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Stuf enregeleinrichtung mit Lastschalter Zwecks Verringerung der abzuschaltenden
Leistung, Verringerung des Kontaktabbrandes und der Schaltölverrußung bei unter
Last arbeitenden Stufenregeleinrichtung für Transformatoren oder Drosseln mit Überschaltwiderständen
werden nach einem früheren Vorschlag die Schaltorgane synchron in Abhängigkeit von
der Spannung betätigt. Zu diesem Zweck erhalten die Schalteinrichtungen Kraftspeicher,
die von einem Regelwerksmotor aufgeladen «,erden. Sie werden durch Schaltmittel,
deren Stellung oder Bewegung eindeutig der Spannungsphase zugeordnet sind, beispielsweise
durch Synchronmotoren, Abfallrelais od. dgl., in einem solchen Zeitpunkt ausgelöst,
und die Kontaktabstände, die treibenden und dämpfenden Kräfte sowie die Massenkräfte
der Schalter sind derart abgeglichen, daß die Abschaltpunkte im oder kurz vor dem
Nulldurchgang des abzuschaltenden Stroms liegen. Bei der Umschaltung von Stufe zu
Stufe einer solchen mit Ü berschaltwiderständen arbeitenden Stufenregeleinrichtung
werden zwei Abschaltvorgänge in vorgeschriebenem zeitlichen Abstand unaufhaltsam
nacheinander durchlaufen. Beim ersten Abschaltvorgang muß jeweils ein dem Laststrom
entsprechender Strom, beim zweiten Abschaltvorgang je nach dem Regelsinn und der
Energierichtung die Summe oder die Differenz aus halbem Laststrom und dem durch
die Überschaltwiderstände begrenzten Ausgleichstrom abgeschaltet werden. In Fällen,
in denen der Leistungsfaktor
des Laststroms gleich ist, läßt sich
eine solche synchrone, in' Abhängigkeit von der Spannung arbeitende Stufenregeleinrichtung
ohne Schwierigkeiten so einstellen, daß die Abschaltpunkte zeitlich richtig liegen.
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Schwierigkeiten ergeben sich jedoch sofort, wenn sich der Laststrom
in seiner Phase ändert. Dies wird an Hand der Fig. i und 2, die die Verhältnisse
bei einer Stufenregeleinrichtung nach dem genannten älteren Vorschlag wiedergeben,
erläutert. Die Wicklung i eines Transformators ist mit mehreren Anzapfungen 2, 3
versehen, an denen in bekannter Weise mittels eines motorisch angetriebenen Regelwerks
Stufenwähler ¢, 5 abwechselnd stromlos entlang geschaltet werden.- Der Laststrom
wird durch einen Lastschalter 6 jeweils von dem einen auf den anderen Stufenwähler
umgelegt. 7 bis io sind die feststehenden Kontakte, und ii ist der bewegliche Kontakt
des Lastschalters. Die Antriebsvorrichtung eines solchen Schalters wird später an
Hand der Fig.7 noch näher erläutert. Die den Dauerstellungen entsprechenden Hauptkontakte
7, 1o sind unmittelbar mit den Stufenwählern 4, 5 und 'die nur beim Umschaltvorgang
durchlaufenen Hilfskontakte 8, 9 über Ohmsche Widerstände 12, 13 mit den
Stufenwählern verbunden.
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Bei der Umschaltung von der Anzapfung 3 auf die Anzapfung 2 wird der
bewegliche Kontakt I I von dem Kontakt io über die Kontakte 9, 8 auf den Kontakt
7 umgelegt. Dabei ist eine erste Abschaltung erforderlich, wenn die Überbrückung
der Kontakte 9 und io aufgehoben wird, eine zweite Abschaltung, wenn die Überbrückung
der Kontakte 8 und 9 unterbrochen wird. Beim ersten Abschaltvorgang ist der abzuschaltende
Strom der Laststrom selbst, der, wie Fig. 2 zeigt, bei betriebsmäßig günstigstem
Leistungsfaktor die Phasenlage J., bei betriebsmäßig ungünstigstem Leistungsfaktor
die. Phasenlage J2 haben möge. Beim zweiten Abschaltvorgang setzt sich der abzuschaltende
Strom aus etwa dem halben Laststrom und. dem Ausgleichstrom, der sich durch die
Überbrückung der zwischen den Anzapfstellen 2 und .3 liegenden Wicklungsstufe ergibt
und durch die Widerstände 12, 13 begrenzt wird, zusammen. Hat die Wicklungsstufe
3 ein höheres Potential als die Wicklungsstufe 2 und wird von dem Kontakt io auf
den Kontakt 7 umgeschaltet, wird also die Spannung herabgesetzt, dann ist der abzuschaltende
Strom, wenn man mit J" (Fig. 2) den Ausgleichstrom bezeichnet, gleich der Vektorsumme
aus halbem Laststrom und Ausgleichstrom. Es ergibt sich also bei diesem zweiten
Schaltvorgang und bei günstigstem Leistungsfaktor ein dem Vektor l3, bei ungünstigstem
Leistungsfaktor ein dem Vektor J4 entsprechender abzuschaltender Strom. Ist dagegen
das Potential der Anzapfung 3 kleiner als das der Anzapfung 2 und wird wieder von
dem Kdntakt io auf den Kontakt 7 geschaltet, d. h. wird die Spannung hinaufgeregelt,
dann setzt sich der abzuschaltende Strom aus dem halben Laststrom und dem negativen
Wert des Ausgleichstroms zusammen, weil jetzt der Ausgleichstrom im entgegengesetzten
Sinn, fließt. Dadurch ergibt sich bei günstigstem Leistungsfaktor ein dem Vektor
J5, bei ungünstigstem Leistungsfaktor ein dem Vektor JE entsprechender abzuschaltender
Strom.
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Wie die Fig. 2 zeigt, streuen also die Phasen der '-abzuschaltenden
Ströme sehr stark (Streubereich gegenüber dem Streubereich a der Lastströme), und
infolgedessen verlagern sich auch erheblich die Nulldurchgänge dieser Ströme, so
daß es schwierig ist, die synchrone Schalteinrichtung so abzugleichen, daß die Abschaltpunkte
immer mit dem Nulldurchgang zusammenfallen oder kurz vor diesem liegen. Bei zu großem
zeitlichen Abstand zwischen Abschaltpunkt und Nulldurchgang ergeben sich aber mehr
hohe Schaltleistungen und Kontaktbeanspruchungen.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Phasenstreuung herabzusetzen,
um ein möglichst wirkungsvolles Arbeiten der synchronen Schalteinrichtung zu gewährleisten.
Es ist schon vorgeschlagen worden, die Phasenstreuung der abzuschaltenden Ströme
dadurch zu verringern, daß man den Ausgleichstrom vielfach größer macht als den
Laststrom. Durch die übermäßige Erhöhung des Ausgleichstroms ergibt sich aber an
sich eine Vergrößerung der abzuschaltenden Leistung, die unerwünscht ist. Bei der
Erfindung soll auch dieser Mangel vermieden werden.
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Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß die Überschaltwiderstände
des Lastschalters in Abhängigkeit von dem Regelsinn oder von dem Regelsinn und den
Regelstufen im Sinn einer Verringerung des Phasenstreubereichs der abzuschaltenden
Ströme veränderbar sind und daß im letzteren Fall das Verändern der Widerstandswerte
vorzugsweise selbsttätig durch das die Synchronschaltung bewirkende Steuermittel
und die Getriebe erfolgt. Besonders günstige Abschaltverhältnisse erzielt man, wenn
man die überschaltwiderstände hinsichtlich ihres Einflusses auf die Phasenlage des
Ausgleichstroms derart abgleicht, daß sein Nulldurchgang zwischen den Nulldurchgängen
des Laststroms günstigster und ungünstigster betriebsmäßiger Phasenlage liegt. Die
Änderung der überschaltwiderständ.e in Abhängigkeit vom Regelsinn kann mittels drehrichtungsabhängiger
Getriebe durch den Antrieb der Regeleinrichtung selbst vorgenommen werden; Am besten
läßt man dabei die Widerstände so umschalten, daß der Ausgleichstrom bei Spannungssenkung
etwa gleich dem halben Nennlaststrom, bei Spannungserhöhung etwa dem ganzen Nennlaststrom
oder seinem doppelten Wert gleich ist. Im einen Fall ändert sich also mit dem Regelsinn
der Ausgleichstrom im Verhältnis 1:2, im anderen Fall im Verhältnis 1:4. Im ersten
Fall ergeben sich Verhältnisse nach den Fig.3 und 4, im zweiten Fall Verhältnisse
nach den Fig. 5 und 6.
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Fig. 3, die im wesentlichen der Fig. i entspricht, zeigt wieder das
Schaltbild der Stufenwähler und des Lastschalters. Statt Ohmscher Widerstände 12,
13 sind hier kombinierte Widerstände i2o, i3o
t-erwendet, in solcher
Abgleichung hinsichtlich der Phasenlage des Ausgleichstroms Ja (Fig. d.),
daß sein Stromvektor den Winkel a zwischen dem Laststrom J1 betriebsmäßig besten
Leistungsfaktors und dem Laststrom J, schlechtesten Leistungsfaktors halbiert. Das
Ende der Widerstandskombination 120 ist an den Kontakt 121, ihre Mitte an den Kontakt
122 angeschlossen. Das Ende der Widerstandskombination 130 ist an den Kontakt
r32, ihre Mitte an den Kontakt 131 angeschlossen. Die Widerstandsstufen «-erden
durch die beweglichen Kontakte 123, 133 umgeschaltet, die durch drehrichtungsabhängig
arbeitende Getriebe je von dem einen auf den anderen Stufenkontakt 121, 122 bzw.
131, 132 umgelegt werden können. Die in Fig.3 dargestellte Lage der Schalter 123,
133 entspricht einer Höherregelung der Spannung. Es ist also dabei angenommen, daß
der bewegliche Lastschalterkontakt 11 von dein Kontakt 1o auf den Kontakt 7 umgelegt
werden soll und das Potential des Anzapfpunktes 2 höher ist als das des Anzapfpunktes
3. Der Überschaltwiderstand ist in dieser Stellung auf die Hälfte herabgesetzt.
Es ergibt sich infolgedessen ein doppelt so großer Ausgleichstroin Ju', der in Fig.
4. in dem Ausgleichstrom J,Z entgegengesetzter Richtung aufgetragen ist, weil er
zwecks Bildung des bei der Aufhebung der Überbrückung der Kontakte 8 und 9 abzuschaltenden
Stroms J. in dieser Richtung an die Hälfte der Laststromvektoren J1 bzw. J. angesetzt
werden muß.
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Bei Spannungssenkung werden durch drehrichtungsabhängige Getriebe
die Schalter 123, 133 auf die Kontakte 121, 132 umgelegt, so daß nunmehr die ganzen
Widerstände eingeschaltet sind und der Ausgleichstrom J" jetzt halb so groß ist
wie vorher. Die bei der Aufhebung der Überbrückung der Kontakte 8 und 9 abzuschaltenden
Ströme ergeben sich durch Summenbildung der Hälfte der Lastströme J1 bzw. J., und
des Ausgleichstroms Ja, so daß man also bei günstigem Leistungsfaktor den
Stromvektor J3, bei ungünstigem Leistungsfaktor den Stromvektor J4 erhält.
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Wie die Fig. 4. zeigt, ist die Phasenstreuung der abzuschaltenden
Ströme J1 bis J" bei den betriebsmäßig möglichen Leistungsfaktoren und bei Auf-und
Abwärtsregelung jetzt wesentlich kleiner geworden als bei Fig.2 und nicht größer
als der Streubereich der Lastströme. Zwar sind die Ströme J, und J, dabei um etwa
18o° gegenüber den Strömen J1 bis J4 verschoben, für die Arbeitsweise der synchronen
Schalteinrichtung ist dies aber vollkommen bedeutungslos, weil es hier nur auf die
Nulldurchgänge der Ströme ankommt und es gleichgültig ist, ob bei der Abschaltung
im oder kurz vor dem Stromnulldurchgang der Strom von einem positiven oder von einem
negativen Wert aus auf Null abnimmt. Es genügt, wenn ein für allemal der erste Abschaltvorgang
beispielsweise beim Aufheben der Überbrückung der Kontakte 1o und 9 im oder kurz
vor dem Nulldurchgang des Laststroms Jt günstigster Phasenlage und der zweite Schaltvorgang
beim oder kurz vor dem Nulldurchgang des Stroms J, bzw. J3 liegt. Ungünstigstenfalls
verschiebt sich dann der Nulldurchgangspunkt bei ungünstigstem Leistungsfaktor um
den Winkel a. Derartig geringfügige Verlagerungen des Nulldurchgangspunktes gegenüber
dem Abschaltpunkt können aber ohne weiteres in Kauf genommen werden. Jedenfalls
liegen die Verhältnisse wesentlich günstiger als bei Fig.2. Besonders bemerkenswert
ist noch, daß die Verringerung der Phasenstreuung ohne Erhöhung der abzuschaltenden
Leistung erzielt werden kann.
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Ähnlich liegen die Verhältnisse bei Fig. 5 und 6, jedoch kann hier
die Widerstandskombination 130, je nachdem der Schalter 133 auf dein Kontakt 132
oder 13.1. liegt, ganz eingeschaltet oder ganz ausgeschaltet werden. Die gezeichnete
Stellung entspricht der Spannungserhöhung, also wieder dem Fall, daß das Potential
der Stufe 2 höher als das der Stufe 3 ist. Hier ist nur der vierte Teil der Widerstandskombination
12o, 130 eingeschaltet. Jä (Fig.6) ist deshalb viermal so groß, als wenn, wie bei
der Spannungssenkung, die ganze Widerstandskombination eingeschaltet ist, d. h.
die Schalter 123, 133 auf den Kontakten 121, 132 liegen. Hier sind wieder J1, J.,
die Nennlastströme günstigster und ungünstigster Phasenlage, J3, J4
bzw. J5,
JG die beim Aufheben der Üherbrückung der Kontakte 8 und 9 zu schaltenden Ströme.
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In gewissen Anlagen mit Regeltransformatoren entsprechen den einzelnen
Belastungs- bzw. Spannungsstufen bestimmte Leistungsfaktoren. Dies ist z. B. der
Fall bei Anlagen mit Bahn- oder Ofentransformatoren. Bei solchen Anlagen kann die
Arbeitsweise der synchronen Schalteinrichtung noch weiter verbessert werden, indem
man die Überschaltwiderstände stets so abgleicht, daß hinsichtlich ihres Einflusses
auf die Phasenlage des Ausgleichstroms dieser stets mit dem Laststrom etwa in Phase
ist. Unter Umständen kann auch dabei der Auslösezeitpunkt für die Kraftspeicher
entsprechend der Phasenlage des Laststroms, vorzugsweise selbsttätig, verlegt werden.
Eine derartige Regeleinrichtung zeigt Fig. 7. Hier ist der bewegliche Kontakt 11
mit einem Kniegelenk 1.4 verbunden, dessen Gelenkpunkt von dem einen Arm eines Winkelhebels
15 angegriffen wird, dessen anderer Arm in einen Kulissenschlitz 16 eines Schiebers
17 greift. Mit dem Schieber 17 ist das eine Ende einer Kraftspeicherfeder 18 verbunden,
deren anderes Ende an einem weiteren Schieber 1g angebracht ist. Der Schieber 17
kann in den beiden Endlagen durch abgefederte Klinken 20, 21 gesperrt werden. Zum
Auslösen der Klinken dient der mit dem Schieber 1A verbundene Stößel 22. Der Schieber
19 wird mittels einer Kurbel 23 über ein Vorgelege 2.4 von einem Synchronmotor 25
oder von einem als Synchronmotor wenigstens im Zeitpunkt der Synchronauslösung umschaltbaren
Asynchronmotor angetrieben. Der Motor liegt über einen Dreh- oder Regeltransforl-natOr
26 beispielsweise an der Stufenspannung des Transformators. Der Motor treibt ferner
über die Kegelräder 27 eine Umstellscheibe 28 für die Schalter 123, 133 an. Die
Umstellscheibe 28 und
der mit. der Welle dieser Schalter verbundene
Hebel 29 bilden ein drehrichtungsabhängiges Getriebe. Die Kontakte 121, 122, 131,
132 sind, wie in Fig. 3, mit den Widerstandskombinationen 120, 130 verbunden. Ferner
treibt der Motor 25 über noch ein weiteres 'Kegelradgetriebe 30 eine Regelvorrichtung
31 für die Widerstandskombinationen 120, 13o an. Diese Regeleinrichtung wird also
in Abhängigkeit von der Spannungsstufe verstellt, und zwar derart, daß der Ausgleichstrom
phasenmäßig jeweils mit der der betreffenden Spannungsstufe zugeordneten Phasenlage
des Laststroms zusammenfällt. Ebenso wird der Drehtransformator 26 entsprechend
der jeweiligen Phasenlage des Laststroms nachgedreht, indem er über ein Zwischengetriebe
mit dem Motor 25 verbunden wird. Statt dessen kann ihn aber auch ein die Phasenlage
des Laststroms ermittelndes Relais entsprechend steuern.
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Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Die abzuschaltenden Stromvektoren
steuern jetzt fast überhaupt nicht mehr, weil der Ausgleichstrom jeweils mit dem
Laststrom in Phase liegt, auch fallen die Abschaltzeitpunkte der zwei Abschaltvorgänge
immer mit dem Nulldurchgang des abzuschaltenden Stroms zusammen oder sind immer
um den gleichen Abstand vor diesen Nulldurchgang verlegt. Im übrigen hat das Schaltgetriebe
folgende Wirkungsweise: Der Schieber i9 wurde durch den Motor 25 in der Pfeilrichtung
in die gezeichnete Stellung gebracht, wobei gleichzeitig über das Getriebe 24 der
eine der Stufenwähler stromlos in bekannter Weise verstellt wurde. Da der Schieber
17 durch die Klinke 2o festgehalten ist und infolgedessen der Bewegung des Schiebers
i9 nicht folgen kann, wird die Feder 18 gespannt. Beim Auftreffen des Stößels 22
auf die Klinke 2o wird diese ausgelöst, so daß sich der Schieber 17 unter der Einwirkung
der Feder i8 im Pfeilsinn bewegt. Mittels des Kulissenschlitzes 16 und der Zwischenglieder
15 und 14 wird dann der bewegliche Kontakt ii von dem Kontakt 7 auf den Kontakt
io umgelegt. Der Auslösezeitpunkt der Klinke 2o ist durch entsprechende Einstellung
des Kurbelarms 23 oder des Synchronmotors 25 so hinsichtlich der Spannungsphase
verlegt, und die verschiedenen, im Schaltgetriebe wirksamen Kräfte sowie die Kontaktabstände
sind derart abgeglichen, daß die schon obengenannten Abschaltungen kurz vor den
betreffenden Stromnulldurchgängen liegen. Bei der weiteren Regelung in derselben
Richtung, bei der sich voraussetzungsgemäß auch die Phasenlage des Laststroms ändert,
wird nun die Widerstandskombination 120, 13ö über die Getriebe 27 und 30 fortgesetzt
entsprechend nachgeregelt. Ebenso wird der Drehtransformator 26 in der Phase entsprechend
nachgedreht. Bei der Spannungsregelung in umgekehrter Richtung, also bei Drehrichtungswechsel
der Scheibe 28, nimmt diese gleich zu Beginn den Arm 29 im Pfeilsinn mit und legt
dadurch die Schaltarme 123, 133 auf die Kontakte 121, 132 um. Dadurch wird nunmehr
die gesamte Widerstandskombination 120, 13o eingeschaltet. Im übrigen sind die Schaltvorgänge
die gleichen wie vorher, d. h. es werden fortgesetzt die 'Schieber 17 und i9 hin
und her bewegt, und der bewegliche Kontakt i i wird einmal auf den Kontakt io, dann
wieder auf den Kontakt 7 durchgeschaltet. Bei dieser Änderung des Regelsinns wird
jedoch auch der Regelsinn der Vorrichtung 31 und der des Drehtransformators 26 umgekehrt.
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Da die Widerstandskombinationen gemischt induktiven und Ohmschen Charakter
haben, empfiehlt es sich, den zeitlichen Abstand zwischen dem Einschalten des Ausgleichstroms
und dem nachfolgenden Abschaltvorgang etwa der Halbwellendauer des Schaltstroms
oder einem gänzzahligen Vielfachen davon zu machen, d. h. auch den Einschaltzeitpunkt
für den Ausgleichstrom etwa mit seinem Nulldurchgang zusammenfallen zu lassen. Man
vermeidet dadurch die sonst bei anderen Einschaltzeitpunkten induktiver Kreise auftretenden,
bei Einschaltvorgängen charakteristischen Phasenverlagerungen. Andererseits kann
man den Einschaltzeitpunkt für den Ausgleichstrom auch weniger als eine Halbwellendauer
vor den Nulldurchgang legen. Man hat aber dann die durch das Gleichstromglied bedingte
Phasenlagerung bei der Festlegung des Verhältnisses der Komponenten der Widerstandskombination
zu berücksichtigen. Ferner empfiehlt es sich, die Drehzahl des Antriebsmotors auf
die Übersetzungsverhältnisse des Zwischengetriebes derart einzustellen, daß der
Gesamtablauf der Regelung einer Stufe weniger als i Sekunde in Anspruch nimmt.
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Bei diesem zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel ergibt sich der
besondere Vorteil, daß wegen der Zuordnung eines bestimmten Leistungsfaktors zu
jeder Spannungsstufe die Abschaltzeitpunkte immer gleich günstig hinsichtlich des
Stromnulldurchgangs verlegt werden, so daß also bei allen Belastungsstufen mit größtmöglicher
Kontaktschonung geschaltet wird.