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Mit periodisch geregelter übersetzung arbeitender Transformator Zum
Kuppeln von Netzen verwendete man bisher entweder Transformatoren mit unveränderlicher
Übersetzung oder aber solche, deren- Übersetzung durch Stufenschalter oder andere
mechanische Einrichtungen (Drehtransformatoren) nur verhältnismäßig Langsam verändert
werdexi. konnte. Die Erfindung gibt einen Weg an, wie zwei gleichfrequente, oder
zumindest. annähernd gleichfrequente Netze, deren Spannungsphasenlage nicht übereinzustimmen
braucht, miteinander gekuppelt werden können. * Gemäß der Eifindung wird dies dadurch
bewirkt, däß die Übersetzung eines Transformators im Takt der doppelten Netzfrequenz
der zu kuppelnden Netze von positiven zu negativen Werten schwankt. Das Übersetzungsverhältnis
ü muß also, zumindest in erster Annäherung, der Gleichung ü = cl # sin (2 wt-b)
genügen.: Darin bedeuten cl und b beliebige Konstanten und w die Kreisfrequenz
des speisenden Netzes. Der Erfindungsgedanke ist schematisch in A.bb. i der Zeichnung
dargestellt. - Ein beispielsweise einphasiges Wechselstromnetz i speist die Trangformatoranordnung
2 mit der Sekundärwicklung 3, von deren Mittenanzapfung eine Leitung zu dem nicht
näher dargestellten 'Verbraucher 5 geführt ist. Das Übersetzungsverhältnis zwischen
der Primär- und der Sekundärwicklung des Transformators 2 wird im Takt der doppelten
Netzfrequenz mit Hilfe @ des Gleitkontaktes q. zwischen positiven und negativen
Werten geändert und eine Leitung von dem Gleitkontakt q. zu dem anderen Pol des
nicht dargestellten Verbrauchers 5 geführt. Der Antrieb des Gleitkontaktes q. kann
z. B. von einem Motor aus, der eine der doppelten Netzfrequenz ,entsprechende Drehzahl
besitzt, über ein Schubkurbelgetriebeerfolgen.
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In Abb.2 sind die Spannungsverhältnisse für eine Anordnung gemäß Abb.
i graphisch dargestellt. U1 bezeichnet die Spannung des Netzes i, ü das übersetzungsverhältnis,
das im Takt der doppelten Netzfrequenz schwankt, und zwar ebenfalls sinusförmig.
Die Schwankungen erfolgen zwar synchron mit der Spannung U1, jedoch mit einer gegenseitigen
Phasenverschiebung, die vollkommen beliebig sein
kann und mit dem
Winkel b bezeichnet wurde. Die Folge einer solchen Übersetzungsschwankung auf der
Sekundärseite ist zwar die, daß ein solcher Transformator eine ursprünglich rein
sinusförmige Primärspannung Ui in eine Sekundärspannung mit überlagerter dritter
Harmonischer U5 verwandelt; daher wird auch der ursprünglich rein sinusförmige Sekundärstrom
im Primärstrom ebenfalls eine dritte Harmonische erzeugen. Bei den in Abb. z dargestellten
Verhältnissen ist angenommen worden, daß im Scheitelwert der zeitlich sinusförmigen
veränderlichen Übersetzung die Übersetzung i:i, bezogen auf den Mittelpunkt und
ein Ende der Wicklung 3, besteht. Wie der Kurve U5 zu entnehmen ist, besitzt die
nicht maßstäblich gezeichnete Grundwelle der G'.erbraucherspannung U5 gegenüber
der Primärspannung Ur eine mit cp bezeichnete Phasenverschiebung, die abhängig von
der Phasenlage der Sirmzskurve für die Übersetzung in bezug auf die Primärspannung
ist. Die aus dritten Harmonischen bestehenden Oberwellen der Sekundärspannung U5
lassen sich bei geeigneten Mehrphasenschaltungen, z. B. hei Dreieckst:ernschaltungen,
sehr leicht schon im Transformator selbst kompensieren, so- daß die zu kuppelnden
Netze praktisch oberwellenfrei bleiben. Handelt es sich hingegen wie in dem Ausführungsbeispiel
gemäß Abb. i um Einphasentransformatoren, so können entsprechende Glättungskreise
angew=endet @verden (Siebkreise), die die Sekundärspannung bis zu dem; gewünschten
Maß glätten. Gemäß der Erfindung wird also mit vollem Bewußtsein eine von- der Sinusform
ab-,v eichende Spannungskurve auf der Sekundärseite erzeugt,-und zwar ,ergibt sich
dabei der Vorteil, daß sich die Sekundärspannung in ihrer Phasenlage stufenlos verschieben
läßt. Ferner hat ein solcher Transformator auch n oc 'h die Eigenschaft, daß ereinen
Leistungs- Z> faktor des Sekundärnetzes in nacheilendem Sinne in .einen solchen
in voreilendem Sinne im Primärnetz verändert und umgekehrt. Die ,gewünschte Sinusform
der Ausgangsspannung ergibt sich, wie bereits gesagt, entweder aus geeigneter Zusammensetzung
von einzelnen Phasenspannungen bei Mehrphasenb.etrieb oder mit Hilfe- von Glättungseinrichtungen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann ein solcher Transformator
.zusammen mit einem bekannten normalen Transformator mit unveränderlicher Übersetzung
gleichzeitig angewendet werden. Da der -normale Transformator nacheilende Blindlast
der Größe und dem Vorzeichen nach unverändert auf die Primärseite überträgt, der
Transformator gemäß der Erfindung, - wrie bereits gesagt, nacheilende Blindlast
in voreilende umwandelt, so heißt das, daß ein sekundärseitig aus den beiden Transformatorarten
zusammengesetzter Transformator primärseitig gewissermaßen zugleich vor- und nacheilende
Blindlast aufweisen kann, die sich bei geeigneter Auslegung der einzelnen Komponenten
gerade aufheben (vgl. hierzu auch Abb. 5). Der zusammengesetzte Transformator ist
somit imstande, von sich aus Blindleistung an das Sekundärnetz Azugeb@en und dabei
das Primärnetz mit einem Leistungsfaktor i zu belasten, unabhängig von der sekundären
Phasenverschiebung. Läßt man gewisse Unvollkommenheiten in der gegenseitigen l#-"omp,ensation..zu,
d.h. also; daß sich die beiden Teiltransform,at:oren in ihrer Blindlastlieferung
im vor- bzw. nacheilenden Sinne nicht immer genau ,ausgleichen, so ist dieser zusammengesetzte
Transformator imstande, durch Verändern der-Phasenlage der vom Teiltransformator
mit veränderlichem übersetzungsverhältnis erzeugten Sekundärspannung im gespeisten
Sekundärnetz auch eine Wirklastregelung durchzuführen, da dann gleichzeitig mit
der Summe der Blindleistungen, die nicht Null wird, eine entsprechende andere Wirklastsumme
.auftritt.
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Zur Durchführung des Erfindungsgedankens sind alle Anordnungen geeignet,
die gestatten, die Übersetzung ;i zwischen Primar-und Sekundärseite periodisch so
zu ändern, daß sie der ,angegebenen Gleichung entsprechen. Handelt es sich um eine
Zusammensetzung eines Transformators mit unveränderlichem Übersetzungsverhältnis
und eines Transformators mit veränderlichem übersetzungsverhältnis, - so nimmt die
Gleichung unter der Voraussetzung gleicher Primärspannungen beider Transformatoren,
die bei einer gemeinsamen Primärwicklung wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb:5
geg eher ist, die Form an :-f = ci+c.#sin(z wt-b).
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Mit cl. ist also das unveränderliche übersetzungsverhältnis des normalen
Transformators bezeichnet worden. Die Richtigkeit dieser Überlegungen sowie die
Tatsache, daß der Transformator gemäß der Erfindung tatsächlich in der Lage ist,
die eine Art der Blindleistung ,auf der Sekundärseite in die andere Art der Blindleistung
für .die Primärseite umzuwandeln, können leicht aus den folgenden Überlegungen und
Umformungen der Gleichung erhalten werden. Bekanntlich ist die Sekundärspannung
us gleich üs - ü . up, wobei up den Augenblickswert der Primärspannung bedeuten
soll. Es ist aus der Wechselstromtheorie her bekannt, daß diese
Primärspannung
durch folgenden Ausdruck ersetzt werden kann: up = Up#sin(mt-aP).
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Dabei bedeuten U@- den Scheitehvert und a,, die Phasenverschiebung
der .Primärspannung gegenüber -einem beliebig wählbaren Bezugszeitpunkt. Setzt man
den Wert dieser Gleichung in-'diejenige für den Augenblickswert der Sekundärspannung
ein und multipliziert ilin aus, so erhält man:
| 2c, - J. cl -@ c., . sin (2 co t - a) . Up sin
(c) t = ap) |
| - cl # Up sin (co t - ap) -f - Up . c, sin
(2 a) t - ö) sirr (.£o t - ap) - |
| - c . U sin c) t a + c' [cos
o0 t ;- a - cos co t a 8 |
| a |
| 2 |
und zwar unter der Voraussetzung, daß man noch die bekannte Umformung
durchführt. Aus dieser Gleichung ist nun zu erkennen, daß der Ausdruck z für den
bekannten normalen Transformator mit unveränderlichem Übersetzungsverhältnis gilt
und daß dieser Transformator die Blindleistung mit gleichem Vorzeichen von der Sekundär-
auf die Primärseite überträgt. Der Ausdruck 2 jedoch, der für den Transformator
gemäß der Erfindung Gültigkeit hat, weist u. a. das Glied cü-s (wt+a"-b') ,auf.
Daraus ist zu ersehen, daß :gegenüber der Primärspannung, in der das Glied sin (c)
t-a") ,auftritt, eine Phasenverschiebung von ä ap-b + 9o° auftritt. Ferner kann
dem Teile der Gleichung entnommen werden, daß eine dritte Harmonische wiegen des
Gliedes cos (3 cöt-aP-b) ,auftreten wird.
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Der Erfinduhgsged:anke kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden,
daß man zwei Drehregler, die -in bekannter Weise mechanisch-so miteinander gekuppelt
sind, d,aß sich ihre Drehmomente gerade aufheben, mit Hilfe eines zusätzlichen kleinen
Motors so betreibt, daß sich das Übersetzungsverhältnis in der gewünschten Weise
ändert. Dieser Gedanke kann so durchgeführt werden, daß ein synchroner Antriebsmotor
verwendet wird, dessen' Polpaärzahl gleich der Hälfte der Polpaarzahl der Drehregler
ist. Dadurch wird erreicht, daß ohne jedes Übiersetzungsgetriebe das Übersetzungsverhältnis
stets mit der doppelten Netzfrequenz zwischen positiven und negativen Werten schwankt.
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Es sind ferner Anordnungen bekanntgeworden, bei denen das Übersetzungsverhältnis
eines Transformators zum Zwecke der Konstanthaltung der sekundär abgegebenen Spannung
auch bei steigender Belastung mit Hilfe einer zusätzlichen Gleichgtromvormagnetisierung
geändert werden kann. Dabei muß, damit keine gegenseitige Steuerung der verschiedenen
Flüsse eintritt, dafür gesorgt werden, daß die Wechselstromwicklungen und die Gleichstromwicklung
keine gegenseitige Kopplung aufweisen. Der Erfindungsgedanke kann nun so verwirklicht
werden, daß an Stelle der bisher verwendeten Gleichstromwicklung, die, beispielsweise
in Abhängigkeit von der Belastung, ,allmählich -das Übersetzungsverhältnis ändert,
Beine Wechselstromwicklung vorgesehen wird, die von einem Magnetisierungsstrom der
doppelten Netzfrequenz erregt wird.
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Legt man auf die Möglichkeit, die Phasenlage .der Sekundärspannung
verschieben zu können, keinen Wert, so kann man es so einrichten, .daß jedem Augenblickswiert
der konstanten Primärspannung ein ganz bestimmter Wert der zeitlich sinüsförmig
veränderlichen. Übersetzung entspricht. Man kann
also ,auch Anordnungeli zur
Dürchfßhrung des Erfindungsgedankens verwenden, btei denen der Scheitelwiert des
zeitlich, sinusförmig veränderlichen Übersetzungsverhältnisses von der Größe der
zugeführten im. Effektivwert schwankenden Primärspannung abhängt und trotzdem eine
konstante Sekundärspannung geliefert wird. Dies sind insbesondere Transformatoren,
die leicht zu sättigende Kernteile enthalten, so daß sich je nach Größe des primär
erzeugten Flusses die Flußverteilung und damit die Verkettung-zwischen Primär- und
Sekundärwicklung ändert. Um diese .Änderung besonders stark werden zu lassen, kann
man in bekaxmter Weise den
ganzer. Transformatorkern oder auch Teile
desselben aus Mu-Metall herstellen.
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Das Übersetzungsverhältnis kann ferner auch durch Schaltvorgänge geändert
werden. Um die Zahl der Schaltstellen nicht zu groß zu erhalten, wird man sich im
allgemeinen damit begnügen, den gewünschten zeitlichen Verlauf der Übersetzung stufenweise
anzunähern, und wird die hierbei entstehende, meist geringe Verzerrungsleistung
in Kauf nehmen. Die einfachste dieser Schaltanordnungen dürfte ein Transformator
sein, so wie er auch in Abb. i dargestellt ist, der eine außenliegende, eine blanke
Kontaktbahn aufweisende Sekundärwicklung erhält, auf der ein Rollkontakt nach Maßgabe
der gewünschten Frequenz (doppelte Netzfrequenz) auf und ab bewegt wird. Von diesem
einfachen Beispiel bis zu dem Anzapftransformator, dessen Anzapfungen in periodischer
Reihenfolge zu- und abgeschaltet werden können, lassen sich alle der vielen bekannten
Schaltanordnungen zur Durchführung des Erfindungsgedankens benutzen.
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- Abb.3 zeigt eine einfache, einphasige Anordnung, die mit einem Anzapftransformator
und mit zu beliebig wählbaren Zeitpunkten in beliebig wählbarer Richtung durchlässigen
Entladungsstrecken arbeitet. Es können hierzu beispielsweise auch je Schaltstelle
zwei ;gegensinnig parallel ,geschaltete, gittergesteuerte Entladungsstrecken angewendet
werden. An den Enden und Anzapfungen der Sekundärwicklung 3 des Transformators 2
befinden sich die Entladungsstrecken i i', 12', 11", 12" und 13. Die Entladungsstrecke
13 etnspricht dem Übersetzungsverhältnis Null. Es sei beispielsweise angenommen,
daß die Entladungsstrecken i i' und i i" dem übersetzungsverhältnis ± 1, die Entladungsstrecken
i2' und 12" dem übersetzungsverhältnis ± 2 entsprechen. Die übersetzungskurve ist,
wie Abb.4 zeigt, eine Treppenkurve. Von der Steuerung der Entladungsstrecken ist
die Phasenlage der übersetzungskurve der Abb.4 abhängig. Durch Verändern der Phasenlage;
d. h. durch Verändern der Zündzeitpunkte der einzelnen Entladungsstrecken, kann
die üb,drtrage:ne Scheinleistung des Transformators im gewünschten Sinne ;geändert
werden. Bezüglich des Aufbaues der Steuerung, der Steuer- und Kommutierungsverhältnisse
gelten die gleichen Bedingungen wie für eine der bekannten Umrichtersteuerungen.
Zweclnnäßigerweise wird die Brenndauer der einzelnen Entladungsstrecken von dem
Augenblickswert der zeitlichen Änderung der Sekundärspannung beeinflußt. Soll die
Annäherung der übersetzung.ütats der Abb. 4 an die gewünschte Sinusform ütd möglichst
erreicht werden, so kann dies durch entsprechende Vergrößerung der Zahl der Anzapfstellen
unter Anwendung weiterer Entladungsstrecken erreicht werden. Bei einer solchen Spannungserzeugung
treten wegen der unstetigen Änderung des übersetzungsverhältnisses außer der dritten
noch weitere Harmonische in der Ausgangsspannung auf.
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Soll, wie bereits oben angegeben, eine Kompensation der sekundären
Blindlast auf der Primärseite durch geeignete Zusammensetzung eines normalen und
eines Transformators gemäß der Erfindung erreicht werden, so genügt es, wie Abb.5
zeigt, eine weitere Sekundärwicklung 6 in den Sekundärstromkreis einzufügen.
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Soll die im Netz auftretende bmv. die dem Transformator zugeführte
Scheinleistung geregelt werden, so können Größe und Phasenlage der in Abb.2 mit
ü bezeichneten übersetzungsschwankung geändert werden. Es ist bereits ausgeführt
worden, daß damit die Größe und die Phasenlage der @erzeugben Spannung geändert
werden kann. Bei geeigneter ,gleichzeitiger Anwendung eines Transformators mit unveränderlichem
übersetzungsverhältnis und eines Transformators gemäß der Erfindung wird es also
dann gelingen, die - Scheinleistung dem gewünschten Wert vollständig ,anzugleichen.