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Vorrichtung zur Stufenregelung elektrischer Wechselstromgeräte. Bei der Stufenregelung von Wechselstromgeräten, zum Beispiel Transformatoren unter Last, müssen beim Übergang von der einen zur andern Anzapfung die Stufen vor- übergehend überbrückt werden. Durch diese Überbrückung wird ein Stromkreis geschlossen, in dem die Differenzspannung der Anzapfungen, die Stufenspannung, wirkt und einen dem Laststrom sich überlagernden Ausgleichsstrom herbeiführt. Damit dieser Ausgleichsstrom sich in zulässigen Grenzen hält, hat man bisher sogenannte Überschaltmittel in den Überbrückungsstromkreis eingeschaltet. Diese Überschaltmittel müssen entsprechend dem auftretenden Ausgleichsstrom bemessen werden.
Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Ü berschaltmittel zu vermeiden. Erfindungsgemäss erfolgt die Stufenumschaltung durch einen synchron gesteuerten Sehnellumsehalter, der nur im Bereich des Nulldurchganges der Differenzspannung der umzuschalten den Anzapfungen die Stufen kurzschliesst.
Der dabei auftretende Aus- gleiehsstrom ist von so kurzer Dauer und so klein, dass er auch ohne Überschaltmittel bewältigt werden kann. Auch die Abschaltung des Ausgleichsstromes durch den Schnellumschalter ist somit ohne Schwierigkeiten möglich, namentlich dann, wenn die Kurzschlussdauer des Sohuellumschalters derart auf die Widerstandswerte (Zeitkonstante) des Kurzschlusskreises abgestimmt ist, dass der Kurzschluss gerade beim oder nur wenig vor dem Nulldurchgang des Ausgleichsstromes aufgehoben wird.
Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Eine Transformatorwicklung 1 (Fig. 1) ist mit zwei Reiben 2, 3 von Stufenkontakten versehen, an denen je ein Stufenwähler 20, 30 entlangbewegt werden kann. Die Stufenwähler 20, 30 sind an feststehende Kontakte
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21, 31 eines Schnellumschalters U mit dem beweglichen Kontakt 4 verbunden. Der bewegliche Kontakt 4 ist an die eine Lastleitung 5, das nicht angezapfte Wicklungsende der Wicklung 1 an die andere Lastleitung 6 des Wechselstromkreises angeschlossen. Die zweite Wicklung des Transformators ist der Einfachheit halber weggelassen.
Wie gestrichelt angedeutet, kann die Lastleitung 5 über hochohmsche Widerstände 7 mit den Kontakten 21, 31 verbunden sein, um das Umlegen des Laststromes bei grösseren Phasenverschiebungen zu erleichtern.
Die Vorrichtung arbeitet folgendermassen: In der gezeichneten Stellung fliesst der Laststrom über den Kontakt 21 und den Stufenwähler 20. Der Stufenwähler 30 ist praktisch stromlos und kann lichtbogenfrei auf einen beliebigen Kontakt der Reihe 3 eingestellt werden. Soll die Spannung des Transformators geregelt, also der Laststrom von dem Stufenwähler 20 auf den Stufenwähler 30 umgelegt werden, dann wird der bewegliche Kontakt 4 des Umschalters etwa innerhalb einer Halbwelle und so in der Pfeilrichtung von dem Kontakt 21 auf den Kontakt 31 umgelegt, dass in dem Augenblick, in dem die Differenzspannung zwischen den beiden Stufenwählern 20, 30 ihren Nulldurchgang hat, etwa die Hälfte bezw. etwas mehr als die Hälfte des Schaltweges zurückgelegt ist.
Das Umlegen erfolgt beispielsweise durch einen Synchronmotor, der von einer Wechselspannung gleicher Frequenz und gleicher Phase wie die Differenzspannung zwischen den Stufenwählern oder von einer Wechselspannung, die gegen diese Spannung eine bestimmte Phasenverschiebung hat, gespeist wird.
Beim Übergang von dem Kontakt 21 auf den Kontakt 31 werden vorübergehend beide Kontakte überbrückt und dadurch die Differenzspannung zwischen den Stufenwählern 20, 30 kurzgeschlossen. In der Fig. 2 ist der Strom- und Spannungsverlauf unter der Annahme, dass der Ohmsche Widerstand des Kurzschlusskreises sehr klein ist gegenüber dessen Induktivität, dargestellt. Die Kurve 8 zeigt den zeitlichen Verlauf der Differenz- Spannung, die Kurve 9 gibt den Verlauf eines Kurzschlussstromes an, der auftreten würde. wenn die Kontakte 2l, 31 dauernd überbrückt wären. Die Kurve 10 zeigt den Verlauf des Kurzsehlussstromes für den Fall, dass die Überbriickung der Kontakte 21, 31 erst im Zeitpunkt t1, also kurz vor dem Null- durahgang der Differenzspannungskurve 8 eintritt.
Im Punkt tl beginnt der Kurzsehluss- strom von Null an langsam zu steigen und erreicht etwa im Nulldurchgang der Kurve 8 ein schwaches Maximum. Hierauf sinkt er im Zeitpunkt t2 wieder auf Null ab und würde dann nach der Kurve 10 in entgegengesetzter Richtung stark ansteigen. Der Kontakt 4 (Fig. 1) wird mun aber durch den Syn- cbronmotor derart rasch umgelegt, dass die Überbrückung der Kontakte 21, 31 nur zwischen den Zeitpunkten t,, t2 stattfindet. Der Kurzschlussstrom kann deshalb nur die Werte des stark aasgezogenen Teils der Kurve 10 annehmen.
In Fig. 3 sind die gleichen Verhältnisse für den Fall dargestellt, dass das Verhältnis vom Ohmschen Widerstand (R) zur Selbstinduktion (c L) 0,75 beträgt. Die Kurve 9 ist deshalb gegen die Kurve 8 vorgeschoben, auch zeigt die Kurve 10 einen etwas andern Verlauf. Die Kurzschlussdauer, also namentlich die Lag ze des Punktes t2 (Fig. 2 und 3) lässt sieh stets derart auf die Widerstandswerte des 1iurzsehlusskrt:ises abstimmen, dass beim Aufheben des Kurzschlusses der Kurzschlussstrom gerade durch Null geht oder unmittelbar vor dem Nulldurchgang, steht.
Nach dem Mersebalten des Kontaktes 4 auf den Kontakt 31 führt der Stufenwähler 30 den Laststrom, und der Stufenwähler 20 kann nun auf einen beliebigen Kontakt umgestellt werden.
In der bei Reguliertransformatoren bekannten Weise kann man rlie Stufenwähler 20, 30 auch motoriseb, beispielsweise durch Druckknopfsteuerung, verstellen und durch entsprechende Verbindung mit den Betätigungsorganen des Umschalters (7 dafür sorgen, dass der Umschalter erst nach der Verstellung des jeweils stromlosen Stufenwäh-
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lern betätigt wird. Da solche Steuer- und Antriebsvorriehtungen an sieh bekannt sind, sollen sie nicht näher erläutert werden. Die folgenden Erläuterungen beschränken sich deshalb auf die besondere synchrone Betätigung des Schnellumschalters U.
Wird zur Betätigung ein Synchronmotor verwendet, dann kann man diesen Motor entweder dauernd laufen lassen oder nur jeweils während der Stufenregelung in Betrieb setzen. Der Synchronmotor muss dann jeweils angeworfen oder angelassen werden, und man muss ihm genügend Zeit zum Hochlaufen lassen, bevor er den Schnellumschalter umlegt, weil man sonst keine Gewähr hat, dass dieser Schalter synchron beim Nulldurchgang der Stufendifferenzspannung betätigt wird. Das Anwerfen und Anlassen wird am besten selbsttätig in dem Augenblick bewirkt, in dem der eine Stufenwähler umgestellt ist.
Um Zeit für das Hochlaufen zu gewinnen, kann zwischen dem Synchronmotor und dem Betätigungsorgan des Schnellumschalters ein ausreichender Leergang eingeschaltet werden oder man kann den Synchronmotor zunächst leer hochlaufen lassen und dann das Betätigungsorgan für den Schnellumschalter einkuppeln. Die Kupplung muss derart ausgeführt sein, dass sie nur bei einer bestimmten Relativstellung zwischen dem Läufer des Synchronmotors und dem Betätigungsorgan fasst (Einzahnkupplung oder dergleichen). Statt einer Kupplung kann aber auch ein Übersetzungsgetriebe verwendet werden, dessen erster Teil mit dem Synchronmotor, dessen zweiter Teil mit dem Schnellumschalter und dessen dritter Teil mit einem Gesperre versehen ist. Bei der Stufenumschaltung ist das Gesperre zunächst ausgerückt, so dass der dritte Teil leer umlaufen kann.
Der mit dem Schnellumschalter verbundene zweite Teil bleibt dann in Ruhe. Erst wenn der Synchronmotor hochgelaufen ist, wird der dritte Teil des Übersetzungsgetriebes in einer bestimmten Lage gesperrt, so dass die ganze Bewegung des Synchronmotors nunmehr auf den zweiten Teil des Getriebes, also auf den Schnellumschalter, übertragen wird. Nach der Umlegung des Schnellumschalters wird der dritte Teil des Getriebes wieder entsperrt, so dass er wieder leer umläuft, während der zweite Teil des Übersetzungsgetriebes stillsteht. Der Synchronmotor kann dabei weiterlaufen oder abgeschaltet werden.
Schaltet man zwischen dem dritten Teil des Übersetzungsgetriebes und dem Schnellumschalter einen ausreichenden Leergang ein, dann kann das Gesperre des dritten Getriebeteils und das Anlassen bezw. Anwerfen des Synchronmotors auch im gleichen Zeitpunkt erfolgen. Eine Ausführungsform einer solchen Anordnung, bei der als Übersetzungsgetriebe ein Schraubengetriebe verwendet ist, ist in den Fig. 4 und 5 beispielsweise dargestellt.
Hier sind statt des umlegbaren Kontaktes 4 (Fix. 1) zwei ein- und ausschaltbare Kontakte 41, 42 verwendet, die durch Federn 43 mit einem einen Isolierteil 44 enthaltenden Schaltgestänge verbunden sind. Die Federn 45 suchen die Gestänge mit den Rollen 46 gegen den Umfang der Zylinderkörper 11 bezw. 12 zu drängen. Diese Zylinderkörper haben verschiedene Durchmesser und sind durch eine beispielsweise schraubenförmige Übergangszone 13 miteinander verbunden. Sie sitzen auf der Gewindespindel 14, die un- verdrehbar, aber axial verschiebbar auf einer von einem Synchronmotor 15 angetriebenen Welle 16 gelagert ist. Auf der Gewindespindel 14 sitzt eine Mutter 17, die durch Anschläge 18 gegen AxiaIverschiebung gesichert ist.
Die aus mab,-netisch nicht leitendem Material bestehende Mutter 17 hat an einer Stelle einen eingesetzten Eisenanker, den der Elektromagnet 19 im Einschaltzustand festhält. 25 ist ein Antriebsmotor für eine Welle 26 zur Betätigung der Stufenwähler.
Der Motor 25 ist über eine Rutschkupplung oder nur einseitig wirkende Kupplung 22 mit dem Synchronmotor 15 verbunden und dient zugleich als Anwurfmotor. Die Welle 26 betä- tigt über ein Übersetzungsgetriebe 23 einen Drehschalter 24 für den Motor 15 und' den Magnet 19. Die Anordnung ist der Einfach- heit .halber nur für ebne Drehrichtung dar-
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gestellt. Die Umschah- oder Umkupplungsvorrichtungen, die für die Betätigung in beiden Drehrichtungen erforderlich sind, sind der Einfachheit halber webgelassen.
Sie können aus der Regeltransformatortechnik ohne weiteres übernommen werden.
Die Vorrichtung arbeitet folgendermassen: Durch Einschalten des Motors 25 wird über die Welle 26 in bekannter Weise der stromlose Stufenwähler verstellt. Gleichzeitig wird über die Kupplung 22 der Synehronmotor 15 angeworfen. Der Synehronmotor 15 und der Magnet 19 sind vorerst noch nicht eingeschaltet, die Mutter 17 sowie die Teile 11 bis 14 laufen leer mit der Welle 16 mit, die Rollen 46 laufen dabei auf dem Zylinder 11, das Schaltgestänge bleibt in Ruhe. Sobald der Stufenwähler seine neue Lage erreicht hat, werden durch den Schalter 24 der Synchronmotor 15 und der Mabnet 19 eingeschaltet. Die Welle 16 läuft also, wenn nicht augenblicklich, so doch nach einer bestimmten Zeit synchron. Die Mutter 17 wird in einer bestimmten Stellung an dem eingesetzten Eisenanker von dem Magnet 19 festgehalten.
Dadurch wird die Spindel 14 gezwungen, sich axial längs der Welle 16 zu verschieben. Sobald die Übergangszone 13 zwischen den Zylindern 11 und 12 unter die Rollen 46 gelangt, bewegen sich beide Schaltgestänge in der Pfeilrichtung. Unter der Einwirkung der Feder 43 bleibt der Kontakt 41 aber vorerst noch geschlossen, während der Kontakt 42 in die Schliessstellung gelangt. Bei der weiteren Bewegung der Schaltgestänge wird der Kontakt 41 geöffnet und der Kontakt 42 fest angedrückt, bis schliesslich die Rollen 46 auf den dünneren Steuerzylinder 12 gelangt sind. Die Übergangszone 13 ist so abgeglichen, dass gerade zwischen den Zeitpunkten t,, t2 (Feg. 2 und 3) beide Kontakte 41, 42 geschlossen sind. Der Synchronmotor 15 läuft dann noch weiter, bis die Rollen 46 sich dem linken Ende des Zylinders 12 nähern.
Dann schaltet der Schalter 24 den Synchronmotor 15 und den Magnet 19 ab, ebenso wird der Motor 25 stillgesetzt. Der Laststrom ist nunmehr von dem Stufenwähler 20 (Feg. 5) auf den Stufen- wähler 30 umgesehaltet. Leim nächsten Scbaltvorgang wird die Drehrichtung des Synchronmotors 15 umgelehrt. Praktisch wird der Synclronmotor gleicl durch den Schalter 24 am Ende des vorhergehenden Regulierungsvorganges umgeschaltet. Die Vorrichtung arbeitet dann in ähnlicher Weise, jedoch wandern jetzt die Rollen 46 von den dünneren Zylinder 12 nach dem dickeren Zylinder 11, lnd es wird jetzt der Laststrom von dem Stufenväbler 30 auf den inzwischen stromlos verstellten Stufenwähler 20 umgelegt.
Wie die Fig. 6 zeigt, kann der Sehnell- umschalter U statt durch einen Synchronmotor auch durch Elektromagnete 27, 28 synchron ungelegt werden. Die Wicklungen der Elektromagnete 27, 28 sind an die Kontakte 29, 32 eines Umsclalters 33 mit dem beweglieben Kontakt 34, der Kontaktschiene 35 und dem mittleren Kontakt 36 verbunden. Der Kontakt 34 wird über ein Maltesergetriebe 37 von der Stufenregeleinrichtung betätigt, und zwar alwechselnd jeweils naeh der Einstellung eines Stufenwählers auf eine neue Stufe, einmal nach dem Kontakt 29 und einmal nach den Kontakt 32 geschwenkt. Die Kontaktschiene 35 ist an die eine Seite, das Entlalungsgefäss 38 an die andere Seite eines Kondensators 39 angeschlossen, der über die Röhre 50 aus einem Hilfsnetz N aufgeladen wird.
Das Gitter 51 des Entladungsgefässes 38 ist an einen Steuerstromkreis 52 angesehlossen, der an einer Hilfswicklung 53 des zu regelnden Transformators liegt. In dem Steuerstromkreis ist eine ungesättigte Drossel 54 und eine gleichzeitig als Kopplungstraniformator dienende hochge- sättio'te Drossel 55 eingeschaltet. Zwei Dauer- ma#rnete 56 und der auf derWelle des Kontaktes 40 sitzende Anker 57 halten den Kontakt müh nach Abschaltung der Magnete 27, ?8 in der eingenommenen Stellung- fest.
DieVorrichtun- arbeitet folgendermassen: Sobald der Stufenwähler 30 auf die neue Stufe eingestellt ist, wird durch das 'Malteserkreuzgetriebe 37 der Kontakt 34 auf den Tontakt 32 umgelegt. Im Augenblick des Nulldurchganges der Differenzspannung zwi-
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sehen den beiden Stufenwählern, Kurve 8 (Fig. 7) erhält das Gitter 51 einen Impuls, Kurve 58, der die Entladung des Kondensa- tors 39, der vorher über die Röhre 50 von dem Netz N aufgeladen wurde, über die Wicklung des Magneten 28 herbeiführt.
Der Magnet 28 schwenkt seinen Anker und kippt den Kontakt 40 von dem Kontakt 21 auf den Kontakt 31. Dadurch wird der Laststrom von dem Stufenwähler 20 auf den Stufenwähler 30 umgelegt. Hierauf wird durch das Malteserkreuzgetriebe 37 der Kontakt 34 wieder auf den Kontakt 36 geschaltet. Bei der Weiterregelung wird der Kontakt 34 auf den Kontakt 29 umgelegt und dadurch der Magnet 27 eingeschaltet, der nun den Schalter 40 von dem Kontakt 31 auf den Kontakt 21 umlegt; dadurch wird der Laststrom von dem Stufenwähler 30 auf den inzwischen fortgeschalteten Stufenwähler 20 umgelegt.
Die Wirkungsweise von Steuerkreisen für Entladungsröhren mit ungesättigter und gesättigter Drossel ist an sich bekannt und soll deshalb nicht näher erläutert werden. Weiterhin sind Ausführungsformen möglich, bei denen der Schalter durch Kraftspeicher betätigt wird und nur zur synchronen Auslösung ein Synchronmotor oder eine magnetisch wirksame Klinkvorrichtung dient. Zur Sperrung des Schaltvorganges unter Netzkurzschluss kann eine besondere, vom Netzstrom beeinflusste Verriegelungsvorrichtung vorgesehen sein.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass trotz Stufenschaltung unter Last die sonst üblichen Überschaltmittel entbehrlich sind und der Abbrand auf ein Minimum herabgesetzt wird. Während ferner bei den bekannten Reguliertransformatoren immer nur in einer bestimmten Reihenfolge von Stufe zu Stufe fortgeschaltet werden konnte, ist es bei der Erfindung auch möglich, beliebig von einer zur andern Stufe zu schalten.