DE461378C - Einrichtung zur Spannungsregelung von ein- oder mehrphasigen Wechselstroemen durch Transformatoren mit Gleichstromvormagnetisierung - Google Patents

Einrichtung zur Spannungsregelung von ein- oder mehrphasigen Wechselstroemen durch Transformatoren mit Gleichstromvormagnetisierung

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DE461378C DEZ14395D DEZ0014395D DE461378C DE 461378 C DE461378 C DE 461378C DE Z14395 D DEZ14395 D DE Z14395D DE Z0014395 D DEZ0014395 D DE Z0014395D DE 461378 C DE461378 C DE 461378C
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/12Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
    • G05F1/32Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using magnetic devices having a controllable degree of saturation as final control devices

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Description

  • Einrichtung zur Spannungsregelung von ein- oder mehrphasigen Wechselströmen durch Transformatoren mit Gleichstromvormagnetisierung. Die Feldänderung, welche ein Wechselstrom in einer Wicklung hervorruft, führt in einem von der Wicklung !beeinflußten Eisenkern je nach Größe der bei_Eintritt der Feldänderung vorhandenen Vormagnetisierung zu verschieden großen Induktionsänderungen, deren Ausmaß abhängig ist von dem Verlauf der Magnetisierungslinie des Eisenkernes izi demjenigen Astabschnitt, welcher zufolge der bei Beginn der Feldänderung vorhandenen Magnetisierung für den ganzen Verlauf der Feldänderung zur Wirkung kommt.
  • Die - Einwirkung einer Gleichstrom-V ormagnetisierung auf Drosselspulen und Transformatoren wird bereits zu verschiedenartigen Zwecken in der Starkstrom- und Hochfrequenztechnik ausgenutzt.
  • Bei der vorliegenden Erfindung werden Zusatztransformatoren, die zur Vormagnetisierung eingerichtet sind und mit einem von den Haupttransformatoren abweichenden Übersetzungsverhältnis ausgestattet werden, sowohl auf der primären wie auch auf der sekundären Seite mit den Haupttransformatoren in Reihe geschaltet.
  • Wählt man dabei die Vormagnetisierung der Zusatztransformatoren so stark, daß die Wechselspannung der Zusatzwicklungen verschwindend klein wird, so können diese im kurzgeschlossenen Zustand mit oder ohne Einschluß eines Ohrnschen oder induktiven Widerstandes ohne Unterbrechung des Wechselstromkreises zu- und abgeschaltet werden. Nach erfolgtem Anschluß und öffnun- der Kurzschlußverbindung der Zusatz= Wicklungen wird dann die Vormagnetisierung zur Einstellung der erforderlichen Betriebsspannung vermindert oder abgeschaltet.
  • Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungen derartiger Zusatztransformatoren wird so bemessen, daß durch Hintereinanderschaltung mit den Wicklungen des Haupttransformators das Gesamtübersetzungsverhältnis auf den gewünschten Wert abgeändert wird.
  • Zur Erläuterung der Grundlagen des Verfahrens ist in Abb. x der Zeichnung das Schema eines zur Vormagnetisierung eingerichteten Transformators wiedergegeben. Abb.2 gibt den gegenseitigen Verlauf des induzierenden Wechselstromes und der erzeugten Spannungen mit und ohne" Vormagnetisierung des Eisenkernes wieder. Die Abb. 3 bis 5 geben Magnetisierungslinien in bezug auf das neue Verfahren wieder.
  • Die Abb. 6 und 7 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsmöglichkeiten von Transformatoren zur Durchführung des Verfahrens.
  • Auf dem Eisenkern a des in Abb. i schematisch dargestellten Transformators ist eine primäre Wechselstromwicklung b und eine sekundäre Wicklung e aufgebracht. Die weiterhin vorhandene Wicklung d, die mit Gleichstrom gespeist wird, dient zur Vormagnetisierung des Eisenkernes in gleichbleibender Richtung. Diese Vormagnetisierung kann auch mit Hilfe von permanenten Magneten oder Elektromagneten mit Gleichstromerregung erzeugt werden. Wird zunächst nur die Wicklung b von Wechselstrom der Wellenform i durchflossen, -so ändert sich die Feldstärke H zwischen den Grenzen - lzi und + hl um die Größe Hl. Der Induktionsfluß B ändert sich gemäß der Magnetisierungslinie des Eisens nach Abb.3 von - b1 auf + b1 um die Größe F, Proportional zu dieser Kraftlinienänderung wird in, der Wicklung b die gegenelektromotorische Kraft ei mit dem Verlauf gemäß Abb.2 erzeugt, die unter Vernachlässigung des Ohmschen Verlustes als Klemmspannung der Spule b angesprochen werden kann. Entsprechend wird in der Sekundärspule c eine Spannung e, induziert.
  • Wird nun die Spule d mit Gleichstrom erregt und dadurch im Eisenkern a ein gleichbleibendes Feld von der Größe hg erzeugt, so ändert sich bei gleichbleibendem Verlauf des Wechselstromes i zwar die Summe der auf den Eisenkern wirkenden Feldstärken gleichfalls wieder um die Größe Hl, jedoch jetzt nicht mehr um den Nullpunkt schwankend, sondern zwischen den Abszissen h" und h3 der Magnetisierungskurve (Abb. 3). Die Änderung der Kraftlinienzahl entspricht jetzt der Differenz der Ordinaten b2 und b3, d. h. der Größe B2. Die Klemmspannung der Spule b ändert sich demgemäß gegenüber dem vorigen Werte ei annähernd nach dem Verhältnis ei: e2 - Bi : B2 und erreicht nur mehr den in Abb. 2 eingezeichneten' Werte.. Im gleichen Verhältnis vermindert sich infolge der Vormagnetisierung auch diie Klemmspannung der Spule c.
  • Für die Durchführung der Spannungsregelung ist hinsichtlich der Auswirkung und des Ausgleiches der Induktionswirkungen in den Zusatztransformatoren folgendes maßgebend: Wird die Vormagnetisierung so -stark gewählt, daß die Grenzen der Sättigungsänderungen, die durch den normalen Betriebsstrom hervorgerufen werden, erheblich. über dem Knie der Magnetisierungslinieliegen, so ändert sich der durch die positiven Stromwellen hervorgerufene Induktionsfluß in annähernd gleichem Ausmaß wie der durch die negative Stromwelle des Wechselstroms hervorgerufene. Liegen jedoch die Grenzen näher am Knie, beispielsweise gemäß. Abb. ¢ zwischen den Abszissen n und p, so tritt eine verschiedenartige Änderung des Induktionsflusses für die positiven und negativen Wellen auf. Um jedoch auch in diesen Fällen einen rein symmetrischen Verlauf der wirksamen Magnetisierungslinie für die Feldänderungen in beiden Richtungen zu erhalten, werden die Eisenkerne der Transformatoren in zwei getrennte magnetische Kreisläufe unterteilt, von denen jeder eine Vormagnetisierung gleichbleibender, jedoch entgegengesetzter Richtung erfährt. Das Zusammenwirken der beiden Kreisläufe ergibt dann gemäß nachstehenden Erläuterungen einen symmetrischen Verlauf der durch die positiven und negativen Stromwellen erzeugten Induktionsflüsse. Abb.6 gibt das Schema eines Transformators wieder mit zwei getrennten Eisenkernen f und g und gemeinsamer Primärspule h. Jeder dieser Kerne wird in entgegengesetzter Richtung des andern vormagnetisiert. Es sei beispielsweise die Vormagnetigierung des Eisenkernes f hinsichtlich -der Feldstärke durch die Abzisse o-s in Abb. q. und die des Eisenkernes g durch die Abszisse o-t der gleichen Abbildung gegeben. Die bezüglichen magnetischen Flüsse sind -B'f und B'9. Vollzieht sich nun die Feldänderung, die durch den die Spüle h durchfließenden Wechselstrom hervorgerufen wird, für den Eisenkern g zwischen den Grenzen n und p und für den Eisenkern f zwischen den Grenzen r und q, so wird für die Feldänderung in Richtung des Pfeiles u. der Verlauf der wirksamen Magnetisierungslinie bestimmt durch die Summe der Ordinatenabschnitte Bg und Bf. Ermittelt man, wie dies in Abb. 5 geschehen ist, für die einzelnen Punkte innerhalb der Änderungsgrenzen diese Summen, so erhält man die für das Zusammenwirken der in entgegengesetzter Richtung vormagnetisierten Eisenkerne auf eine gemeinsame Induktionsspule maßgebende Magnetisierüngslinie: S (Bg + Bf).
  • Anstatt eine Wicklung. mit mehreren Eisenkernen auszustatten, können, wie in Abb. 7 wiedergegeben, die Eisenkerne paarweise angeordnet und die einzelnen Kerne der Paare je in entgegengesetzter Richtung vormagnetisiert werden. Die Wechselstromwicklungen werden dabei für jedes Paar gleichsinnig. hintereinandergeschaltet.
  • Um eine Überlagerung verschieden auswählbarerAstabschnitte der Magnetisierungs-Linie zu ermöglichen, kann für die Kernpaare j e eine besondere Reguliervorrichtung im Erregerstromkreis vorgesehen werden. Durch die dadurch ermöglichte verschiedenartige Einstellung der Vormagnetisierung der einzelnen Kerne oder Kernpaare kann die für die Gesamtinduktion der.Wechselstromspulen maßgebende Magnetisierungslinie dem beabsichtigten Regulierungszweck entsprechend eingestellt werden.
  • In dem zur Vormagnetisierung dienenden Gleichstromkreis wird einerseits zur Regulierung der Stromstärke und anderseits zur Abschwächung der induktiven Wirkung ein Ohmscher Regulierwiderstand k und zweckmäßig noch ein induktiver Widerstand l eingeschaltet, welch letzterer zur weiteren Abdrosselung der im Erregerkreis induzierten Wechselströme dient.
  • Die Wirkungsweise eines zur Spannungsregelung des nach dem vorliegenden Erfindungsgedanken eingerichteten Aggregats ist durch die Abb.8 bis io näher erläutert. In Abb.8 ist die Zusammenschaltung eines Haupttransformators H mit einem durch Abb.7 gekennzeichneten Paare von Zusatztransformatoren (x und y) dargestellt. Das Übersetzungsverhältnis des Zusatzpaares x und y ist beispielsweise je mit i : i, das Übersetzungsverhältnis des Haupttransformators H mit 4. : i angenommen.
  • Die magnetischen Verhältnisse seien so gewählt, daß pro Amperew indung bei ausgeschalteter Vormagnetisierung in j edem Transformator die gleiche Kraftlinienzahl erzeugt wird. Die Abhängigkeit des Kraftflusses vom Primärstrom i für einen Zusatzkern ist durch die Charakteristik FZ (Abb.9) über der Abszissenachse B dargestellt, für den Haupttransformator durch die Linie FH über der Abszissenachse B'. Der durch Zusammenwirken der drei Eisenkerne wirksame, durch die Primärwicklungen erzeugte Kraftfluß ist über der Achse B' durch die Linie S (F" -f- Fz) in Abhängigkeit von der Magnetisierungsstromstärke im für verschiedene Einstellung der Vormagnetisierung (0, I, 1I, III) dargestellt.
  • Die magnetischen Verhältnisse für die Zusatztransformatoren sind durch die Linien FC über der Achse B" und F,, über der Achse B" " wiedergegeben. Nach dem Verfahren gemäß Abb. 5 ist hieraus die Summenlinie F (x nlus ") über der Achse B"' gebildet. Die mit 0 bis III bezeichneten Linien entsprechen den durch die Vormagnetisierung mit Stromstärken von ig - 0, igl, igll, iglll eingestellten magnetischen Verhältnissen der Zusatzkerne; die durch diese Vormagnetisierung bedingten Schwingungsmittelpunkte für die zusätzlichen, durch den Betriebswechselstrom hervorgerufenen Fluxänderungen sind durch die Schnittpunkte der Hilfsachsen I, II, III mit der Charakteristik FZ über Achse B gegeben. Es gibt also beispielsweise die Linie Fxl über Achse B" denjenigen Abschnitt der Charakteristik FZ, welcher bei der Vormagnetisierung mit der Stromstärke igl vom Betriebswechselstrom beansprucht wird.
  • Auf der Ordinatenachse A ist von Punkt 0., nach abwärts der zeitliche Verlauf der als Sinusschwingung angenommenen Primärspannung En aufgetragen. Zur Erzielung einer dieser Primärspannung gleichen, jedoch entgegengesetzt gerichteten Klemmenspannung an den Primärklemmen P1 bis P, (Abb. 8) ist ein Gesamtkraftflux erforderlich, der durch die Linie Fe in seinem zeitlichen Verlauf über der Achse B' ausgehend von Punkt 03 entwickelt wird. Durch den Linienzug (Abb. 9) ausgehend von dem Punkt i auf Abszissenachse B' bis Punkt 13 ergeben sich graphisch alle Größen für die Zeitwerte der im Zeitpunkt t1 auftretenden Magnetisierungsstromstärke i "il sowie der Fluxgrößen in den einzelnen Transformatorenkernen.
  • Für den Zeitpunkt t, gibt die Größe T bis a den Zeitwert des erforderlichen Gesamtfluxes fe, die Größe q. bis 5 den Zeitwert des anteiligen Fluxes im Haupttransformator, die Größe 6 bis 7 den Zeitwert des anteiligen Fluxes im Zusatztransformator x, die Größe io bis i i den Zeitwert des anteiligen Fluxes im Zusatztransformator y, die Größe 8 bis 9 - Größe 3 bis d. die Summe der Fluxe in den beiden Zusatztransformatoren, die Größe o1 bis 5 den Zeitwert des Magnetisierungsstromes.
  • Auf diesem Wege sind für die V ormagnetisierung igl entwickelt: Der zeitliche Verlauf des Fluxes im Haupttransformator: Kurve F", über Achse B', der zeitliche Verlauf des Fluxes im Zusatzkern X: Kurve FXl über Achse B", der zeitliche Verlauf des Fluxes im Zusatzkern Y: Kurve FYl über Achse B" ", der im Kernpaar X Y zu- sammenwirkende Flux FZ, über Achse B', der zeitliche Verlauf des primären Magnetisierungsstromes i ",l ausgehend von Punkt 0_, (Abb. 9) nach abwärts.
  • Aus den Kurven des Fluxverlaufes in den einzelnen Kernen lassen sich dann ohne weiteres die auf die einzelnen Transformatorenwicklungen entfallenden Teilspannungen auf der primären und sekundären Seite entwickeln. Die Linie ESH ausgehend von Punkt 03 der Achse B' gibt den zeitlichen Verlauf der sekundären Klemmspannung im Haupttransformator, dementsprechend die Linie Esxl und E,YI die Klemmenspannung der sekundären Wicklungen der Zusatztransformatoren.
  • In Abb. io ist zusammenfassend die Einstellung der sekundären Klemmenspannung in Abhängigkeit von der vormagnetisierenden Stromstärke i, zur Darstellung gebracht. Hiernach ist ersichtlich, daß durch Änderung der vormagnetisierenden Stromstärke ig die sekundäre Klemmenspannung gegenüber der konstant gehaltenen primären Klemmenspannung wesentlichen Abänderungen unterworfen werden kann.
  • Die vorausgegangenen Erläuterungen sind zur Erhöhung der Übersichtlichkeit lediglich auf die Spannungsregelung von Einphasen- . wechselström beschränkt. Auf -der gleichen Grundlage kann die Spannungsregelung für Drehstrom durchgeführt werden, wobei für jede Phase ein Zusatztransformatorenpaar Verwendung finden kann oder die Zusatztransformatoren in entsprechender Weise zu einer mehrschenkeligen Bauart zusammengefaßt werden können.

Claims (1)

  1. PATENTANSPIZÜCIIE: i. Einrichtung zur Spannungsregelung von ein- oder mehrphasigen @Vechselströmen durch Transformatoren mit Gleichstromvormagnetisierung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Transformatoren mit Vormagnetisierung als Zusatztransformatoren ausgebildet sind, deren primäre und sekundäre Wicklungen je in Hintereinanderschaltung zu den primären und sekundären Wicklungen des oder der Haupttransformatoren liegen, -und deren übersetzungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung abweichend von dein übersetzungsverhältnis zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen der Haupttransformatoren so bemessen ist, daß das Verhältnis zwischen der gesamten primären und der gesamten sekundären Spannung durch Änderung der Indul<tionswiirkung der Zusatztransformatoren mittels der Vormagnetisierung und die hierdurch bedingte Änderung der $lemmenspannung in den Wicklungen des Zusatztransi ornrators gegenüber dem Haupttransformator dem Regulierzweck entsprechend eingestellt wird. z. Schaltungsverfahren zur Ausführung der Spannungsregelung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatztransformatoren zwecks Zu- und Abschaltung durch Gleichstrom so hoch vormagnetisiert werden, daß ihre Wechselspannung auf -ein Minimum sinkt und sie im kurzgeschlossenen Zustand mit oder ohne Einschluß eines Ohrnschen -oder induktiven Widerstandes ohne Unterbrechung des Wechselstromkreises zu- und abgeschaltet werden können. 3. Einrichtung für die Spannungsregelung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatztransformatoren paarweise angeordnet und die Einzelkerne eines Paares -in entgegengesetztem Sinne durch Gleichstrom vormagnetisiert werden, während die auf den entgegengesetzt vormagnetisierten Kernen angebrachten Wechselstrorriwicklungen gleichsinnig hintereinandergeschaltet sind.
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