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Einrichtung zur experimentellen Ermittlung der Energieverteilung in
elektrischen Leitungsnetzen. Die Projektierung und Kostenveranschlagung von Verteilungsnetzen
aller Art sowie die Kontrolle und das Studium der Vorgänge in solchen Netzen -wird
bisher in umständlicher und zeitraubender Weise nur auf rechnerischem Wege durchgeführt.
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Die Erfindung bezweckt nun eine neue Einrichtung zur Ermittlung der
Energie- und Kraftverteilung in Leitungsnetzen zu schaffen, welche ein mit den natürlichen
Verhältnissen im Netz übereinstimmendes System von Energieleitungselementen anwendet;
in welchem sich die tatsächlichen Vorgänge. an jeder Stelle erkennen lassen. Diese
Energieleitungselemente werden durch Verbindungsglieder zu einem, dem bestehenden
oder zu schaffenden Verteilungsnetz ähnlichen Versuchsnetz zusammengesetzt werden,
um die in der Wirklichkeit auftretenden Vorgänge ermitteln, überprüfen oder auch
vorführen zu können.
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Obwohl das Anwendungsgebiet der Erfindung unbeschränkt ist, gewinnt
es eine ausschlaggebende Bedeutung für Verteilungsnetze zur Verteilung elektrischer
Energie. In diesem Falle ist es nur notwendig, daB die vorteilhaft auf einer isolierenden
Unterlage in rahmenförmiger Anordnung aneinandergereihten Energieleitungselemente
aus Leitern erster Klasse bestehen, während als Verbindungsglieder Sicherungselemente,
Widerstände, Stromquellen, Schaltmittel und Überbrückungen dienen: In der Zeichnung
ist -als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes eine Einrichtung für elektrische
Zwecke dargestellt, und zwar zeigen Fig. i und z eine Draufsicht, letztere bei aufgelegter
Vorlage, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie, a-b der Fig. i, Fig. 4 die Skizze
eines darzustellenden Leitungsnetzes, Fig. 5 bis r5 Schnitte und Ansichten der zur
Verwendung kommenden Widerstandselemente.
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Wie aus Fig. i und 3 zu ersehen ist, besteht die Einrichtung aus der
isolierenden Unterlage U, auf welcher die aus Leitern erster Klasse, z. B. aus Kupferschienen,
hergestellten Leitungselemente L, L' (Fig. i und 3) derart befestigt sind,
daB sie Dreiecke und Vierecke bilden, da wirkliche Leitungsnetze ebenfalls aus diesen
Grundformen bestehen: Die Leitungselemente sind mit praktisch vernachlässigbaren
elektrischen Widerständen ausgeführt und können an ihren Trennungsstellen FÜ (Fig.
i) durch Überbrückungen in leitende Verbindung gebracht werden. Insbesondere an
den Kreuzungsstellen der Leitungselemente KTl (Fig. i), welche die Knotenpunkte
des Netzes darstellen, sind kreisförmige Scheiben Sch (Fig. i} angeordnet,
welche
es durch Öffnen oder Schließen der an ihrem Umfang durch korrespondierende ,Ausnehmungen
der Leitungselemente entstehenden kreisförmigen Öffnungen 0 (Fig. i) gestatten,
die Leitungselemente an die Knotenpunkte anzuschließen oder sie von diesen getrennt
zu halten.
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Unterhalb. des so gebildeten, auf der Platte U (Fig.3) befestigten
Systems von Leitungselementen befindet sich eine aus leitendem Material hergestellte
Platte P (Fig. x und 3) verschwindenden Widerstandes. Während die Leitungselemente
den einen Pol des Leitungsnetzes darstellen, bildet dis Platte P- als gemeinsame
Rückleitung den zweiten Pol und wird aus diesem Grunde an das Sammelschienensystem
Sa (Fig, i) angeschlossen, während das System der Leitungselemente durch die Sammelschienen
Sz (Fig. i) über die Kontakte i, 2, 3 usf. (Fig. i) und die Leitungen K,-i, K2 2
usf. mit der Zuleitung einer Stromquelle in Verbindung gebracht werden kann. Um
mehrere voneinander getrennte Rückleitungen herstellen zu können, kann die Platte
P geteilt ausgeführt werden.
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Die erwähnte Stromquelle besteht z. B. bei Gleichstromnetzen in einer
Akkumulatorenbatterie Ba (Fig. i) entsprechender Kapazität und Spannung,
doch kann die Einrichtung naturgemäß an jede vorhandene Stromquelle angeschlossen
werden, für welche sie gebaut ist.
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Um die Leitungselemente mit den Eigenschaften ausstatten zu können,
welche wirkliche Netze besitzen, also vor allem mit Widerstand (induktionsfrei oder
induktiv u. dgl.), ferner zur Ausstattung mit Einrichtungen zwecks Sicherung, Schaltung
und Unterbrechung und zum Anschluß von Stromverbrauchern werden in die Öffnungen
0 (Fig. 'i) Sicherungs-, Widerstands-, Schalt-, Überbrückungs- und Verbraucherelemente
eingesetzt.
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Fig. 5 stellt z. B. ein Widerstandselement im Schnitt dar, welches
nach Einsetzen in eine der vorhandenen Öffnungen dem betreffenden Leitungselement
einen Widerstand bestimmter Größe erteilen würde; denn der zu einem zweiteiligen
Steckstöpsel ausgebildete Fuß Fu (Fig, 5) -legt sich mit der Hälfte fi beim Einsetzen
in eine der Öffnungen an ein Leitungselement, mit der. Hälfte f2 an ein zweites
Element, und da zwischen die im übrigen voneinander isolierten Fußteile F1 und F2
der Widerstand R (Fig. 5) geschaltet ist, so erscheint derselbe auch zwischen die
beiden Leiterelemente geschaltet.
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Fig. 6 stellt einen Verbrauchswiderstand dar, da sich sein Fuß beim
Einsetzen in die Öffnungen einerseits an die Leiterelemente, andererseits aber,
die isolierende Platte U durchsetzend, in die in der gemeinsamen Rückleitungsplatte
unter den Öffnungen angebrachten Löcher legt; Fig.3 zeigt bei Lo diese Löcher im
Schnitt. Der Fuß dieses Verbrauchswiderstandes besteht zu diesem Zweck einerseits
aus dem leitenden Hohlzylinder C (Fig. 6), andererseits aus dem ihn durchsetzenden
Stift St, welcher von dem Hohlzylinder isoliert ist. Der Stift kommt mit
der unteren Platte .P (Löcher L o) in Verbindung, der Hohlzylinder mit den
Leiterstücken L, K; zwischen St und C ist der Widerstand gelegt.
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Zur widerstandslosen Verbindung der Leiterelemente untereinander zu
einem Netzteil dienen aus massiven Metallsteckern hergestellte Stöpsel, welche in
die Öffnungen eingesetzt werden.
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Da es vorteilhaft ist, Leitungsnetze der verschiedensten Ausdehnung
mit ein und derselben Einrichtung darstellen zu können, ist Vorsorge getroffen,
Widerstandselemente verschiedenen Widerstandes durch Zusammensetzung aus einzelnen
Elementen gleichen öder verschiedenen Widerstandes herstellen zu können. Zu diesem
Zwecke dient die in den Fig. 7 bis 15 dargestellte Einrichtung.
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In Fig. 7 bis i5 bezeichnet a ein aus Isoliermaterial bestehendes
Gehäuse, welches im vorliegenden Falle rechteckigen Querschnitt besitzt und durch
Zwischenwände aus Isoliermaterial, beispielsweise in vier Kammern b, geteilt ist,
welche zur Aufnahme der vorteilhaft gleichartig ausgebildeten Widerstandselemente
dienen. Jedes Widerstandselement besteht aus einem Rohre aus Isoliermaterial, um
welches der Widerstandsdraht. in sich nicht berührenden Windungen gewunden ist.
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Die Enden des Drahtes sind j e an eine leitende Platte d angeschlossen,
die die beiden Rohrenden abschließt. Die jeweils gewünschte Vereinigung (Schaltung)
der in das Gehäuse eingesetzten Elemente zu Gruppen bestimmten Widerstandes erfolgt
durch Aufsetzen derDeckel und Boden auf das beiderseits gleiche Gehäuse a.
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Zür Hintereinanderschaltung aer eingesetzten Elemente dienen der in
Fig. 8 und 9 dargestellte Deckel e (Fig. 8) und Boden g (Fig. 9). Ersterer verbindet
durch an seiner Innenseite vorgesehene Kontaktfedern ö. dgl. je zwei Widerstandselemente
an ihren oberen Enden miteinander, während der Boden g mittels seines federnden
Kontaktes h (Fig. io, Schnitt durch Fig. 9) die entsprechende Verbindung der Elemente
auf der ihm zugekehrten Seite bewirkt. Zum Verbinden der beiden- freien Enden der
nunmehr in Serie. geschalteten Elemente mit den Hälften f, bzw. f2 des Fußes dienen
zwei an dem Boden angeordnete federnde Kontakte i (Fig.9). Im vorhergehenden Falle
ist angenommen, daß jede Kammer vier Widerstandselemente aufnimmt; sollte hingegen
eine geringere Anzahl von Widerstandselementen zum Zusammensetzen der Gruppe genügen,
so ist es natürlich erforderlich, die leeren Kammern durch entsprechende Leiterstücke
auszufüllen, deren Widerstand einen praktisch vernachlässigbaren Wert erhalten muß.
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Zur Erzielung einer Parallelschaltung der
Elemente
ist es nur erforderlich einen Deckel e1 und Boden g1 mit entsprechender Kontaktvorrichtung
zu verwenden, wie sie- die Fig. 13 bis 15 zeigen. Hierbei ist bei dem Deckel ei
und dem Boden g1 die ganze Innenseite als Kontaktplatte ausgebildet. Die Kontaktplatte
des Bodens g1 ist unmittelbar mit der einen Fußhälfte f1 verbunden, während diejenige
des Deckels durch einen das Gehäuse und den Boden isoliert durchsetzenden Bolzen
k mit der Fußhälfte f2 erfolgt (Fig. i2).
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Es ist zu beachten, daß bei den mit dieser Einrichtung zu behandelnden
Problemen eine übergroße Genauigkeit vom praktischen Standpunkt aus wertlos ist.
Demzufolge kann die Änderung der Widerstandsgröße durch die Übergangswiderstände
an den Kontaktstellen vernachlässigt werden. Die Ausführung der Einrichtung als
Präzisionsinstrument bietet praktisch keine Schwierigkeiten, denn es wäre hierzu
nur die Vermeidung der Übergangswiderstände notwendig; dies könnte beispielsweise
durch Anordnung von ortsfesten Widerständen erfolgen, welche- regel- bzw. einstellbar
ausgeführt sein können.
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Für die räumliche Abmessung der Einrichtung von Bedeutung ist die
Erwägung, daß z. B. 2 X iooo m Kupferleitung vom Querschnitt iö mm2 bei Verwendung
von Kupfernickeldraht, dessen Widerstand bei einem Durchmesser von o,i5 mm o,5 Ohm
pro Meter beträgt, durch nur etwa 15 cm dieses Drahtes dargestellt werden können.
Derselbe Widerstand würde auch 2 X ioooo m Kupferleitung von ioo mm2 Querschnitt
zukommen. Durch entsprechende Abstufung der Widerstände ist man daher in der Lage
alle in der Praxis vorkommenden Querschnitte und zugehörigen Längen darzustellen,
und man wird vorteilhaft Widerstandssätze ähnlich den Gewichtssätzen bei' Waagen
verwenden. Es ist klar, daß die einfache Beziehung zwischen Strom, Spannung und
Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz die Darstellung der Versuchsnetze hinsichtlich
des Widerstandes in verjüngtem oder vergrößertem Maßstab gestattet, ohne daß dadurch
die Energieverteilung Verschiebungen erfährt; naturgemäß ist hier Voraussetzung,
daß die Verjüngung oder Vergrößerung in allen Teilen nach demselben Maßstab erfolgt.
Bei Auswertung der gewonnenen Resultate wird lediglich der gewählte Maßstab berücksichtigt
werden müssen. Auf diesem Wege können kleine Widerstände, kleine Ströme und kleine
Spannungen, je nach dem zu behandelnden Falle, gewählt werden, und damit erstreckt
sich das Anwendungsgebiet einer Einrichtung auf die verschiedensten Fälle der Praxis.
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Die vorbeschriebene Einrichtung bedarf zu ihrem Gebrauch nur mehr
eines zum Einstellen bestimmten oder zum Abgleich von Widerständen dienenden regelbaren
Widerstandes W (Fig. 2) sowie einer Apparatur zur Strom- und Spannungsmessung.
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Obwohl mit der vorbeschriebenen Einrichtung bereits ein Versuchsnetz
in vollkommener Weise nachgebildet werden kann, empfiehlt sich, insbesondere bei
Aufbau komplizierter Versuchsnetze, die Anwendung einer Vorlage, welche das zu entwerfende
oder wiederzugebende Netz in dem Maßstab der Einrichtung und in der durch die Linienführung
derselben bedingten Form darstellt und mit allen erforderlichen Vormerkungen versehen
ist.
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In Fig. q. ist beispielsweise auf dem Leitungsplan ein Leitungsnetz
mit Knotenpunkten zu ersehen; die Länge der Leitungen in m (Hin-und Rückleitung)
samt zugehörigem Leitungsquerschnitt in mm' sind eingetragen; dieses Leitungsnetz
wird auf die Vorlage (Fig. 2) übertragen.
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Zur Herstellung der Vorlage findet eine Schreibfläche m aus einem
Karton o. dgl. in der Größe der durch die Leiterelemente bedeckten Fläche Verwendung,
auf welcher der Linienzug derselben schwach vorgedruckt ist, unter Hervorhebung
der Knotenpunkte. Darauf wird durch kräftiges Ausziehen der vorgedruckten Linien,
eventuell unter Anwendung verschiedener Farben, das darzustellende Netz (Fig. q.)
aufgetragen. Hierauf trägt man in das eingezeichnete Netz alle notwendigen Angaben
ein und bezeichnet insbesondere diejenigen Stellen, an welchen die Leiterelemente
mit Widerstandsverbrauchern oder sonstigen Elementen auszustatten sein werden, durch
alle auf diese Elemente bezughabenden Daten, z. B. Länge der Leitungsstrecke, Querschnitt,
Belastung usw., wie dies in Fig. 2 für die Strecke K2-K4 angedeutet ist. An denjenigen
Stellen der Vorlage, an denen Stöpselungen zur Verbindung von Leiterelementen vorgenommen
werden müssen, erfolgt nun eine Lochung der Vorlage m mit einer beliebigen Vorrichtung,
so daß durch die Lochungen die Verbindungsglieder Stöpsel zwischen die Leiterelemente
eingesetzt werden können. Hierbei kann durch entsprechende Form oder Größe der Lochung
darauf Bedacht genommen werden, daß nur bestimmte Elemente eingeführt werden können,
um die Gefahr einer Verwechselung auszuschalten. .
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Durch Auflegen dieser Vorlage auf die Ein-" richtung wird einerseits
die eigentliche Arbeitsfläche mit dieser zu einem Ganzen vereinigt und damit ein
praktisches Arbeiten ermöglicht, andererseits werden durch die Vorlage bei der Darstellung
des speziellen Falles alle unbenutzten Teile der Einrichtung abgedeckt; das darzustellende
Netz liegt in klarer Übersicht vor dem Arbeitenden. Eine derartige Vorlage gestattet
ferner das einmal dargestellte Netz
zu jedem Zeitpunkt zu rekonstruieren,
zu welchem Zwecke es sich anempfiehlt, es nach Art einer Kartothek aufzubewahren.
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Ist die Vorlage auf diese Weise dem Versuchsnetz entsprechend fertiggestellt,
so wird sie - auf eine Platte Ui, welche parallel zur Platte U aufklappbar angeordnet
ist, aufgelegt.
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Diese Platte U besitzt Lochungen an allen Stellen, an denen Stöpselungen
vorgenommen werden müssen. DieAnlenkung der Unterlage Ui mit Scharnieren n an der
Bodenplatte Ui er-: möglicht jederzeit das Freilegen der Arbeitsfläche der Einrichtung
ohne Änderung der ielativen Lage der Vorlage.
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Es sei nachstehend nun z. B. gezeigt, auf welche einfache Art, im
Gegensatz zum rechnerischen Verfahren,. die für Netzberechnungen wichtigste Aufgabe
gelöst werden kann.
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Es sei angenommen, daß das in Fig. 4 dargestellte Leitungsnetz im
Knotenpunkt K" an die Spannung E11 gelegt und von K11 aus mit Strom gespeist wird.
Es seien nun jene für das vorliegende Netz gültigen Beziehungen zwischen Belastung
und Stromverteilung zu finden, welche es gestatten, die Spannungs- und damit auch
Stromverteilung irn Netze für jede beliebig gewählte Belastung desselben zu bestimmen.
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Bedeuten E2, E4, - E5,
Es, E 7 und E$ die in den Knotenpunkten
K2, K4, K5, K5, K_
7 und K8 (Fig.8) auftretenden Spannungen." bei Belastung
dieser Knotenpunkte mit den .auf sie entfallenden jeweils bekannten Stromkomponenten
von K_" K4 , K#, K;" K? und KI., so können bekanntlich für jedes Netz allgemein
gültige Gleichungen aufgestellt werden, aus welchen die an den Knotenpunkten bei
einer beliebig gewählten Belastung herrschenden Spannungen berechnet werden können,
wodurch dann auch die Stromverteilung bei dieser. Belastung bestimmt ist. Für das
vorliegende Netz (Fig.4) würden -z. B. die Gleichungen, in. welchen Cl, 2, Cl, 4
usf. dem Netz zugehörige konstante Faktoren bedeuten,, lauten: '
| r. E@ - E" - cl;, K'. - c»" K, - c1,5 K's - cIIG ISS
- 0117 KI - c"8 Ks . |
| 2. E,, = El, - c2,z K@ - c2 4K4 - Cz1s K!, - c_,6 K, |
| 0 '- C27 K7 - Cz16 K3- |
| E, E,1 -- c3,= Kz - c8,,1 K4 --
c3, K5 - c3;6 KG - c3,7 K7 - c7,3 Ks. |
| usf. |
| E8 EI, K!, - c6,1 K4 - c6,, K@ - c66 K, - @6@77
- c6,8 -.Ks. |
Die Einrichtung gestattet nun die Produkte
c Ii' mit dem Voltmeter zu messen.
.Diese Produkte stellen nach obigen Ausführungen nichts anderes dar als den Spannungsabfall
zwischen den einzelnen Knotenpunkten und dem Speisepunkt K11, wenn jeweils ein Knoten
mit der ihm zukommenden Belastung K',1 belastet wird. Wählt man die Belastung am
jeweils zu messenden Knotenpunkt K;, - x der Reihe nach für jeden Knotenpunkt,.
während die übrigen Knotenpunkte unbelastet bleiben, und führt die Messung der vorerwähnten
Spannungsabfälle durch, so ergeben die Resultate dieserMessungen die Werte der Faktoren
C1, 2C1,4 usf. und damit die Lösung der Gleichung und Aufgabe, während die übrigen
Knoten unbelastet bleiben.
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Der praktische Vorgang stellt sich daher wie folgt dar a) Entwurf
der Vorlage und Lochen desselben in der beschriebenen Weise, b) Auflegen der Vorlage
und Verbindung und Schaltung der Leiterelemente nach der durch die Vorlage gegebenen
Form (Fig. z und 2), c) Einstellen des Stromes mit Hilfe des Amp6remetersA und Widerstandes
W1 auf r Ampere nach vorheriger Schließung des Kontaktes? an Sa (Fig. 2), d) Ablesen
der Spannungsdifferenzen mit Voltmeter Vo, dessen Zuleitungen zwischen Kontakt it
und den Konrakten 2, 4, 5, 6, 7 und 8 der Reihe nach angelegt werden: Die abgelesenen
Werte ergeben die gesuchten Faktoren c der Gleichung r, e) Öffnen des Kontaktes?,
Schließen des Kontaktes 4 an 5a und Wiederholung der Messung wie früher (d). Die
abgelesenen Werte geben die Faktoren c der Gleichung 2 usf.
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Sollte z. B. bei Ermittlung der Werte c an einem Knoten ein unzulässig
hoher Spannungsabfall gemessen werden, so kann durch Einsetzen geänderter Leiterwiderstände
das Netz modifiziert und ohne jede Rechnung nur durch Beobachtung auf die gewünschten
Eigenschaften gebracht werden.
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Die Einrichtung kann natürlich in jeder gewünschten Größe erzeugt
werden, doch ist ersichtlich, daß sie selbst für umfangreiche Netze handliche Abmessungen
annimmt, insbesondere,_ wenn man die Möglichkeit der Zerlegung großer Netze in Teilnetze
in Betracht zieht.