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Impedanzsteuerung von Regeltransformatoren Beim Betrieb von Wechsel-
oder Drehstromnetzverbänden, die aus zwei oder mehr verschiedenen, verwaltungsfremden
Netzen bestehen, tritt häufig die Notwendigkeit oder der Wunsch auf, die Leistungsflüsse
in den Kuppelleitungen zwischen den Netzen dauernd oder vorübergehend nach Fahrplänen
zu steuern. Bekanntlich kann man dies bei einfachen Anordnungen der Netze beispielsweise
durch das Fahrplansteuerverfahren erreichen, bei dem eines der Netze die Frequenz
im Netzverband konstant hält, während die übrigen Netza,; ihre Leistungserzeugung
so regeln, daß jedes den Energiefluß in einer der von ihm ausgehenden Kuppelleitungeil
konstant hält. Ein anderes bereits vorgeschlagenes Verfahren läßt die Netze die
von ihnen überwachten Leistungsflüsse nicht konstant halten, sondern nach geneigten
Drehzahl/Leistungskennli:nien steuern. Bei gleichbleibender Frequenz sind dann die
Leistungen ebenfalls konstant wie bei dem Fahrplansteuerv,erfahren; das ganze System
ist hierbei jedoch viel stabiler, und die Netze können außerdem betriebsmäßig unter
sich ganz gleichmäßig behandelt werden, da es nicht notwendig ist, ein Netz mit
der Frequenzhaltung zu betrauen, weil die Frequenz auch konstant bleibt, wenn alle
Netze gleichermaßen mit solchen geneigten Kennlinien arbeiten. Sind die Netze ringförmig
zusammengeschlossen oder miteinander vermascht, so kommt man, wenn man die Leistungsflüsse
in allen Verbindungsleitungen beherrschen will, bekanntlich nicht ohne Quertransformatoren
oder Drehtransformatoren oder ähnliche Einrichtungen in einem Teil der Kuppelleitungen
aus, weil mehr solche Leitungen als Netze vorhanden sind. Man hat dann bei Anwendung
eines der obenerwähnten Verfahren die Wahl, entweder jedes der Netze eine der von
ihm ausgehenden Leitungen überwachen zu lassen und in die übrigen Quertransformatoren
u. dgl. einzubauen oder aber die Netze die algebraische Summe der über ihre Grenzen
herein- oder hinausfließenden Leistungen, die Ein- oder Ausfuhren, steuern zu lassen
und statt der sich dann aus den Leitungsdaten ergebenden natürlichen Leistungsverteilung
mit Hilfe der Quertransformatoren u. dgl. eine den Wünschen entsprechende künstliche
Verteilung zu erzwingen. Im Grunde genommen läuft dies darauf hinaus, daß
man in dem Ring oder in den einzelnen Maschen durch die Quertransformatoren u. dgl.
Ringflüsse erzpugt, die sich
den natürlichen Leistungsflüssen überlagern;
da man Größe undRichtung dieser Ringflüsse beliebig wählen kann, hat man es, wie
eine einfache Überlegung zeigt, tatsächlich in der Hand, in jeder Kuppelleitung
die den vertraglichen Vereinbarungen entsprechende Leistung fließen zu lassen.
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Bisher wurden diese Quertransformatoren u. dgl. entweder ein für allemal
fest eingestellt oder aber durch selbsttätige Regler auf unveränderliche Durchflußleistung
gesteuert. Diese beiden Verfahren haben jedoch gleichermaßen den Nachteil, zu sehr
auf den ordnungsmäßigen Betriebszustand zugeschnitten und außergewöhnlichen Vorfällen
und allen Zustandsänderungen gegenüber zu wenig anpassungsfähig zu sein. Die Quertransformatoren
u. dgl. halten nämlich dabei, ganz unabhängig davon, ob nun der Netzverband als
Ganzes im Gleichgewicht ist oder nicht, starr einen unveränderlichen Ringstrom oder
einen ebensolchen Leistungsfluß in ihrer Leitung aufrecht. Dies kann, wenn sich
dieLeistungsverteilung im übrigen wegen der außergewöhnlichen Verhältnisse im Störungsfall
oder im Übergangszustand verschoben hat, leicht zu überlastung anderer Leitungen
und als Folge davon zu Abschaltungen und zum Auseinanderfallen des ganzen. Netzverbandes
führen. Dies wird später noch an einem Beispiel kurz erläutert werden.
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Ganz ähnlich liegen die Verhältnisse bei der Blindleistungsverteilung,
wenn hierbei auch häufig nicht der Austausch bestimmter Blindleistungen, sondern
die Konstanthaltung von Spannungen das Ziel der Regelung bildet. Längstransformatoren
rufen aber in geschlossenen Leitungskreisen ebenfalls Ringflüsse hervor, und zwar,
wenn die Leitungen vorwiegend Blindwiderstand besitzen und verhältnismäßig wenig
Ohmschen Widerstand haben, im wesentlichen Blindleistungsflüsse, während die Quertransformatoren
in der Hauptsache Wirkleistungsflüsse hervorrufen. Feste Einstellung der Längstransformatoren
oder Steuerung auf unveränderliche Spannung oder ebensolchen Spannungsunterschied
kann also in außergewöhnlichen Fällen zu ganz ähnlichen Nachteilen führen wie die
feste Einstellung der Quertransformatoren oder ihre Steuerung auf unveränderliche
Durchgangsleistungen. Überdies sind Längs- und Querregelung schon deswegen eng miteinander
verknüpft, weil die Leitungen stets sowohl Ohmschen Widerstand als auch Blindwiderstand
haben und Längs- und Ouertransformatoren daher sowohl die Wirli-' als auch die Blindleistungsverteilung
beeinflussen. Bei Kabeln wird bekanntlich sogar die Wirkleistungsverteilung im wesentlichen
durch Längstransfo-rmatoren bestimmt. Die folgenden Darlegungen beziehen sich daher
auf beide Arten von Transformatoren, wie sich dies später im einzelnen ergeben wird.
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Das-, Stenerverfahren gemäß der Erfindung soll die beschriebenen,
mit der bisherigen Steuerung der Quer- und Längstransformatoren verbundenen Nachteile
beseitigen und darüber hinaus, wie am Schluß noch dargelegt werden wird, die Betriebsführung
großer Netze, und Netzverbände einfacher und übersichtlicher gestalten. Sein Grundgedanke
besteht darin, die Regeltransformatoren durch selbsttätige Regler in Abhängigkeit
von der durch sie hindurchfließenden Leistung so zu steuern, daß sie wie eine an
ihrer Stelle in die Leitung eingebaute Impedanz bestimmter Größe wirken. Dadurch
wird die Gesamtimpedanz der Leitung, in die die Regeltransformatoren eingebaut sind,
auf einen bestimmten, von dem natürlichen abweichenden Wert gebracht, den man
-so wählt, daß im ordnungsmäßigen Betrieb die gewünschte Leistungverteilung
vorhanden ist. In außergewöhnlichen Fällen verhält sich dann die Leitung genau so
natürlich wie alle übrigen Leitungen und beteiligt sich nach Maßgabe ihrer durch
den Regeltransformator zwar veränderten, aber - dauernd oder nach einem Fahrplan
zeitweilig - unveränderlich gehaltenen Impedanz an der Energieübertragung.
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Dieser Grundgedanke tritt noch deutlicher hervor, wenn man zum Vergleich
ein Gleichstronisystein heranzieht und die in Abb. i dargestellte einfache Leitungsverzweigung
betrachtet, durch die ein Gleichstrom bestimmter Stromstärke i hindurchfließen soll.
Ein Regeltransformator ist dabei durch irgendeine zusätzliche Spannungsquelle ersetzt
zu denken. Wenn also in einem der parallelen Stromzweige, beispielsweise in der
Leitung i, ein Regeltransformator liegen soll, so ist an dessen Stelle in Abb. i
eine zusätzliche Gleichspannungsquelle, z. B. eine nicht näher bezeichnete Zusatzmaschine,
im Zuge dieser Leitung einzuzeichnen, deren Klemmenspannung durch Verstärkung oder
Schwächung der Erregung geändert werden kann. Auf den Erregerwiderstand arbeitet
ein selbsttätiger Regler R, der genau dem Regler entspricht, der dann in Wirklichkeit
die Spannung des Regeltransformators verstellen soll. Der Regler regelt nun erfindungsgemäß
die Klemmenspannung der Zusatzmaschine durch entsprechende Verstellung des Erregerwiders
tandes so, daß sie dem Strom il, der durch die Leitung i und die Zusatzmaschine
fließt, proportional ist. Das heißt mit anderen Worten, er drückt der Zusatzmaschine
eine Stromspannungscharakteristik auf, wie sie in Abb. 2 dargestellt ist. Die Zusatzmaschine
wirkt
dann wie ein Ohmscher Widerstand, dessen Spannungsabfall in Abhängigkeit vom Belastungsstromil
durch die gleiche Kennlinie wiedergegeben wird. Der Ohmsche Widerstand des Ankers
der Zusatzmaschine, als dessen Folge die Zusatzmaschine die in Abb. 2 gestrichelt
eingezeichnete Kennlinie haben soll, wird also gewissermaßen durch den Regler künstlich
vergrößert, und damit wird auch der Gesamtwiderstand der Leitung i erhöht. Es steht
auch nichts im Wege, den Widerstand der Zusatzmaschine und damit der Leitung i zu
verkleinern oder sogar negativ zu machen, indem man den Regler R der Maschine beispielsweise
die in Abb. 3
gezeichnete Charakteristik geben läßt. Bezeichnet man den auf
diese Weise erzwungenen Widerstand der Maschine mit 2, wobei Q = tg
a ist, wenn a den Neigungswinkel der Stromspannungscharakteristik gegenüber der
Abszissenachse i bedeutet, und bezeichnet man ferner die natürlichen Widerstände
der beiden Leitungszweige mit r, und r2, so ist il (ri + 2) == i2
r., so daß sich der aus den beiden Teilström#n i, und i, zusarn---cr,-#zpf-7tp Gesamtstrom
1 im Verhältnis
aufteilt. Ein nach Größe und Richtung ganz beliebiger Gesamtstrom i verteilt sich
also stets im gleichen Verhältnis auf die beiden Leitungszweige, genau so, wie wenn
diese nicht die Widerstände r, und r2, sondern die Widerstände r, + p und
r, hätten. Stellt man den Regler auf 2 =z o ein, so hat man die natürliche
Verteilung im Verhältnis wie wenn die Zusatzmaschine nicht vorhanden wäre. Macht
man 9 negativ, so führt die Leitung i einen größeren Anteil des Gesamtstromes,
als ihr von Natur aus zukommt. Läßt man p,=-rt werden, so hat die Leitung i scheinbar
gar keinen Widerstand mehr; il. wird gleich i und i,:= o, d. h., der Gesamtstrom
i fließt durch die Leitung 1, und die Leitung 2 ist stromlos. Wenn nun
9 im Negativen noch weiter vergrößert, also r, =z 2
ebenfalls negativ
gemacht wird, so verteilt sich der Gesamtstrom i sogar so auf die beiden Leitungen,
daß die Leitung i einen größeren Strom als i selbst führt und als Ausgleich hierfür
die Stromrichtung in der Leitung --, entgegengesetzt ist. Es -sei jedoch
ausdrücklich bemerkt, daß der Grundgedanke der Erfindung nicht etwa darin besteht,
derartige künstliche Stromverteilungen zu erzwingen. Sie lassen sich vielmehr bekanntlich
mit irgendeiner zusätzlichen Spannungsquelle Z)
ohne Regler auch einstellen,
da sie ja nichts anderes bedeuten als die Überlagerung eines Ringstroms in der Masche
über den von außen her durch die beiden Zweige der Masche hindurchfließenden Strom
i. Das Wesentliche an der Erfindung ist vielmehr, daß das Verhältnis, in dem sich
der Gesamtstrom auf die beiden parallelen Zweige verteilt, ganz unabhängig von dessen
Größe und Richtung immer dasselbe bleibt, wenn der Regler einmal eingestellt ist.
Wenn also beispielsweise der Gesamtstrom aus irgendeinem Grunde außergewöhnlich
große Werte anhimmt, so lassen die beiden Leitungen im gleichen Verhältnis mehr
Strom durch. Würde dagegen die Zusatzmaschine eine unveränderliche Spannung liefern,
wie es der eingangs erwähnten festen Einstellung der Regeltransformatoren entspricht,
so würde der Verteilungsschlüssel sich mit der Größe des Gesamtstroms ändern; die
eine Leitung würde also stärker überlastet werden als die andere. Noch ungünstiger
würden sich die Verhältnisse gestalten, wenn die Maschinenspannung durch einen Regler
R auf einen festen Wert des Stromes il gesteuert würde, wie es der eingangs erwähnten
Steuerung der Quertransformatoren auf gleichbleibende Durchflußleistung entspricht,
weil dann die ganze Zunahme, die der Gesamtstrom erfährt, in diesem Falle von der
Leitung 2 allein übernömmen werden müßte. Um zu erkennen, daß solche Strom- oder
Leistungsverteilungen im praktischen Betrieb, zu den eingangs bereits geschilderten
Unzuträglichkeiten führen können, braucht man sich beispielsweise nur vorzustellen,
daß in den beiden Leitungen einer Masche nach Art der in Abb. i dargestellten zwei
-gleich große Umspanner liegen und eine möglichst große Gesamtleistung entsprechend
dem Strom i in Abb. i über die Masche hinweg übertragen werden soll, daß also beide
Umspanlier im Normalbetrieb voll belastet seien. Wenn dann die übertragene Gesamtleistung
aus irgendeinem Grunde steigt, muß das Aufteilungsverhältnis i : i nach wie
vor beibehalten werden, sofern man nicht Gefahr laufen will, daß einer der Umspanner
vorzeitig wegen Überlastung abgeschaltet wird und dadurch dann den anderen Umspanner
sofort auch nach sich zieht.
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Bevor näher auseinandergesetzt wird, wie sich dieser der Einfachheit
halber zunächst an einem Gleichstioninetz erläuterte Grundgedanke der Erfindung
mit Hilfe von Regeltransformatoren in Wechsel- oder Drehstromnetzen verwirklichen
läßt, sei noch die energetische Seite derartiger Schaltungen mit künstlich vergrößerten
oder verkleinerten Widerständen gestreift. Da die energetischen Verhältnisse in
Wechsel- oder Drehstromsystemen zu verwickelt sind, als daß sie in Kürze dargelegt
werden können, soll dies wieder an einem Gleichstromsystem, und zwar an der in Anlehnung
an die Abb. i in
Abb- 4 schematisch dargestellten Leitungsanordnung
geschehen. Betrachtet sei dabei lediglich der besondere Fall, daß der Widerstand
der in die Leitung i eingeschalteten Zusatzinaschine so stark negativ gemacht werden
soll, daß er den natürlichen Widerstand der beiden vor und hinter der Maschine liegenden
Teile der Leitung i gerade aufhebt, den Gesamtwiderstand der Leitung i einschließlich
dem der Zusatzmaschine also zu Null macht, so daß zwischen den beiden Knotenpunkten
der Masche kein Spannungsunterschied besteht und die Leitung:2 daher stromlos ist.
Dieser Fall, bei dem also das Stromverteilungsverhältnis i./il == o oder i,li, ==
C\D ist, hat zwar keine große prakttische Bedeutung, eignet sich aber gut zur Darlegung
der Leistungsverhältnisse. Die Zusatzmaschine muß hierbei Leistung - von
außen in die Leitung i hineinliefern, um in Richtung des sie durchfließenden Stromes
eine Spannungserhöhung hervorzubringen. In Abb.4 ist angenommen, daß diese Leistung
der Zusatzmaschine ihrerseits durch ein8n Gleichstrommotor zugeführt wird, der mit
ihr mechanisch gekuppelt ist, und der selbst wiederum aus der Leitung i gespeist
wird. Sein einer Pol liegt dementsprechend an der Leitung i, der andere Pol an der
in der Abb. 4 unten gezeichneten Rück- oder 1#Tulleitung. Um der Betrachtung bestimmte
Vorstellungen zugrunde zu legen, ist angenommen, daß auf der linken Seite der Abb.
4 der Erzeuger, auf der rechten der Verbraucher liege. Der Antriebsmotor ist an
der erzeugerseitigen Bürste der Zusatzmaschine angeschlossen gezeichnet, damit die
Leistung, die er entnimmt, die Maschine nicht belaste; grundsätzlich könnte er aber
auch an der verbraucherseitigen Bürste oder auch an irgendeiner anderen Stelle der
Leitung r angeschlossen sein. Die rechnerische Untersuchung der Schaltung
nach Abb. 4, die hier nicht im einzelnen aufgeführt werden soll, ergibt nun für
ein bestimmtes Zahlenbeispiel folgendes Bild: Die Erzeugerspannung E, mit
der die Verbraucherspannung U übereinstimmen muß, da der Gesamtwiderstand
der Masche künstlich zu Null gemacht werden soll, sei -"5o V, und der Verbraucher
entnehme gerade. einen Strom von 5 A. Dann fließt, wenn der Wirkungsgrad
des aus Motor und Zusatzmaschine bestehenden Aggregats zu o,5 angenommen wird, dem
linken Knotenpunkt der Masche von der Erzeugerseite her der Strom 5,9:2
A zu, der ganz in die Leitung i einmündet und sich vor der Zusatzmaschine
in den durch die Leitung i zum Verbraucher hin weiterfließenden Strom von
5 A und den durch den Antriebsmotor zurückfließenden Strom von 0,92
A teilt. Der Spannungsabfall im linken Teil der Leitung, der genau wie der
-rechte Teil auch den Widerstand 2 Ohm haben soll, beträgt dabei 2 - 5,92
=- 11,8 V, und der Motor empfängt somit die Leistung (:25o - 11,8)
- o,92 == 218,4 W, die bei dein angenommenen Wirkungsgrad mit der Hälfte,
also mit i og, 2 W, an den Klemmen der Zusatzmaschine erscheinen muß. Deren Klemmenspannung
beträgt somit
V.. ihr scheinbarer Widerstand
Ohm. Im rechten Teil der Leitung i entsteht ein Spannungsabfall von 5-2=ioV. In
der Tat ist also der gesamte Spannungsabfall zwischen den beiden Knotenpunkten 11,8
+ io - 21,8 = o V, und es fließt deshalb durch die Leitung 2 tatsächlich
kein Strom. Geht nun der Verbraucher auf einen höheren Strom über, so daß beispielsweise
io A durch die Zusatzmaschine und den rechten Teil der Leitung i fließen,
und wird die Maschine weiter durch einen vom Belastungsstrom beeinflußten Regler
künstlich auf dem Widerstand - 4,36 Ohm gehalten, so daß ihre Klemmenspannung
dann -43,6V beträgt, so muß der Motor die Leistung 22 - 10
- 43,6 = 87:2 W zugeführt bekommen. Die Rechnung zeigt, daß dann seine
Stromaufnahme rund 3,9 A beträgt, weil die Spannung, an der er liegt,
250 - 2 - 13,9 = 222,2 V ist, so daß er tatsächlich die benötigte
Leistung von 2.2:2,2 - 3,9 - 87o W empfängt. Zwischen den beiden Knotenpunkten
der Masche besteht in diesem Falle der Spannungsunterschied 27,8 +
2,0 - 43,6 == 4,2 V. Durch die Leitung 2, fließt also, wenn
diese den gleichen natürlichen Widerstand wie die Leitung i, nämlich 4 Ohm, hat,
ein Strom von etwas mehr als i A, statt daß sie, wie eigentlich beabsichtigt,
stromlos ist, Es ergibt sich also, daß die Entnahme der für den Antriebsmotor und
die Zusatzmaschine benötigten ' Leistung aus der Leitung i die gewollte Stromverteilung
zwar beeinflußt, aber doch nur in einem für praktische Zwecke vernachlässigbaren
Maße. Man übersieht diese energetischen Verhältnisse am besten, wenn man den Einfluß
der Zusatzmaschine und des Antriebsmotors auf das Netz getrennt betrachtet: die
Zusatzmaschine wirkt als d >er negative künstliche Widerstand, der Antriebsmotor
als eine zusätzliche Netzbelastung, die genau wie eine Verbraucherlast an einem
Punkt der Leitung i angreift und nur die besondere Eigenschaft hat, sich mit dem
durch die Leitung fließenden Strom zu ändern. Daß in dem Falle, in dem ein gewöhnlicher
(positiver) künstlicher Widerstand erzeugt werden soll, aus dem Antriebsmotor ein
Generator und somit aus der zusätzlichen Netzbelastung eine zusätzliche
Energiequelle
wird; versteht sich von selbst. Da die Leistungen dieser zusätzlichen Belastung
bzw. Energiequelle nur in der Größenordnung der Netzleitungsverluste liegen und
somit im Vergleich zu der Gesamtnetzbelastung sehr wenig ausmachen, werden sie im
folgenden nicht mehr berücksichtigt. Nebenbei bemerkt, kann man übrigens die Zusatzmaschine
in der Leitung i auch unmittelbar neben einen der beiden Verzweigungspunkte der
Masche legen und den Antriebsinotor (bzw. Generator) dann in dem betreffenden Verzweigungspunkt
selbst oder unmittelbar dahinter an die vom Erzeuger kommende bzw. zum Verbraucher
hinführende Leitung anschließen. Denkt man sich beispielsweise den Antriebsmotor
(bzw. Generator) links von dem linken Verzweigungspunkt an die erzeugerseitige Zuleitung
gelegt, so verringert seine Leistungsaufnahme (bzw. erhöht' seine Leistungsabgabe
als Generator) lediglich die von der Erzeugerseite her der Masche zufließende Leistung,
beeinträchtigt also das Stromverhältnis innerhalb der Masche gar nicht mehr.
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Für Wechsel- und Drehstromsysteme gilt sinngemäß das Entsprechende.
Wie der Zusatzmaschine des vergleichsweise betrachteten Gleichstromsystems die im
Leitungszug liegende Hauptwicklung des Regeltransformators entspricht, so entspricht
dem Antriebsmotor die Erregerwicklung des Regeltransformators, die aus der Leitung,
meist aus einem Knotenpunkt der Masche, gespeist wird. Die Verhältnisse liegen nur
insofern bei Wechsel- oder Drehstrom verwickelter, als es sich dabei nicht nur um
Ohmsche, sondern im allgemeinen um komplexe Widerstände handelt.
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Dementsprechend ist auch die Anwendbarkeit des Erfindungsgedankens
auf Wechsel-und Drehstromsysteme mannigfaltiger. Um die Möglichkeiten nicht alle
einzeln aufzählen zu müssen, seien zunächst die beiden Hauptfälle betrachtet, aus
denen sich die allgemeinen Fälle dann herleiten lassen.
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Nimmt man erstens an, die Leitungen bestÜnden nur aus induktiven Widerständen,
und der Regeltransformatür solle einen künstlichen Blindwiderstand-darstellen, so
muß er, wenn er von einem Wirkstrom durchflossen wird, eine Querspannung, wenn er
dagegen von einem Blindstrom durchflossen wird, eine Längsspannung proportionaler
Größe erzeugen. Wird der künstliche Blindwiderstand negativ gemacht, so ist dies
gleichbedeutend mit der Einfügung einer künstlichen Kapazität. Wirk- und Blindleistung
verteilen sich dann auf die Leitungen einer aus zwei oder mehr Zweigen bestehenden
Masche nach Maßgabe ihrer aus natürlichen und künstlichen Blindwiderständen zusammengesetzten
Gesamtblindwiderstände. Man kann übrigens auch Wirk- und Blindleistung nach verschiedenen
Schlüsseln verteilen, indem man die Abhängigkeit der eingeführten Querspannung vom
Wirkstrom anders wählt als die Ab-
hängigkeit der eingeführten Längsspannung
vom Blindstrorn. Der künstliche Blindwiderstand zeigt dann nicht mehr das Verhalten
eines natürlichen Blindwiderstandes, wie beispielsweise das einer Drosselspule,
sondern das zweier Blindwiderstände, nämlich eines solchen bestimmter Größe, der
gewissermaßen nur für den Wirkstrom vorhanden ist, und eines zweiten Blindwiderstandes
anderer Größe, der nur für den Blindstrom vorhanden ist.
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Nimmt man nun zweitens an, die Leitungen bestünden nur aus Ohmschen
Widerständen und der Regeltransformator solle einen künstlichen Ohmschen Widerstand
darstellen, so muß er, wenn er von einem Wirkstrom durchflossen wird, eine Längsspannung,
wenn er von einem Blindstrom durchflossen wird, eine Querspannung proportionaler
Größe erzeugen. Daß dieser Widerstand auch negativ gemacht und für den Wirk- und
den Blindstrein verschieden groß, gewählt werden kann, versteht sich nach dein Gesagt
ten von selbst.
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Im allgemeinen Fall, in dem die Leitungen sowohl Ohmschen Widerstand
als auch positiven oder negativen Blindwiderstand haben und beide gleichzeitig künstlich
verändert werden sollen, werden die eben einzeln beschriebenen Verfahren miteinander
vereinigt. Wenn die gleiche Wirkung erzielt werden soll, wie sie eine natürliche
Impedanz hat, und wenn nicht für Wirk- und Blindstrom zwei verschiedenartige Impedanzen
vorgetäuscht werden sollen, so muß die eingeführte Querspannung aus zwei Teilen
gebildet werden, deren einer vom Wirkstroln nach Maßgabe des Blindwiderstandsanteiles
der ge-
wünschten künstlichen Impedanz und deren anderer vom Blindstrom nach
Maßgabe ihres Ohmschen Widerstandsanteiles abhängt; in gleicher Weise setzt sich
auch die Längsspannung aus iwei Teilen zusammen, deren einer durch den Wirkstrom
nach Maßgabe des Ohmschen Widerstandsanteiles der gewünschten künstlichen Impedanz
und deren anderer durch den Blindstrom nach Maßgabe ihres Blindwiderstandsanteiles
bestimmt wird. Die Gesamtspannung, die hiernach in die Leitung eingeführt -werden
muß, um künstlich die gewünschte Impedanz zu schaffen, braucht durch den Regeltransformator
keineswegs gerade auf die eben beschriebene Art und Weise aus Komponenten zusammengesetzt
zu werden; es gibt vielmehr sehr viele verschiedene
Möglichkeiten,
sie aus einzelnen Komponenten aufzubauen, da es in Wirklichkeit nicht auf diese
Komponenten, sondern nur auf die, Größe und Richtung der Gesamtspannung sowie darauf
ankommt, daß diese bei jedem Gesamtstrom dem Produkt aus dem Strom und dem gewünschten
Impedanzwert entspricht. Beispielsweise kann die Gesamtspannung aus zwei aufeinander
senkrecht stehenden Komponenten zusammengesetzt werden, von denen die eine nur vom
Wirkstrom, die andere nur vom Blindstrom beeinflußt wird. Diese Komponenten liegen
dann aber nicht in Richtung von Längs- und Querspannung (d. h. von Wirk-
und Blindstrom), sondern müssen um den Winkel der gewünschten künstlichen Impedanz
dagegen verdreht sein. Der Vorzug dieses Verfahrens liegt darin, daß die Regeleinrichtungen
sehr einfach werden: die eine Spannungskomponente wird durch einen Regler verändert,
der ausschließlich vom Wirkstrom beeinflußt wird, die andere durch einen Regler,
der ausschließlich vom Blindstrom gesteuert wird. Um die Größe der Impedanz zu ändern,
braucht man nur diese beiden Regler gleichzeitig so zu verstellen, daß sie bei einer
bestimmten Stromänderung eine andere (unter sich aber stets die gleiche) Spannungsänderung
hervorbringen. Dagegen wird sich der Impedanzwinkel bei diesem Verfahren, da Drehtransformatoreil
zur Erzeugung der beiden Spannungskomponenten ihrer Kosten wegen kaum in Betracht
kommen dürften, im allgemeinen nur stufenweise durch Umschaltung von Wicklungen
an den Regeltransformatoren ändern lassen.
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2 Will man sowohl die Größe als auch den Winkel der künstlichen
Impedanz im Betrieb leicht einstellbar machen, so wendet man beispielsweise eine
Anordnung nach Art der in Abb. 5 schematisch dargestellten an, die mit Spannungskomponenten
arbeitet, die in Phase mit der Netzspannung sind bzw. auf ihr senkrecht stehen und
von zwei getrennten Transfor niatoren, dem links gezeichneten Längstransforma,tor
3 und dem techts gezeichneten Quertransformator 4, geliefert werden. Die
(schwach ausgezog genen) Erregerwicklungen dieser Transformatoren sind dementsprechend
in Stern bzw. in Dreieck geschaltet. Die Regelung der Größe der eingeführten Längs-und
Querspannung erfolgt, wie üblich, durch verschiebbare Anzapfungen an den (stark
ausgezogenen) Hauptwicklungen der beiden Transformatoren. Diese Einstellvorrichtungen
werden über zwei Regler oder Verstärker 5 und 6 durch je einen
Wirkstrominesser 7a und 7b und je einen Blindstrommesser
% und 8b gesteuert, die bei geringeren Anforderungen an die Genauigkeit
oder wenn die Spannung auf derjenigen Seite der Transformatoren, auf der die Meßwerke
angeschlossen sind, konstant bleibt, durch Wirk-bzw. Blindleistungsmesser ersetzt
werden können. Der Ersatz der Strommesser durch Leistungsmesser wird übrigens auch
bei erheblichen Spannungsschwankungen praktisch fast immer zulässig sein, da es
ja nicht auf die genaue Einhaltung der künstlichen Impedanz, sondern auf eine einem
gewünschten Schlüssel annähernd entsprechende Leistungsverteilung ankommt. Wirkstrommesser
7a
und Blindstrommesser 8, wirken gemeinsam über den Regler oder Verstärker
5 auf die Längsspannung EL; Wirkstrommesser 7b und Blindstrommesser
8b wirken gemeinsam über den Regler oder Verstärker 6 auf die Querspannung
EQ. Dies geschieht über ein Steuerwerk, das beispielsweise, wie in Abb.
5 schematisch gezeichnet, aus den Verbindungsstangen 9 und io zwischen
den Zeigern der beiden Meßwerkspaare, zwei Hebelübersetzungen i i und 12 sowie zwei
Paar Kuppelstangen 13, 14 und 15, 16 besteht. Alle in der Abb. 5 durch nicht
ausgefüllte Kreise dargestellten Angriffspunkte sollen verschiebbar sein, während
einfache Gelenke durch ausgefüllte Kreise wiedergegeben sind. Die Angriffspunkte
der Stangen 13 und 14 an den Verbindungsstangen 9 und io sollen die Länge
der Stangen 9 und io im gleichen Verhältnis aufteilen, so daß, wenn c jeweils
den senkrechten Abstand der beiden Meßwerkszeiger voneinander bedeutet und wenn
a beim Meßwerk 7q, 8a und b beim Meßwerk 7b, 8b
den senkrechten
Abstand zwischen diesen Angriffspunkten und den Zeie-ern der Blindmeßwerke darstellt,
ist. Nach dem Vek-tordiagramm der Abb. 6
ist, wenn durch den Faktor
-j die Nacheilung eines Vektors um go' ausgedrückt und mit r der Ohmsche
Widerstand, mit s der Blindwiderstand der gewünschten künstlichen Impedanz
bezeichnet werden, -jW'r-ijB'S= Il#L, (I) -1B-r-iJw-S=EQ, (2) oder skalar, da +i-JB
die Richtung von j
+ fw bzw. und + j J
W die Richtung von - iB bzw. & hat, lw-r+ IB -
s -EL, (3)
1.8 - 7, - JW * s - EQ.
(4) Aus dieser Gleichung folgt, daß die Längsspannung sich aus Wirk- und Blindstromanteil
gleichsinnig, die Querspannung jedoch gegensinnig zusammensetzt. Dem ist bei der
Regelanordnung nach Abb. 5 dadurch Rechnung
getragen, daß
Wirkstrommesser 7a und Blindstrommesser 8" gleichsinnig geschaltet sind,
während der Wirkstrommesser 7b gegensinnig zum Blindstrommesser
8b angeschlossen ist. Damit nun Wirk- und Blindstrom im richtigen Maße auf
die Längs- und die Querspannung einwirken, muß
sein, wenn it und v das an den Hebelübersetzungen regelbare Verhältnis zwischen
den Bewegungen der Stangen 13 und 14 und den entsprechenden Veränderungen der Längs-und
Querspannung darstellen. Für die richtige Wiedergabe der gewünschten künstlichen
Impedanz müssen also die Gleichungen
und
erfüllt sein, woraus folgt, daß it==v und, wie bereits obenerwähnt und in der Abb.
5
gezeichnet, a =- c - b gemacht werden
muß. Die Abb. 5 bezieht sich auf den Fall, daß eine künstliche Impedanz erzeugt
werden soll, die - wie die Impedanzen von Freileitungen - einen großen
Blindwiderstands- und einen kleinen Ohmschen Widerstandsanteil aufweist. Man kann
aber mit der Einrichtung die Transformatoren auch jede andere nach Winkel und Größe
vorgegebene Impedanz hervorbringen lassen. Um den Winkel nach Wunsch einzustellen,
verschiebt man die Angriffspunkte der Stangen 13 und 14 auf den Verbindungsstangen
9 und io von der Mitte weg oder zu ihr hin. Betrachtet man den ersteren Fall
und denkt sich zunächst die Stangen 13 und 14 allmählich nach rechts wandernd,
so wird der Blindwiderstandsanteil immer größer und der Ohmsche Widerstandsanteil
immer kleiner. Wenn die Stangen dann an den rechten Instrumentenzeigern angekommen
sind, so ist der Widerstandsanteil überhaupt Null geworden, und es wird nur
noch ein künstlicher Blindwiderstand erzeugt, weil der Wirkstrorn nur noch eine
Querspannung, aber keine Längsspannung und umgekehrt der Blindstrom nur noch eine
Längsspannung, aber ke ine Querspannung mehr hervorbringt. Betrachtet man nun den
anderen Fall, daß die beiden Stangen 13 und 14 aus ihrer in Abb. 5 dargestellten
Lage nach links hin verschoben werden, so wird der Widerstandsanteil immer größer
und der Blindwiderstandsanteil immer kleiner. Wenn beide Stangen in den Mitten der
Stangen 9 und io angreifen, so ist der Ohmsche Widerstand gleich dem Blindwiderstand.
Gehen sie dann weiter nach links, so überwiegt der Ohmsche Widerstandsanteil den
Blindwiderstandsanteil, und dieser wird schließlich, sobald die Stange 13 beim Wirkmeßwerk
.7" und die Stange 1,4 beim Blindmeßwerk 8b angekommen sind, zu Null. Man kann also
durch Verschieben der Angriffspunkte jeden beliebigen Impedanzwinkel einstellen.
Da die Gleichungen (3) und (4) quadriert und addiert unter Beachtung der
Gleichung (7) zu der Beziehung
führen, ändert sich, wenn man den Impeda-nzwinkel anders einstellt, auch die Größe
der Impedanz mit. Die gewünschte Größe kann man aber durch Nachstellen an den Hebelübersetzungen
ii und 1:2 nach Belieben wählen. Handelt es sich, wie dies im praktischen Betrieb
meist der Fall sein wird, lediglich um die Einstellung einer anderen Impedanzgröße
bei unverändertem Impedanzwinkel, so kann man diese also auf einfache Weise an den
Hebelübersetzungen vornehmen. In Abb. 5 ist angedeutet, daß die Angriffspunkte
der Stangen 15 und 16 an den Hebetübersetzungen über die festen Drehpunkte hinaus
verschoben und damit auch ganz kleine Impedanzwerte bis herab zum Nullwert und negative
Impedanzwerte eingestellt werden können. Genau die gleiche Wirkung erhält
man auch durch Umschaltung aller vier Meßwerke auf entgegengesetzte Ausschläge.
Schaltet man nur den Wirkstrommesser 7,
und den Blindstrommesser
8b UM, so erhält man nach den Gleichungen (3) und (4) oder
(5) und (6) einen negativen künstlichen Ohmschen Widerstand. Schaltet
man dagegen den Wirkstrommesser 7b und den Blindstrommesser 8" um, so erhält
man einen negativen künstlichen Blindwiderstand, der wie eine Kapazität wirkt.
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Wenn man nun die Stangen 13 und 14 nicht mehr gleichsinnig zueinander
verschiebt und die Hebelübersetzungen ii und 12 nicht mehr gleichsinnig zueinander
verändert, so entstehen, wie bereits oben geschildert wurde, für den Wirkstrorn
andere Ohmsche Widerstände und Blindwiderstände, d. h. Impedanzen,
als
für den Blindstrom. Läßt man beispielsweise die Stange 14 in der in Abb.
5
gezeichneten Lage, während man den Angriffspunkt der Stange 13 auf den Zeiger
des Blindstrommessers 8, verlegt, so zieht eine Wirkstromänderung nur noch eine
Änderung der Querspannung, aber keine solche der Längsspannung mehr nach sich; 'eine
Blindstromänderung dagegen hat sowohl eine Querals auch eine Längsspannungsänderung
zur Folge. Es ist also- mit anderen Worten für den Wirkstrom kein künstlicher Ohnischer
Widerstand, sondern nur ein künstlicher Blindwiderstand, für den Blindstrom aber
außer einem künstlichen Blindwiderstand auch ein künstlicher Ohnischer Widerstand
vorhanden. Dieses Beispiel mag genügen, um die mannigfaltigen Möglichkeiten anzudeuten,
die sich bei verschiedener Einstellung der Steuerwerke durch die Anordnung nach
Abb. 5 erzielen lassen.
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Es wurde bereits erwähnt, daß die Anordnung nach Abb. 5 nur
ein Ausführungsbeispiel für den Erfindungsgedanken darstellt und sehr viele andere
Ausführungsformen denkbar sind. Man kann u. a. beispielsweise auch mit zwei Meßwerken
auskommen, indem man ihre Ausschläge mit Hilfe einfacher Hebelwerke je nach
Bedarf noch einmal richtig oder spiegelbildlich abbildet. Ferner läßt sich das Verhältnis,
in welchem Wirk-und Blindstrom auf die Regler einwirken, auch dadurch verändern,
daß man die Instrumentenkonstanten, etwa durch Vorschaltwiderstände, verändert.
Auch selbsttätige Neueinstellungen mit Hilfe von Fahrplanapparaten, die aus einem
Uhrwerk und einer von diesem angetriebenen Schablone bestehen, können in Betracht
kommen. Erwähnenswert erscheinen weiterhin noch solche Regelanordnungen, bei denen
man sich nicht darauf verläßt, daß die Regler oder Verstärker eine ihrer Beeinflussung
dui:ch das Steuerwerk proportionale Quer- oder Längsspannungsänderung hervorbringen,
sondern sie gewissermaßen damit beauftragt, selbst für die Proportionalität zu sorgen,
auch wenn beispielsweise keine lineare Abhängigkeit zwischen dem Weg der Einstellvorrichtungen
an den Längs- und Otiertransformatoren und den dadurch bewirkten Längs- und Querspan-:
nungsänderungen besteht. In diesem Falle verwendet man zweckmäßigerweise keine Regler
mit starrer Rückführung, die (im Endzustand) wie Verstärker wirken, sondern Regler
mit nachgiebiger Rückführung und gibt ihnen überwachungsorgane, die die
je-
weilige Quer- bzw. Längsspannung feststellen. Diese Meßwerke für die Zusatzspannungen
wirken neben den Strommeßwerken auf die Regler so ein, wie es Abb. 7 veranschaulicht,
die einen für diesen Zweck verwendeten hydraulischen Regler üblicher Bauart mit
Ölkatarakt als nachgiebiger Rückführung schematisch darstellt. Diese Rückführung
ist nur im ersten Teil des Regelvorgangs wirksam; wenn sie im Lauf der Zeit verschwindet,
wird die Lage des Punktes 17 durch das Meßwerk für die Zusatzspannung bestimmt,
so daß im Endzustand, in dem sich das Steuerventil und damit der Punkt 18 wieder
in seiner Mittellage befindet, für genaue Proportionalität zwischen Strom und Zusatzspannung
gesorgt ist.
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Will man jedoch keine so hochwertigen und deshalb auch teueren Regler
verwenden sondern sich z. B. mit einem Elektromotor als Servomotor begnügen und
auch die Anzapfungen am Zusatztransfortnator nicht so fein unterteilen, daß man
die Regelung als stetig ansehen kann, so wird man langsamer als bei eben dem betrachteten
hydraulischen Regler vorgehen müssen. Aber auch hier muß, wenn die Regelgeschwindigkeit
nicht allzu klein werden soll, eine der Rückführung des hydraulischen Reglers ähnliche
Einrichtung vorhanden sein, die die Wirkung der Verstellung der Zusatzspannung laufend
überwacht und so verhindert, daß die Regelanordnung über das Ziel hinausschießt.
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Ganz allgemein ist schließlich über die Regler noch zu sagen, daß
man, wie dies bei Reglern von Regeltransformatoren zur Vermeidung von Pendelungen
überhaupt empfehlenswert ist, die Umschaltungen an den Regeltransformatoren zweckmäßigerweise
mit einer gewissen Zeitverzögerung und einer gewissen Unempfindlichkeit vornehmen
läßt.
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Auch die Reg#Itransformatoren können, wie ebenfalls schon kurz erwähnt
wurde, anders, als in Abb. 5 dargestellt, geschaltet od-er auch z. B. als
gewöhnliche Umspanner mit regelbarem Übersetzungsverhältnis, z. B. zur Einführung
von Längsspannungen oder als Drehtransformatoren, Schubtransformatoren, Induktionsumformer
usw., ausgebildet sein. Einen Sonderfall für die Anwendung des Erfindungsgedankens
und einer Regelanordnung nach Art der in Abb. 5 gezeichneten oder der eben
kurz beschriebenen stellt die Kupplung zweier Netze über Synchron-Synchron-Uniformer
dar, bei denen die Erregeranordnung ein Drehen des fiktiven Läuferfeldes gegen den
Läufer und damit die Steuerung der Leistung im Parallelbetrieb und vorübergehend
auch einen asynchronen Betrieb gestattet. Solche regelbaren oder äsynchronisierten
Synchron-Synchron-Umformer führen in den Leitungszug, in den sie eingeschaltet sind,
ebenfalls Quer- und Längsspannungen ein, und zwar wird die Querspannungsänderung
durch Drehen des fiktiven Läuferfeldes
mittels eines Wirkleistungssteuers,
das das Stromverhältnis in den einzelnen Phasen der mehrphasig ausgebildeten Erregeranordnung
zu verändern gestattet, und die Längsspannungsänderung durch Erregungsänderung hervorgebracht.
Man kann daher durch Regelanordnungen der beschriebenen Art dem Umformer ebenfalls
die Eigenschaften einer nach Größe und Winkel einstellbaren Impedanz verleihen und
demgemäß auch die Wirk-und Blindleistungsverteilung auf zwei oder mehrere parallele
Leitungen, in. denen solche Umformer eingeschaltet sind, nach bestimmten Schlüsseln
vor sich gehen lassen. Dies gilt selbstverständlich auch dann, wenn die Umformer
zwei Netze verschiedener Frequenz und Stromart, wie beispielsweise ein Drehstromnetz
von 5o Hz und ein Einphasenbahnnetz von 161/3 Hz, miteinander kuppeln, wenn also
die Leitungszüge, in denen die Umformer liegen, zum Teil Drehstrom-, zum Teil Einphasenleitungen
sind.
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Zum Schluß sei noch besonders darauf hingewiesen, daß "die Impedanzsteuerung
von Regeltransformatoren, Umformern u. dgl. außer dem eingangs bereits angeführten
Vorteil größerer Anpassungsfähigkeit in außergewöhnlichen Fällen und bei Störungen
auch im normalen Betrieb eine viel größere Bewegungsfreiheit und Übersichtlichkeit
gibt. Man muß sich nämlich vergegenwärtigen, daß Regeltransformatoren, die, wie
bisher üblich, fest eingestellt sind oder auf konstante Wirk-und Blindleistung regeln
sollen, von den Daten des Leitungsringes oder der Leitungsmasche abhängen, in die
sie eingeschaltet sind: eine Quer- oder Längsspannung be-
stimmter Größe,
die der Regeltransformator in den Ring einführt, zieht je nach dessen Gesamtimpedanz
ganz verschiedene Wirk-und Blindströme nach sich. Will man also eine bestimmte Wirkung
hervorbringen, so hat man sich nach den Daten der Ringleitung zu richten. Man schaltet
die Regeltransforinatoren zu diesem Zweck häufig so, daß sie zwei aufeinander senkrechtstehende
Spannungskomponenten liefern, deren eine um den Winkel der gesamten Ringimpeäanz
gegen die Phasenspannung versetzt ist. Dann bringt die eine Komponente einen Wirk-,
die andere einen Blindstrom hervor, solange der Ring die zugrunde. gelegten Eigenschaften
beibehalten hat. Wird aber nun die Netzschaltung und damit die Ringirnpedanz geändert,
so eritstehen bei einer Vergrößerung oder Verkleinerung jeder der beiden Spannungskomponenten
sowohl Wirk- als auch Blindströme. Wirk- und Blindleistungsregler beeinflussen sich
also wechselseitig, was zum mindesten Unruhe ins Netz bringt, u. U. aber
sogar die Regelung überhaupt unmöglich machen kann. Handelt es sich nicht nur um
einen Ring, sondern um ein verwickeltes Netzgebilde mit vielen parallelen Stromzweigen
und Maschen, so ruft jeder Regeltransfortnator in allen Schleifen, die über ihn
durch die Leitungen des Netzes gelegt werden können, je nach deren Gesamtimpedanzen
Wirk- und Blindströme hervor, die sich in ihm einander überlagern. Daß dann eine
Regelung nach den bisherigen Verfahren so gut wie ausgeschlossen ist und jeder Überblick
darüber verlorengeht, welche Folgen irgendeine Änderung des Schaltzustandes des
Netzgebildes nach sich zieht, bedarf keiner näheren Erläuterung. In allen diesen
in Zukunft voraussichtlich immer häufiger werdenden Fällen verdient die Impedanzregelung
den Vorzug, weil man dabei mit den Regeltransformatoren wegen ihres dem natürlichen
ganz ent-« sprechenden Verhaltens genau so wie mit Leitungen, Umspannern usw. rechnen,
die Leistungsverteilung somit leicht übersehen und sich darauf verlassen kann, daß
bei Netzschaltungen oder Störungen keine unzulässigen Lastverschiebungen und Ringflüsse
auftreten.
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Wird das Netz mit Hilfe eines Richtvektors nach denjenigen Winkeln
(»Deklinationen« oder »Drehungen«) gesteuert, die die Netzvektoren mit dem Richtvektor
einschließen, so bestimmt ein Regeltransformator oder Umformer, der auf einen Impedanzwert
gesteuert wird, den Leistungsaustausch zwischen zwei Punkten, deren Spannungsvektoren
durch Winkelregler in einer festen Phasenlage zum Richtvektor (d. h. auf
konstanter »Deklination« oder »Drehung«) gehalten werden. Impedanzgesteuerte Regeltransformatoren
oder Umformer dienen also in so geregelten Netzen nicht nur zur Einstellung einer
bestimmten Leistungsverteilung auf zwei oder mehrere parallele Zweige, sondern unmittelbar
der Leistungsregelung selbst, auch wenn es sich dabei nur um eine einzige Leitung
handelt.