DEP0021582DA - Netzspannungsregler für Wechselstrom - Google Patents

Description

Die Elektrizitätswerke sind bestrebt, durch Spannungsregler in den Kraftwerken, Regeltransformatoren im Netz und zweckmässige Bemessung der Übertragungsleitungen beim Verbraucher die Spannung möglichst bis zum letzten Hausanschluss konstant zu halten. In normalen Zeiten gelingt dies auch weitgehend, so dass vielfach schon mit Spannungsabweichungen vom Normalwert von nur +/- 5% gerechnet werden konnte. Diese Genauigkeit der Spannungshaltung genügt für die meisten Abnehmer durchaus, und nur in besonderen Fällen, wie z.B. bei Laboratorien, Eichstationen und dergleichen, werden höhere Ansprüche gestellt. Durch ungünstige Verhältnisse bedingt muss u.U. mit wesentlich grösseren Spannungsschwankungen gerechnet werden. Als normal kann u.U. ein Netz schon dann anzusehen sein, wenn die Spannung beim Verbraucher je nach Tageszeit um +5 bis -20% vom Sollwert abweicht. Diese grossen Spannungsschwankungen führen nun bei verschiedenen Abnehmern zu unangenehmen Störungen des Betriebes. Als Beispiel seinen nur Tonfilm- und Röntgengeräte genannt.

Man ist seit langem bestrebt, durch Zwischenschaltung von Spannungskonstanthaltern zwischen Netzanschluss und Verbraucher Abhilfe zu schaffen. Verschiedene Bauarten solcher Apparate sind bekannt geworden: z.B. Stufentransformatoren mit Stufenschaltern, Ringtransformatoren mit teilweise blanker Wicklung, auf der ein Stromabnehmer schleift, elektromagnetische Apparate mit gesättigter Doppelspule, die meist mit einem Kondensator zusammenarbeitet u. dergl.

Allen diesen Anordnungen haften aber schwerwiegende Mängel an, so dass sie sich bis jetzt in grösserem Ausmasse nicht haben einbürgern können. Der bei Verwendung von Stufentransformatoren erforderliche Stufenschalter mit Haupt- und Hilfsbürste, die miteinander über einen Widerstand verbunden sind, so dass die Transformatorstufe beim Übergang von einer Stufe auf die nächste nicht unmittelbar kurzgeschlossen wird, erfordert einen verhältnismässig verwickelten Aufbau, durch den verhindert werden muss, dass der Stufenschalter auf einer Zwischenstellung stehen bleibt und der Widerstand zwischen Haupt- und Hilfsbürste infolgedessen durchbrennt. Eine selbstätige Spannungsregelung, die naturgemäss bei einer solchen Anordnung nicht stetig arbeiten kann, wird durch diesen Umstand besonders erschwert. Der Ringtransformator ist in seiner Herstellung teuer, die Windungsspannung muss klein gehalten werden, und damit wird der Regelbereich beschränkt. Bei den elektromagnetischen Spannungshaltern, die mit einer Art Resonanz arbeiten, ist die Ausgangsspannung mit Oberwellen behaftet und von der Frequenz abhängig, und da vielfach mit erheblichen Netzfrequenzschwankungen gerechnet werden muss, ist die Spannungshaltung mit solchen Geräten überhaupt in Frage gestellt.

Gemäss der Erfindung werden alle diese Nachteile vermieden durch eine Anordnung, bei der ebenfalls mit einem Stufentransformator gearbeitet wird, dessen Anzapfungen aber nicht zu einem Stufenschalter, sondern zu einem Kollektor normaler Bauart geführt werden, auf dem eine oder mehrere an einem verstellbaren Kontaktarm befestigte Kohlenbürsten schleifen. Abb. 1 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel für einphasigen Anschluss. Die nicht näher bezeichneten Anzapfungen des Transformators 1 sind an die ebenfalls nicht näher bezeichneten Lamellen des feststehenden Kollektors geführt, auf dem die an dem drehbaren Kontaktarm 3 befestigten Bürsten 4 schleifen. Der eine Netzanschluss ist unmittelbar an die eine Endklemme, der andere über den Kollektor 2 an eine der Anzapfungen des Transformators 1 geführt. Die geregelte Ausgangsspannung U(sub)2 liegt zwischen dem erstgenannten Netzanschluss und einer festen, nicht näher bezeichneten Anzapfung des Transformators 1. Je nach der Bürstenstellung auf dem Kollektor 2 lässt sich nun in gewissen Grenzen ein beliebiges Verhältnis von Ausgangsspannung (U(sub)2) zu Eingangsspannung (U(sub)1) einstellen, die Ausgangsspannung U(sub)2 kann somit durch Bürstenverstellung unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung U(sub)1 z.B. konstant gehalten werden. Bei der gewählten Schaltung mit festem Anschluss der konstanten Ausgangsspannung U(sub)2 bleibt unabhängig von der Eingangsspannung U(sub)1 die Induktion im Transformator 1 konstant, die Ausnützung ist also günstig, und der Regelbereich hat bei gegebenen Transformatorzapfungen einen besten Wert. Mit Rücksicht auf Kleinhaltung des Stromes über den Kollektor 2, der bei der Schaltung nach Abb. 1 u.U. bei Absenkung der Eingangsspannung U(sub)1 grösser wird als der Verbraucherstrom, kann die Anordnung auch so abgewandelt werden, dass die zu regelnde Eingangsspannung U(sub)1 an die eine Endklemme und an eine feste Anzapfung des Transformators 1 gelegt und die geregelte Ausgangsspannung U(sub)2 über die erstgenannte Endklemme und über den Kollektor 2 entnommen wird.

Bei der Anordnung nach Abb. 1 schliessen die Bürsten je nach ihrer Stellung im allgemeinen zwei oder auch mehrere Stufen des Transformators 1 kurz. Wird aber die Stufenspannung klein gewählt

(u(sub)st kleiner/gleich 3 bis 3,5 Volt), so wird durch die Bürstenübergangswiderstand und -Eigenwiderstand der Kurzschlussstrom so klein gehalten, dass er vollkommen unschädlich wird. Da ausserdem an den Bürsten nach aussenhin ein Potential wirksam wird, das je nach der Überdeckung der kurzgeschlossenen Lamellen mehr bei demjenigen der einen oder der anderen Anzapfung liegt, so ändert sich die Ausgangsspannung U(sub)2 bei einer Bürstenverstellung praktisch vollkommen stetig.

Damit ist als eine mit einfachen normalen Bauteilen zu erstellende Anordnung gewonnen, bei der unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung U(sub)1 die Ausgangsspannung U(sub)2 stetig geregelt, also ohne weiteres auch konstant gehalten werden kann.

Bei Drehstromanschluss kann entweder mit drei Anordnungen nach Abb. 1 gearbeitet werden, wobei die Kontaktarme der drei Kollektoren miteinander gekuppelt werden, oder es kann auch nach an sich bekannten Schaltungen mit Zwischentransformatoren gearbeitet werden, wodurch es dann möglich wird, die Regelung bei günstigsten Strom- u. Spannungsverhältnissen durchzuführen und gleiches Potential an den drei Bürstenarmen zu erhalten.

Die Bürstenverstellung und damit die Regelung kann entweder von Hand oder aber, was meistens zweckmässiger sein wird, selbsttätig in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U(sub)2 durchgeführt werden. Abb. 2 zeigt die Schaltung für eine selbstätige Spannungsregelung. Der Kontaktarm 3 wird über ein Getriebe 5 von einem Wechselstromreihenschlussmotor 6 angetrieben, der von einem Spannungsrelais 7 je nach der auftretenden Spannungsabweichung für die eine oder die andere Drehrichtung eingeschaltet wird. Die Spannung für den Wechselstromreihenschlussmotor 6 wird an entsprechenden Stufen des Transformators 1 abgegriffen oder aber einer besonderen Hilfswicklung, die auf dem Transformator 1 aufgebracht wird, entnommen. Endschalter, die in Abb. 2 nicht dargestellt sind, sorgen für Abschaltung des Wechselstromreihenschlussmotors 6 in den Endlagen des Kontaktarmes 3. Das Spannungsrelais 7 ist als Gleichstromrelais ausgebildet und wird über eine Gleichrichteranordnung 8 in Grätzschaltung, einem Vorwiderstand 9 und einem noch zu erläuternden Regelwiderstand 11 von der geregelten Spannung U(sub)2 gespeist. Zur Glättung der Gleichspannung am Spannungsrelais 7 liegt parallel zu dessen Erregerwicklung ein Kondensator 10. Um die geregelte Spannung U(sub)2 in gewissen Grenzen einstellen zu können, ist noch der als Sollwerteinsteller arbeitende Regelwiderstand 11 vorgesehen. Die Wirkungsweise der

Anordnung ist sofort zu übersehen. Bei einer Spannungsabweichung vom Sollwert gibt das Spannungsrelais nach der einen oder der anderen Seite Kontakt, und der Wechselstromreihenschlussmotor 6 verstellt die Bürsten auf dem Kollektor 2 solange, bis der Sollwert wieder erreicht ist, und das Spannungsrelais 7 in seine Mittellage zurückkehrt, in der es keinen Kontakt gibt.

Einen besonderen Vorteil stellt bei der Anordnung nach Abb. 2 die Verwendung von Gleichstrom für die Wicklung und von Wechselstrom für die Kontakte des Spannungsrelais 7 dar. Das Relais fällt nämlich bei Gleichstromerregung wesentlich kleiner aus, wird empfindlicher und kann mit wesentlich geringeren bewegten Massen gebaut werden als bei Wechselstromerregung.

Durch den Vorwiderstand 9, der so bemessen ist, dass er den grössten Teil der Ausgangsspannung U(sub)2 aufnimmt, und der aus Material mit temperaturunabhängigem spez. Widerstand gebaut wird, werden die durch Temperaturänderungen sonst verursachten Widerstandsänderungen in der Relaiswicklung und die sich damit sonst ergebende Abhängigkeit der geregelten Spannung von der Temperatur praktisch wirkungslos. Der Strom ist fast ausschliesslich durch den temperaturunabhängigen Vorwiderstand 9 bestimmt. Da die Gleichrichteranordnung 8 nur die Leistung der Relaiswicklung zu übertragen hat, fällt sie sehr klein aus.

Wegen der geringen bewegten Massen solcher Gleichstromrelais muss noch, wie bereits erwähnt, eine Glättungseinrichtung, in Abb. 2 durch einen einfachen Kondensator 10 parallel zur Erregerwicklung angedeutet, vorgesehen werden, weil sonst ein Vibrieren der Kontakte und damit verbunden eine schlechte Kontaktgabe auftreten. Der erforderliche Aufwand für die Glättung kann wesentlich herabgedrückt werden, wenn das Spannungsrelais 7 mit einer ganz schwachen, seine Empfindlichkeit nur ganz unwesentlich beeinflussenden Dämpfung versehen ist. Abb. 3 zeigt als Beispiel eine sehr wirksamen Anordnung zur Unterdrückung der Vibrationen eines solchen Regelrelais. An einem nicht näher bezeichneten Ansatz des beweglichen Ankers 12 streift eine Flachfeder 13, beispielsweise aus Messing, deren Anpressdruck durch eine Schraube 14 so eingestellt werden kann, dass die Vibrationen gerade unterdrückt werden, ohne das die Empfindlichkeit des Relais praktisch beeinflusst wird. Die Verwendung von Wechselstrom für den Wechselstromreihenschlussmotor und damit auch für die Kontakte des Relais ist besonders günstig mit Rücksicht auf das Verhalten der Kontakte. Die erreichbare Schaltleistung bestimmter Kon- takte liegt bei Wechselstrom wesentlich höher als bei Gleichstrom. Ausserdem treten bei Wechselstrom kein einseitiger Verschleiss der Kontakte oder Spitzenbildung auf. Besonders mit Rücksicht auf diese letztgenannte günstige Eigenschaft kann bei Wechselstromkontakten mit einem sehr geringen Kontaktabstand gearbeitet werden, was die Erzielung einer sehr geringen Unempfindlichkeit des Spannungsrelais ermöglicht.

Da es zweckmässig ist, die Spannungsrelaiskontakte, bei denen immerhin im Lauf der Zeit mit einem gewissen Abbrand zu rechnen ist, von Zeit zu Zeit zu kontrollieren, wird das Spannungsrelais über Steckkontakte so eingebaut, dass es sehr einfach ohne Lösen von Schraubverbindungen aus dem Gerät herausgenommen und wieder eingesetzt werden kann.

Claims (10)

1.) Netzspannungsregler für Wechselstrom mit einem Transformator mit Anzapfungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzapfungen zu den Lamellen eines Kollektors geführt werden und mit Hilfe von Bürsten, die auf dem Kollektor schleifen, die Spannung einer beliebigen Anzapfung abgegriffen werden kann.

2.) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrphasenanschluss für die Regelung am Kollektor Zwischentransformatoren vorgesehen sind.

3.) Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung selbstätig konstant gehalten wird.

4.) Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktarm mit den Bürsten über ein Getriebe von einem durch ein Spannungsrelais gesteuerten Wechselstromreihenschlussmotor mit zwei Erregerwicklungen für Rechts- und Linkslauf verstellt wird.

5.) Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungsrelais ein Relais mit Gleichstromerregung vorgesehen ist, dessen Wicklung über eine Gleichrichteranordnung und einen temperaturunabhängigen Vorschaltwiderstand an der Ausgangsspannung liegt.

6.) Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Glättungseinrichtungen für den Erregerstrom des Spannungsrelais.

7.) Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwerteinsteller vorgesehen ist, durch den die Ausgangsspannung in gewissen Grenzen beliebig eingestellt werden kann.

8.) Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet durch eine Dämpfung des Relaisankers.

9.) Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Flachfeder, die mit einstellbarem Druck gegen einen Ansatz am Relaisanker streift.

10.) Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsrelais über Steckkontakte eingebaut ist.