DE145385C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

M 145385
KLASSE 21 d.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 2. September 1902 ab.

Bei elektrischen Arbeitsübertragungen mit langen Leitungen macht eine gute Regulierung der Spannung an der Sekundärstation oft die Umformung des Stromes zu einer Notwendigkeit. In anderen Fällen werden Prüfdrähte gezogen, um von der Primärstation aus die Spannung an der Sekundärstation konstant halten zu können. Ferner sucht man bei größeren Anlagen durch Übererregung von

ίο Synchronmotoren und Umformern Phasengleichheit zwischen Strom und Spannung in den Leitungen herzustellen, damit die Energieverluste in den Leitungen möglichst klein ausfallen und die Überlastungsfähigkeit der Anlage gesteigert, wird.

Im folgenden soll nun eine einfache Anordnung zur gleichzeitigen Regulierung der Spannung und Phasenverschiebung einer Arbeitsübertragung beschrieben werden. Dieselbe ermöglicht auf elektrischem AVege innerhalb weiter Grenzen eine selbsttätige Regulierung der Spannung.

Fig. ι zeigt das Schema einer einphasigen Arbeitsübertragung. G ist der Generator, L die Doppelleitung mit dem Ohm'schen Widerstand T₁ und der Reaktang X₁ und Ph ein Phasenregler, der zwischen die Sekundärklemmen der Leitungen parallel zur Belastung JB der Sekundärstation geschaltet wird. Der Phasenregler liefert nur wattlose Ströme, die der Spannung nach- oder voreilen können. Wünscht man, daß die Spannung E₀ an der Primärstation und die Spannung E an der Sekundärstation, beide für jede Belastung B der Arbeitsübertragung konstant bleiben sollen, so wird man finden, daß der von dem Phasenregler Ph gelieferte wattlose Strom J_pi, folgende Bedingung erfüllen muß:

J ph = JwI

Ex₁ — YE₀* Zf - (E T₁ + J_n, Zf)*

wo

Z₁ = Yr₁ ² -f-

J_n, = Wattkompo-

nente und J_n, ι = wattlose Komponente des von der Belastung B verbrauchten Stromes J. Es ist also

Jph —. Jwi + Jb,

d. h., der vom Phasenregler gelieferte wattlose Strom muß gleich dem von der Belastung aufgenommenen wattlosen Strom /„,/ vermehrt um einen Strom Jg sein, der eine 7 ²

Funktion des Wattstromes J_n, oder der Belastung E J_n, ist. In Fig. 2 ist für

verschiedene Verhältnisse

der wattlose

Strom Jp, als Funktion des Wattstromes J_n, oder der Belastung E J_n, graphisch aufgetragen. Die Kurve für E = E₀ geht, wie vorauszusehen war, durch den Ursprung; alle positiven Ordinaten stellen phasenverfrühte Ströme dar. Die Kurven können mit großer

Annäherung durch gerade Linien ersetzt werden, so daß man schreiben kann:

J_n = a + b J_n,
und man erhält

Jph = α -\- b J_n, -\- J_n,i,

d. h. der wattlose Strom J_pi, ist unter Annahme von konstanter Primär- (E₀) und Sekundärspannung (E) eine lineare Funktion der beiden Komponenten /,„ und J_n, / des Belastungsstromes. Damit nun der Phasenregler Ph, in Fig. i, diesen wattlosen Strom zu liefern vermag, so ist derselbe sowohl mit einer Nebenschlußerregung NE als mit einer Hauptschlußerregung HE versehen.

Die Anordnung des Phasenreglers ist aus Fig. 3 zu ersehen; derselbe ist eine Kommutatormaschine, deren Statorwicklung S, welche induziert wird, mit den Arbeitsübertragungsleitungen L unmittelbar verbunden ist, und deren Rotorwicklung R, welche induzierend wirkt, mit zwei Strömen gespeist wird, von denen der eine (die Nebenschlußerregung) mit der Sekundärspannung E und der andere (die Hauptschlußerregung) mit dem Belastungsstrome / der Sekundärstation proportional und in Phase sind. Die Nebenschlußerregung ist, um eine passende Spannung zu erhalten, von drei Punkten der dreiphasigen Ständerwicklung abgezweigt und wird mittels der Bürsten B₁ B₂ B₃ und des Kommutators K der nach Art einer Gleichstromwicklung ausgeführten Läuferwicklung R zugeführt. Zur Einführung der Hauptschlußerregung dient der mit den Leitungen in Serie geschaltete Kompoundtransformator C T, der mit den Bürsten by b.₂ b_s verbunden ist, welch letztere ebenfalls auf dem Kommutator K schleifen.

Zur Regelung der Hauptschlußerregung ist parallel zu derselben ein Regulierwiderstand JV R geschaltet. Außer der Glcichstromwicklung R kann der Rotor auch eine kurzgeschlossene Wicklung M besitzen, damit der Phasenregler leichter als Motor anläuft, und damit die Tourenzahl fast konstant (in der Nähe vom Synchronismus) bleibt.

Die Wirkungsweise eines derartigen Phasenreglers ist nun die folgende: Man denke sich der Einfachheit halber zuerst den Rotor s)^rnchron laufend, \vas bei Leerlauf praktisch der Fall sein wird. Ist die Sekundärstation ohne Belastung, so wird der Phasenregler nur von einem der Sekundärspannung E proportionalen Nebenschlußstrom' erregt und bei richtiger Bürstenstellung (B₁ J3₀ Β_Ά) einen wattlosen Strom C₂ E — C₁ liefern. C₁ entspricht dem Magnetisierungsstrom des Phasenreglers. Dieser nimmt auch einen kleinen Wattstrom auf, der dazu dient, die Verluste in der Maschine selbst zu decken. Da dieser Strom höchstens ein paar Prozent des Belastungsstromes J der Sekundärstation ausmachen wird, soll in den folgenden Betrachtungen dieser Wattstrom vernachlässigt werden.

Wird die Sekundärstation mit einem Strom/, dessen Wattkomponente J_n, = J cos φ, und dessen wattlose Komponente J_n, ι — J sin φ ist, belastet, so würde der Phasenregler, in irgend einer Weise auf Synchronismus gehalten, einen Strom erzeugen, dessen Wattkomponente/cos (φ -|- Jr) und dessen wattlose Komponente / sin (φ -j- Jr) proportional wäre. pr ist hier der Winkel, um den die Bürsten by b₂ b₃ aus der Lage verschoben sind, in welcher ein Wattstrom in der Hauptschlußerregung nur einen Wattstrom in dem Stator S erzeugt.

Wird aber der Phasenregler, der durch die kurzgeschlossene Phasenwicklung M vollständig die Eigenschaften einer Asynchronmaschine erhält, sich selbst überlassen, so wird er natürlich nur eine so große Wattkomponente aufnehmen, als eben zur Deckung der eigenen Verluste nötig ist. In der Ständerwicklung S kann somit kein Wattstrom entstehen, der die von der Komponente /cos (φ -|- £\) in d^er Erregerwicklung R erzeugten Amperewindungen kompensieren kann. Diese der Stromkomponente / cos (φ -|- Jr) proportionalen Amperewindungen bei Synchronismus werden bei einer passenden Schlüpfung des Läufers teils durch eine in der Erregerwicklung R induzierte E. M. K. verkleinert, teils durch einen in der Phasenwicklung M induzierten Strom kompensiert werden.

Es wird deswegen der Phasenregler, sich selbst überlassen, derartig schlüpfen, daß er nur als Motor laufen kann und einen kleinen Wattstrom aufnimmt. Ist die Stromkom- ion ponente /cos (φ -\-P) so gerichtet, daß der Phasenregler bei Synchronismus einen Wattstrom in das Netz liefern würde, so wird der Phasenregler, sich selbst überlassen, untersynchron laufen. Und ist die Stromkomponente / cos (φ -f Jr) so gerichtet, daß der Phasenregler bei Synchronismus einen Wattstrom vom Netz aufnehmen würde, so wird der Phasenregler, sich selbst überlassen, übersynchron laufen. Die Größe der Schlüpfung des Phasenreglers ist desto kleiner, je kleiner die Stromdichte des Kompoundstromes in der Erregerwicklung R gewählt, und je größer der Kupferaufwand in der Kurzschlußwicklung M ist.

Man sieht somit, daß der Phasenregler, sich selbst überlassen, eine kleine Wattkomponente aufnimmt und erstens einen wattlosen Strom C_n E — C₁ von der Nebenschlußerregung erzeugt, und zweitens einen wattlosen Strom proportional / sin (φ -f- Jr), von der Hauptschlußerregung erzeugt, liefert.

Man kann also den totalen, vom Phasenregler gelieferten wattlosen Strom gleich setzen

J_ph = C₂ E— C₁ + C₃ /sin (φ + SO =
C₂ E— C₁ -|- C₃ /sin φ cos Sr + C₃ Jcos φ sin Jr = C₂E— C₁ + C₃ cos £· J_n,ι -f C₃ sin Jr J_n,.

Wie oben entwickelt, soll sein:
ίο Jpii = α -j- b J_n, -\- J,,,;.

Also muß

und
also

b = C₃ sin

ι j

I = C₃ cos Sr,

sein.

C₁ bedeutet, wie erwähnt, den Magnetisierungsstrom des Phasenreglers; die Konstante C₂ ergibt sich aus der ersten Gleichung zu

und

C₂ =

C₃ =

a+ C₁

b\

eine Konstante, die im allgemeinen zwischen ι und i,|. liegt. Der Verstellungswinkel Sr der Bürsten b₁ b.₂b_x ergibt zu arc tg b, der im allgemeinen zwischen 10 und 45 ° liegt. Wie hieraus zu ersehen, ist es also möglich, einen derartigen kompoundierten Phasenregler, der einen wattlosen Strom

Jph — ^a + b J₁,, -\- J,pι

liefert, zu bauen.

Durch Aufstellung eines kompoundierten Phasenreglers in der Sekundärstation einer Anlage hat man die Möglichkeit der Kompoundierung , d. h. der Konstanthaltung der Sekundärspannung bei gegebener Primärspannung der Anlage erreicht. In gleicher Weise ist es auch möglich, eine Anlage zu überkompoundieren, d. h. bei gegebener Primärspannung E₀ die Sekundärspannung E mit dem Wattstrome J_1V oder mit der Belastung EJ_n, zu erhöhen, und zwar soll eine derartige Spannungserhöhung am besten als

■ eine geradlinige Funktion des Wattstromes /„, geschehen, was mittels eines überkompoundierten Phasenreglers mit großer Annäherung erreicht werden kann.

Es braucht ferner nicht die Klemmspannung an der Primärstation konstant gehalten zu werden; es genügt auch, die in dem Generator induzierte E. M. K. konstant zu halten, was durch Konstanthaltung des Erregerstromes geschieht.

Die kurzgeschlossene Phasenwicklung M in Fig. 3 ist für die vorliegende Einrichtung nicht unbedingt notwendig. Die Anwendung einer solchen bietet aber den Vorteil, daß der Phasenregler stets bei Einschaltung der Spannung von selbst leicht anläuft und trägt ferner in hohem Grade dazu bei, die Schlüpfung klein zu halten, indem durch sie die Amperewindungen entsprechend der Stromkomponente /cos (φ -\- p) teilweise kompensiert werden.

Die Phasenwicklung M braucht nicht in sich selbst geschlossen zu werden, sondern kann auch durch die Erregerwicklung R geschlossen werden. Man kann auch statt einer Phasenwicklung eine Käfigwicklung anordnen oder man kann. der Wicklung R durch Anordnung von Widerständen r zwischen benachbarten Lamellen des Kommutators K die Eigenschaften einer Käfigwicklung geben, wie in Fig. 3 a gezeigt.

Die Schaltung Fig. 3 beruht darauf, daß der Nebenschlußstrom der als Phasenregler dienenden Kommutatormaschine der Sekundärspannung E proportional ist, und daß der Strom der Hauptschlußerregung dem Belastungsstrome / der Sekundärstation proportional ist. Es lassen sich aber Anordnungen nach diesen Grundsätzen in vielfacher Weise variieren und kombinieren. Ein Beispiel einer derartigen Anordnung zeigt Fig. 3a. Hier ist in der Sekundärstation' ein Drehstromtransformator D T mit der Primärwicklung Pr und der Sekundärwicklung Sc aufgestellt. Die Primärwicklung des Transformators D T ist in Serie mit der Hauptschlußerregung des Phasenreglers, während der Nebenschlußstrom desselben von drei Punkten der Sekundärwicklung des Transformators entnommen wird.

Man könnte den Nebenschlußstrom auch einer zweiten getrennten Wicklung, die auf dem Stator des Phasenreglers oder auf dem Transformator D T angeordnet werden kann, entnehmen oder aus drei Punkten der Primärwicklung Pr des Drehstromtransformators DT, oder aber unmittelbar aus dem Netz oder einem besonderen Transformator.

Ebenso kann die Hauptschlußerregung in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators D T geschaltet werden.

In den beiden Fig'. 3 und 3 a sind überall im Stator und Rotor Dreiphasenwicklungen vorgesehen; natürlich lassen sich avif dem Stator Wicklungen jeder Phasenzahl und Schaltung anordnen, da immer eine ■ zweite Statorwicklung zur Abgabe des Nebenschlußstromes angeordnet und ein Kompoundtransformator zur Abgabe des Hauptschlußstromes in die Leitungen eingeschaltet werden kann. Die Phasenwicklung M des Läufers kann mit

jeder Phasenzahl und Schaltung ausgeführt werden. Durch die Scott'sche Transformatorschaltung ist es auch möglich, die Erregung zweiphasig auszuführen, selbst wenn die Arbeitsübertragung dreiphasig ausgeführt ist und umgekehrt.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch :

   ίο Anordnung zur selbsttätigen Regelung

   der Spannung und Phasenverschiebung in Wechselstromanlagen mittels einer kompoundierten Wechselstromkommutatormaschine , dadurch gekennzeichnet, daß die stillstehende induzierte Wicklung zwischen die Leitungen geschaltet ist, während die synchron oder mit kleiner Schlüpfung umlaufende Wicklung von zwei Strömen gespeist wird, von denen der eine der konstanten Linienspannung und der zweite dem an die Stromverbraucher abgegebenen Strom proportional ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.