DE73200C - Verfahren zur Herabsetzung der Magnetisirungsarbeit von Transformatoren bei [ schwacher Beanspruchung - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

SIEMENS & HALSKE in BERLIN.

Beanspruchung.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 7. Oktober 1892 ab.

Als ein Vorzug des Wechselstromes ist es zu bezeichnen, dafs derselbe eine Umwandlung der Ströme durch ruhende Apparate, die sogenannten Transformatoren, zuläfst. Diese wandeln den in dem Elektricitätswerk erzeugten hochgespannten Strom in solchen mit der Gebrauchsspannung um. Der Wirkungsgrad in diesen Wechselstrom - Transformatoren ist bei Vollbelastung recht gut, etwa 95 pCt. Von den 5 pCt., welche von der erzeugten Energie in den Transformatoren ve'rloren gehen, dienen etwa 3 pCt. dazu, die Magnetisirungsarbeit im Transformator zu leisten; 2 pCt. sind Verluste an Stromwä'rme, die sich dadurch bemerklich machen, dafs der Strom beim Durchgang durch die Windungen des Transformators einen gewissen Spannungsverlust erleidet. Die Höhe dieses Verlustes ist abhängig von der jeweiligen Leistung des Transformators. Giebt also letzterer seine volle Leistung ab, so treten etwa - 2 pCt. an Spannungsverlust auf; ist er nur zu 50 pCt. belastet, etwa 1 pCt. u. s. w. Dagegen ist der erste Theil des im Transformator auftretenden Verlustes durch Magnetisirungsarbeit eine gleichbleibende Gröfse; diese Arbeit mufs geleistet werden, ganz gleichgültig, mit welcher Belastung der Transformator in Anspruch genommen wird.

Die Transformatoren finden nun vor allem bei Vertheilungsanlagen Verwendung, in welchen die Elektrizität in einem Elektricitätswerk erzeugt und durch ein Kabelnetz den Verbrauchsstellen zugeführt wird. Es liegt in der Natur der Sache, dafs der Strom in jedem Augenblick zur Verfügung stehen mufs und dafs aus diesem Grunde sowohl die Erzeugermaschinen in Betrieb erhalten werden als auch die Transformatoren dauernd eingeschaltet sein müssen. Nun tritt das Lichtbedürfnifs in der Weise auf, dafs die durchschnittliche tägliche volle Beanspruchung des Werkes nur etwa 1,5 Stunden stattfindet, während doch, wie bemerkt, das Werk im Ganzen 24 Stunden hindurch zur Stromabgabe bereit sein mufs. Dagegen verzehren die Transformatoren 24 Stunden hindurch 3 pCt. derjenigen Energie, welche ihrer höchsten Inanspruchnahme gleichkommt. Da diese höchste Inanspruchnahme aber durchschnittlich nur 1,5 Stunden beträgt, so ist der jährliche Aufwand an Energie für die Magnetisirungsarbeit in den Transformatoren

gleich = 48 pCt. derjenigen Energie,

1,5

welche, im Jahre nutzbar im Netz abgegeben wird. Dementsprechend erhöhen sich die Betriebskosten.

Es ist ersichtlich, dafs dies ein schwerer Uebelstand des Wechselstrom-Transformatoren-Systems ist, und begreiflicher Weise hat man auf verschiedene Arten versucht, diesem Uebelstande abzuhelfen. Man hat zu diesem Zweck vorgeschlagen, da, wo der Strom transformirt werden mufs, mehrere Transformatoren aufzustellen und eine selbstthätige Schaltvorrichtung anzubringen, welche je nach, Bedarf die Transformatoren der Reihe nach ein- und ausschaltet.

Einmal ist darauf hinzuweisen, dafs bei

(2. Auflage, ausgegeben am 20. Juli

dieser Anordnung diejenigen Transformatoren, welche nicht im Betriebe sind, erkalten und daher, wenn sie im Freien stehen, leicht für die Aufnahme von Feuchtigkeit zugänglich sind, und dann, wenn sie wieder in Betrieb gesetzt sind, häufig durchschlagen. Dann aber ist es angezeigt, um die Vortheile des Transformatoren-Systems voll auszunutzen, die Transformatoren nicht auf besonderen Stellen zu vereinigen, sondern sie möglichst über das Netz hin zu vertheilen, um auf diese Weise die Querschnitte des Vertheilungsnetzes nach Möglichkeit zu verringern. Aufserdem ist bei den neueren Ausführungen des Transformatoren-Systems überhaupt schon ein Transformator für ganz geringen Verbrauch, also ζ Β. für ein Haus oder für einen Häuserblock, vorgesehen, und dieser Transformator hat gegen die den obigen Bemerkungen zu Grunde gelegten gröfseren Transformatoren bereits einen viel schlechteren Wirkungsgrad, so dafs das Aufstellen von mehreren Transformatoren noch kleinerer Ausführung mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad und die dementsprechende Wirtschaftlichkeit des Betriebes ausgeschlossen erscheint.

Von anderer Seite ist mit Rücksicht darauf, dafs, wie oben hervorgehoben worden ist, die Magnetisirungsarbeit 24 Stunden geleistet werden mufs, der Spannungsverlust aber nur entsprechend der jeweiligen Inanspruchnahme des Transformators, der Vorschlag gemacht, die Transformatoren in der Weise anders zu bauen, dafs man den Verlust an Magnetirungsarbeit herunterdrückt. Leider ist dieses aber nur dadurch möglich, dafs man die Verluste durch Spannungsabfall in den Transformatoren vergröfsert. Es würde also z. B. bei derartigen Transformatoren der Spannungsabfall in denselben vielleicht nicht 2 pCt., sondern 8 pCt. betragen. Bedenkt man nun, dafs der Spannungsabfall im Transformator je nach der Belastung desselben sich ändert, so sieht man, dafs seine Klemmenspannung je nach der Beanspruchung um 8 pCt. schwanken wird, und es ist sofort ersichtlich, dafs man diese Schwankung nicht zulassen kann, vielmehr zu einer Ausregelung dieses Spannungsverlustes schreiten mufs. Es liegt auf der Hand, dafs dieses Verfahren im allgemeinen schwierig und kostspielig und für eine grofse Reihe von Anordnungen, z.B. für diejenige, wo in jedem Haus oder Häuserblock ein Transformator aufgestellt werden mufs, praktisch überhaupt undurchführbar ist.

D'er Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Transformator, bei welchem die während des Jahres für Magnetisirungsarbeit aufzuwendende Energie vermindert werden soll. Zur Erreichung dieses Zweckes wird der Umstand benutzt, dafs die Belastung des Transformators eine wechselnde ist und daher auch seine Leistungsfähigkeit eine verschiedene sein kann. Er wird daher für wechselnde Belastung eingerichtet, und das ist der kennzeichnende Unterschied der vorliegenden Ausführungsform von anderen Transformatoren. Nur während weniger Stunden des Tages, und auch das nur während weniger Monate des Jahres, tritt überhaupt die volle Belastung des Transformators ein, während des gröfsten Theils des Jahres ist er weit unter seiner vollen Leistung, ja weit unter der halben Leistung belastet.

Zu den Zeiten nun, in welchen der Transformator nicht voll belastet ist, soll nach dieser Erfindung die Magnetisirungsarbeit dadurch heruntergedrückt werden, dafs die Windungszahl erhöht wird, und zwar, um das Uebersetzungsverhältnifs gleich zu erhalten, in der primären und secundären Wickelung gleichzeitig. Denn das Verhältnifs, in welchem die primäre Spannung zur secundären steht, hängt ausschliefslich ab von dem Verhältnifs der Windungszahlen der primären und der secundären Wickelung, so dafs also eine gleichzeitig in der primären und secundären Wickelung vorgenommene Umschaltung an dem Uebersetzungsverhältnifs nichts ändert.

Ein Transformator, durch den das oben gekennzeichnete Ziel in einfacher Weise erreicht werden kann, ist der im Folgenden beschriebene:

Die primäre und die secundäre Wickelung bestehen aus je zwei Hälften. Diese Hälften werden für die Zeiten, wo der Transformator seine volle Leistung hergeben soll, in primärer und secundärer Wickelung parallel geschaltet. Dann hat die primäre und die secundäre Wickelung den gröfstmöglichen Querschnitt, und die höhste Stromstärke kann daher zugeführt werden. Die Abmessungen sind so getroffen, dafs alsdann der Verlust des Spannungsabfalls und der Verlust der Magnetisirungsarbeit die gebräuchlichen procentualen Werthe haben. Für die Zeiten des schwachen Verbrauchs werden die Hälften, um die Windungszahl zu erhöhen und das Uebersetzungsverhältnifs gleich zu erhalten, in primärer und secundärer Wickelung gleichzeitig hinter einander geschaltet. Dadurch wird erreicht,, da die Windungszahl auf das Doppelte erhöht worden ist, dafs die Anzahl der Kraftlinien nur etwa die Hälfte beträgt, wie bei der Parallelschaltung der Wickelungsabtheilungen. Die Magnetisirungsarbeit sinkt dann noch im Verhältnifs der i,6^ten Potenz der magnetischen Intensität. Der beschriebene Transformator ist auf der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt.

D ist die Stromerzeugermaschine; w^l und w¹ sind die zwei Gruppen der Primär-, W¹ und W²- die zwei Gruppen der Secundär-

Claims (2)

windungen, die sich auf dem Eisenkerne K befinden. 5 ist die Umschaltvorrichtung. In der gezeichneten Stellung der Schalthebel h1 und /z2, H1 und H2 sind wl und w"2· und 'W1 und "VF2 parallel geschaltet. Werden diese Schalthebel durch den Griff G, an dem sie befestigt sind, in die punktirt gezeichnete Stellung gebracht, so sind je die Gruppen hinter einander geschaltet. Bei der praktischen Ausführung der Umschaltung tritt fast gar kein Feuer an den Schalthebeln auf. Es ist zu bemerken:

1. dafs nun für die Zeiten des schwachen Verbrauchs der Verlust durch den Spannungsabfall ein viermal gröfserer ist, als bei der Schaltung der Vollbelastung, da die Windungen nur den halben Querschnitt und die doppelte Länge haben;

2. dafs die Leistungsfähigkeit „des Transformators, da bei den hier vorausgesetzten Vertheilungsanlagen mit gleichbleibender Spannung gearbeitet wird, nur etwa halb so grofs ist als bei der Parallelschaltung im Transformator, da der Querschnitt der Windungen jetzt nur die Hälfte beträgt.

Da aber nach den BetrieBsergebnissen der Elektricitätswerke die durchschnittliche Inanspruchnahme des Netzes aufser den Zeiten des starken Verbrauchs etwa nur io bis 15 pCt. beträgt, so fällt einmal die Erhöhung des Verlustes durch Spannungsabfall gar nicht ins Gewicht, dann aber ist die Leistungsfähigkeit des Transformators, der doch bis zu 50 pCt. seiner Vollbelastung in Anspruch genommen werden kann, mehr als ausreichend.

Es ist klar, dafs an der Anordnung dieses Transformators grundsätzlich nichts geändert wird, wenn statt der zwei Abtheilungen, die entweder parallel oder hinter einander geschaltet werden, drei oder mehr auf demselben angebracht werden. Natürlich ist auch die Abänderung möglich, dafs für die Vollbelastung des Transformators nur eine starke Wickelung benutzt wird und zur Erhöhung der Windungszahl, um die Magnetisirungsarbeit zu erniedrigen, eine besondere Wickelung vor dieselbe geschaltet wird, welche also bei Vollbelastung des Transformators gar nicht mit benutzt wird.

Da, wie erwähnt, bei der Umschaltung auf Hintereinanderschaltung ein etwas gröfserer Spannungsverlust in den Windungen des Transformators stattfindet, so kann die Abmessung der Abtheilungen im Transformator auch so getroffen werden, dafs, wenn dieselben hinter einander geschaltet werden, eine geringe Erhöhurig der Spannung an den secundären Klemmen eintritt, um den Verlust durch Spannungsabfall auszugleichen. Diese geringe Abweichung ändert natürlich nichts an dem oben ausgesprochenen Grundsatz, dafs das Uebersetzungsverhältnifs beibehalten werden mufs.

Endlich ist zu erwähnen, dafs die hier beschriebene Anordnung des Transformators sowohl für zwei- als auch für mehrphasigen Wechselstrom Anwendung finden kann.

Patenτ-Anspruch:

Das Verfahren, bei einem Transformator für einphasigen oder mehrphasigen Wechselstrom die während der Zeit der Hauptstromlieferung erforderliche Magnetisirungsarbeit während der Zeit des schwachen Stromverbrauchs dadurch herabzusetzen, dafs man für diese Zeit die bei hoher Belastung parallel geschalteten Abtheilungen der Primärwickelung (w'¹ und w^) und in demselben Augenblick die ebenfalls bei hoher Belastung parallel geschalteten Abtheilungen der Secundärwickelung (W¹ und W¹J hinter einander schaltet, wobei sich das Uebersetzungsverhältnifs des Transformators nicht ändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.