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Mehrphasen-Relais nach dem Ferraris-Grundsatz Einphasenrelais erzeugen
im Normalbetrieb ein eindeutiges Drehmoment, das sich bei Rückleistung umkehrt.
Bisher hat man Richtungsglieder oder Widerstandsmeßglieder nach dem Ferraris-Grundsatz
für Mehrphasensysteme so ausgeführt, daß die Drehsysteme für die einzelnen Phasen
mechanisch gekuppelt waren. Dadurch war beim Ansprechen eine verhältnismäßig große
Massenträgheit zu überwinden und für den baukastenartigen Aufbau ein beträchtlicher
Raum erforderlich. Nach der Erfindung wird eine technisch bessere und zugleich billigere
Lösung gefunden.
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Das Mehrphasenrelais, das einen magnetischen Ständer mit mehreren
nach innen gerichteten ausgeprägten Polen besitzt, hat erfindungsgemäß ein in einem
einzigen Ständer angeordnetes System zusammengehöriger Phasengrößen (die Ströme,
die Stern- oder Dreieckspannungen), das die Relaisspulen so erregt, daß bei Normalbetrieb
zwei einander entgegengesetzt gleiche Drehmomente auf einen ring- oder glockenförmigen
Läufer einwirken, in dessen Innenraum ein vorzugsweise feststehender Eisenkern angeordnet
ist.
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Wollte man die Pole für sämtliche Phasen über und unter einer einzigen
Ferraris-Scheibe anbringen, so würde die magnetische Übergangsfläche nach Abzug
der Wickelräume zu klein oder die Scheibe zu groß ausfallen. Der Läufer kann auch
mit dem Eisenkern zusammen drehbar sein.
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Es wird nun bei Netzfehlern ein resultierendes Moment erzielt, das
beispielsweise eine Funktion der Amplituden und der Phasenverschiebungen zwischen
bestimmten Größen darstellt. Wenn beispielsweise die
Größen einer
Gruppe, die Ströme eines dreiphasigen Systems und die Größen der anderen Gruppen
die Spannung des Systems sind, ergibt sich ein Moment proportional der Systemleistung,
wobei auch die Richtung berücksichtigt wird.
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In den Abbildungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
schematisch dargestellt, wobei auch andere als die erwähnte Anschlußweise erläutert
werden. In A-bb. i ist .mit io der hohle magnetische Ständer bezeichnet, der eine
Reihe nach innen gerichteter Pole i i bis 16 hat, die je eine Erregerwicklung 17
tragen. Der mittlere magnetische Kern ist mit 18 und der Läufer mit ig bezeichnet.
Die Achse des Läufers ist -20. Es ist nötig, den Läufer mit dein magnetischen Kern
18 ohne Luftspalt zu vereinigen, wenn weniger eine hohe Ansprechgeschwindigkeit
als die Erzielung eines großen Drehmoments gefordert wird, Wenn beispielsweise die
Wicklungen 17 der Pole i i bis 16 von den drei Phasenströmen 1, 2 und 3 einer Übertragungsleitung
gespeist werden, können die Pole. in der Reihenfolge 1, 2, .2, 1, 3, 3 angeschlossen
werden, so wie es in der Abb. i durch Ziffern an den entstehenden Wicklungen 17
angedeutet ist. Dann ist das von den Wicklungen 17 auf den Polen i 1, 13 und 15
erzeugte Drehfeld demjenigen entgegengerichtet, das durch die Wicklungen auf den
Polen 12, 14 und 16 erzeugt wird. Bei symmetrischer Anordnung ist dann das resultierende
Drehmoment null, und der Läufer ig steht still. Wenn das resultierende Drehmoment
beispielsweise von der Leistung eines dreiphasigen Drehstromsy stems abhängig sein
soll, werden sechs weitere Pole, .die von den Systemspannungen erregt werden, benötigt.
Hierdurch ergibt sich aber eine große Zahl von Polen, die, wie in der Erläuterung
zu den Abb. :, 3 und .I ausgeführt ist, nicht unbedingt.erforderlichsind.
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In Abb. 2 hat der magnetische Ständer io vier Pole 21 bis
24 für ein Dreiphasensystem oder allgemein 2. (1t- 1' Pole
für ein n-Phasensystem. Werden die Wicklungen 17 wieder durch die Phasenströme 1,
2 und 3 erregt, so kann dies zweckmäßig in der Reihenfolge 1, 2, 3, 2 erfolgen,
wie es durch die Ziffern in der Abbildung angedeutet ist. Es ergibt sich dann ein
Drehfeld, das von den Polen 2i, 22 und 23 herrührt, und ein entgegengesetztes Drehfeld
von den Polen 21, 2.4 und 23. Das resultierende Drehmoment ist hierbei wieder Null
und der Läufer i g unbeeinflußt. Die gleiche Anordnung ist selbstverständlich auch
bei Erregung der Pole durch die Stern- oder Dreieckspannungen eines Systems möglich.
Auch hierbei wird im N orrnalbetrieb auf den Rotor kein Drehmoment ausgeübt. Wenn
es zum Zweck der Relaisprüfung oder aus anderen Gründen erwünscht ist, kann diese
gegenseitige Kompensation der Drehmomente aufgehoben und eine Rotordrehung dadurch
erhalten werden, daß eine der Wicklungen, beispielsweise 22 oder 24, entregt wird.
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In Abb. 3 hat der Stator io acht Pole 21 bis 28. Man kann nun die
Wicklungen der Pole 2i bis 24 von den Dreiphasenströmen in der Reihenfolge
l, 1z, 19, J. und die Wickhrngen auf den dazwischenliegenden Polen 25 und 28 von.
den drei Phasenspannungen in der Reihenfolge El, E2, El, E3 erregen, wie es durch
entsprechende Zeichen in der Abbildung angedeutet ist. Das resultierende Drehmoment
jeder Polgruppe wird dann, für sich betrachtet, Null. Aber nebeneinanderliegende
Pole erzeugen, wie leicht einzusehen ist, ein Drehmoment, dessen Resultierende abhängig
ist vom Produkt der Größen, die diese Pole erregen, und von den Phasenverschiebungen
zwischen diesen Größen. Mit anderen Worten, das resultierende Drehmoment wird-proportional*
XE J cos (Z+0), wobei E und J Ströme und Spannungen des Stromkreises, -e' der Winkel,
um den der Strom gegenüber der Spannung nacheilt, und O derjenige Voreilwinkel,
bei dem das größte Drehmoment auftritt.
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Wenn die Drehmomente, die von den Polen 21, 2,2, 23 und 24
hervorgerufen werden und gleicherweise auch die von den Polen 25 bis 28 hervorgerufenen
nicht kompensiert wären, würde der obige Ausdruck für das Drehmoment in der Weise
zu ändern sein, daß noch Größen zweiter Ordnung für Strom und Spannung auftreten.
Wenn auch die Pole einer Gruppe wesentlich größere Abstände haben als nebeneinanderliegende
Pole, so können doch die magnetischen Wirkungen von nicht nebeneinanderliegenden
Polen auf Grund solcher Unsymmetrie leicht bis zu 15 der Momentbildung derjenigen
von nebeneinanderliegenden Polen ergeben. Gemäß der Erfindung werden durch die gegenseitige
Kompensation der magnetischen Momente der Pole in einer Gruppe unerwünschte Momente
aufgehoben, so daß das resultierende Drehmoment eine genaue Funktion der Produkte
von den Größen ist, die nebeneinanderliegende Pole erregen, und von den Phasenverschiebungen
zwischen diesen Größen. Es ist selbstverständlich nicht erforderlich, daß eine Polgruppe
von den Strömen eines mehrphasigen Systems und die andere Gruppe von den Spannungen
dieses Systems beeinflußt wird. Selbstverständlich können auch die Polgruppen von
gleichzeitig bestehenden Gruppen mehrphasiger Ströme oder Mehrphasiger Spannungen
erregt werden, um ein
Drehmoment zu erzielen, das wie vorher eine
Funktion der Produkte dieser Größen und der Phasenverschiebungswinkel zwischen ihnen
darstellt.
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Die bisher beschriebenen Anschlußweisen für die Erregerwicklungen
für die einzelnen Pole sind nicht die einzigen Möglichkeiten zur Erzielung eines
resultierenden Drehmoments Null im Normalbetrieb. Beispielsweise können die Ströme
auch an Stelle der Reihenfolge 11, 1" Ts, 1, in der Reihenfolge -Ti,
-T2, T3, 12 und ebenso die Spannungen in der Reihenfolge -El, -E2, El, E3
,zugeführt werden, wobei das Minuszeichen eine Umkehr in der Anschlußrichtung bedeutet.
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In Abb. q. ist ein Anwendungsbeispiel der Erfindung an einem Dreiphasensystem
dargestellt. Die Netzleiter sind mit i, 2 und 3 in ihrer Phasenreihenfolge bezeichnet
und mögen zu einer Speiseleitung, die von den Sammelschienen
30 gespeist
wird, gehören. Die Phasenströme für das Relais werden von Stromtransformatoren 31,
die in die einzelnen Phasenleiter eingeschaltet sind, und die Spannungen von einem
Spannungstransformator 32, der an die Sammelschiene 3o angeschlossen ist, entnommen.
In dieser Abbildung sind die stromerregten Wicklungen auf den diagonal liegenden
Polen 25 bis 28 und die Spannungswicklungen auf den Polen 21 bis 24 angebracht.
Die Sternspannungen sind in der Reihenfolge Elo, Ego" Elo,
Es" an-
| Anord- Den WiekIungen zugeführte Größen |
| nung @28 21 ; 25 22 l z6 23 27 24 |
| i |
| A Il Ego I2 - Ela E3 - Ego @@ 1, E30 |
| B Il E30 I2 - E20 13 - E30 I2 E20 |
| C Il Elo I2 - E30 ! 13 - Elo 1, Elo |
| D I_ E23 12 -" E12 13 -
E23 12 E31 |
| E h Esl 1, |
| - E23 I3 - E31 I2 E12 |
| F Il' E12 I, |
| E31 I3 - E12 I2 E23 |
| i |
In allen oben angegebenen Anordnungen ist die Drehmomentbildung durch die von Strömen
allein erregten Pole für sich Null, ebenso die Momentbildung durch die spannungserregten
Pole. Das resultierende Moment aller Pole ist aber ein .mehrphasiges Richtungsmoment,
das proportional einer Leistungsgröße des Systems ist. Die Anordnungen A, B, C und
D können beispielsweise für Schutzrelais von Übertragungsleitungen verwendet werden,
während die Anordnungen E und F vorteilhaft zur Steuerung von Maschennetzschaltern
Verwendung finden. geschlossen; das resultierende Moment ist, wie oben erläutert,
Null. Die Stromwicklungen sind in der Reihenfolge J1, J2, J1, T3 angeschlossen,
das resultierende Moment dieser Polgruppen ist wiederum Null. Nimmt man alle Wicklungen
zusammen, so ist die Reihenfolge .der Erregung T1, Elo, J2, E=", Il,
El,
J3,
Eso, und das resultierende Drehmoment ist infolgedessen abhängig von der Summe der
Produkte von Spannungs- und Stromgrößen, die nebeneinanderliegende Pole erregen,
und ebenso eine Funktion der Phasenwinkel zwischen diesen Größen. Das Moment ist
also ein mehrphasiges Richtungsmoment proportional einer Leistungsgröße des Dreiphasensystems.
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Selbstverständlich können die Erregerwicklungen 17 auch in anderer
Weise angeschlossen sein, um ein Leistungsrichtungsmoment zu erzielen, das frei
von Strom- oder Spannungsgrößen zweiter Ordnung ist. Beispiele für einige andere
Anschlußmöglichkeiten für die Erregerwicklungen sind in der folgenden Tabelle gegeben.
Diese ist aber keineswegs erschöpfend. Selbstverständlich können auch andere Anschlußmöglichkeiten
verwendet werden, ohne an der Erfindung etwas zu ändern. Die Spannungen E mit den
Kennziffern xo, 2o und 3o bedeuten Sternspannungen, 12, 23 und 3 i Dreieckspannungen.
Das Minuszeichen bedeutet eine Umkehr in der Anschlußrichtung. Abb.5 zeigt im Schnitt
die gesamte Anordnung des Relais, wie es im Hauptpatent beschrieben ist. Der Rotor
i9, die Welle 2o, der magnetische Stator io bis 18 und die nicht dargestellten Erregerwicklungen
sind durchEndplatten7 und 8 zusammengehalten. Eine von diesen kann vorzugsweise
aus magnetischem Material bestehen. Weiterhin ist es auch möglich, in an sich bekannter
Weise die Strom- oder die Spannungswicklungen erst durch besondere Relais zuschalten
zu lassen, so daß im normalen Betrieb kein Moment entsteht.