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Schalt- und Regeleinrichtung für aus mehreren Einzelelementen (Wickeln)
zusammengesetzte Kondensatoren Das Einschalten von Kondensatoren stellt insofern
eine Besonderheit auf dem Gebiet der elektrischen Schaltvorgällge dar" als der Kondensator
im ersten Moment für die Spannungsquelle, mit der seine Klemmen verbunden werden,
einen Kurzschluß bedeutet: Der Einschaltstrom ist nur durch den Ohinschen Widerstand
der Zuleitung und den inneren Widerstand der Spannungsquelle begrenzt. Da die beiden
Widerstände normalerweise sehr klein sind, nimmt der Einschaltstrom außerordentlich
hohe Werte an. Besonders ungünstig werden die "Jerhältnisse im Fall der Parallelschaltung
voll bereits all Spannung liegenden Kondensatoren mit spannungslosen, die über,Sammelschienen
miteinander verbunden sind: da erstere als zusätzliche Spannungsquelle wirken, wird
der Einschaltstrom nur durch den sehr geringen Ohmschen Widerstand der Sammelschiene
begrenzt.
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Es ist bekannt, zur Begrenzung dieser Stromspitzen Kondensatorsonderschalter
zu verwenden, durch die der zuzuschlaltende Kondensator an die Spannung zunächst
über einen Vorschaltwiderstand gelegt wird, der nach Abklingen des ersten Einschaltvorganges
entweder mechanisch oder durch ein Verzögerungsrelais kurzgeschlossen wird. Aber
auch hierbei treten noch erhebliche Beanspruchungen der Schaltkontakte durch Fun-kenbildung
auf, die zu einem Verschleiß der Kontakte führen.
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Beim Ausschalten von Kondensatoren besteht, allerdings nur in Wechselstromkreisen,
die Gefahr
von Rückzündungserscheinungen, die folgendermaßen zustande
kommenkönnen:-DieimAugenblick der Trennung der Kontakte an den )Kondensatorklemmen
vorhandene Spannung bleibt wegen des hohen Isolationswiderstandes der Kondensatoren
als Gleichspannung bestehen. Die an den netzseitigen Schalterklemmen liegende Wechselspannung
hat nach einer halben Periode, also nach 1/:", Sek., -die entgegengesetzte Polarität
wie im Augenblick des Schaltens. Es kann also im ungünstigsten Fall, nämlich'beim
Abschalten im Spannungshöchstwert, die doppelte Netzspannung als Spannungsdifferenz
an den sich voneinander entfernenden Schalterkontakten liegen, so daß bei zu- langsamem
Ausschalten die freie Luftstrecke des Schalters durchschlagen wird, d. h.
eine Rückzündung erfolgt. Da sich dieses Spiel unter Umständen mehrmals wiederholen
kann, schaukelt sich die Kondensatorspannung zÜ immer höherenWerten auf.
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Ein weiterer Nachteil beider normalen Installation von Kondensatoren
besteht darin, daß im Interesse der Sicherheit des Bedienungspersonals zur Beseitigung
der nach dem Abschalten vorhandenen Ladung Entladewiderstände parallel zu den Kondensatorklemnien
gelegt werden, die einen ständigen Leistungsverlust verursachen.
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Die Schalteinrichtung nach der Erfindung vermeidet die beschriebenen
Nachteile. Sie beruht auf folgender Überlegung: Die durch den üblichen
Auf-
bau eines Kondensators größerer E-apazität, gegebene Unterteilung- in
viele gleichartige Einzelelemente (Wickel) innerhalb eines Kondensatorbehälters
bietet die Möglichkeit, diese Wickel zeitlich nacheinander ein- bzw. auszuschalten.
Bildet man ferner den Vorschaltwiderstand erfindungsgemäß als beliebig fein unterteilten,
von hoch- bis zu niederohmigen Werten regelbaren Widerstand aus, dann gelingt es,
den Ein- und Ausschaltvorgang bei jeder Stufe völlig staBstromfrei und damit auch
funkenfrei durchzuführen.
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Weiter-hin bestellt die Erfindung darin, für das Schalten sämtlicher
Einzelelemente, unter Umständen Gruppen von zwei oder mehr zueinander parallel geschalteten
Wickeln, nur einen einzigen Regelwiderstand zu verwenden, der außerdem nur während
des eigentlichen Schaltvorganges ein7-geschaltet wird, Der Regelwiderstand kann
aus Schicht- oder bzw. und Drahtwiderständen, aus einer oder aus eiinem Flüssigkeitswiderstand
bestehen. Da der Schaltvorgang selbst innerhalb weniger Sekunden bzw. Bruchteilen
von Sekunden -abgewickelt werden kann, kann der Widerstand verhältnismäßig kleine
Abmessungen erhalten.
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Bevor auf die verschiedenen Vorteile der Erfin-,düng eingegangen wird,
seien an Hand eines möglichen Ausführungsbeispieles die Schalteinrichtung selbst
und die beim Schalten sich abspielenden Vorgänge beschrieben (s. Zeichnung).
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Die zehn Einzelelemente B bis L eines nur einphasig gezeichneten Kondensators
i liegen mit ihrem einen Pol gemeinsam an dein Netzpol R eines Wechselspannungsnetzes.
-Ihr zweiter Pol ist über isolierte Leitungen und über eine Mehrfachdurchführung
mit den entsprechenden Schaltkontakten b
bis 1 einer ringförmigen,
um eine Achse 3 drehbaren, zur Hälfte mit Quecksilber gefüllten Schaltröhre (Ringschalter)
2 verbunden. Der Schaltkontakt a dieses Ringschalters 2 ist mit dem zweiten Pol
S des Wechselspannungsnetzes verbunden. Mit einer halben Umdrehung des Ringschalters
--7 lassen sich somit sämtliche zehn Wickel ein- oder ausschalten. Diese
Schaltung erfolgt aber nicht unmittelbar, sondern über den Regelwiderstand'6. In
der geze-ichneten Stellung sind z. B. vier Elemente B bis E
eingeschaltet
(= 40 010). Eine feststehende Schleifbürste, die in der gezeichneten
Stellung auf dein Kontakt e des Ringschalters 2 ruht, ist mit dem in der Ruhestellung
stromlosen Schleifkontakt 5 des Regelwiderstandes 6 verbunden, der
Anfang iv desselben ist an den Pol S des Netzes angeschlossen. Die
Achse 7 des Regelwiderstandes 6 ist mit der Achse 3 des Ringschalters
2, in der Weise gekuppelt, daß diese beim Zuschalten am Ende einer Umdrehung
der Achse 7, beim Abschalten dagegen am Anfang der Drehbewegung der Achse
7 um eine Kontaktstufe weitergedreht wird. Schematisch ist dies durch die
beiden Rä,der 8 dargestellt.
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Der Antrieb der Achse 7 und damit auch der Achse
3 kann auf beliebige Weise erfolgen, also z. B. durch ein Handrad mit Nocken
für die je-
weilige Ruhestellung. In der Zeichnung ist der Antrieb mittels
eines kleinen Elektromotors 9 (Servo-Motor) dargestellt, also mittels einer
einzigen Antriebsvorrichtung. Dabei werden gegebenenfalls biegsame bzw. gelenkig
ausgebildete Kupplungsstücke für den gemeinsamen Antrieb der Schalteinrichtungen
verwendet.
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Dieser ist über ein nicht näher bezeichnetes Getriebe mit der Achse
7 gekuppelt. Der Elektromot,or 9 oder das Getriebe muß für Links-
und Rechtslauf der Achse 7 eingerichtet sein. Die Einschaltung des Elektromotors
kann z. B. über eine halbselbsttätige (Fahrplansteuerung) oder vollselbsttätige
(Blindleistungsbegrenzer) Blindstromregeleinrichtung erfolgen. In der Zeichnung
ist als Beispiel eine Druckknopfsteuerung dargestellt. Druckknopf iro veranlaßt
das Zuschalten, Druckknopf i i -das Abschalten.
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Beim Drücken des Druckknopfes io spielen sich folgende Vorgänge ab:
Der Servomotor 9 läuft an. Auf der Achse ;7 sitzen außer dem Schleif-konta,1-,t
5
des Regelwiderstandes 6 nochdie Schleifkontakte 13
und 15 der
Schaltscheiben i--> und 14.
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Der Schleifkontakt 13 wird nur beim Zuschalten mitgenommen, der Schleifkontakt
15 bleibt dagegen stehen. Der Schleifikontakt 13 schließt die Kontaktschienen,
die parallel zu Aden Kontakten des Druckknopfes i i liegen,kurz, so daß der Elektromotor
9
auch nach dem Loslassen des Druckknopfes ro so lange weiterläuft, bis die
Achse 7 eine Umdrehung gemacht hat und der -Motorstrom durch den Ruhekontakt
des Schleifkontaktes113 unterbrochen wird. Bei Beginn der Drehbewegung hat der Schleifkontakt
5 seinen Ruhekontakt verlassen und schaltet den Regelwiderstand
6 mit seinem vollen (hochohmigen
) Widerstandswert ein. Hierdurch
wird der Stromkreis S-n-6-5-4-f-F-R geschlossen, wodurch der Wickel F praktisch
funkenfrei eingeschaltet wird. Mit zunehmendem Drehwinkel steigt die Spannung am
Wickel F, bis sie bei Berührung des Schleifkontaktes 5 mit dem Anfang n des
Regelwiderstan,des 6 den vollen Wert erreicht hat. In diesem Augenblick wird
der Ringschalter 2, um eine Kontaktstufe weitergedreht, der Schaltkontakt
f
taucht in das Ouecksilber ein und erhält somit über dieses und dei7Schaltkontakt
a unmittelbare funkenfreie Verbindung mit dem Netzpol S: der Wickel F ist
eingeschaltet, die Abschaltung des Regelwiderstandes,6 für die Ruhestellung kann
ebenfalls fun,kenlos erfolgen. In an sich gleicher Weise, nur in umgekehrter Reihenfolge,
spielt sich der Abschaltvorgang ab: Durch Drücken des Druckknopfes i i läuft der
Elektromotor in der entgegengesetzten Richtung an, Schleifkontakt 13 bleibt stehen,
Schleifkontakt 15 bewirkt dagegen den Weiterlauf des Elektromotors bis zur Ruhestellung,
der Regelwiderstand 6 wird über den Anfang n eingeschaltet, Cr Schaltkontaktf
taucht funkenlos aus dem Quecksilber aus, die Spannung am Wickel F verringert sich
allm!ählich bis auf nahezu null Volt, so daß die Abschaltung ebenfalls praktisch
funkenfrei erfolgt: der Wickel F ist ausgeschaltet und gleichzeitig spannungslos
(entladen!). An Stelle der Quecksilberringschaltröhre 2 kann natürlich auch entweder
ein normaler Stufendrehschalter mit Schleifkontakten oder eine Schaltwalze oder
ein Nockenschalter mit Federkontakten treten. Der Vorteil der Ringschaltröhre gegenüber
den zuletzt ,genannten Schaltgeräten liegt hauptsächlich darin, daß die Antriebsleistung
auf ein Mindestmaß sinkt und keinerlei Verschleiß auftritt. Aus diesem Grunde kann
z. B. auch für den Regelwiderstand,6 eine solche Quecksilberringschaltröhre verwendet
werden, an deren Kleinmen beliebig fein abgestufte Widerstände angeschlossen sinid,
die durch das Quecksilber allmählich zu- oder abgeschaltet werden. Als Regelwiderstand
kann ferner die an sich bekannte,Kohledrucksäule verwendet werden, deren Druck durch
einen auf der Achse 7 befestigten Exzenter verändert wird, wodurch der Widerstand
der Kohledrucksäule geregelt wird.
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Durch die neue Schalteinrichtung ergeben sich folgende Vorteile: i.
Durch die Unterteilung des Schaltvorganges in viele einzeInt, zeitlich nacheinander
erfolgende Schaltungen wird die Schaltleistung erheblich geringer, was eine große:Materialersparnis
gegenüber normalen Schaltern ergibt.
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2. Durch die Verwendung eines beliebig fein unterteilten Vorschaltwiderstandes,
der beim Zuschalten allmählich verringert und beim Abschalten vergrößert wird, werden
Schaltfunken, die zu Kontaktabbrand und damit zu Kontaktverschleiß führen, vermieden.
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3. Die Verwendung nur eines Regelwiderstandes für Ladung und
Entladung für jede Schaltstufe, seine Bemessung für einen nur geringen Prozentsatz
der gesamten Kondensatorleistung sowie seine nur kurzzeitige Einschaltung ergeben
sehr geringe ZD t' Abmessungen dieses Widerstandes und damit geringen iM.Laterialaufwand.
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4. Die Schalteinrichtung kann auf das Kondensatorgehäuse aufgebaut
werden. Da nur kleine Ab-
messungen in Frage kommen, ist auch der Einbau derselben
in dasKondensatorgehäuse möglich ohne wesentliche Vergrößerung desselben, allerdings
unter genügender Abdichtung gegen die Kondensatorkählflüssigkeit. Hierdurch ergibt
sich bei der Installation des Kondensators nicht nur eine Raumersparnis, sondern
auch eine Vereinfachung der gesamten Schaltung. Der Anschluß des Kondensators erfol-t
durch eine unmittelbare Verbindungsleitung zwischen Sammelschiene und den Kondensatorkl-emmen.
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5. Die Zu- und Abschaltung der einzelnen Kondensatorelem#ente
verläuft sowohl für das Netz als auch für den Kondensator und die Schalteinrichtung
völlig harmlos.
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6. Die Betätigung der Schalteinrichtung kann mit sehr geringem
Kraftaufwand von Hand, elektromagnetisch oder elektromotorisch erfolgen.
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7. Die stufenweise Zu- und Abschaltung der einzelnen Kondensatorelemente
(Wickel) gestattet eine feinstufige Regelung der Gesamtleistung eines Kondensators.
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8. Auch die Regelung der Blindleistung mehrerer unter sich
parallel geschalteter Kondensatoren, wie sie z. B. bei der sogenannten zentralen
oder Gruppen -kompensation zur Leistungsfaktorverbesserung verwendet wird, gestaltet
sich sehr einfach und bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bisherigen Verfahren.
Es war bisher nämlich üblich, jeden -einzelnen Kondensator einer solchen Anlage
über Kondensatorsonderschütze entweder von Hand (Druckknopfsteuerung) oder selbsttätig
(mittels Programmstenerung) oder vollselbstfätig (mittels der sogenannten Blindleistungsbegrenzer)
mit seiner vollen Leistung zu- und abzuschalten. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens
bestand darin, daß bei kleinen und mittleren Anlagen wegen der geringen Anzahl der
Kondensatoren nur eine grobstufige Regelung erfolgen konnte.
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Mittels der Schalteinrichtung gemäß der Erfindung kann nun jeder einzelne
Kondensator mit dem gleichen Prozentsatz seiner Einzelleistung zu- oder abgeschaltet
wer-den, derart, daß die Summe der Einzelleistungen der geforderten Blindleistung
entspricht. Dies sei an einem Beispiel näher erläutert: In einer Anlage seien vier
Kondensatoren zu je
50 kVA, d. h. 200 kVA insgesamt, aufgestellt.
Der Betriebszustand der Anlage verlange zur Verbesserung des cos 99 auf o,95
zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Kondensatorblindleistung von i2o kVA. Nach dem
bisherigen Verfahren mußten also zwei Kondensatoren eingeschaltet werden,
d. h. ioo kVA. Der verlangte cos 99 wurde also nicht erreicht. Die
nächstmögliche Einschaltung von drei Kondensatoren, d.h. i5okVA, ergab eine, meist
unerwünschte Überkompensation.
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Nach der Erfindung werden die vier zehnstufiggen Schalter der vier
Kondensatoren auf die sechste Stufe
gest#lit, was eine Blindleistung
von 0,6,- 501- 4 = 30 - 4= i2o kVA ergibt, womit also der Sollwert
erreicht ist.
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g. Die gesamte Installation einer Anlage gemäß der Erfindung wird
erheblich vereinfacht und verbilligt. Die Durchführungen sämtlicher Kondensatoren
werden mit einer entsprechend bemessenen Sammelschiene verbunden und diese wiederum
mit einem einzigen Kabel, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines stromlos
zu öffnenden Trenngliedes (Sicherungstrennmesser), mit der Netzsammelschiene. Die
Achsen 7 der Schalteinrichtung jedes Kondensators werden so ausgebildet,
daß durch einfache Kupplungsstücke ein gemeinschaftlicher Antrieb ermöglicht wird.
Für verhältnismäßig große Kondensatorsonderschütze wird kein Platz benötigt, und
deren teuere Installation fällt fort.
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io. Die Kondensatorbatterie wird in solchen Anlagen nur selten mit
ihrer vollen Leistung eingeschaltet sein. Da somit jeder einzelne Kondensatür gemäß
der Erfindung nur mit einem bestimmten Prozentsatz seiner Leistung eingeschaltet
ist, wird die Betriebserwärmung jedes Kondensators unter demjenigen Wert bleiben,
den sie bei Volleinschaltung annehmen würde. Wenn auch moderne Phasenschieber infolge
ihrer sellir kleinen Verluste nur geringe Übertemperaturen annehmen, so ist es doch
nicht von der Hand zu weisen, -daß sich diese geringere Erw.ä.rmung in einer Schonung
des Kondensators und damit in einer längeren Lebensdauer auswirken wird.
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im. Als Regelgerät einer vollselbsttätigen Anlage wird in der Regel
ein Blindverbrauchszlähler verwendet, der über eine Nockenwelle Quecksilbersch#altröhren
ein- und ausschaltet, die ihrerseits die Schütze betätigen. Da die Antriebsleistung
der Schalteinrichtung nur sehr gering ist, kann, entsprechende Bemessung eines solchen
Zählers oder einer anderen - Regelvorrichtung vorausgesetzt, der Antrieb
der Schalteinrichtungen durch das Regelgerät unmittelbar oder über ein Getriebe
erfolgen. -