Einrichtung zur Erhöhung der glemmepspannung von Wechselstromverbrauchern bei Belastung gegenüber derjenigen bei Leerlauf. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die die selbsttätige Erhöhung der Klemmen spannung von Wechselstromverbrauchern, zum Beispiel Transformatoren oder Induk tionsmotoren, bezweckt, wenn diese unter Be lastung kommen.
Gemäss der Erfindung ist mit dem Strom verbraucher mindesteins eine mit magn.eti- sierbarem Metallkern ausgerüstete Selbst induktionsspule in Reihe geschaltet, in der bei Leerlauf ein 2 % der Klemmenspannung des unbelasteten Stromverbrauchers über steigender Spannungsabfall auftritt und de ren ma.gnetisierbarer Kern bei leerlaufen dem Stromverbraucher so weit gesättigt ist, dass bei Wattstrombelastung des Stromver brauchers der in der Selbstinduktionsspule auftretenda Spannungsvektor nicht propor tional mit dem durch die Spule fliessenden Strom, sondern nur so weit wächst,
dass der nach vektorialem Abzug dieses Spannungs- vektors vom Gesamtspannungsvektor auf den Stromverbraucher entfallende Spannungs vektor zunimmt. Unter gewissen Umständen kann es zweck mässig sein, ausser der selbsttätigen Span nungserhöhung auch eine willkürliche Re gelung der Spannung von aussen bewirken zu können. insbesondere wenn die ständig wechselnde Belastung der Stromverbraucher hauptsächlich eine Ohmsche ist, aber zeit weise ausserdem noch durch gelegentliche. Belastungen von bedeutender Phasenverschie bung bewirkte grössere Spannungsabfälle aus geglichen werden müssen.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Selbstinduktionsspule ausser mit der an den zu regelnden Stromverbraucher anzu schliessenden Hauptstromwicklung noch mit einer zweiten Wicklung ausgerüstet ist, die aus einer von der die erstere Wicklung spei- senden unabhängigen Stromquelle gespeist werden kann.
Bei mehrphasigen Vorrichtungen kann jede Selbstinduktionsspule zwei in verschiedene Phasen geschaltete Wicklungen erhalten, wo durch einerseits die Änderung der Charak teristik der Regelung und anderseits der Ausgleich des Einflusses von Belastungen mit grösserer Phasenverschiebung ermöglicht wird.
In den Zeichnungen sind mehrere Aus führungsbeispiele der Einrichtung veraas schaulicht, und zwar zeigt: Fig. 1 das Schaltungsschema eines Aus führungsbeispiels der Einrichtung zur Er höhung der Klemmenspannung eines Ver brauchers für Einphasenwechselstrom, Fig. 2 ein die Wirkungsweise veranschau lichendes Vektordiagramm, Fig. 3 eine Variante der Einrichtung, Fig. 4 die Einrichtung in Dreiphasen schaltung;
Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei Ausfüh rungsbeispiele einer einphasigen Einrichtung mit fremderregten Reglerwicklungen, Fig. 7 eine Einrichtung mit Unterteilung der Selbstinduktionsspule in mehrere in Reibe geschaltete Stufen, Fig. 8 eine Einrichtung, bei der die Selbstinduktionsspule finit einer Sekundär spule versehen ist; Die Fig. 9 und 10 zeigen zwei<B>Aus</B> Führungsbeispiele einer mehrphasigen Ein richtung.
Zwischen die Stromleiter 1 ist der mit Leerlaufstrom arbeitende Stromverbraucher 3, zum Beispiel Transformator, geschaltet, dessen primäre Klemmenspannung bei Be lastung steigen soll. Vor dem Transformator ist eine Selbstinduktionsspule 4 geschaltet, deren aus magnetisierbarem Metall, zum Beispiel Eisen, bestehender Kern 5 derart bemessen ist, dass eine zur Erzielung der nachstehend erläuterten Wirkung genügende Sättigung eintritt.
Die ,Selbstinduktions- spule 4 muss derart bemessen sein, dass sie bereits bei Leerlauf des Stromverbrauchers eine Spannung aufnimmt, die einen nennens- werten Prozentsatz der Klemmenspannung des Stromverbrauchers 3 beträgt, damit die angestrebte Regelwirkung erreicht wird. Diese Spannung muss mehr als 2 % der Klemmenspannung des zu regelnden Ver brauchers betragen. Steigt also die Belastung des Stromverbrauchers 3, so nimmt auch der durch die Selbstinduktionsspule 4 fliessende Strom zu und trachtet die Magnetisierung des Eisenkernes 5 zu- erhöhen.
Befindet sich aber das Eisen in der Nähe der Sättigung, so wächst die Magnetisierung in geringerem Masse als der durch die Selbstinduktionsspule fliessende Strom, weshalb auch die in der Selbstinduktionsspule auftretende Spannung in geringerem Masse wächst als der Strom Die Wirkungsweise ist anhand des in Fig. 2 veranschaulichten Vektordiagrammes erläutert.
Vektor E bedeutet die zwischen den Lei tern 1 herrschende Gesamtspannung, die bei Leerlauf sich derart verteilt, dass die Selbst induktionsspule 4 die Spannung e" und der Stromverbraucher 3 die Spannung E" auf nimmt. Bei Belastung des Stromverbrauchers mit Wattstrom nimmt die durch die Selbst- induktionsspule aufgenommene Spannung die vektoriale Grösse e, an, wodurch auf den Stromverbraucher 3 die Spannung El ent fällt.
Die Klemmenspannung El des Strom verbrauchers 3 ist demnach in bezug auf den bei Leerlauf vorhandenen Wert Eo ge stiegen. Bei ganz geringer, bloss einen Bruchteil des Leerlaufstromes betragenden, in der Praxis also vernachlässigbarer Watt- strombelastung kann die Spannung des Stromverbrauchers in ganz geringem Masse auch abnehmen. Dieser Fall kann dann ein treten, wenn bei Leerlauf in der Selbstinduk tionsspule die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung kleiner ist als in dem zu regelnden Stromverbraucher.
Die Charakterstik der Selbstinduktions spule kann den verschiedenen Ansprüchen dadurch angepasst werden, dass man die Sät tigung entsprechend wählt, dass man im Eisenkern einen verjüngten Steg 6 oder einen Luftspalt anbringt, oder im Nebenschluss zur Selbstinduktionsspule einen Ohmschen Widerstand 7 schaltet. In Fig. 3 sind zwei Selbstinduktionsspulen mit verschiedener Charakteristik in Reihe geschaltet, zum Bei spiel die mit dem Nebenschlusswiderstand 7 ausgerüstete Spule 4 mit einer einfachen Spule 4'.
Fig. 4 zeigt die Einrichtung in einer beispielsweisen Dreiphasenschaltung, bei wel cher drei Selbstinduktionsspulen 4 an einem gemeinsamen Eisenkern 5 angeordnet sind.
Zur Sicherung der Symmetrie der ein zelnen Phasen ist es zweckmässig, am Eisen kern für eine jede Phase je noch eine wei tere Spule 2 vorzusehen, die untereinander in Dreieckschaltung verbunden sind.
Wohl hat man Transformatoren bereits Drosselspulen vorgeschaltet, doch dienten diese bloss zum Auffangen von steilen Über spannungswellen und wurden für die Be triebsfrequenz mit einer möglichst geringen Selbstinduktion ausgeführt, enthielten also meistens keinen Eisenkern. Man benutzte bei Transformatoren zur Begrenzung der Kurz schlussströme auch vorgeschaltete Drossel spulen.
Aber auch diese enthielten entweder gar kein Eisen, oder aber einen so grossen Luftspalt, dass der in der Drosselspule auf tretende Spannungsabfall möglichst propor tional dem Belastungsstrom wurde, so dass der Eisenkern auch bei Vollbelastung nicht die Sättigung erreichte. Die Spannung, die sowohl in den zum Schutz gegen Überspan nungen, als zur Begrenzung des Kurzschluss- stromes bisher vorgesehenen Drosselspulen auftritt, ist stets bedeutend geringer als 2 der Klemmenspannung des Transformators, wenn bloss der Leerlaufstrom durch die Drosselspulen durchfliesst, darüber aber sollte die Spannung annähernd proportional mit dem Belastungsstrome wachsen.
Soll aber eine merkliche Spannungsregelung eintreten, so ist es erforderlich, dass einerseits die in der Selbstinduktionsspule auftretende Span nung bereits bei Leerlauf 2 % übersteigt und dass anderseits die Spannung nicht pro portional mit dem durchfliessenden Strom, sondern in bedeutend geringerem Masse wächst.
Den praktischen Anforderungen ge nügt es, dass die in der Selbstinduktions spule auftretende Spannung höchstens das 1.,4fache der Leerlaufspannung beträgt, wenn der durch die Selbstinduktionsspule durch fliessende Belastu*gsstrom das Doppelte des Leerlaufstromes erreicht hat, und wenn der Strom auf das 10fache des Leerlaufwertes gewachsen ist, so darf die Spannung der Selbstinduktionsspule höchstens auf den vier fachen Wert steigen.
Da die Spannung des .Stromverbrauchers infolge des Umstandes wächst, dass durch die Wattstrombelastung der in der Selbstinduk tionsspule auftretende Spannungsvektor sich verdreht,, kann eine praktisch in Betracht kommende Spannungsregelung nur dann zu stande kommen, wenn die Phasenverschie bung des Leerlaufstromes genügend gross ist und die Belastung zum Beispiel eine so grosse Wattkomponente aufweist, dass bei normaler Belastung die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung vor dem Stromver braucher und der Selbstinduktionsspule nicht mehr als 45 beträgt, das heisst der Lei stungsfaktor (cos. 9p) nicht kleiner als 0,7 ist.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 ist '3 der aus den Wechselstromleitern 1 ge speiste Wechselstromverbraucher, zum Bei spiel Transformator, und 5 der Eisenkern der Selbstinduktionsspule, deren Wicklung 9 mit dem Transformator 3 in Reihe geschal tet ist.
Der Eisenkern 5 trägt dabei ausser der Hauptstromwicklung 4 noch eine Wicklung 20, die aus einer Stromquelle, zum Beispiel aus einer Gleichstromquelle, gespeist werden kann, die von der den Transformator 3 bezw. die Wicklung 4 speisenden Stromquelle un abhängig ist. Zweckmässig ist die Reglungs- wicklung 20 auf einer besonderen Brücke des ringförmigen Eisenkernes 5 angebracht und ausserdem mit einer Kurzschlusswindung 21 versehen.
Die letztere bezweckt das durch die Wicklung 4 erzeugte Wechselfeld von der die Reglungswicklung 20 tragenden Brücke fernzuhalten, so dass in dieser ledig lich die durch die gleichstromerregte Wick lung 20 erzeugten Kraftlinien verlaufen.
Je nachdem die Erregung der Wicklung 20 erhöht oder vermindert wird, erhöht oder verringert sich der magnetische Widerstand des magnetischen Kreislaufes der .Spule 4 wodurch auch die Klemmenspannung des Transformators 3 innerhalb weiterer Grenzen willkürlich geändert werden kann.
Gemäss Fig. 6 ist der die fremderregte Regelwicklung 20 tragende Schenkel des Eisenkernes 5 in zwei parallele Zweige un terteilt, auf denen die Wicklung 20 derart angebracht ist, dass der Wechselstromkraft- fluss auf die Wicklung 20 induktiv nicht zurückwirkt. Die beiden Zweige tragen, fer ner eine gekreuzte Kurzschlusswindung 21, die die ungleichmässige Verteilung des Wechselstromkraftflusses auf die beiden Zweige verhindert.
Wird die Reglungswicklung 20 nicht durch Gleichstrom, sondern durch Wechsel strom erregt, dann fallen die Kurzschluss- windungen 21 fort.
In gewissen Fällen kann es bei Anwen dung von fremderregten Spulen zweckmässig sein, die dem zu regelnden Wechselstrom verbraucher vorgelagerte Selbstinduktions spule durch mehrere in Reihe geschaltete Teilspulen zu ersetzen und jede dieser Spu len mit Gleichstrom besonders zu erregen.
Eine solche Einrichtung ist beispielsweise in Fig. 7 veranschaulicht, in welcher die Teilspulen 32 durch die Einzelschalter 33 an das Gleichstromnetz angeschlossen werden können.
Zwecks Regelung der Klemmenspannung werden nun die Gleichstromwicklungen der Teilspulen 32 nach Grösse der jeweiligen wattlosen Spannung einzeln eingeschaltet, wobei sie mit Gleichstrom gesättigt werden. Die Selbstinduktion der mit Gleichstrom gesättigten Spulen verringert sich bekannt lieb auf ein praktisch vernachlässigbares Mass, so dass\ ein Spannungsabfall in ihnen nicht auftritt. Anderseits gleichen die mit Gleichstrom nicht gesättigten Spulen den durch die Wattströme verursachten Span nungsabfall selbsttätig noch weiter aus.
Die geschilderte Einrichtung ist vorteil hafter als jene nach Fig. 5 und 6, weil bei nur teilweiser Sättigung mit Gleichstrom harmonische Oberschwingungen auftreten. die die ,Spannungskurve verzerren. Im Ge- gensatze dazu treten solche bei gesättigten Wicklungen nur in ganz unbedeutenden: Masse auf.
Bei einer weiteren zweckmässigen Aus führungsform der Einrichtung ist die Selbst induktionsspule, an Stelle einer Gleichstrom erregerwicklung, mit einer Sekundärspule versehen, in der unter der Einwirkung des durch den Eisenkern gehenden Kraftflusses eine Spannung auftritt.
Diese Ausführungsform ist in Fig. 8 ver anschaulicht, in welcher die Sekundärspule mit 34 bezeichnet ist. Diese kann durch einen Schalter unmittelbar oder durch eine regelbare Selbstinduktion oder einen Wirk widerstand 35 stufenweise kurzgeschlossen werden. An Stelle einer Selbstinduktions spule 4 können auch mehrere in Reihe ge schaltete Spulen Anwendung finden, die auch an einem gemeinschaftlichen Kern sit zen können.
In der kurzgeschlossenen Teilspule tritt ein Spannungsabfall nicht auf, so dass die Spannung der Vorrichtung steigt. Die nicht kurzgeschlossene Selbstinduktionsspule gleicht dabei unter Einwirkung der Watt strombelastungen selbsttätig aus.
Bei der in Fig. 9 dargestellten Einrich tung für Dreiphasenstrom erhält die Selbst induktionsspule für eine jede Phase zwei Wicklungen 3,0 und 31, die beide in Reihe mit dem zu regelnden Stromverbraucher, zum Beispiel Transformator 3, geschaltet sind. Die Schaltung ist dabei derart ausge führt, dass der durch eine jede Selbstinduk- tionswicklung erzeugte magnetische Kraft fluss gleichzeitig auch durch eine zweite Selbstinduktionswicklung geht, die einer an dern Phase angehört als die erstere Wick hing. Diese Einrichtung lässt auch den Aus- gleich der Wirkung einer wesentlichen Pha senverschiebung zu.
Während gemäss Fig. 9 für eine jede Phase des Transformators 3 ein Eisenkörper der Selbstinduktionsspule vorgesehen ist. liegen gemäss Fig. 10 die Selbstinduktions- wicklungen sämtlicher Phasen auf einem ge meinsamen Eisenkern, wobei die Spulen 30 mit der Primärwicklung 3a und die Spulen 31 mit der Sekundärwicklung 3b des Trans formators 3 in Reihe geschaltet sind.
Auch bei den in Fig. 9 und 10 dar gestellten Ausführungsbeispielen kann die Selbstinduktionsspule ausser mit der mit dem Transformator in Reihe geschalteten Wick lung noch mit einer der Reglungswicklung 20 der Fig. 5 und 6 entsprechenden wei teren Wicklung ausgerüstet sein, die aus einer von dem zu regelnden Stromverbraucher 3 unabhängigen Stromquelle erregt wird.
Die Selbstinduktionsspulen werden bei Öltransformatoren zweckmässig mit dem Transformator in einem gemeinsamen Öl behälter untergebracht.