DE71137C

DE71137C - Compensating line for three-phase distribution systems

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Publication number: DE71137C
Application number: DENDAT71137D
Authority: DE
Original assignee: Allgemeine Elektrici-TÄTS-GesELLSCHAFT in Berlin N.W., Schiffbauerdamm 22
Anticipated expiration: 1910-04-02

Description

KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

Bei der Vertheilung des elektrischen Stromes von einem Elektricitätswerk an viele Verbrauchsstellen auf gröfsere Entfernungen wendet man vielfach das sogenannte Dreileitersystem an, vornehmlich aus dem Grunde, weil es eine Ersparnifs an Leitungsmaterial ermöglicht. Dieses geschieht dadurch, dafs man bei Anwendung dieses Systems in dem Elektricitätswerk die elektrische Energie mit doppelt so hoher Spannung erzeugt und den Nutzwiderständen zuführt, wie letztere sie erfordern. Wesentlich ist diesem System die Eigenthümlichkeit, dafs bei gleichmäfsiger Vertheilung der Nutzwiderstände auf beide Hälften des Leitungsnetzes die mittlere (neutrale) Leitung ohne Strom ist und daher in allen Fällen sehr schwach genommen werden kann, während die in den beiden äufseren Leitungen herrschende Stromstärke nur halb so grofs ist, wie sie bei Anwendung des Zweileitersystems sein würde. Um ein solches Dreileitersystem zu speisen, bedarf man zweier hinter einander geschalteter Elektricitä'tsquellen, zu deren Verbindungspunkt man die neutrale Leitung führt. Bei Gleichstromanlagen benutzt man zwei elektrische Erzeugermaschinen oder eine Sammelbatterie, an deren Mitte man die neutrale Leitung anlegt. Will man dagegen das Netz mit Wechselstrom speisen, so kann man mit einer einzigen Maschine auskommen. Man führt dann die Enden der Ankerwickelung zu den beiden äufseren Leitungen , während man die Mitte derselben mit der neutralen Leitung des Dreileitersystems verbindet. Es ist ersichtlich, dafs auch in diesem Fall die mittlere der drei Leitungen stromlos werden kann.When distributing the electric current from an electricity plant to many places of consumption over great distances, one turns often the so-called three-wire system, primarily because it is a Savings in line material made possible. This is done by using this system in the electricity works doubles the electrical energy Voltage is generated and fed to the useful resistors, as the latter require them. Essential The peculiarity of this system is that with an even distribution of the useful resistances on both halves of the line network the middle (neutral) line is without power and therefore in all cases very weak can be taken, while that in the two The current strength on the outside lines is only half as great as it is when it is used of the two-wire system would be. In order to feed such a three-wire system, one needs two electricity sources connected one behind the other, to whose connection point you lead the neutral line. With direct current systems one uses two electrical generating machines or a collective battery, in the middle of which one creates the neutral line. If, on the other hand, you want to feed the network with alternating current, then so you can get by with a single machine. You then lead the ends of the armature winding to the two outer lines while connecting the middle of it with the neutral line of the three-wire system. It can be seen that in this case too the middle of the three lines is de-energized can be.

Von Wechselstrommaschinen, die in der soeben angedeuteten Art geschaltet sind, unterscheiden sich wesentlich solche, welche zwar ebenfalls zur Speisung von zwei oder mehreren Stromkreisen dienen, durch deren Anwendung jedoch eine Ersparnifs an Leitungsmaterial nicht herbeigeführt wird: es sind die in neuerer Zeit häufig vorgeschlagenen Wechselstrommaschinea mit mehreren gegen einander versetzten Spulengruppen (Heisler, Tesla u. A.), welche einerseits das in ihnen verwendete Material besser ausnutzen, als die mit nur einer Spulenreihe versehenen, andererseits Wechselströme von verschiedener Phase liefern, wie sie zum Betriebe der immer mehr in Aufnahme kommenden Treibmaschinen nach dem Princip des Professors Ferraris erforderlich sind. Die einzelnen Stromkreise dieser Maschinen können wohl, wie in Fig. 1 angedeutet, gemeinschaftliche Rückleitungen haben (Schalleriberger), jedoch können diese auch bei gleichmä'fsigster Belastung niemals stromlos werden, wie die neutrale Leitung eines Dreileitersystems, vielmehr müssen sie stets für den vollen Strom berechnet sein. Man könnte nun freilich auch bei derartigen Maschinen noch das Dreileitersystem anwenden, indem man zur Speisung eines solchen anstatt des oben erwähnten Ankers einer gewöhnlichen Wechselstrommaschine hier die zu einem Stromkreise gehörige Spulengruppe verwendete, und an deren Mitte eine neutrale Leitung anlegte (Fig. 2); dafür würde man dann ebenfalls mit der doppelten Spannung von vorher arbeiten können und hätte den Vortheil, im Netz zwei verschiedene Spannungen zur Verfügung zu haben, allein die hierdurch bedingte bedeutende Vermehrung der Leitungen würde eine solche Veränderung des Systems nicht mehr als Verbesserung erscheinen lassen. Hat man z. B. zwei Ströme von 90 °Differentiate from AC machines that are connected in the manner just indicated essentially those which are also used to feed two or more Circuits are used, but their use does not lead to a saving in line material is brought about: these are the alternating current machines, which have been frequently proposed in recent times with several offset coil groups (Heisler, Tesla, etc.), which on the one hand make better use of the material used in them than those with only one row of coils provided, on the other hand, supply alternating currents of different phases as they are used for operation the increasing number of engines that are being taken up are required according to the principle of Professor Ferraris. the individual circuits of these machines can, as indicated in Fig. 1, common Have return lines (Schalleriberger), but these can also be the most uniform Load never become de-energized, like the neutral line of a three-wire system, rather they must always be calculated for the full current. Of course you could too in such machines still use the three-wire system by adding to the supply one instead of the above-mentioned armature of an ordinary alternating current machine here used the coil group belonging to a circuit, and one in the middle applied neutral line (Fig. 2); for that one would then also be with twice the tension could work from before and would have the advantage of having two different voltages in the network to have available, only the resulting significant increase in Lines, such a change in the system would no longer appear to be an improvement permit. Has one z. B. two streams of 90 °

Phasendifferenz, so kommen zu den drei Hauptleitungen noch zwei neutrale, es werden also fünf, bei drei Stromkreisen sogar sieben Leitungen erforderlich (Fig. 3). Diesen. Mangel beseitigt. das in folgendem beschriebene »Elektricitäts-Vertheilungssystem« dadurch, dafs man bei drei oder mehr Strömen verschiedener Phase nur eine einzige neutrale Leitung benutzt. Um das zu erreichen, mufs man die Spulen so mit einander verbinden, dafs die in ihnen entstehenden elektromotorischen Kräfte wirklich hinter einander geschaltet sind, und dafs nicht nur, wie in Fig. 3 angedeutet, für die Ströme eine gemeinsame Rückleitung vorhanden ist. Man erreicht das durch Vertauschung der Enden der Spulengruppen 2, 2¹, so dafs dieselben nunmehr einen Strom in umgekehrter Richtung, d. h. gegen früher um i8o° in der Phase verschoben, liefert. Betrachten wir jetzt die Abstände gleicher Stromstöfse, so finden wir,If there is a phase difference, there are two neutral lines in addition to the three main lines, so five, and with three circuits even seven lines are required (Fig. 3). This one. Deficiency eliminated. the "electricity distribution system" described in the following by using only a single neutral line for three or more currents in different phases. In order to achieve this, the coils must be connected to one another in such a way that the electromotive forces which arise in them are really connected one behind the other, and that there is not only a common return line for the currents, as indicated in FIG. 3. This is achieved by interchanging the ends of the coil groups 2, 2 ¹ , so that they now supply a current in the opposite direction, that is to say shifted in phase by 180 ° from earlier. If we now consider the distances between the same current impulses, we find

dafs aus den drei Strömen mit je — = 60°that from the three streams each with - = 60 °

3
Phasendifferenz nunmehr drei Ströme mit je3
Phase difference now three currents with each

120° Phasendifferenz geworden sind.120 ° phase difference have become.

Folgen diese Ströme dem Sinus-Gesetz (was ja in den meisten Wechselstrommaschinen der Fall ist), so ist in jedem Momente die Stromstärke in den verschiedenen Spulengruppen:Do these currents follow the sine law (what yes is the case in most alternating current machines), the current strength is at every moment in the different coil groups:

J₁ = α sin q, J ₁ = α sin q,

J₂ = α sin (q -f 120⁰),
J₃ = α sin (q -\- 240°).J ₂ = α sin (q -f 120 ⁰ ),
J ₃ = α sin (q - \ - 240 °).

Addirt man nun je zwei dieser Gleichungen, so ergiebt sich, dafs jeder einzelne dieser Ströme gleich der Summe der beiden anderen ist, mit anderen Worten: die algebraische Summe aller drei Ströme ist in jedem Augenblick gleich o. Dieser Umstand bietet die Möglichkeit, die drei Ströme in einem Punkt zusammenlaufen zu lassen in der Weise, wie es Fig. 4 und 5 schematisch zeigen. Die Hauptleitung für diese drei Ströme ist durch die Linien ABC angedeutet. Zwischen je zwei derselben besteht, da die zugehörigen Spulen vollkommen symmetrisch liegen, die gleiche mittlere Spannung (Gleichheit der Spulen vorausgesetzt), und in dem Punkte m wird diese halbirt (falls die Curve des Wechselstromes keine Sinus-Curve ist, so findet dieses nur angenähert statt). Wenn man nun mit dem Punkte m eine Leitung N verbindet, so kann man diese als neutrale für je zwei der Leitungen A B C verwenden, d.h. mit der Leitung JV zusammen bilden je zwei der Leitungen ein Dreileitersystem. Die Fig. 6 und 7 zusammen betrachtet, veranschaulichen die Anordnung noch deutlicher. 1, 2 und 3 stellen schematisch die stromerzeugenden Spulen, A B und C die Leitungen und L₁ L₂ und L₃ die drei von der Maschine gespeisten Lampengruppen dar. In Fig. 6 ist die Belastung aller Gruppen gleich. Die Ströme vertheilen sich, wie oben erklärt, so, dafs die einzelnen Lampengruppen ihr Strommaximum der Reihe nach erhalten, wie es aus der Phasendifferenz von 120° der Wechselströme hervorgeht. Ist z. B. L₁ im Maximum, so fliefst der Strom von A durch L₁ und verzweigt sich durch L₂ und L₃, um dann durch B und C zurückzukehren. Im nächsten Moment. sinkt der Strom in L₁ und L₂, und es erhält L₃ das Maximum u. s. w. Die Leuchtkraft der Lampen bleibt wegen der raschen Wechsel natürlich ebenso gleichma'fsig, wie bei gewöhnlichem Wechselstrom. Falls nun aber in L₁ mehr Lampen eingeschaltet werden, so wird die Gleichheit der Leuchtkraft gestört, denn es würden dann hinter einander geschaltete Gruppen von ungleicher Lampenzahl entstehen. Nimmt man aber, wie in Fig. 7, noch die früher beschriebene «Neutrale« dazu, so findet der Stromüberschufs von L₁ seinen Weg durch die Ausgleichsleitung JV in gleicher Weise, wie im gewöhnlichen Dreileitersystem. Das Ganze ist daher eine Vereinigung von Dreileitersystemen, welche Wechselströme von 120° Phasendifferenz führen.If we add two of these equations each, it results that each one of these currents is equal to the sum of the other two, in other words: the algebraic sum of all three currents is equal at every moment o. This circumstance offers the possibility of the three To let currents converge in a point in the manner as Fig. 4 and 5 show schematically. The main line for these three streams is indicated by the lines ABC . Since the associated coils are completely symmetrical, there is the same mean voltage between any two of these (assuming that the coils are identical), and this is halved at point m (if the curve of the alternating current is not a sine curve, this is only approximate instead of). If a line N is now connected to point m , this can be used as a neutral line for two of the lines ABC , ie with the line JV, two of the lines together form a three-wire system. 6 and 7, viewed together, illustrate the arrangement even more clearly. 1, 2 and 3 schematically represent the current-generating coils, AB and C the lines and L _1, L ₂ and L ₃ the three groups of lamps fed by the machine. In FIG. 6, the load on all groups is the same. As explained above, the currents are distributed in such a way that the individual groups of lamps receive their current maximum one after the other, as follows from the phase difference of 120 ° of the alternating currents. Is z. If, for example, L _{1 is} at its maximum, the current flows from A through L ₁ and branches through L ₂ and L ₃ , and then returns through B and C. In the next moment. if the current in L ₁ and L ₂ falls, and L ₃ receives the maximum, etc. The luminosity of the lamps, of course, because of the rapid changes, remains just as constant as with ordinary alternating current. If, however, _{more lamps are switched on in L 1} , the equality of the luminosity is disturbed, because groups connected one after the other with an unequal number of lamps would then result. If, however, as in Fig. 7, one adds the "neutral" described earlier, the excess current from L ₁ finds its way through the equalizing line JV in the same way as in the usual three-wire system. The whole is therefore a union of three-wire systems, which carry alternating currents with a phase difference of 120 °.

Durch diese Anordnung kann man erstens in derselben Weise, wie bei jedem anderen Dreileitersystem, aus dem Kabelnetz zwei verschiedene Spannungen entnehmen, je nach dem Bedürfnifs der anzuschliefsenden Nutzwiderstände (Lampen, Treibmaschinen u. s. w.). Ferner ermöglicht die Ausgleichsleitung beim Betriebe mit Wechselströmen verschiedener Phase eine Nachregelung der Spannung in jedem Stromkreise (in später beschriebener Weise), ohne dafs dadurch die anderen Stromkreise beeinflufst werden, was sonst nur durch vollständige Trennung der Stromkreise zu erreichen ist (Tesla, D. R. P. Nr. 47889).By this arrangement, one can, firstly, in the same way as with any other Three-wire system, take two different voltages from the cable network, depending on the one Need of the useful resistors to be connected (lamps, driving machines, etc.). Furthermore, the compensating line enables different currents when operating with alternating currents Phase a readjustment of the voltage in each circuit (in the later described Way), without influencing the other circuits, which is otherwise only through complete separation of the circuits can be achieved (Tesla, D. R. P. No. 47889).

In derselben Weise, wie bei unmittelbarer Fortleitung der Wechselströme von der Maschine zu den Nutzwiderständen, kann man das neue System auch dann durchführen, wenn die Vertheilung unter Zuhülfenahme von Stromumwandlern geschieht. Man wendet in diesem Fall auch in den secundären Stromkreisen Ausgleichsleitungen an, da die primären Ströme den secundären nahezu proportional sind. Falls man den gesammten Arbeitsstrom umwandeln will, führt man alle vier Leitungen zum Umwandler, die dafür erforderliche Schaltung der Spulen und deren Anschlufs an die Leitungen sind aus den schematischen Zeichnungen T₁ und T₂ (Fig. 6) ersichtlich.In the same way as with the direct transmission of alternating currents from the machine to the useful resistors, the new system can also be implemented when the distribution takes place with the aid of current converters. In this case, compensating lines are also used in the secondary circuits, as the primary currents are almost proportional to the secondary ones. If you want to convert the entire working current, you lead all four lines to the converter, the necessary circuit of the coils and their connection to the lines can be seen from the schematic drawings T ₁ and T ₂ (Fig. 6).

Die von diesem Vertheilungssystem aus gespeisten Elektromotoren können verschiedener Art sein; sie haben jedoch alle eine Schaltung der Spulen, welche der oben beschriebenen des Generators gleicht oder analog ist (M in Fig. 8). Da im allgemeinen der Stromverbrauch in allen Spulen der Treibmaschine derselbe ist, so brauchte man ihn nur an die drei Haupt-The electric motors fed by this distribution system can be different Be kind; however, they all have a circuit of the coils similar to those described above of the generator is the same or analog (M in Fig. 8). As in general the power consumption is the same in all coils of the driving machine, it only needs to be attached to the three main

leitungen anzuschliefsen; es empfiehlt sich jedoch besonders, wenn die Belastung der Treibmaschine häufig und plötzlich wechselt, den Kreuzungspunkt m der Spulengruppen der· Treibmaschine an die Ausgleichsleitung N anzuschliefsen, da die Ungleichmäfsigkeiten sich dann weniger bemerkbar machen; man hat dann auch den Vortheil, dafs eine etwaige Beschädigung einer oder zweier (unter Umständen auch dreier) Spulen nicht, sofort ein Stehenbleiben der Treibmaschine zur Folge hat. In Fig. 8 ist unter M schematisch die Schaltung und der Anschlufs der Spulen der Treibmaschine an die Leitungen gezeigt, wobei der Deutlichkeit wegen die übrigen Theile der Maschine weggelassen sind.to connect lines; However, if the load on the driving machine changes frequently and suddenly, it is particularly advisable to connect the intersection point m of the coil groups of the driving machine to the compensating line N , since the irregularities are then less noticeable; one then also has the advantage that any damage to one or two (and under certain circumstances even three) bobbins does not immediately result in the driving machine stopping. In Fig. 8 under M the circuit and the connection of the coils of the driving machine to the lines is shown schematically, the remaining parts of the machine being omitted for the sake of clarity.

Das Princip, durch Wechselströme verschiedener Phase eine Drehung hervorzubringen, darf als bekannt vorausgesetzt werden (Ferraris), neu ist nur die eigenthümliche Schaltung der Spulen, wodurch ein neutraler Punkt entsteht, welcher den Anschlufs an die Ausgleichsleitung ermöglicht.The principle of producing a rotation by alternating currents of different phases, may be assumed to be known (Ferraris), only the peculiar circuit is new of the coils, creating a neutral point, which is the connection to the compensating line enables.

Zu den Eigentümlichkeiten des Systems gehört auch die Leichtigkeit, mit der man den bei langen Leitungen unvermeidlichen Spannungsabfall ausgleichen kann. Die dazu dienende Vorrichtung ist in Fig. 7 schematisch dargestellt; S₁ S₂ und S₃ sind Spulen, die um die Schenkel eines Eisenkörpers gewickelt sind und an einem Punkt m mit einander und mit der Ausgleichsleitung N verbunden sind. Die Hauptleitungen ABC haben dagegen ihre Anschlüsse in abc. Die drei Fernleitungen werden durch Vermittelung der Schleifstromschlufsstücke χy \ an eine bestimmte Windung der betreffenden Spule angelegt, deren Entfernung von dem Verbindungspunkt m sich danach richtet, ob man die Spannung der Fernleitung gegen die der Maschine vergröfsern, gleich lassen oder verringern will. Die Ausgleichsleitung bewirkt hierbei die Unabhängigkeit der einzelnen Stromkreise von einander. Anstatt die Stromschlufsstücke χ y \ mit den Spulen S₁ S₂ S₃ zu verbinden, kann man auch die Vorrichtung mit einem Stromumwandler vereinigen und die Fernleitungen an die secundären Spulen anlegen, welche beispielsweise über S₁ S₂ S₃ gewickelt sind. Dieses Verfahren wäre dann anzuwenden, wenn die Maschine wesentlich andere Spannungen liefert, als die Nutzwiderstände sie bedürfen. Es ist selbstverständlich, dafs man auch die Fernleitungen fest mit einem Punkte der Spule verbinden und dafür die von der Maschine kommenden Leitungen in Schleifstromschlufsstücke endigen lassen kann.One of the peculiarities of the system is the ease with which one can compensate for the voltage drop that is inevitable with long cables. The device used for this is shown schematically in FIG. 7; S _1, S ₂ and S ₃ are coils which are wound around the legs of an iron body and are connected to each other and to the compensation line N at a point m . The main lines ABC , on the other hand, have their connections in abc. The three long-distance lines are applied to a specific turn of the coil in question through the intermediary of the slip- current loop pieces χy \ , the distance of which from the connection point m depends on whether the voltage of the long-distance line is to be increased, left the same or decreased against that of the machine. The compensating line makes the individual circuits independent from one another. Instead of connecting the current circuit pieces χ y \ to the coils S ₁ S ₂ S ₃ , the device can also be combined with a current transformer and the long-distance lines are connected to the secondary coils, which are wound _{over S 1} S ₂ S _{3, for example.} This procedure should be used if the machine supplies voltages that are significantly different from those required by the useful resistors. It goes without saying that the long-distance lines can also be firmly connected to a point on the coil and that the lines coming from the machine can end in slip-current sections.

Ebenso, wie bei einem gewöhnlichen Dreileitersystem , kommt es auch bei der beschriebenen Anordnung nur selten vor, dafs die Belastung sich auf die einzelnen Stromkreise ungleichmäfsig vertheilt, wenn nur bei der Anlage auf diesen Punkt Rücksicht genommen ist; man kommt daher für die neutralen Leitungen auch hier mit viel geringeren Drahtstärken aus, als die Hauptleitungen sie nöthig machen. Man kann auch anstatt einer metallischen Ausgleichsleitung auf der ganzen Länge der Anlage oder zum Theil die Erde als Leitung verwenden, was selbstverständlich nicht als Neuerung in Anspruch genommen wird, da es ja bei anderen elektrischen Betrieben schon lange gebräuchlich ist, auf diese Weise sehr vortheilhaft an Leitungsmaterial zu sparen.As with a normal three-wire system, it also happens with the one described Arrangement only rarely provides that the load on the individual circuits is uneven distributed if this point is only taken into account in the system is; therefore, the neutral lines are also used here with much smaller wire gauges when the main lines make them necessary. You can also use a metallic one instead Compensating line over the entire length of the system or partly the earth as a line use, which is of course not claimed as an innovation, because it has been in use for a long time in other electrical companies, in this way very much advantageous to save on cable material.

Das beschriebene Elektricitäts-Vertheilungssystem ist zwar hier nur mit drei Hauptleitungen und einer neutralen angenommen, allein man kann in derselben Weise auch 4, 5, 6 ... η Leitungen mit einer einzigen neutralen verbinden, wobei zwischen je zweiThe described electricity distribution system is assumed here with only three main lines and one neutral one, but one can also connect 4, 5, 6 ... η lines to a single neutral one in the same way, with between two

Strömen eine Phasendifferenz von — besteht.There is a phase difference of - flowing.

Alle diese η Ströme würden in einem Punkte vereinigt, und an diesem eine einzige Neutrale angeschlossen. Desgleichen ist bei den Skizzen immer eine zweipolige Maschine angenommen worden, während selbstverständlich eine mehrpolige Maschine sich in derselben Weise schalten läfst. Man hat nur die symmetrisch zu den Polen gelegenen Spulen mit einander zu Gruppen zu verbinden.All these η currents would be combined in one point, and a single neutral would be connected to this point. Likewise, a two-pole machine has always been assumed in the sketches, while of course a multi-pole machine can be switched in the same way. You only have to connect the coils, which are symmetrical to the poles, to form groups.

Claims

Patent Claims:

ι. Three-phase distribution system, characterized by the attachment of a compensating line, which connects the All ends of the three-phase generator machine coil groups, each connected to a main line, at their other end respectively of the converter belonging to the same connects to the ends of the excitation coils which are connected in the same way the power machines and converters connected to the distribution network, while the two-pole current sensors between this equalizing line and any main line or between, depending on the voltage required by them two main lines can be switched on.

2. An embodiment of a according to claim i. switched converter in such a way that that the conversion ratio of the same manually or automatically for the individual Lines can be regulated depending on the load on them by the fact that the The number of effective turns of the coils is changed by shifting the connection points of the individual main lines.

For this purpose 2 sheets of drawings.