DE115533C

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Publication number: DE115533C
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KAISERLICHES

PATENTAMT.

I. Zweck dieses Apparates.

Die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Einrichtung bezweckt die selbstthätige Constanthaltung der Spannung in einem bestimmten Punkte eines Ortsstromkreises, der von einem aus einem Wechsel-, stromnetz entnommenen Gleichstrome durchflossen wird.

Diese Regelung ist besonders nothwendig, wenn man an das Leitungsnetz zur Vertheilung von Kraft mittelst Wechselströme, in welchem sich die Spannung in jedem Augenblicke ändern kann, Stromwendeapparate anschliefst, die Gleichstrom von unveränderlicher Spannung liefern sollen.

II. Grundgedanke des Spannungsreglers.

Angenommen beispielsweise, die primären Wechselströme seien dreiphasig und würden durch die Leiter α b c (Fig. 1) einem Wechselzahl- und Spannungsumwandler zugeführt, bei welchem die Spannung an den Klemmen d e des Gleichstromes gleichbleibend sein soll.

In der Fig. 1 sind mit f g h die drei Magnetkerne des Transformators, mit ijk die drei primären Stromkreise oder Gruppen von priniären Stromkreisen und mit Imn die secundären Wickelungen, welche mit den Stegen eines Stromwenders ρ verbunden sind, bezeichnet. Bürsten q r, welche bezw. mit den Ringen t und ύ verbunden sind, drehen sich um die Achse dieses Stromwenders derart, dafs sie eine Umdrehung vollführen während der Dauer der Periode der Ströme, die man gleichrichten will. Auf den Ringen t und u ruhen die Bürsten ν ν auf und ermöglichen, den gleichgerichteten Strom abzunehmen.

Mit den Primärstromkreisen ij k sollen die drei Ankerstomkreise xy % einer dreiphasigen Wechselstrqmmaschine 1 in Reihe geschaltet sein. Diese Wechselstrommaschine 1 ist auf derselben Welle 0-0 angeordnet, wie ein asynchroner dreiphasiger Wechselstrommotor 2, der an das Leitungsnetz entweder unmittelbar oder durch Vermittelung eines Transformators im Nebenschlufs geschaltet ist.

Unter solchen Bedingungen wird die Wechselstrommaschine ι gezwungen sein, synchron zu laufen, gleichgültig, ob sie Arbeit leistet oder verbraucht.

Verändert man ihre Erregung, so erzeugt sie eine nach Belieben veränderliche Spannung, die zur Spannung des Leitungsnetzes hinzukommen oder von ihr abgehen kann. Verändert man also diese Erregung, so kann man nach Belieben die Spannung verändern, die zwischen den Klemmen der Primärstromkreise ij k des Transformators auftritt, und somit auch die Spannung der von dem Umformer umgewandelten und gleichgerichteten Ströme.

Angenommen, man habe einen Transformator von 100 KW., der mit einer zwischen

475° ^und 5²5O V. schwankenden Spannung arbeite.

Der Umwandlungscoefficient des Transformators sei für eine Spannung von 5000 V. bestimmt.

Die Maschine 1, deren Wirkung die Veränderungen in der Spannung des Netzes aufheben soll, mufs, je nach den Umständen, eine Arbeitsmenge liefern oder verbrauchen, die im Maximum gleich 5 KW. ist.

Der Spannungsregler mufs also durch die Vereinigung zweier Maschinen von 5 KW. geschaffen werden.

Die Maschine 2 mufs von einem Strome gleichbleibender Spannung erregt werden. Man zweigt ihren Feldmagneten vom Gleichstromleitungsnetz im Nebenschlufs zu den Punkten ab, zwischen welchen man eine gleichbleibende Spannung aufrecht erhalten will. Je langsamer die in der Maschine entwickelten Kraftlinien bestrebt sind, sich zu ändern, desto stetiger wird der Gang der Maschine sein. Daher wird man ihren Feldmagneten mit Dämpfungsstromkreisen ausrüsten.

Was die Maschine 1 angeht, so ist es im Gegentheil nöthig, dafs die Kraftlinien, deren Sitz sie ist, sich sehr schnell ändern können. Man wird deshalb diese Maschine nicht nur mit keiner Dämpfungsvorrichtung ausrüsten, sondern auch alle ihre Eisenmassen theilen und das Verhältnifs des Coefficienten der Selbstinduction ihrer Feldspule zum Widerstand dieser Spule so klein als möglich machen.

III. Selbsttätige Erregung des
Spannungsreglers.

i. Grundgedanke: Angenommen, man habe eine Stromquelle 3 (Fig. 2), die Strom von gleichbleibender Spannung liefert, gleich derjenigen, die man in dem Leitungsnetz für Gleichstrom entwickeln will.

Ein ' Stromkreis s tu (Fig. 2) enthält diese Stromquelle und ist zwischen den Klemmen d und e des Gleichstromleitungsnetzes im Nebenschlufs geschaltet, so dafs die von der Stromquelle und dem Leitungsnetz entwickelten Spannungen einander entgegenwirken.

Dieser Stromkreis s tu wird stromlos sein, so lange im Leitungsnetz die normale Spannung herrscht. Beginnt diese Spannung zu schwanken, so wird der Stromkreis von einem Strome in dem einen oder anderen Sinne durchflossen werden, je nachdem die Spannung gestiegen oder gefallen ist.

Die Erfinderin bedient sich dieser Ströme zur Erregung der Feldspulen 4 der Wechselstrommaschine i, indem sie dieselben von den Strömen in passender Richtung durchfliefsen läfst.

Hat der Gesammtwiderstand des Stromkreises nur einen unendlich kleinen Werth Δ R, so genügt eine ebenso unendlich kleine Aenderung Δ E der Spannung, um den Strom von der Intensität / zu erzeugen, der im Stande ist, die Feldspulen der Wechselstrommaschine ι des Spannungsreglers zu erregen. Es ist also nöthig:

1. dafs man über eine Quelle gleichbleibender elektromotorischer Kraft verfügt,

2. dafs die Vorgänge sich abspielen, als ob der Widerstand des Stromkreises, der diese Quelle und die Feldspule der Wechselstrommaschine enthält, einen aufserordentlich kleinen Werth hätte, obgleich die Stärke des nöthigen Erregerstromes im Vergleich zu derjenigen des vom Wechselzahl- und Spannungsumwandler gelieferten Gleichstromes sehr klein ist.

Man gelangt hierzu auf folgende Weise:

Bei allen elektrischen Anlagen, ob die Erzeuger durch Dampfmaschinen oder durch Turbinen getrieben werden, kann man stets auf die Beständigkeit der Wechselzahl der erzeugten Ströme rechnen.

Die Umdrehungsgeschwindigkeit des neuen Spannungsreglers wird also gleichbleibend sein, und es genügt, auf seiner Welle eine kleine Gleichstrommaschine anzuordnen, deren magnetischer Stromkreis sehr stark gesättigt ist, um den nöthigen Gleichstrom von unveränderlicher Spannung zu erzeugen.

Der Stromkreis aber, der den Anker dieser Maschine und die Feldspule der Wechselstrommaschine 1 enthält, wird den Strömen, die durch die Spannungsänderungen im Gleichstromleitungsnetz bestimmt werden, einen Widerstand entgegensetzen.

Damit eine sehr kleine Aenderung der Spannung im Leitungsnetz eine starke Aenderung dieser Ströme bewirke, ist es nöthig, dafs dieser Widerstand sehr klein wird.

Wollte man dies auf gewöhnlichem Wege erzielen, so mUfste man dieser Gleichstrommaschine und der Wechselstrommaschine 1 allzugrofse Abmessungen geben.

Es ist daher nöthig, dafs diese Maschine mit einem Hülfsmotor versehen ist, damit die sehr kleinen Spannungsänderungen im Leitungsnetze eine sehr beträchtliche Aenderung des Feldes der Wechselstrommaschine bewirken.

Man stattet die Maschine mit dem Hülfsmotor in folgender Weise aus:

2. Ausführung: Auf einer gemeinschaftlichen Achse 5-6 (Fig. 3) ordnet man zwei Ringe 7 und 8 an, die von einer gemeinschaftlichen Gleichstromwickelung 9-9 umgeben sind, welche in einen Stromwender 10 endet.

Der Ring 7 steht unter der Wirkung eines Feldmagneten 11, dessen Feldspule zu dem Gleichstromleitungsnetz im Nebenschlufs liegt. Der magnetische Stromkreis des Feldmagneten 11 und des Ringes 7 mufs stets sehr stark gesättigt sein, derart, dafs die Schwankungen

der Spannung der Quelle 3 des Gleichstromes keinen nennenswertsten Einflufs auf die Gröfse der magnetischen Kraftlinien haben können, die quer durch den Ring 7 entwickelt werden.

Der Ring 8 steht unter der Wirkung eines Feldmagneten 12. Das Feld desselben ist mit dem Stromkreis in Reihe geschaltet, welcher von dem Gleichstromleitungsnetz abzweigt, das den Anker dieser Maschine und den Feldmagneten der Wechselstrommaschine 1 des Spannungsreglers enthält.

Sind M. und N zwei Constanten, bezeichnet / die Stärke des die Maschine durchfliefsenden Stromes und nimmt man an, dafs die Maschine, indem man sie auf der Welle des Spannungsreglers anordnet, stets mit derselben Geschwindigkeit angetrieben wird, so kann man unter diesen Bedingungen die zwischen- den Bürsten der Maschine entwickelte elektromotorische Kraft durch einen Ausdruck von der Form M -f NI darstellen.

Bezeichnet man jetzt mit jR den Gesammtwiderstand des von der Gleichstromleitung abgezweigten Stromkreises und mit E -\- Δ E die Spannimg der Gleichstromleitung, worin E eine Constante bedeutet, so hat man in jedem Augenblicke

[E + ΔΈ) + M + NI = RI,

woraus: / =

(E + M + AE) R — N

Macht man M = — E, so erhält man ■ τ AE

— R — N

Die Verhältnisse sind dieselben, als wenn der Widerstand R des Stromkreises gleich R — N geworden wäre. Indem man dem Ringe 8 und dem Feldmagneten 12 passende Abmessungen giebt, kann man für die Constante N jeden gewünschten Werth erhalten. Man könnte daher die Differenz R — N beliebig klein und daher den Durchgang des Stromes von der Stärke /, welcher nöthig ist, um die Wechselstrommaschine 1 des Spannungsreglers mittelst Schwankungen in der Spannung Δ Ε zu erregen, aufserOrdentlich klein machen.

Bezeichnet man mit /,„ die Maximalstärke des Stromes, der den Feldmagneten 4 durchfiiefsen soll, so ist die gröfste Arbeitsmenge, die der Gleichstromerreger zu entwickeln hat, gleich

RIl + E I_m.

Der Arbeitsverbrauch R I^ ist derjenige, der zur Erregung des Feldmagneten 4 nöthig ist.

'Es ist von Wichtigkeit, den Nebenverbrauch an Energie E I_1n so klein als möglich zu machen. Man erreicht dies dadurch, dafs man den Feldmagneten der Wechselstrommaschine 1 mit sehr feinem Draht umwickelt, um die Stromstärke I_m zu vermindern. Man mufs also von dem Gleichstromerreger eine möglichst hohe Spannung erzeugen lassen.

Die Wirkung dieses Erregers wird um so sicherer eintreten, je ■ geringer die Ankerrückwirkung ist.

Zwecks Beseitigung derselben werden in bekannter Weise in den Polschuhen (Fig. 4) der Feldmagnete 11 und 12 in unmittelbarer Nähe des eisenfreien Raumes Längsnuthen 13, 13, 13 zur Aufnahme einer Wickelung 14 angeordnet, welche, mit dem von der Maschine gespeisten Stromkreis in Reihe geschaltet, in : jedem Augenblicke jeder Drehrichtung entsprechend eine magnetisirende Kraft entwickeln kann, die gleich und von entgegengesetztem Zeichen ist, wie die von dem Anker entwickelte. Aus dem Gesagten ergiebt sich, dafs es sich darum handelt, die Spannung des Gleichstromes gleichbleibend zu erhalten. Mitunter kann der Fall eintreten, dafs die Spannung etwas mit dem Verbrauch an Gleichstrom erhöht werden mufs. Für diesen Fall genügt es, dem Feldmagneten 11 des Ringes 7 des Erregers eine doppelte Wickelung zu geben. Die erste Wickelung ist von dem Gleichstromleitungsnetz abgezweigt und wird stets im Stande sein, den magnetischen Stromkreis, den sie umgiebt, stark zu sättigen. Die zweite Wickelung ist mit dem Gleichstromkreis in Reihe geschaltet. Man kann ihr stets eine genügende Anzahl Windungen geben, damit trotz der Sättigung die Constante M mit dem Stromverbrauch etwas gröfser werden kann.

Da die Kraftlinien sich sehr schnell im Ring 8 und im Feldmagneten 12 der Erregermaschine ändern müssen, so ist es gut, nicht nur alle Eisenmassen zu theilen, sondern auch ihren Stromkreisen so wenig Draht als möglich zu geben, indem man sie auf magnetische, sehr durchlässige Stromkreise wirken läfst, um die Selbstinduction dieser Stromkreise auf das geringste Mafs herabzusetzen.

Das eben beschriebene System kann nicht nur bei Wechselzahl- und Spannungsumwandlern, sondern bei irgend einer Umwandlungsmaschine für Ein- ' oder Mehrphasenstrom Anwendung finden, überhaupt bei jedem Apparat derselben Art, der Wechselströme in Gleichstrom umwandelt.

3. Art der Ausführung: Auf der beiliegenden Zeichnung giebt Fig. 5 einen Regler, der nach dem bereits entwickelten Grundgedanken eingerichtet ist.

Es ist hierbei angenommen, dafs die beiden Wechselstrommaschinen 1 und 2 vier Pole besitzen und in einem gemeinschaftlichen Gehäuse i, 2 untergebracht sind. Der Erregerstrom für die Wechselstrommaschine 1 wird

derselben durch zwei Ringe 15-15 und derjenige der Wechselstrommaschine 2 derselben durch zwei Ringe 16-16 zugeführt.

Auf der gemeinsamen Achse dieser Maschinen ist noch die Erregermaschine für die Wechselstrommaschine 1 angeordnet, welche in Fig. 5 in Seitenansicht dargestellt ist.

Die Fig. 6 giebt die Verbindungen zwischen den verschiedenen Theilen des Spannungsreglers, dem Transformator und den Leitungen für Wechselstrom und für Gleichstrom.

Die gleichen Buchstaben bezeichnen hier dieselben Theile der Einrichtung, wie in den Fig. i, 2, 3 und 5.

Um das Verständnifs der Fig. 6 zu erleichtern, ist aber in dieser Figur die in Fig. 4 dargestellte besondere Ausgleichswickelung auf den Feldmagneten 11 und 12 fortgelassen worden.

Diese Einrichtung pafst für jeden Fall, welches System auch immer man zum Gleichrichten der Wechselströme anwendet, da der neue Apparat einfach einerseits an das primäre Wechselstromleitungsnetz angeschlossen und andererseits in das secundäre Gleichstromleitungsnetz zwischen den Punkten geschaltet ist, zwischen denen die Spannung gleichbleibend erhalten werden soll.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Spannungsregler für die Umwandlung von ein- oder mehrphasigem Wechselstrom wechselnder Spannung in Gleichstrom gleichbleibender Spannung, dadurch gekennzeichnet, dafs mit den primären (Wechselstrom-) Wickelungen des Umformers die inducirten Wickelungen einer durch einen Synchronmotor mit im Nebenschlufs zum Gleichstromnetz liegender Erregerwicklung angetriebenen Wechselstrommaschine in Reihe geschaltet sind, deren Erregung derart geändert wird, dafs die Spannung der Wechselstrommaschine sich mit der wechselnden Spannung des Wechselstromnetzes zu einer gleichbleibenden Spannung zusammensetzt.
2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafs die Erregerwickelung der . Wechselstrommaschine in Reihe mit einer Gleichstrom gleichbleibender Spannung liefernden Stromquelle im Nebenschlufs zum Gleichstromnetz derart eingeschaltet wird, dafs die gleichbleibende Gleichstromspannung der Gleichstromnetzspannung entgegen wirkt, so dafs die Erregung der Wechselstrommaschine sich selbstthätig abhängig von der Differenz dieser beiden Spannungen ändert.
3. Spannungsregler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dafs die gleichbleibende Gleichstromspannung im Erregerstromkreis der Wechselstrommaschine durch eine mit dem umzuwandelnden Wechselstrom synchron laufende Gleich-^ Strommaschine erzeugt wird, welche zwei auf eine gemeinsame Ankerwickelung wirkende Feldmagnete besitzt, von denen der eine stark gesättigt und mit einer im Nebenschlufs zum Gleichstromnetz liegenden Wickelung versehen ist, während der andere ungesättigt ist und eine mit der Ankenvickelung in Reihe geschaltete Wickelung besitzt.
4. Spannungsregler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dafs der gesättigte Feldmagnet der Gleichstrommaschine aufser der im Nebenschlufs zum Gleichstromnetz liegenden Wickelung eine zweite in Reihe mit dem Gleichstromnetz geschaltete Wickelung besitzt, zum Zweck, eine den Belastungsschwankungen des Gleichstromnetzes entsprechende Spannungsänderung an den Gleichstromklemmen des Umformers zu bewirken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.