-
Anordnung zum Einstellen der Stromphase eines Verbrauchers, vorzugsweise
eines solchen mit geringem Energieverbrauch, gegenüber der Spannungsphase der Stromquelle
In vielen Fällen ist es erwünscht, die Stromphase des Verbrauchers in einem Wechselstromkreis
gegenüber der Spannungsphase der ihn speisenden Stromquelle beliebig v#erändern
zu können. Diese Aufgabe liegt z. B. vor, wenn mittels eines in einen Wechselstromkreis
eingeschalteten elektrisch betriebenen Synchronschalters, vorzugsweise eines Zung
gengleichri,chters, durch beliebi ge s Einstellen der Phasenlage seiner Erregung
nur die dieser Phasenlage entsprechenden Teile der Stromkurve dem Verbrauchex zugeführt
werden sollen; dabei soll die Verstellmöglichkeit nach. beiden Richtungen am#ähernd
go' betragen. Die für diesen Zweck bisher üb-
lichen. Drehtransformattoren
benötigen zum Betrieb, ein Drehstromnetz, wenn man nicht das für den Drehtransforraater
erfarderliche Drehfeld durch eine besondere Kunstschaltung erzeugen -,vill.
-
Andererseits sind Brückehsch#Itungen zur Phaseneinstellung bekannt,
bei denen die beiden Brückenzweige einerseits aus zwei Ohrnschen Widerständen und
anderexseits aus einem Oluns,chen und einem induktiven oder kapazitiven Widerstand
bestehen, wobei mindestens einer von diesen einstellbar ist. Wenn die Aufgabe vorliegt,
mit diesen bekannten Schaltungen die Stromphase eines Verbrauchers gegenüber der
Spannungsphase der Stromquelle in den Grenzen von o bis i8o' zu regeln, so ist dies
in den Grenzbezirken praktisch nicht ausführbar, da hierfür Widerstände erforderlich.
wären, die in den. Grenzen von o bis co geregelt werden müßten.
-
Man hat nun vorgeschlagen, diesen übelstand dadurch zu vermeiden,
daß die verlangte Gesamtphasendrehung durch. Vereinigung mehrerer solcher Schaltung-en
zur Phasendrehung entsprechend aufgeteilt wird, so daß jede dieser Einzelscbaltungen
nur einen Teil der gesamten Phasiendrehung bewirkt. Zu diesem Zweck können z. B.
zwei Brücken dieser Art in Kaskadenschaltung angeordnet werden, dergestalt, daß
die zweite Brücke in den Diagonalzweig der ersten gelegt wird. Eine solche Anordnung
hat aber folgende Nachteile: Zum Einstellen der Phasenlage sind zwei voneinander
unabhängige R#geleinrichtungen erforderlich, die beliebig gleichzeitig oder nacheinander
betätigt werden können. Außerdem ist zu beacliten, daß bei derartigen Brückenschaltungen
der Verbrauch im Diagonalzweig klein sein muß im Vergleich zu dem Verbrauch in dem
festen Brückenzweig. Bei der 'Kaskadenschaltung liegt aber die zweite Brücke im
Diagonalzweig der ersten,
so daß der Verbrauch im Diagonalzweig
der zweiten Brücke wiederum klein sein muß gegenüber dem Verbrauch in dem Diagonalzweig
der ersten. Infolgedessen ist ein,6 solche Anordnung nur unter Zwis-chetp#,#. schaltunL-
von VerEtärkern ausführbar.
| Demgegenüber wird gemäß der Eifin |
| 4D aw |
ein neuer Weg zur Lösun-der Aufgabe, die Stromphase eines Verbrauchersgegienuher
der Spannungsphase der Stromquelle beliebig einzustellen, angegeben unter Verwendung
einer von der Stromquelle gespeisten Brückenschaltung, deren zwei Parallelzweige
einerseits durcli eine Induktivität und eine Kapazität, andererseits durch die von
einer verschiebbaren Kontaktvorrichtung abgegriffenen Teile eines Ohmschen Widerstandes
gebildet werden. Die- Erfindung besteht nun darin, daß die. Verbindungsleitung zwischen
der Kapazität und der Indukti#vität mit einem Punkte des Ohmschen Widerstandes unmittelbar
leitend verbunden, die parallel zum Ohmscheu Widerstand geschaltete Stromqu-.11,e
durch eine Anzapfung unterbeeilt und der Verbraucher einerseits an die Anzapfung
und anderers#eits an die verschiebbare Kontaktvorrichtung angeschlossen ibt. Vorzugsweise
verwendet man als Stromquelle eine durch eine Anzapfung in zwei Hälften unterteilte
Transf ormatonvicklung.
-
Die neue Schaltung hat den Vorteil, daß die Regelung nur an einem
einzigen Widerstand erfolgt. Unter der Voraussetzung, daß der Verbraucher eine Wirklast
darstellt, ist die Phasenverschiebung unabhängig von der Größe. des abgenommenen
Verbrauchs, sto daß die eingestellte Phasenverschiebung ohne weiter-es gegebenenfalls
an einer entsprechend ge-. eichten Teilung abgelesen werden kann.
-
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Schaltung ist in Fig.
i dargestellt. Die Brückenschaltung besteht aus der Kapazität i und der Induktivität
2 einerseits und dem durch den verschiebbaren Kontakt 4 unterteilten Ohmschen Widexstand
3 mit den Endpunkten i o und i i andererseits. Paxallel zu dem Ohmschen Widerstand
3 liegt die als Stromquelle dienende, durch eine Anzapfung 6 in der
Mitte unterteilte Sekundärwicklung eines * Transformatiors7. Der Verbrauclier
-wird an die Klemmen 8 und* 9 angeschlossen und liegt in dem durch
die Verbindung des verschiebbaren Kontaktes4 über die Verbindungsstelle-
5 zwischen Kapazität und Induktivität mit der Klemme8 einerseits und den
Anschluß der Klemme 9 an die -Anzapfung6 der Sekundärwicklung andererseits
gebildeten Nulleiter.
-
IR Fig. 2 ist das zugehörige. Vektordiagramm dargestellt, wobei angenommen
ist, daß die Widerstände i und 2 gleich groß sind. Auf der Grundlinie.
, o, , , ist die Sekundärspannung 2e aufgetragen, wobei der Halbierungspunkt
6 gleichzeitig der Verbraucherklemme 9 entspricht. Denkt man sich
nun den Vektor 6-4 um den Punkt 6 entsprechend dem Phasenverschiebungswinkel
9 ge-
genüber der SpannunIge gedreht, so erhält man die jeweilige Größe
der Verbraucherspannung e#, wobei der Endpakt 4 des Vektors den parabelähnlichen
Li:nienzug 10-4-11 beschreibt, dessen Länge dem Betrage des Widerstandes
3 entspricht. Die Scheitelhöhc der Kurve 10-4-11 kann durch geeignete Bemessung
der Widerstände. so gewählt werden, daß die - Größe des Spannungsvektors
e, sich bei Leerlauf möglichst wenig ändert. Dies wird beispielsweise Bann der Fall
sein, wenn die Scheitelhöheh annähernd gleich e gewä.hlt wird.
-
Wie eine genaue Betrachtung des Diagrammes in Fig. 2 ergibt, entspricht
die Verschiebung des Kontaktes 4 auf der Widerstandsstrecke, i o, i i ziemlich genau
dem Phasenverschiebungswinkel cp. - Man erhält also, wenn man den Widerstand
3 als kreisförmig gebogenen Gleitwiderstand (Drehwiderstand) ausbildet und
die Anzeigevorrichtung für die jeweilige Stellung des drehbar-en Kontaktarmes unmittelbar
nach der Größe des Phasenverschiebungswinkels eicht, eine fast genau gleichmäßi#gge
Skaleneinteilung. Dies gilt nicht nur für Leerlauf, sondern auch für eine beliebige
Ohmsche Belastung der Anordnung.
-
Die in Fig. i dargestellte Schaltung weist jedoch noch einen Nachteil
auf, der allerdings nur dann auftritt, wenn man als Stromquelle die Sekundärwicklung
eines Transformatiers verwendet. Wie man aus Fig. i erkennt, ist der Transf ormatOr
7 je nach der Stellung des Gleitkontaktes 4 melir ioder wieniger induktiv
oder kapazitiv belastet. Dem.-entsprechend tritt ein Fehlwinkel zwischen Primärspa#inung
E und Sekundärspannung 2,? auf, der im allgemeinen eine solche Größe und
Riclitung erhält, daß eine Phaseneinstellung von o bis i.8o' in bezug auf die SpannungE
nicht voll erreicht werden kann.
-
Dieser Übelstand kann dadurch vermieden werden, daß die Verbindungsleitung
5 zwischen Kapalzität i und Indgktivität 2 mit einer Anzapfung- des Ohmschen
Widerstandes leitend verbunden wird. Dadurch kann man erreichen, daß die Belastung
des Transformators in den beiden Endstellungen io und i i des Kontaktes 4 gleich
groß ist, so daß eine Phaseneinstellung von o bis i8o' möglich ist.
-
Ein Beispiel für eine derartige Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt.
Hier ist die Verbindungsleitung 5 unmittelbar an die Mitte des Ohmschen Widerstandes
3 angeschlossen. Im
übrigen stimmt die Schaltung mit der
üi Fig. i dargestellten überein. Dabei sind die gleichen Teile huch mit den gleichen
Bezeichnungen versehen. Fig 4 zeigt das zugehörige Vekterdiagra= bei Leerlauf. D---r
Linienzug 10-4- 5-11, dessen Lünggie wie-der dem Betrage des Widerstandes
3 entspricht, hat hier die. Form eines gleichschenkligen rechten Winkels,
wobei also die Höhe h (5, 6) des rechtwinkligen Dreiecks io, 5, 11
gleich e ist. Wie man aus dem Diagramm erkennt, ist hier die Bedingung, daß
die Verbraucherspannunge, möglichst konstant sein sioll, nicht so gut erfüllt wie
bei der Schaltung nach.Fig. i, da der kleinste Wert des Vektors bei 45' einen Betrag
aufweist, d.h. etwa 3o' kleiner ist als der größte Wert e,=e. Ebenso ist die Pr#op-ortionalität
zwischen dem Drehwinkel des Drehwiderstandes und dem Phasenwinkely nicht in dem
Maße vorhanden wie b.,ei der Ausführung nach Fig. i.
-
Wesentlich günstiger lassen sich die Verhält.nisse gestalten, wenn
man, wie in Fig. 5
dargestellt, den Widerstan(13 ebenso wie die Stromquelle
15, 16 durch eine gleich große Anzahl von Anzapfungen unterteilt,
wobei man die Anzapfungen des Widerstandes 3,
vorzugsweise über besondere
Widerstände, an die Verbindungsleitung 5 zwischen Kapazität i und *Induktivität
2 anschließt, während die beiden der Mitte 6 benachbarten Anzapfungen der
Stromquelle mit den Enden i o, i i des Ohmschen Widerstandes 3 und die übrigen
Anzapfungen sowie die Endanschlüsse 15, 16 der Stromqu-elle, ebenfalls vorzugsweise
über besondere Widerstände, mit den entsprechen-' den Anzapfungen 12, 14 des Ohmschen
Widerstandes 3 verbunden sind.
-
Fig- 5 zeigt eine Schaltung# bei der der Ohmsche- Widerstand
3 sowie die als Stromquelle dienende Sek-undärwicklung des Transformat,ors
7 durch je drei symmetrisch verteilte Anzapfungen in je vier
Abschnitte unterteilt ist. Der Ohmschie Widerstand 3
trägt zwischen den Enden
io, ii und der Mitte 13 zwei weitere symmetrisch verteilte Anzapfungen 12 und 14.
Durch diese wird der Widerstand 3 in die inneren Abschnitte 3'
(zwischen
13 und 12 bzw. 13 und 14) und die beiden äußeren Abschnitte 3" (zwischen
io und 12 bzw. i i und 14) untexteilt. über den Widerstand 17 ist die Mitte
13 des Widerstandes 3 und über die Widerstände 18 und ig sind die
seitlichen Anzapfungen 12 bzw. 14 an die Verbindungsleitung 5 zwischen Kapazität
i und Induktivität 2 angeschlossen. Ebenso trägt die Sekundärwicklung 15, 16 des
Transformators 7 außer der mittleren zu der Verbrauclierklemmeg führenden
Abzweigung6 noch zwei seitliche, ebenfalls syrnmetrisch. verteilte Anzapfungen i
o' und i i', die immittelbar mit den Enden i o bzw. i i de-s Widexstandes3 leitend
verbunden sind. Fe' m*er sind äie Endanschlüsse 15 und 16 der Sekundärwicklung
über Widerstände20 und 21 an die seitlichen Anzapfungen 12 bzw. 14 des Widerstandes
3 angeschlossen.
-
Das zugehörige Vektordiagramm für Leerlaui ist in Fig. 6 dargestellt.
In Fig. 5 sind die Spannungen zwischen 6 und io' bzw. 6 und
i i' mit e und zwischen 15 und i o' bzw. 16 und i i' mit e'
bezeichnet. Ferner ist die Spannung an dem Widerstand17 mit e, an den Widerständen
18 und ig mit e2 und an den Widerständen2o und -21 mit e, bezeichnet. In dem Diagramm
ist der be-
sondere Fall dargestellt, daß der Widerstand io, ii in
je vier gleich große Abschrutte- geteilt ist, so daß also 3' = 3"
ist. Ferner sind die Verhältnisse so gewählt, daß der Linienzug, io-i2-i3-i4-ii
die Hälfte eines regelmäßigen Achtecks bildet. In diesem Falle erhält man nur noch
verhältnismäßig geringe Schwankungen der Größe des Vektorse,. Aus dem Diagramm kann
man in bekannter Weise die Beträge der Widerstände 17-21 sowie die Spannungsunterteilung
der Sekundärwicklung entnehmen, die erforderlich ist, um diese günstigsten Verhältnisse
zu erhalten.
-
Um die Schwankungen der Verbraucherspannung noch weiter zu verringern,
kann die Unterteilung beliebig weitergetrielen werden, so daß sich der Linienzug
io-ii immer mehr einem Halbkreis nähert. Man kann die Schwankungen der Verbraucherspannung
auch durch andere bekannte Mittel., beispielsweise durch Einschalten von Zusatzwiderständen
in den Verbraucherstromkreis, melu- oder weniger ausgleichen; zu diesem Zweck kann
man den VerbraucUer einerseits an die Anzapfung 6 der Stromquelle, anderersieits
an die Mitte eines regelbaren Zusatzwiderstandes anschließen. Wenn der Ausgleich
selbsttätig erfolgen soll, so wird die zurRegelung desZusatzwiderstandes dienende
Kontaktvorrichtun.- zweckmäßig mit der auf dem Ohmschen. Widerstand 3 angebrachten
Kontakteinriclitung 4 mechanisch und elektrisch verbunden. Eine derartige Anordnung
zum selbsttätigen Ausgleich der Spannungsschwankungen ist beispielsweise in Fig.
7 dargesteHt.
-
Die- Schaltung der Fig. 7 stimmt grundsätzlich mit der in Fig.
3 dargestellten übexein. Sie unterscheidet sich von dieser nur dadurch, daß
die Verbraucherklemme 8 nicht unmittelbar an den Gleitkontakt 4 angeschlOssen
ist, sondern an die Mitte eines Zusatzwiderstandes
Y, der
mit einer verschiebbaren Kontakteinrichtung 4' versehen ist. Die Kontakte 4 und
4' sind mechanisch miteinander gekuppelt sowie elektrisch miteinander verbunden
und an die Verbindungsleitung 5 zwischen Kapazität i und Induktivität 2 angeschlossen.
Durch geeignete Bemessung des Widerstandes 3' kaim man es erreichen, daß
die Verbraucherspannung auch bei einer bestimmten Ohmschen Belastung der Vorrichtung
durch den Verbraucher mit praktisch ausreichender Genauigkeit konstant gehaltem
wird.
-
Wie man aus den Diagrammen Fig. 2, 4 und 6 ersieht, ist der
Phasenverschiebungswinkel 9 durch Bewegen des Kontaktes 4 von links nach
rechts zwischen den Grenzten o und i8o' zu, regeln. Soll eine Regelung um
360'
erfolgen, so ist dies in einfacher Weise beispielsweise dadurch möglich,
daß man nach Erreichen. der Endstellung mittels eines in dem 'Verbraucherkreis angeordneten
Polwenders die Phase des Verbrauchers um Co' verschiebt.