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Stufentransformator zur Speisung eines Motors oder einer Motorgruppe
mit regelbarer Spannung Zum Anlassen und Regeln von Wechselstrom-Reihenschlußmotoren,
insbesondere bei elektrischen Fahrzeugen, verwendet man Stufentransformatoren mit
einer Reihe von Anzapfungen an der Sekundärwicklung, von denen über Gruppen von
Schalterneine stufenweise veränderliche Spannung entnommen «-erden kann. Die Beanspruchung
solcher Transformatoren während des Anlaßvorganges ist aber ungleichmäßig und ungünstig.
Der Motor verlangt zunächst hohen Strom bei kleiner Spannung, mit wachsender Drehzahl
dagegen abnehmenden Strom bei steigender Spannung. Der Transformator muü daher in
den Anfangsstufen große Kupferquerschnitte erhalten, die nur zu Beginn der Anfahrt
voll belastet sind, während das in den höheren Stufen enthaltene Wickelkupfer nicht
mit herangezogen wird; umgekehrt ist auf den höheren Stufen der Strom kleiner, der
große Kupferquerschnitt der unteren Stufen wird nicht ausgenutzt. Ferner ist bei
Benutzung der unteren Stufen die Streuung verhältnismäßig groß, weil die Sekundärwicklung
nur zum Teil, die Primärwicklung dagegen voll unter Strom steht. Man ist daher gezwungen,
die Sekundärspulen unter sich -zu verschachteln und komplizierte, schwere und viel
Raum beanspruchende Schaltschienen dazwischen anzubringen.
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Es ist bereits eine Schaltung bekannt, bei der die geschilderten Nachteile
dadurch vermieden werden, daß die Motoren in zwei Gruppen aufgeteilt und beide Gruppen
symmetrisch von beiden Enden der Sekundärwicklung aus geschaltet werden. Vertauscht
man überdies auf der mittleren Stufe die Verbindungen zwischen den Schalter- und
Motorgruppen, so erhält man bei gleicher Sch-alterzahl eine bedeutend höhere Zahl
von Schaltstufen. Diese Schaltung ist aber nur dann geeignet, -,nenn eine gerade
Zahl Motoren vorhanden ist und diese in zwei Gruppen unterteilt werden können. Es
kommen aber auch Fälle vor, wo die Zahl der Motoren ungerade ist (z. B. drei) oder
wo die (in gerader oder ungerader Anzahl vorhandenen) Motoren in einer einzigen
Gruppe in Reihe geschaltet «-erden sollen. Hierfür eignet sich die nachstehend beschriebene
Schaltung.
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Das Wesen der Neuerung besteht darin, daß die Stufenwicklung des Transformators
in zwei symmetrische Wicklungshälften zerlegt ist, A Bund C D (Abb.
i). Beide haben Anzapfungen; beispielsweise ist nach Abb. i dieWicklung
A B mit den Anzapfungen i bis 7 versehen, die Wicklung C D mit den
Anzapfungen i i bis 17. Der Wickelsinn ist dabei derart, -daß die Spannung
in der einen Wicklungshälfte die gleiche Richtung hat wie in :der anderen, beispielsweise
von B nach A und von D nach C. An das Wicklungsende B
ist ein Gleitkontakt
E angeschlossen, der an den Anzapfungen i i bis 17 der Wicklung
C D
entlang läuft, ebenso an Wicklungsende C ein Gleitkontakt F, der an den
Anzapfungen i
bis 7 der Wicklung A B entlang läuft. Die Motoren
1V11, !W- usw. können in beliebiger Zahl vorhanden und in beliebigen Gruppen
geschaltet sein, ihre Anordnung bleibt während des ganzen Schaltvorganges unverändert.
In der Abb. i sind beispielsweise sechs Motoren angenommen, geschaltet in drei parallelen
Gruppen von j e zwei Motoren in Reihe. In den nachfolgenden Abbildungen ist der
Einfachheit halber immer nur ein einziger Motor dargestellt.
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Die Enden des Motorstromkreises sind zu zwei Umschaltern G
und H geführt. Zu Beginn des Anlaßvorganges (Abb. 2) wird Umschalter G an
den Endpunkt C der Wicklung C D und Umschalter H an den Endpunkt
B der Wicklung A B gelegt. Um nun die unterste Schaltstufe zu erhalten,
wird der mit B verbundene Gleitkontakt E auf die Anzapfung i i von C D gestellt
und der mit C verbundene Gleitkontakt F auf die Anzapfung i von A B. Der
Stromkreis der Motoren ist dann über zwei parallele Wege geschlossen, von Umschalter
H ausgehend einmal über Anzapfung i, Gleitkontakt F und Endpunkt C, das andere Mal
über Endpunkt B, Gleitkontakt E und Anzapfung i i, ebenfalls zum Punkt C, dann gemeinsam
weiter zum Umschalter G.
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Um höhere Spannungen an dem Motorstromkreis zu erhalten, werden die
Gleitkontakte E und F stufenweise weiterbewegt. In Abb. 3 beispielsweise ist Gleitkontakt
E auf Anzapfung 1 ¢ und Gleitkontakt F auf Anzapfung 4 gelangt. Der Motorstromi
fließt dann durch den Transformator wieder auf zwei parallelen Wegen, von Umschalter
H ausgehend einmal über den Wicklungsabschnitt B-4 zu Anzapfung 4, Gleitkontakt
F, Endpunkt C, das andere Mal über Gleitkontakt E, Anzapfung 14, Wicklungsabschnitt
i4-C, Endpunkt C; beide Teilströme (je i/2) vereinigen sich hier und gehen über
Umschalter G. Die Spannung am Motorstromkreis entspricht derjenigen des Wicklungsabschnittes
B-4 bzw. der ebenso großen Spannung des zum ersten parallel liegenden Wicklungsabschnittes
i4-C. Beide Wicklungsabschnitte des Transformators werden also nur je mit der Hälfte
des Motorstromes belastet. Die Gleitkontakte E und F werden nun stufenweise weiterbewegt.
Schließlich gelangt (Abb.4) Gleitkontakt E auf Anzapfung 17 (Endpunkt D) und Gleitkontakt
F auf Anzapfung 7 (Endpunkt A) . Dann sind beide Wicklungshälften in vollem Umfang
parallel geschaltet, der Motorstrom geht zur Hälfte durch die Wicklung
BA, zur Hälfte durch DC; gleichzeitig hat die Spannung am Motorstromkreis
die Hälfte ihres Höchstwertes erreicht. In dieser Stellung wird nun (Abb. 5) der
Umschalter G von Endpunkt C auf Endpunkt D umgelegt. Die Umschalter sind so eingerichtet,
daß sie in der Mittellage beide Kontakte gleichzeitig berühren, was ohne weiteres
zulässig ist, da sie j a auf dieser Schaltstufe gleiches Potential haben, so daß
die Umschaltung ohne Stromunterbrechung vor sich geht.
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Um die Motorspannung weiter zu steigern, werden nun die Gleitkontakte
E und F wieder zurückbewegt. In Abb.6 beispielsweise ist Kontakt E auf Anzapfung
13, Gleitkontakt F auf Anzüpfung 3 gelangt. Der Motorstrom i fließt jetzt, .von
Umschalter H ausgehend, zunächst in voller Stärke über den Abschnitt D-13 der Wicklung
CD; dann teilt er sich, die eine Hälfte (i/2) geht durch den Wicklungsabschnitt
13-C, Gleitkontakt F und Anzapfung 3, die andere Hälfte (i12) geht durch Anzapfung
13, Gleitkontakt E und Wicklungsabschnitt B-3. Hier vereinigen sich beide Teilströme
wieder und fließen gemeinsam in der vollen Stärke (i) durch den Abschnitt 3-A der
Wicklung AB und weiter zum Umschalter G. Die Spannung des Motorkreises ist
hierbei gleich der Summe aus der Spannung D-13, der Spannung der parallel liegenden
Abschnitte 13-C bzw. B-3 und der Spannung 3-A.
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Abb. 7 zeigt endlich die höchste und letzte Schaltstufe. Der Kontakt
E ist auf Anzapfung i i gekommen, der Kontakt F auf Anzapfung i, es sind somit die
Endpunkte B und C unmittelbar durch zwei parallele Stromwege über die Kontakte E
und F verbunden. Der Motorstrom (i) fließt in voller Stärke durch die ganze Wicklung
D C, tritt von C nach B,
durchfließt dann die ganze Wicklung
BA und geht zum Urischalter G. Die Spannung des Motorkreises entspricht der
Summe der Spannungen von AB und CD.
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Man erkennt hiernach die günstige Belastungsweise der Wicklung. Bei
den niedrigen Stufen mit den hohen Anfahrströmen sind die jeweils eingeschalteten
Abschnitte beider Wicklungen parallel geschaltet. Bei der mittleren Stufe (Abb.
4 bzw. 5) sind beide Wicklungen voll eingeschaltet, nach wie vor aber nur je mit
dem halben Strom belastet, das ganze vorhandene Wickelkupfer ist also ausgenutzt.
Bei dem gewöhnlichen Stufentransformator üblicher Bauart würde auf dieser Stufe
nur die Halbe Wicklung eingeschaltet sein, dafür mit dem vollen Motorstrom belastet,
und die Stromwärmeverluste wären doppelt so hoch.
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Erst von den höheren Stufen ab wird von jeder Wicklung ein Teil mit
dem vollen Motorstrom belastet, der übrige Teil aber nach wie vor nur mit dem halben
Strom.
Dabei bleiben gerade die den unteren Stufen entsprechenden
Wicklungsabschnitte bei B bzw. C, die von Anfang an eingeschaltet waren, am längsten
nur mit dem halben Strom belastet, sie erhalten den vollen Strom erst bei den letzten
Stufen, während die äußeren, an A1 bzw. D grenzenden Abschnitte zwar als
erste den vollen Strom aufzunehmen haben, dafür aber vorher nur kurze Zeit eingeschaltet
waren. Auf diese Art gleicht sich die Belastung der einzelnen Stufenabschnitte in
vorteilhafter Weise aus.
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Auch für die Streuung ist diese Belastungsweise günstig. Statt eines
einzigen, mit dem vollen Strom belasteten Wicklungsabschnittes bei den bisher üblichen
Stufentransformatoren sind hier zwei mit je dem halben Strom belastete und symmetrisch
liegende Abschnitte vorhanden. Auf der mittleren Schaltstufe ist bereits die ganze
Wicklung eingeschaltet, und auf den höheren Stufen kommt gewissermaßen nur in den
äußeren Abschnitten jeweils der halbe Strom hinzu. Die Verteilung der Amperewindungen
über die Schenkellänge ist also jedenfalls viel gleichmäßiger. Die Kontakte E und
F führen hier nur den halben Strom des Motorkreises gegenüber dem vollen Strom bei
den üblichen Stufentransformatoren. Ebenso sind die Anzapfungen nur für den halben
Strom zu bemessen. Bei sieben Anzapfungen an jeder Wicklung, also vierzehn Anzapfungen
insgesamt, erhält man dreizehn Spannungsstufen; dadurch, daß die Kontakte E und
F zunächst vor- und dann wieder zurückgeschaltet werden, wird jede Stellung gewissermaßen
zweimal ausgenutzt. Man erhält bei dieser Schaltung ohne weitere Maßnahmen die gleichen
Verhältnisse wie beim üblichen Stufentransformator in Verbindung mit Stromteiler
und paarweise arbeitenden Schaltern.
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Man kann, ohne :die Zahl der Anzapfungen zu vergrößern, die Zahl der
Schaltstufen annähernd verdoppeln, wenn die Kontakte E und F nicht gleichzeitig,
sondern wechselweise verschoben werden. Da hierbei abwechselnd kleinere und größere
Spannungen parallel geschaltet werden würden, wird zweckmäßig in die VerbindungsleitungenBE
bzw. C F ein kleiner Ausgleichstransformator I( geschaltet gemäß Abb. B. Bei
n Anzapfungen ergeben sich 2 n - 3 Schaltstufen, beispielsweise, wie in Abb.
S angenommen, bei zehn Anzapfungen siebzehn Stufen. Der Ausgleichstransformator
hat halb soviel Leistung wie beim bisher üblichen Stufentransformator ein Stromteiler
bei paarweise arbeitenden Schaltern unter sonst gleichen Umständen. Wird beim Übergang
von einer Stufe auf die nächste ein Kontakt (z. B. E) vorübergehend geöffnet, so
bleibt der Stromweg über den anderen Kontakt (z. B. F) bestehen, der Ausgleichstransformator
wirkt dann in dem Augenblick drosselnd wie der übliche Stromteiler, aber auch nur
halb soviel.
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Die Gleitkontakte E und F können bei der ,praktischen Ausführung durch
Schützen, Nockenschalter o. dgl. ersetzt werden. Statt des einen Schalters können
auch in an sich bekannter Weise jeweils zwei Schalter paarweise in Verbindung mit
Stromteilern verwendet werden. Der Ausgleichstransformator IL kann eine Zusatzwicklung
erhalten, die beim Übergang von einer Schaltstufe zur nächstfolgenden von einer
besonderen kleinen Schaltergruppe, einem Feinregler o. dgl., eine Spannung zugeführt
erhält, die von einem anfänglichen Höchstwert durch Null hindurch zu einem gleich
großen Endwert entgegengesetzter Richtung geregelt wird, um Schaltstöße zu vermeiden.
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Im allgemeinen ist es erwünscht, daß die unterste Schaltstufe nicht
die Spannung Null, sondern einen höheren Wert besitzt. Die beiden Wicklungen
AB und CD werden dann gemäß Abb. y so bemessen, daß die Abschnitte
B-i bzw. C-i I die gewünschte Mindestspannung haben und ohne Zwischenanzapfungen
bleiben. Dia die Kontakte E und F sowohl auf niedrigsten als auch auf der höchsten
Schaltstufe die gleiche, in Abb. 9 wiedergegebene Stellung haben, bleiben die Abschnitte
B-i und C-i i stets, auch auf der höchsten Stufe, parallel geschaltet und können
dementsprechend kleineren Querschnitt erhalten. Die Höchstspannung entspricht dann
der Summe aus den Spannungen der Abschnitte A-i, i-B bzw. C-i i und i i-D.
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Da die Stellung der Kontakte E und F, wie erwähnt, auf der höchsten
Stufe die gleiche ist wie auf der niedrigsten, brauchen die Kontakte beim Ausschalten
nicht zurück-,gestellt zu werden, es genügt vielmehr, nachdem der Motorstrom durch
Öffnen dieser Kontakte oder auch durch besondere Schalter (Hauptschalter, Automat
o. dgl.) unterbrochen ist, die Umschalter G und H (stromlos) in ihreAnfangs-stellung
zurückzubringen.
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Es sind bereits Stufentransformatoren bekannt, deren Sekundärwicklung
aus zwei symmetrisch ausgebildeten Hälften besteht, die gemeinsam zur Speisung eines
Motors bzw. einer Gruppe von Motoren dienen. Die Schaltweise dagegen ist von derjenigen
der vorliegenden Erfindung wesensverschieden. Auf jeder Schaltstufe ist immer nur
eine Anzapfung der einen Wicklungshälfte mit einer Anzapfung der anderen Wicklungshälfte
durch die Schaltkontakte verbunden, so daß beide Hälften bzw. deren Abschnitte stets
in
Reihe geschaltet sind. Eine Aufteilung des Motorstroms auf beide
Wicklungshälften findet nicht statt, ebenso wird jeder Schaltkontakt an der zugehörigen
Wicklungshälfte 'während des Regelvorganges nur einmal und nur in einer Richtung
entlang geschaltet. Es wird daher weder die bessere Ausnutzung des Wickelkupfers
noch die nahezu doppelte Anzahl Schaltstufen erreicht.