des Wechselstromes über einen bestimmten, für den Wechselstromverbraucher noch zulässigen Wert hinaus eine wesentliche, mit dem Strom rasch zunehmende Feldänderung in den Drosselspulen und damit eine erhebliche Drosselspannung erzeugt wird, während unterhalb jenes Stromwertes eine wesentliche Drosselwirkung nicht stattfindet. .

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb von Bahnmotoren die Drosselspulen zwischen Stufentransformator und Motor und in Reihe zu diesem geschaltet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Feldwicklung der als Reihenschlußmotoren geschalteten Bahnmotoren ein Ohmscher Widerstand geschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb von Ein- oder Mehrankerumformern die Drosselspulen zwischen Netz und Umformern und in Reihe zu diesen geschaltet sind.

5. Verfahren zur Anwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromerregung der Drosselspulen in Abhängigkeit von den Verhältnissen des Betriebes eingestellt bzw. geregelt wird.

6. Verfahren zur Anwendung der Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Übergang auf die jeweils höhere Schaltstufe die Induktivität der vorgeschalteten Drosselspulen mittels der geregelten Gleichstromerregung vom großen Anfangswert auf kleinen Endwert, im Moment der Überschaltung aber wieder sprungweise auf den großen Anfangswert gebracht wird, während beim Übergang auf die nächst niedere Schaltstufe in umgekehrten! Sinne verfahren werden kann.

7. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Übergang von -Schaltstufe zu Schaltstufe in gleicher Weise ' wiederkehrende Regelung der Gleichstrofnerregung durch die Schaltbewegung des Hauptschalters erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.