DE71137C - Ausgleichsleitung für Drehstrom-Vertheilungs-Anlagen - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

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.

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 °

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,

dafs aus den drei Strömen mit je — = 60°

3
Phasendifferenz nunmehr drei Ströme mit je

120° Phasendifferenz geworden sind.

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:

J₁ = α sin q,

J₂ = α sin (q -f 120⁰),
J₃ = 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.

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).

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.

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-

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.

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.

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.

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.

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 zwei

Strömen eine Phasendifferenz von — besteht.

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.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   ι . Drehstromvertheilungsanlage, gekennzeichnet durch die Anbringung einer Ausgleichsleitung, welche die mit einander verbundenen Enden sämmflicher an ihrem anderen Ende mit je einer Hauptleitung verbundenen Spulengruppen der Drehstromerzeugermaschine bezw. des zu derselben gehörigen Umformers verbindet mit den in gleicher Weise verbundenen Enden der Erregerspulen der an das Vertheilungsnetz angeschlossenen Kraftmaschinen und Umformer, während die zweipoligen Stromaufnehmer je nach der von ihnen erforderten Spannung zwischen diese Ausgleichsleitung und irgend eine Hauptleitung oder· zwischen zwei Hauptleitungen eingeschaltet werden , können.
2. 2. Eine Ausführungsform eines nach Anspruch i. geschalteten Umformers derart, dafs das Umsetzungsverhältnifs desselben von Hand oder selbstthätig für die einzelnen Leitungen je nach der Belastung derselben dadurch geregelt werden kann, dafs die Zahl der wirksamen Windungen der Spulen durch Verschiebung der Anschlufspunkte der einzelnen Hauptleitungen verändert wird.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.