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Verfahren zur Energieübertragung durch Wechselstrom. Den Gegenstand
der Erfindung bildet ein Verfahren zur Energieübertragung durch Wechselstrom, das
in gewissen Fällen beachtenswerte Vorteile gegenüber den gebräuchlichen Verfahren
bietet, die sich im wesentlichen auf zwei beschränken.
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Bei dem ersten und verbreitetsten dieser gebräuchlichen Verfahren
wird die Klemmenspannung der Empfangsapparate konstant gehalten, und wenn die von
den Empfängern verbrauchte Leistung oder ihre Phasenverschiebung schwankt, so ist
es der verbrauchte Strom, welcher schwankt.
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Beim zweiten Verfahren wird der von den Empfängern verbrauchte Strom
konstant gehalten, und wenn die Leistung und diePhasenverschiebung schwanken, so
ist .es die Spannung, welche schwankt.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung ändern sich die Spannung und der
Strom gleichzeitig in denn gleichen Sinne, derart, daß ihr Quotient
ebenso wie die Phasenschiebung, konstant erhalten wird. Da der Quotient
häufig als Impedanz bezeichnet wird, so kann das in Frage stehende Verfahren als
»Verfahren mit konstanter Impedanz und Phasenverschliebung« bezeichnet werden.
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Von vornherein scheint es, als ob dieses Verfahren der Ausnutzung
elektrischer Energie schwierig durchzuführen sei. Es ist aber nicht an dem, und
im nachstehenden sind mehrere verschiedene Ausführungsmöglichkeiten angegeben, die
entweder bei gewöhnlichen Leitungen oder bei sehr langen Leitungen verwendet werden
kQnnen, die mit konstanter Impedanz und Phasenverschiebung arbeiten sollen.
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Der erste zu betrachtende Fall ist der, in dem man die Energie an
einer einzigen Stelle in Form von mechanischer EiZergie verbraucht. Man ordnet an
der Empfangsstelle einen Svnchronmotor an, der in der Weise eingerichtet wird, daB
seine Erregung der Klemmenspannung proportional ist. Es ist leicht einzusehen, daB
unter diesen Umständen die Phasenverschiebung dieses Motors konstant -ist, ebenso
wie seine Impedanz. Natürlich wird man vorzugsweise die Phasenverschiebung Null
wählen, welche den höchsten Wirkungsgrad, die geringsten Leitungsverluste und den
geringsten Aufwand für den Motor ergibt. An der Abgangsstelle wird man einen Wechselstromgenerator
aufstellen, dessen Erregung selbsttätig ebenfalls proportional der Klemmenspannung
gehalten wird.
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Hinsichtlich der Leitung sind zwei Fälle zu betrachten: Wenn es sich
um eine gewöhnliche Leitung handelt von mäßiger Länge, so werden. ihre
eigenen
Konstanten, die Widerstände, die Reaktanz USW., die Wirkung haben, claß an
der Abgangsstelle eine Impedanz Z,. und eine Phasenverschiebung y, beibehalten werden
müssen, die, im allgemeinen, von der Impedanz Z, und der Phas_nv@rschiebung y, des
Empfängers verschieden sind.
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Handelt es sich um eine sehr lange Leitung, so wird es das beste sein,
die@lbe entsprechend einem Verfahren an Wechselstromleitungen zur Energieübertragung
auf große Entfernung einzurichten, gemäß welchem die Leitung ohne Rückwelle arbeitet,
d. h. mit einer auf die ganze Länge derselben k@@nstanteil Impedanz und Phasenverschiebung.
Die Impedanz wird alsdann überall Z", die Phasenverschiebung y. sein, und im allgemeinen
wird man dazu kommtn, o zu machen.
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Man wird so eine Energieübertragung erhalten, bei welcher die Spannung,
der Strom und der Wirkungsgrad fast dieselben sind wie bei der Gl@eichstromül,erir,igung
durch eine Hauptschlußdynaino. Die Spannung erreicht ihren gefährlichsten Wert nur
i>ei voller Belastung, wie bei der .-% erteilung mit konstantem Strom, und der Wirkungsgrad
bleibt bei geringen Belastungen sehr gut, im Gegensatz zu dein, was bei Systemen
finit konstanter Spannung und kocistantoin Strom erfolgt.
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Die Durchführung einer der Klemmenspannung proportionalen Erregung
in den beiden Generatoren und in den Empfängerft oder Verbrauchern ist leicht, entweder
mit Hilfe von Einankerumformern, die auf der Welle montiert sind oder nicht und
ins \ schluß durch Transformation gespeist werden, oder mit Hilfe von selbsttätigen
Regulatoren.
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Die Abb. r, 2 und 3 zeigen schematisch drei Beispiele von Schaltungen
zur Erzielung einer derartigen Regelung für den Fall, daß eine Synchronmaschine,
sei es eine Erzeuger-oder eine Empfängerrnäschine, angewandt wird, die zur Vereinfachtin-
den- zcichner fischen Darstellung als einphasig anrett@@ininet@ ist und durch eine
Wiclaun- h ('t t egt wird.
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In dem durch Abb. r veranschaulichten Fall wird die Wicklung B durch
einen Uniformer C (dessen Eigenerregung nicht dargestellt ist) gespeist, wobei die
Schleifringe des Umformers an die lelcunzlär wickluil" eines Transformators D angeschlossen
sind, dessen Primärwicklung ins \ ebenscliluß zu den Klemmen der Svichronrnischine
_ I geschaltet ist.
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Da die Spannung und die Stranistärke der :Maschine A beim Betriels
mit konstanter hnpedanz und Phasenverschiel)ung stets untereinander proportional
lileibell, 1;r;niteti die Schleifringe des Umformers -ebeiisogut an die Sekundärwicklung
eines Reihentransformators E angeschlossen sein. Diese Schaltung ist in Abi). a
schematisch veranschaulicht. Gewünschtenfalls kann man aber auch die Schaltungen
nach den Abb. r und :2 komhinieren, indem man beip,ielsweise zur Speisung der Schleifringe
des Umformers zwei den Transformatoren P und F_ ähnliche Transformatoren nach Art
der Verbundtransformatoren verkuppelt, oder man kann einen mit -zwei Wicklungen
versehenen Uinforiner (wobei die Wicklung I3 in zwei Teile zerlegt ist) anwenden,
in der Weise, daß von fliesen beiden Wicklungen die eine durch einen Nebenschlußtransforinatcr,
clie andere durch einen Reihentransformator gespeist oller man kann hierzu zu ir,-eii=leinein
andren Mittel greifen.
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Die Schaltung nach Abb. 3 bezieht sich auf die Verwendung von selbsttätigen
Reglern. Die Wicklung B wird durch eine Erregerinaschine F (zieren Eigenerregung
nicht dargestellt ist) gespeist, und ein Rheostat G. welcher durch einen selbsttätigen
Regler gesteuert wird, der in Abhängigkeit voll der Spannung an den Klemmen der
-Maschine A gebracht ist. ist in Elen Stromkreis geschaltet. Der Rheostat G könnte
auch in den Erregerstromkreis der Erregermaschine l# eingeschaltet sein, und der
selbsttätige Regler I. kamt gewünschtenfalls in Abhängigkeit von d eni von der Maschine
:1 gelieferten oller aufgenommenen Strom -oder zugleich in _ @bb @:ngigkeit von
<lein Strom und der Sparmutig usw. gebracht werden. Somit kann der Regler aus
eineins Ampereniesser, einem Voltmesser, einen: Wattiiiesser oder sogar aus einein-Ohininesser
oder aus einem 'Phasenmesser bestehen.
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-Naturgemäß werden diese Vorrichtungen nur als Beispiele angegeben,
denn es können hierbei irgendwelche gl%-icli%v2rzzige Varrichtungen Verwendung hn-len.
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Renn nian die Zahl der -lascliinen an der Abgangs- und Empfangsstelle
veränderlich machen will, wird man Weclis2lstroingeneratoren finit starker Reaktion
verwenden. Die heute erkannte Nützlichkeit, große -Maschinen finit starker magnetischer
Streuung zu bauen, uni die Kurzschlußülierstrüine zu verringern, stellt hier ins
Einklang mit fier Notwendigljeit, eine große Elastizität der Arbeitsweise zu schaffen,
uni bei konstanter Iinpeflanz finit einer oder mehreren Maschinen zu arbeiten.
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All der Empfangsstelle kann inan den Svlichronnlotor durch .einen
Asynchronmotor -ersetzen, wobei dieser Asynchrolimotor zur @-erbesserung seines
Leistungsfaktors finit 1iesolizlerer Erregung versehen sein kann oder nicht. In
diesem Falle muß an der Abgan@sstell4 gier Generator finit einem Regler versehen
sein, der das Verhältnis
und den Wert cos n, konstant aufrechterhält.
Wenn -Von der Empfangsstelle
aus Energie verteilt werden soll, in Form von Gleichstrom oder Wechselstrom, so
besteht die erste stich bietende Lösung darin, daß man mit dein Synchron- oder Asynchrönmotor
einen Geller ator konstanter Spannurig (oder; wenn nötig, konstanten Stromes) kuppelt.
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Soll bei der Übertragung durch Wechselstrom die Energieverteilung
,an der Einpfangsstelle in Form von Gleichstrom geschehen, so ist die angegebene
Lösung die praktischste. Findet dagegen die Verteilung als Wechselstrom statt, so
kann man diese Zwischenschaltung zweier Wechselstrommaschinen zwischen die Leitung
und die Empfänger bemängeln; doch wenn man beachtet, daß bei den anderen Übertragungssystemen
in Anbetracht der Länge der Leitung an der Empfangsstelle ein übererregter leerlaufender
Synchronmotor eingeschaltet werden muß, dessen Leistung von derselben Größenanordnung
ist wie diejenige, welche übertragen wird, so erscheint die doppelte Transformation
nicht mehr so ungünstig.
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Ungeachtet dessen kann- man die doppelte Transformation aber auch
dadurch vermeiden, daß man an der Empfangsstelle an Stelle eines Motors einen Transformator
einbaut, der, unter dem -konstanten Verhältnis
gespeist, der Sekundärleitung eine konstante Spannung (oder, wenn nötig, einen konstanten
Strom) verleiht.
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Im allgemeinen kann diese Transformation durch ruhende Transformatoren
erfolgen, deren gegenseitige Induktanz entweder durch Änderung der _ primären oder
sekundären Windungszahl oder durch gegenseitige Verschiebung dieser Teile beliebig
geändert werden kann. Diese Apparate stind wohlbekännt, und es ist überflüssig,
auf ihre Ausführung näher einzugehen. Die Änderung der gegenseitigen Induktion kann
entweder von Hand oder durch selbsttätige Regler erföigen, welche Hilfsmotoren betreiben.
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Bei mehrphasigen Strömen kann die Transformation an der Abgangsstelle
und an der Empfangsstelle vorteilhaft durch Kombination von Apparaten erfolgen,
die unter der Bezeichnung Induktionsregler oder Phasentransformatoren bekannt sind.
Ein Drehfeldtransformator ist im Grunde genommen ein Dreiphasenmotor, dessen Rotor
festgelegt ist. Stator und Rotor benehmen sich also wie die Primärwicklung und <nie
Sekundärwicklung eines mehrphasigen Transformators. Diese Apparate unterscheiden
si:-h jedoch von den in,.hrpliasigen Transformatoren insofern, als man durch eine
veränderliche Winkelverschiebung zwischen den primären und sekundären Wicklungen
die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom der sekundären Wicklungen verschieden
macht von der Phase zwischen Strom und Spannung der primären Wicklungen; daher kommt
auch die andere Bezeichnung als Durch Kombination zweier Induktionsregler oder eines
mit einem gewöhnlichen Mehrphasentransformator kann man also die in Frage stehenden
Transformationen vornehmen. -Es genügt dazu, die Primärwicklungen parallel und die
Sekundärwicklungen in Reihe zu schalten (oder umgekehrt) und der Winkelverschiebung,
die mit di bezeichnet werden soll, einen geeigneten Wert als Funktion der Belastung
zu geben.
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Vereinigt man beispielsweise einen gewöhnlichen Transformator mit
einem Drehfeldtransformator, so werden deren primäre Wicklungen, zueinander parallel
geschaltet. Speist man diese Primärwicklungen unter konstanter Spannung, so sind
die sekundären Spannungen ebenfalls konstant. Sind dann die sekundären Wicklungen
der beiden Transformatoren in Reihe geschaltet, und 1_äßt man die Phasenverschiebung
tfi der beweglichen Sekundärwicklung des Drehfeldtransforinators schwanken, so wird
die resultierende sekundäre Spannung für jede Phase (wenn beispielsweise die sekundären
Spannungen der beiden Transformatoren mit ihrem absoluten Wert einander gleich sind)
für 1L -- ,-. zwischen hTtill, bis zum doppelten Wert einer sekundären Phase für
tb --- -"5z;- schwanken, wobei die Spannung dler Reihe nach sämtliche Zwischenwerte
annehmen wird. Ein Beobachter, der seine Aufmerksamkeit den Vorgängen in dem durch
das aus den beiden Transformatoren bestehende System gespeisten Stromkreis widmet,
kann infolgedessen die Phasenverschiebnng #p von Hand aus verändern, so daß in dieseln
Stromkreis das Verhältnis
konstant erhalten .wird. Ist die Belastung schwach, so wird der Beobachter
U und J klein gestalten, indem e: 1L auf einen Wert bringt, der sich
dem Werte von 7v nähert. Ist die Belastung stark, so wird er U und J groß gestalten,
indem er t!i auf einen Wert bringt, der annähernd gleich \u11 ist. Im übrigen kann
dieser Beobachter durch einen den Differentialreglern von Bogenlampen nachgebildeten
selbsttätigen Regler ersetzt tv(erden, den man auf einün Hilfsmotor einwirken läßt,
der #i aL:f den richtigen @>#'er t bringt, damit das Verhältnis
auf dem gewünschten Wert erhalten bleibt. Auf diese Weise erzielt man die Umformung
-einer Übertragung mit konstanter Spannung .in eine Übertragung mit konstanter Impedanz.
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Eine derartige Umformungsvorrichtung
i-,t iui übrigen
umkehrbar. Wird sie durch Wechselströme, für die das Verhältnis
konstant ist, auf der Seite, auf der die Wicklungen der Transformatoren in Reihe
geschaltet sind, gespeist, so liefert sie Ströme unter konstanter Spannung auf -:ler
Seite, auf der die Wicklungen der Transformatoren zueinander parallel geschaltet
sind, für den Fall, claß ein auf dieser Seite abgezweigter Spannungsregler auf einen
Hilfsmotor einwirkt, der die Phasenverschiebung rr auf den gewollten Wert bringt,
der bei geringen Belastungen sich dem Wert 7: nähert, bei starken Belastungen hingegen
einen Wert an-. nähernd gleich Null annimmt.
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@far kann durch ähnliche '-Xlittel die Z`miorimuiJ von Wechselströmen,
für die das Verhältnis
konstant ist, in Wechselströme konstanter Spannung. und umgekehrt, erzielen.
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Speist man auf der Seite, auf der die Wicklungen der beiden Transformat,)ren
in Reihe liegen, die Seite, auf-der die Wicklungen parallel geschaltet sind, mit
Strömen konstanter Stärke, so kann man auf diese Weise Ströme liefern, für die das
Verhältnis konstant bleiben wird, falls ein Diff°rentialregler
die Pnasenverschiebung il., je auf die gewünschten Werte bringt.
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Wird die Seite, auf der die Transformatorwicklungen parallel geschaltet
werden, mit Strömen gespeist, für die das Verhältnis
konstant ist, so kann die Seite, auf der die Wicklungen in Reihe liegen, Ströme
konstanter Stärke liefern, wenn ein Spannungsregler der Phasenverschiebung die getrollten
Werte verleiht.
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Naturgemäß kann bei diesen verschiedenen Kombinationen der gewöhnliche
Transformator durch einen Drelifehltransformator ersetzt «-erden, wobei dann das
LTmfor:nungssvstem atis zwei Drehfeldtransforinatoren besteht mid die Regelung dadurch
geschehen kann, (laß inan gleichzeitig oder nacheinander auf die Phasenverschiebung
der leiden sekundären @Vicklungen einwirkt.
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Natürlich brauchen die Primär- und Sekundärwicklungen nicht genau
die Formen zli haben wie bei Drehstromniotoren. sondern es handelt sich nur um grundsätzliche
Angaben. Die Notwendigkeit, sehr hohe Spantiungen zu erzeugen und die magnetische
Streuung zu verringern, wird wahrscheinlich zu anderen Formen führen.