DE568690C - Anordnung zur Erzielung einer symmetrischen Belastungsverteilung in den Phasen einesDrehstromnetzes, welches einen einphasigen Verbraucher speist - Google Patents

Description

• Anordnung zur Erzielung einer symmetrischen Belastungsverteilung in den Phasen eines Drehstromnetzes, welches einen einphasigen Verbraucher speist Es gibt eine große Zahl von Verbrauchern, welche ihrer Natur nach nur einphasig mit Wechselstrom gespeist werden können. Es sind dies in der Hauptsache elektrothermische Verbraucher, wie Schweißmaschinen u. dgl. Da die Starkstromnetze meist Drehstromnetze sind, so besteht die Schwierigkeit, daß es nicht möglich ist, das Drehstromnetz mit solchen Verbrauchern symmetrisch zu belasten. Es sind zwar verschiedene Kunstschaltungen vorgeschlagen worden, um Drehstrom unter möglichst symmetrischer Belastung in Einphasenstrom zu verwandeln. Diese Vorschläge geben aber nur sehr mäßige Annäherungen an eine Lösung der gestellten Aufgabe, welche mit der folgenden Anordnung -zugleich auch für beliebig gewünschte Belastungsverteilung gelöst wird.
• Das allgemeine Prinzip beruht darauf, daß durch Verwendung von Kapazitäten und Induktivitäten, welche zu zwei voneinander unabhängigen oder durch ein gemeinsames, magnetisches Feld miteinander verketteten und auf einen gemeinsamen Sekundärkreis arbeitenden Wicklungen zum Teil in Reihe, zum Teil parallel geschaltet sind, die Ströme in diesen Wicklungen, «-elche in V-Schaltung an verschiedenen Phasen des- Netzes liegen, gleichphasig mit dem Strom der ihnen gemeinsamen Phase gerichtet werden.
• Zur Erläuterung dient Abb. r, an Hand welcher die Verhältnisse für symmetrische Belastung eines Drehstromnetzes bei nur einphasigem Verbraucher dargestellt werden sollen. r, 2, 3 sind die drei Phasen des Drehstromnetzes. L1 und L3 seien die Induktanzen zweier in dem Beispiel durch ein gemeinsames magnetisches Feld miteinander gekoppelter Wicklungen, welche in der gezeichneten Lage in entgegengesetztem Sinn gewickelt sind. Ls sei die mit dem gemeinsamen Feld gekoppelte Sekundärwicklung, an welcher Einphasenwechselstrom abgenommen werden soll. R1 und R3 seien die auf die Primärseite umgerechneten Belastungswiderstände des Transformators.
• Zu den beiden Wicklungen-L, und L;, sind die Kapazitäten Cl und C3 entsprechend in Reihe geschaltet. Dieselben dienen dazu, eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen den Strömen Jio bzw. Jso und den zugehörigen Spannungen @ri2 bzw. U32 herzustellen. Diese Kondensatoren Cl und C3 sind so zu bemessen, daß die Ströme l" von a durch L, nach d und J" von c durch L3 nach d gleichphasig und in Gegenphase mit dem Strom J. sind. An die Stelle von C, muß unter Umständen eine Selbstinduktion L4 treten, wie weiter unten ausgeführt wird.
• Es sei zunächst die Aufgabe gestellt, das Netz mit cos 9 = i zu belasten. Wie aus Abb. 2 ersichtlich,' eilt der Strom J2 bei svmmetrischer induktionsfreier Belastung (d. h. cos cp = i) der verketteten Spannung U21- -U12 um 30' vor, der Spannung U " um 30° nach. Die Kapazität Cl ist also so zu bemessen, daß der Strom Jlo der Spannung U12 um 30° voreilt. Da die Widerstände R1 und R3 und die resultierenden Induktanzen a) L1 und to L3 gegeben sind, ist damit Cl bestimmt. Für den Stromweg a-Cl-R,- Li d in Abb. i, ergibt sich also der Spannungsvektorzug i, 4, 5, 2 in Abb.2. Der Vektor i, 4 = ER, gibt die Richtung von Jlo, er liegt parallel zu J2. Damit eilt der Strom Jlo der Richtung, welche bei induktionsfreier Belastung der Strom 11 haben soll, um 6o° voraus. Diese Voreilung im Stromzweig a-d wird kompensiert durch einen parallel geschalteten, rein induktiven Stromzweig d-b mit der Selbstinduktion L12. Hierin fließt ein Strom J12, welcher der Spannung LT" um 9o° nacheilt. Wird die Selbstinduktion L12 richtig bemessen, so ergibt die Summe der Ströme Jla und J" einen Strom J1 in der richtigen Phase und Größe.
• Entsprechend liegen die Verhältnisse, wenn man von der Phase 3 ausgeht. Wie oben gezeigt, muß J3o der Spannung um 30° nacheilen. Die Spannung Us2 setzt sich wieder zusammen aus der' Wirkspannung ER" der kapazitiven und Spannung E,s und der induktiven Spannung EL3. Der Strom Jso und die -Spannung ER, haben die gleiche Phase.
• Die Kapazität C3 ist also so zu bemessen, daß der Winkel zwischen U32 und ER3 30° beträgt (vgl. in Abb. 2 den Spannungsvektorzug 3, 6, 7, 2).
• Ist die Induktanz coLs des Transformators im Verhältnis zu R3 so klein, daß der Punkt 7 zwischen 2 und 6 liegen würde, statt wie in Abb. 2 außerhalb, so müßte die Kapazität C, ersetzt werden durch eine zusätzliche Induktivität L4, so daß der Spannungsvektor 6, 7 = EL, dieselbe Richtung hat wie ELS und sich zu diesem addiert. Damit eilt J3o der Richtung, welche der Strom 1s haben sollte, um 6o° nach. Wie oben, sorgt auch hier ein Parallelstromzweig c-b, der jedoch hier rein kapazitiv ist, dafür, daß die Summe der Ströme 41 + J32-J3 die gewünschte Richtung und Größe ergibt.
• Wie aus dem Vektordiagramm (Abb.2) ohne weiteres hervorgeht, ist die Summe der Ströme Jlo -;- J12 + Jso + Jsz =- fs, d. h. auch der Strom der Phase 2 hat die verlangte Richtung und ist gleich groß wie J,, und J,. Die gestellte Aufgabe ist also mit dieser Schaltung gelöst. Da die Ströme Jlo und J3o in den Wicklungen L1 und L3 gleichgerichtete Felder erzeugen, ist T als Einphasentransformator zu betrachten.
• Soll aus irgendeinem Grunde das Netz mit einem bestimmten, in allen drei Phasen gleichen Phasenwinkel 99 etwa mit voreilendem Strom belastet werden, so- verändern sich die Verhältnisse des Vektordiagrammes (-gbb. 2) etwas. Es gilt dann die Abb. 3. Die Richtungen der gewünschten Phasenströme sind hier gegen die entsprechenden Sternspannungen Im, 2m, 3m um den voreilenden Winkel (p verschoben. Wieder gilt für Cl die Bedingung, daß der Stromvektor Jlo in Gegenphase von J2 kommen soll, d. h. hier, daß er der Spannung U" um (30° -f- c9) vorauseilt. Entsprechendes gilt für C3, d. h. der Strom J" muß der Spannung Us2 =- U2s um (30° - @) nacheilen. Auch hier ist wieder, wie oben auseinandergesetzt, die Kapazität Cg durch eine Induktivität L4 zu ersetzen, falls der induktive Spannungsvektor 2,7 kleiner ist als die Strecke 2,6. Da die Ströme J" und J" wieder gleich groß gemacht werden sollen, müssen sich die Widerstände R1 und R3 wie die Spannungsvektoren 44 - ER, und 3,6 - ER, verhalten. Wie oben gesagt, bedeuten z. B. R1 und R3 die durch die Transformatorwicklungen L1 und L3 auf die Primärseiten übertragenen Beträge des gemeinsamen Verbraucherwiderstandes. Die übersetzungsverhältnisse der beiden Wicklungspaare LIILs und L3!Ls sind also entsprechend den Spannungsvektoren ER, = 1,4 und ER, = 3,6 zu wählen. Die Stromwege a, b und c, b geben wieder, wie vorher, entsprechend nach- bzw. voreilende Ströme J" bzw. J32. In diesem Fall ist es jedoch nötig, noch einen kapazitiven Stromweg Cl. einzufügen, wie er in Abb. i gestrichelt gezeichnet ist. Wie aus dem V ektordiagramm (Abb. 3) hervorgeht, gelingt es so, durch den in den Punkten i und 3 hinzutretenden Strom J13 = - Jsl wieder vollkommen symmetrische Belastung des Drehstromnetzes mit vorgegebener Phasenverschiebung #p zu erzielen. Ist q) negativ, d. h. ist Nacheilung gewünscht, so ist statt Cls eine entsprechende Selbstinduktion Lls einzusetzen. Wie aus denn Vektordiagramrn ohne weiteres zu beweisen ist, muß der Blindwiderstand dieses Stromweges 1,3 einen solchen Betrag haben, daß der Strom darin gleich ist dem fachen des Phasenstromes multipliziert mit sin 9).
• Die Kopplung mit dem sekundären Belastungskreis kann auch in zwei getrennten Transformatoren mit den Primärwicklungen L1 bzw. L3 vorgenommen werden, deren Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind. Weiter können statt der Kondensatoren und Selbstinduktionen auch andere voreilenden oder nacheilenden Strom hervorrufende 'Mittel, wie kapazitiv belastete Transformatoren, Svnchronmotoren u. dgl. verwendet werden. Auch ist es mitunter vorteilhaft, bei sich änderndem Belastungswiderstand eine etwa notwendig erscheinende Nachregelung der Selbstinduktivitäten und Kapazitäten selbsttätig, z. B. durch sogenannte Phasenrelais oder gleichartig wirkende Mittel, zu bewirken. Ein Anwendungsgebiet bilden z. B. Induktionsöfen, bei welchen das Schmelzgut als solches den Sekundärkreis darstellt.

Claims (6)

1. I'ATRNTTANSYRÜCHR: i. Schaltung zur Erzielung einer symmetrischen Belastungsverteilung in den Phasen eines Drehstromnetzes, welches einen einphasigen Verbraucher speist, dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei auf einen gemeinsamen Sekundärkreis (Verbraucher) arbeitenden primären Transformatorwicklungen (LM, L3) in V-Schaltung entweder je eine Kapazität (Cl. C3) oder eine Kapazität bzw. Induktivität (Cl, L.1) in Reihe geschaltet sind, die so bemessen sind, daß die Ströme in diesen Wicklungen gleichphasig miteinander werden, und daß zu den aus Transformatorwicklung und Blindwiderstand gebildeten Zweigen weitere Blindwiderstände solcher Art und Größe parallel geschaltet sind, daß die drei Netzströme ein symmetrisches Drehstromsvstem bilden. -
2. 2. Schaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindwiderstände so, bemessen sind, daß die Ströme (J", l30) in den beiden primären Transformatorwicklungen (LM, L3) mit dem in der gemeinsamen Phase fließenden Strom (J2) nach Größe und Richtung gleich werden.
3. 3. Schaltung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der zu den aus primärer Transformatorwicklung (L1) und Blindwiderstand (Cl) gebildeten Stromzweigen parallel geschaltete Blindwiderstand ein induktiver (L12). der andere ein kapazitiver Widerstand (C23) ist. q..
4. Schaltung nach Anspruch i bis 3 zur Erzielung eines von o verschiedenen Phasenwinkels (p), gekennzeichnet durch einen weiteren, an die äußeren Zuleitungen der V-Schaltung angeschlossenen Blindwiderstand von solchem Betrage, daß der Strom in ihm gleich ist dem fachen des Phasenstromes, multipliziert mit sin rf, worin (p bei voreilendem Netzstrom positiv, bei nacheilendem negativ zu nehmen ist, so daß bei Voreilung eine Kapazität (C13), bei Nacheilung eine Induktivität (L13) zu wählen ist.
5. Schaltung nach Anspruch i bis dadurch gekennzeichnet, daß die beiden primären Transformatorwicklungen (LM, I_3) magnetisch miteinander gekoppelt sind und entgegengesetzten Wicklungssinn haben.
6. 6. Schaltung nach Anspruch i bis d., gekennzeichnet durch zwei getrennte Transformatoren (L1, L3) mit in Reihe geschalteten und sekundär gemeinsam auf den Verbraucher arbeitenden Wicklungen (Ls). ;. Schaltung nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorsekundärwicklung (L,) unmittelbar durch das Schmelz- bzw. Glühgut eines Induktionsofens gebildet ist. B. Schaltung nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Induktivitäten und Kapazitäten elektrisch gleichwertige Glieder, wie z. B. Synchronmotoren, kapazitiv belastete Transformatoren verwendet sind. cg. Schaltung nach Anspruch i bis 8, gekennzeichnet durch selbsttätige Regeleng der Blindwiderstände bei Belastungsänderungen.