-
Spannungsregler für Wechselstromnetze Die Erfindung bezieht sich auf
einen Regler zur Regelung der Spannung in Wechselstromnetzen mittels in Abhängigkeit
von der Netzspannung gesteuerten Verstellorganen. Diese Verstellorgane sprechen
also bei unzulässigen Abweichungen der Netzspannung von ihrem Sollwert an und regeln
die Netzspannungsschwankung aus, indem sie beispielsweise einen Regeltransformator
oder die Erregung von Generatoren beeinflussen. Als Verstellorgane kommen Elektromotoren,
z. B. Synchronmotoren, Asynchronmotoren gegebenenfalls mit KurzschluBläufern oder
mit Kommutatoranker oder Zwei- oder Mehrphasenmotoren in Frage. Auch Verstellmagnete,
den bekannten Fortschaltschützen ähnliche Anordnungen, dienen als Verstellorgane.
Als die Netzspannung regelnde Apparate, die von diesen Verstellorganen gesteuert
werden, dienen Regeltransformatoren oder Regeldrosseln mit schaltbaren Anzapfungen,
bewegten Wicklungsteilen oder verstellbaren Eisenkernteilen (Anzapftransformatoren,
Schubtransformatoren, Drehtransformatoren). Auch Spannungsteiler oder Spartransformatoren
ohmscher oder induktiver Natur können geregelt werden. Ganz allgemein lassen sich
durch die Verstellorgane jede Art von Reglern, auch Phasenschieber, die die kapazitive
oder induktive Blindlast des Netzes regeln, verwenden. Bei der Regelung von Generatoren
können
die Verstellorgane auch die Energiezufuhr selbst; z. B. die
Dampf- oder Wasserzufuhr, zu den Arbeitskraftmaschinen einstellen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, bei der
die in Abhängigkeit von der Netzspannung sich einstellenden, von den Verstellorganen
aufgenommenen Ströme beeinflußt werden, und zwar soll der von einem oder mehreren
Verstellorganen aufgenommene Strom Kennlinien folgen, denen zufolge die Betätigung
des Regelorgans erst bei-größeren Spannungsabweichungen erfolgt.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wurde bereits vorgeschlagen, die Induktivitätscharakteristik
einer Drosselspule zu beeinflussen. Nach einem der bekanntgewordenen Vorschläge
wird die Stromspannungskennlinie einer Drossel der Kennlinie eines Sperrkreises
überlagert, um hierdurch eine geknickte resultierende Kennlinie zu erhalten, die
die erforderliche Sattelzone besitzt, welche bewirkt, daß der Regler nicht bei jeder
Spannungsänderung anspricht.
-
Ein weiterer bekanntgewordener Vorschlag hat den Nachteil, daß der
Spannungsregler bei Abweichungen des Istwertes der zu regelnden Spannung vom Sollwert
unmittelbar in Tätigkeit tritt.
-
Eine besonders einfache und zuverlässig wirkende Lösung bringt die
Erfindung, indem erfindungsgemäß einer durch bewegliche magnetisierbare Teile oder
bewegliche Wicklungsteile selbsttätig einstellbaren Induktivität, die die Sattelzone
bewirkt, in welcher bereits eine gewisse Spannungsänderung eine große Stromänderung
zur Folge hat, in für feste Induktivitäten bekannter Weise ein Kondensator parallel
geschaltet und dieser Parallelschaltung eine feste Induktivität vorgeschaltet ist.
-
Die im Stromkreis des Verstellorgans liegende selbstregelnde Induktivität
ist zum Erfüllen dieser Aufgabe selbst einstellbar, und zwar hinsichtlich ihrer
elektrischen oder ihrer magnetischen Werte. Besondere konstruktive Maßnahmen und
besonders einzustellende, auf die beweglichen Teile der Induktivität wirkende Richtkräfte
müssen vorgesehen werden.
-
Die Fig. i zeigt ein Ausführungsbeispiel einer derartigen, sich selbst
regelnden Induktivität. Der Eisenkern i hat einen Luftspalt 2, in den ein mit der
Achse 3 drehbarer Anker q. eingesetzt ist. Um die Streuung möglichst weitgehend
zu verringern, umschließen oder überragen die Erregerwicklungen oder Stromwicklungen
5 den Luftspalt. Zur Erzielung der gewünschten Kennlinie dieser Induktivität - kann
der Spalt 6 zwischen den beiden Spulen der geteilten Erregerwicklung klein gemacht
werden, oder er wird durch eine die Wicklung durchdringende Bohrung ersetzt, die
lediglich zur Durchführung der Welle 3 dient. Die magnetischen und elektrischen
Werte der Drossel sind durch die besondere Form der Polschuhe 7 und des Drehankers
q. gegeben. Der Drehanker ,4 kann z. B. auch mit Kurzschlußblechen oder einer Dampferwicklung
9 versehen werden, die den Kraftfluß in der in Fig. i dargestellten Ankerstellung
am Eintritt in den Anker hindern. In der gezeichneten Stellung hat die Induktivität
ihren geringsten Induktivitätswert. Wenn sich der Anker q. beispielsweise in Richtung
des Pfeiles io dreht, nimmt die Induktivität zu und erreicht bei einem Drehwinkel
von 9o° ihren Maximalwert. Die Kennlinie der Induktivität (angelegte Spannung in
Abhängigkeit vom aufgenommenen Strom) kann je nach der konstruktiven Durchbildung
im Arbeitsbereich des Relais, also bei den verschiedenen Ankerstellungen, steigend,
fallend oder konstant sein. Eine Stufung des Induktivitätswertes ergibt sich, wenn
man die Größe der Richtkraft, z. B. der Federkraft i i, -die auf den Relaisanker
q. einwirkt, abstuft. Zu diesem Zweck wird auf der Welle 3 eine Nockenscheibe 12,
befestigt. Die Federkraft greift an dem auf der Scheibe 12 befestigten Band 13 an;
wenn das Band auf den Nocken 14 aufläuft, wird der Hebelarm der angreifenden Federkraft
in Abhängigkeit von der Ankerstellung verändert. Als Richtkräfte, die den magnetischen
Zugkräften entgegenwirken, können am Relaisanker q. auch Spiralfedern oder Gewichte
angreifen. Zur Einstellung der Kennlinie werden diese Richtkräfte verstellt. Schließlich
läßt sich auch die Relaiswicklung 5 mit Anzapfungen versehen, so daß die Induktivität
jeden beliebigen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann. Die Induktivität ist
ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise entsprechend mit einer sich selbst regelnden
Drossel vergleichbar.
-
Die Fig.2 zeigt die Kennlinien dieser Regeldrossel. Hier ist als Abszisse
der von der Regeldrossel aufgenommene Strom I und als Ordinate die an der Drossel
bzw. am Drosselkreis liegende Spannung U aufgetragen. Die Drossel allein hat die
mit L1 bezeichnete Kennlinie. Bis zum Arbeitspunkt Al steigt der Strom praktisch
linear mit der Spannung. Wenn nun der Drosselanker anspricht, erhält die Kennlinie
einen Knick. In Abhängigkeit vom Ankerweg bleibt nun die Stromaufnahme konstant,
bis der Anker seine Endstellung erreicht. Das Ende des Arbeitshubes ist im Diagramm
durch den Punkt A2 gegeben. Die beiden Horizontalen H1, H2 umfassen also den Arbeitsbereich
der Drossel. Wenn man nun zu der Drossel L1 eine Kapazität parallel schaltet, deren
Kennlinie C1 in das gleiche Diagramm eingetragen wird, so läßt sich durch eine bekannte
geometrische Konstruktion die Kennlinie-Li Cl' darstellen.
-
Schaltet man nun mit diesem Stromkreis noch eine Induktivität mit
der Kennlinie L1 in Reihe, dann nimmt die Kennlinie des ganzen Stromkreises S1 die
im Diagramm mit Ll, Cl und Li bezeichnete Kurve an. Durch geeignete Größe des Kondensators
und der Vorschaltinduktivität läßt sich also ein derart scharfer Knick in der Kennlinie
erzielen, daß im Arbeitsbereich der Regeldrossel eine starke Stromaufnahme eintritt,
während sich die Spannung praktisch nicht ändert.
-
Nun wird aus Vorschaltinduktivität, Parallelkapazität und Regeldrossel
ein zweiter Stromkreis S2 gebildet. Die Werte von Kapazität und
Induktivität
in diesem Kreis werden derart gewählt, daß die Kennlinie den mit S2 angedeuteten
Verlauf erhält. Die Kurve des Stromkreises S2 wurde in der gleichen Weise aus den
Kennlinien I_2, C2 und L2 konstruiert. Die Kennlinien werden mit den oben angegebenen
Mitteln so gelegt, daß etwa in die Mitte des toten Bereiches die Netzspannung fällt.
Diese hat also in dem Diagramm gemäß Fig. 2 die Ordinate Un. Der durch die Horizontalen
H3 und H4 begrenzte tote Bereich ist für die Stabilisierung der Regelung erforderlich,
damit nicht sämtliche geringfügigen Spannungsänderungen ausgeregelt werden. Die
Vorschaltinduktivitäten L1' und L2 können einstellbar sein. Am besten nimmt man
Drosseln mit Luftspalten, also ungesättigte Induktivitäten. Soll jedoch der oberhalb
des Arbeitsbereiches, also der oberhalb der Horizontalen H2 liegende Teil der Kennlinie,
flacher verlaufen oder gekrümmt werden, dann empfiehlt es sich, eine der beiden
Induktivitäten L1 oder L1' bzw. L2 oder L2 höher zu sättigen, so daß bei größeren
Netzspannungswerten die Stromaufnahme wieder abnimmt oder konstant bleibt.
-
Fig.3 zeigt die Schaltung der beiden Stromkreise S1 und S2 als Steuerkreise
für die Verstellmotoren 2o und 21. Diese liegen also mit dem einen Ende ihrer Wicklungen
an der einen Netzleitung 22, während ihre anderen Wicklungsenden über die sich selbst
regelnden Stromkreise S1 und S2 an die zweite Netzleitung 23 angeschlossen sind.
22 und 23 ist also das zu regelnde Netz. Die Läufer der beiden Motoren 2o und 2r
sind starr miteinander gekuppelt oder sitzen auf der gemeinsamen Welle 24. Für die
in den beiden Stromkreisen S1 und S2 enthaltenen Schalt- und Regelmittel sind dieselben
Bezeichnungen wie im Diagramm Fig. 2 gewählt. Der Apparat ist also hier mit seiner
Kennlinie bezeichnet. Man sieht an Hand der Kennlinien, daß der im Stromkreis S1
liegende Motor 2o Strom nur bei Unterspannung, der im Stromkreis S2 liegende Motor
2z Strom nur bei Überspannung erhält. Bei Nennspannung befindet sich also der Anker
der Regeldrossel L2 in Ruhe, während der Anker der Regeldrossel L1 vollständig in
sein Feld hineingezogen ist. Die Verstellmotoren 2o und 21 müssen natürlich so geschaltet
werden, daß sie bei Stromaufnahme entgegengesetzte Drehmomente entwickeln. Mit der
Motorwelle unmittelbar oder über Getriebe kann der bewegliche Kontakt des Stufenschalters
eines Regeltransformators gekuppelt werden.
-
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildungsmöglichkeit des Verstellmotors
3o als Zweiphasenmotor. Die eine Phasenwicklung 31 ist über den sich selbst regelnden
Stromkreis S an das Netz angeschlossen, während die zweite Phasenwicklung 32 über
Schaltmittel mit dem Netz verbunden ist, die die Phase des von dieser Wicklung aufgenommenen
Stromes gegenüber der Phase des Stromes in Wicklung 31 um 9o° verdrehen. Hierzu
dient der Kondensator 33. Natürlich ist die Arbeitsweise des Motors nicht unbedingt
an eine Verdrehung um 9o° gebunden, auch andere Phasenverschiebungen ergeben genügend
starke Drehmomente. Bei Drehstromnetzen, in denen nur 6o° zur Verfügung stehen,
ist die Wirkung auch gewährleistet. Wenn im Drehstromsystem der Nullpunkt zugänglich
ist, kann die eine Phasenwicklung 3 r zwischen zwei Netzphasenleitungen geschaltet
sein, während die andere Phasenwicklung zwischen der übrigbleibenden dritten Netzphasenleitung
und dem Nullpunkt liegt. Auf diese Weise erhält man auch die gewünschte Verdrehung
um 9o°. Die Größe der im Stromkreis S enthaltenen Reiheninduktivität L', des Parallelkondensators
C und der Regeldrossel L wird so bemessen bzw. so eingestellt, daß sich die im Diagramm
(Fig. 5) dargestellte Kennlinie ergibt. Die Ausgangskurve ist hier mit L bezeichnet;
sie hat im Arbeitsbereich eine Stufe, die durch in Abhängigkeit vom Ankerweg veränderliche
Richtkräfte erzielt wird. Die Kurve LC ergibt sich durch die Parallelschaltung.
Wird hierzu noch die Induktivität L' addiert, erhält man als resultierende Kennlinie
die Kurve S.
-
Wenn man als Verstellmotor nur einen Einphasenmotor mit einem einzigen
Wicklungssystem verwenden will, kann man mit der Wicklung auch die beiden Steuerstromkreise
S1 und S2, die miteinander parallel geschaltet sind, in Reihe legen. Beide Steuerkreise
müssen natürlich Kennlinien haben, die den in Fig. 2 enthaltenen Kennlinien S1 und
S2 ähnlich sind.
-
Als Vorteile des erfindungsgemäßen Regelverfahrens ergeben sich also
geringe Verluste und stabiles Ansprechen der Regelapparate. Die Verstellorgane (Magnete,
Schützen oder Motoren) erhalten den für ihr Ansprechen erforderlichen Strom nur
dann, wenn sie ansprechen sollen. Solange ihr Ansprechen nicht gewünscht wird, z.
B. bei Nennspannung, ist ihre Stromaufnahme praktisch Null. Die Verstellmotoren
können ohne weiteres für die Arbeitsspannung und den Arbeitsstrom ausgelegt werden.
Sie brauchen in keiner Hinsicht überdimensioniert zu werden; es sind keine zusätzlichen
Mittel zur Begrenzung des Stroms erforderlich, da der Strom beim Überschreiten der
Ansprechgrenzen mit dem Höchstwert einsetzt und die Einstellung so gewählt werden
kann, daß bei größeren Spannungsschwankungen der Strom sogar etwas abnimmt.