DE218085C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVI 218085 -KLASSE 21 c. GRUPPE

beliebiger Stromart.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 25. Februar 1908 ab.

Von allen selbsttätigen Spannungsreglern haben sich die schnellschwingenden Regler am besten bewährt, deren Prinzip darin besteht, daß durch sie der Nebenschlußwiderstand im Erregerkreis der Erregermaschine oder einer Zusatzmaschine derselben durch einen schnellschwingenden Mechanismus periodisch kurzgeschlossen und dadurch die dem Generator aufgedrückte Erregerspannung periodisch veränderlich gemacht wird, wobei das Verhältnis der Einschaltedauer zur Kurzschluß dauer des Widerstandes und damit der Mittelwert der dem Generator aufgedrückten Erregerspannung nach Maßgabe der Größe und Art der Belastung und der Umdrehungszahl des Generators durch den Regler selbsttätig geregelt wird. An einen Spannungsregler wird vor allem die Forderung gestellt, daß er auch auf die kleinsten Spannungsschwankungen und auf jede Schwankung augenblicklich anspricht, alle Spannungsänderungen in möglichst kurzer Zeit ausgleicht und eine Überregelung nicht aufkommen läßt. Um diesen Forderungen möglichst vollkommen zu entsprechen, ist bei dieser Erfindung als leiten-. 25 der Gesichtspunkt betrachtet worden: das Spannungsrelais, das unter dem Einfluß der Generatorspannung steht und die Änderungen der letzteren dem Regler mitteilt, mit einer so großen Empnndlichßeit auszustatten, daß jede noch so kleine Spannungsänderung unmittelbar nach ihrem Eintritt auf den Schwingungszustand des Reglers einzuwirken vermag; und ist dafür Sorge getragen worden, auf das vom Spannungsrelais beeinflußte Organ ausschließlich die Spannung des zu regelnden Generators wirken zu lassen und andere elektrische Einflüsse oder mechanische Einwirkungen seitens des Reglers zu vermeiden.

Insbesondere letzteres ist von größter Bedeutung. Denn soll der Regler für die Konstanthaltung der Generatorspannung Sorge tragen und auf die kleinsten Änderungen der Generatorspannung ansprechen, so muß dasjenige Organ, das die Bewegungen des Reglers einleitet, auch nur unter dem Einfluß der Generatorspannung stehen und von allen anderweitigen Einwirkungen verschont bleiben. Auf diesen wichtigen Umstand hat man bei den bisher vorgeschlagenen Spannungsreglern nicht ausdrücklich Rücksicht genommen. Bei Spannungsreglern, bei welchen das von der Netzspannung beeinflußte Spannungsrelais auf nur einen Hebel einwirkt, auf den auch der die Schwingungen des Hebels einleitende Selbstunterbrecher einwirkt, müssen z. B. die vom Spannungsrelais einerseits und die vom Selbstunterbrecher andererseits entwickelten Drehmomente · gleicher Größenordnung sein. Denn wäre das vom Spannungsrelais ausgeübte Drehmoment im Verhältnis zu dem vom Selbstunterbrecher ausgeübten sehr groß, so würde letzterer nicht imstande sein, den Hebel in eine schwingende Bewegung zu versetzen, und wäre umgekehrt das vom Selbstunterbrecher auf den Hebel aus-

geübte Drehmoment sehr groß im Verhältnis zu dem vom Spannungsrelais ausgeübten, so würden Änderungen der Netzspannung auf die Bewegungen des Hebels gar keinen, oder nur einen ganz untergeordneten Einfluß haben. Hieraus folgt, daß die genannten beiden Drehmomente unbedingt von gleicher Größenordnung sein müssen. Ist dies aber der Fall, so wird es häufig eintreten, daß die vom Spannungsrelais

ίο und vom Selbstunterbrecher ausgeübten Drehmomente einander entgegen'wirken, so 'daß durch den Regler das dem gewünschten entgegengesetzte Ergebnis erzielt wird. Tritt z: B. eine Spannungserhöhung in einem Zeitpunkt auf, in der sich der Hebel in derjenigen Phase seiner Bewegung befindet, die das Schließen des Kontaktes zur Folge hat, so wird, wenn die Spannungserhöhung keine zu große ist, die Wirkung _:des, Spannungsrelais -von. derjenigen des Selbstunterbrechers überwunden, und es tritt Kontaktschluß und demzufolge eine Überregelung der Spannung ein.

Eine: mechanische Beeinflussung der vom Spannungsrelais eingeleiteten Bewegung tritt

z. B. bei den Spannungsreglern mit einem periodisch schwingenden und einem unter dem Einfluß der Spannung stehenden Hebel auf.

Diesen Einrichtungen gegenüber weist der vorliegende Regler den Vorteil auf, daß der Einfluß der Netzspannung durch ein Organ zum Ausdruck gebracht wird, das ausschließlich unter dem Einfluß der konstant zu haltenden Spannung steht und keinen weiteren elektrischen oder mechanischen Einwirkungen ausgesetzt ist.

Auch der weitere Nachteil der bekannten periodischen Spannungsregler, daß der unter dem Einfluß der Netzspannung stehende Hebel und der an ihm befestigte Kontakt im Fall einer Spannungsänderung zu große Ausschläge vollführt, so daß es zu lange Zeit dauert, bis der Hebel wieder in seine neue Gleichgewichtslage kommt, was meist zu einer Überregelung der Spannung Anlaß gibt, ist beim vorliegenden Regler dadurch vermieden, daß der vom Spannungsrelais bewegte Hebel zwischen zwei Kontakten schwingt, und demzufolge die Ausschläge des Hebels festgelegte kleine Beträge zu'überschreiten nicht imstande sind.

Da durch die schnellschwingenden Regler eine periodisch veränderliche Erregerspannung und demzufolge eine Generatorspannung periodisch veränderlichen effektiven Wertes erzeugt wird, so. muß die Frequenz dieser periodischen Veränderlichkeit eine so große sein, daß sich die schnellen Schwankungen der Generatorspannung an den Verbrauchsobjekten in keiner Weise unangenehm fühlbar machen. Dies ist um so mehr notwendig, als die Amplitude der periodischen Änderungen um so größer wird, je kleiner die Frequenz ist. So würde sich die periodische Veränderlichkeit der Generatorspannung bei Verwendung solcher schnellschwingenden Regler bereits bei Frequenzen, die kleiner als 6 bis 8 in der Sekunde sind, unangenehm fühlbar machen., ....

Dieser Übelstand kann beispielsweise bei den bekannten Reglern mit zwei schwingenden ·■■ Hebeln hervortreten, indem sich dort die . Frequenz der Schwingungen mit der zunehmenden Belastung des Generators bzw. mit zunehmender Erregerspännung erheblich vermin- -dert. /Hiergegen weist der vorliegende Regler den Vorteil auf, daß die Frequenz der Schwingungen bei allen Belastungen, d. h. bei allen Werten der Erregerspannung, konstant gehalten werden kann und nach Wunsch in weiten Grenzen einstellbar ist.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform des Reglers dargestellt:

: G ist der Generator, der als Wechselstromgenerator angenommen ist, im allgemeinen aber ein Generator zur Erzeugung beliebiger Stromarten sein kann. M ist die Magnetwicklung des Generators, E die Erregermaschine, die im Ausführungsbeispiel als Nebenschlußmaschine angenommen ist. N ist die Nebenschlußwicklung und W der vom Spannungsregler periodisch kurzschließende Widerstand..

Der Regler besteht aus zwei Teilen: dem Wechselstrommagneten m und dem von diesem bewegten, zwischen . den beiden festen Kontakten C₁ und c₂ schwingenden Kontakt c als dem einen Teil, und den von je einem Elektromagneten beeinflußten Hebeln A₁ und A₂.

Auf den Wechselstrommagneten m wirkt die Spannungsspule S₁ ein, die mit einem nicht gezeichneten induktionsfreien Vorschaltwiderstand in Reihe an die Sekundärklemmen des Spannungstransformators T₁ angeschlossen ist und demzufolge von einem in jedem Zeitpunkt der Generatorspannung proportionalen Strom erregt wird. Der Magnetkern m ist an dem einen Arm des um die Achse d drehbaren Hebels h frei beweglich aufgehängt, während auf den zweiten Hebelarm der Zugkraft des Wechsel-Strommagneten entgegen die Zugkraft einer Feder f einwirkt. Am Ende dieses Hebelarms befindet sich der Doppelkontakt c. Diesem sind die beiden festen Kontakte C₁ und c₂ zugeordnet. Die Einstellung der Feder erfolgt in der Weise, daß der Hebel A bei dem konstant zu hältenden Wert der Generatorspannung gerade im Gleichgewicht ist, und der Kontakt c sich hierbei genau in der Mitte zwischen den beiden festen Kontakten C₁ und % befindet. Fernerhin ist der Elektromagnet so beschaffen, daß bereits bei.einer geringen Über- bzw. Unterschreitung der Generatorspannung sich der Hebel A aus der Gleichgewichtslage heraus bewegt, und ein Anliegen des Kontaktes c an C₁ bzw. C₂ erfolgt.

Den zweiten Teil des Reglers bildet der

schnellschwingende Mechanismus, der das periodische Kurzschließen des Nebenschlußwiderstandes besorgt. Er besteht aus den beiden um die Achsen d_x und d₂ drehbaren Hebeln A₁ und A₂, deren jeder unter dem Einfluß eines Elektromagneten und einer diesem entgegenwirkenden Federkraft steht, und an deren Enden sich die beiden Kontakte C₁ und C₂ befinden. Der an den Hebel A₁ frei drehbar angehängte

ίο Eisenkern A₁ steht unter dem Einfluß zweier einander gleichwertigen Wicklungen W₁ und W₂, von welchen W₁ dauernd angeschlossen, W₂ jedoch nur dann stromdurchflossen ist, wenn das Kontaktpaar c, C₁ geschlossen ist. In diesem Fall ist die Spule W₂ der Spule W₁ parallel geschaltet, und beide werden je von der Hälfte des Nebenschlußstroms der Erregermaschine durchflossen. Da nun die beiden gleichartigen

. Wicklungen einander entgegenwirken und von gleich großen Strömen durchflossen sind, so ist hierbei die auf den Kern A₁ ausgeübte Zugkraft gleich Null. Ist dagegen das Kontaktpaar c, C₁ geöffnet, so wirkt auf den Kern A₁ unter dem Einfluß des periodisch veränderliehen Nebenschlußstroms der Erregermaschine eine entsprechend schwankende Zugkraft ein,

. die den Hebel A₁ und damit den Kontakt. C₁ in Schwingungen versetzt.

- Auf den Hebel A₂ wirkt ein Elektromagnetkern A₂ ein, der von drei Wicklungen beeinflußt wird Hiervon sind V₁ und V₂ zwei einander entgegenwirkende und vollkommen gleichwertige Wicklungen, die beide unter Vorschaltung eines gemeinsamen induktiven Widerstandes I von der Spannung der Erregermaschine gespeist werden. Während die Wicklung ν_Λ dauernd angeschlossen ist, wird die Wicklung v₂ nur dann erregt, wenn das Kontaktpaar c, c₂ geschlossen ist. In diesem Fall sind die beiden Wicklungen von gleich größen Strömen durchflossen, und die Resultierende ihrer magnetomotorischen Kräfte ist Null. Auf den Kern A₂ wirkt noch eine dritte Wicklung u ein, die mit einem induktiven Vorschaltwiderstand L in Reihe an die Klemmen des Nebenschlußwiderstandes W dauernd angeschlossen ist.

Die beiden Kontakte C₁ und C₂ sind mit den Klemmen des Widerstandes W ebenfalls leitend verbunden; letzterer wird also durch, sie periodisch kurzgeschlossen.

Es sei bemerkt, daß man an dem Hebel A an Stelle einer Feder f ein Gewicht als Gegenkraft benutzen kann. Auch empfiehlt es sich, auf den Magnetkern m bzw.· auf den Hebel A eine Dämpfungsvorrichtung wirken zu lassen. Fernerhin sei darauf hingewiesen, daß man auf die Hebel A₁ und A, in vorteilhafter Weise nicht je eine Feder, sondern mehrere solche wirken

. läßt, die nicht zu gleicher Zeit, sondern bei allmählicher Verdrehung des Hebels der Reihe nach in ,Wirkung treten, um auf diese Weise eine mit dem Verdrehungswinkel des Hebels angenähert quadratisch ansteigende Gegenkraft zu gewinnen.

Die Wirkungsweise des Reglers ist folgende: Verändern sich die Belastung und die Umdrehungszahl des Generators nicht, so vollführen die beiden Hebel A₁ und A₈ eine stetige, schwingende Bewegung. Hierbei wird eine in, geringen Grenzen periodisch sich verändernde Generatorspannung an G erzeugt, unter deren Einfluß der Hebel A um seine Mittellage eine schwingende Bewegung von so geringer Amplitude vollführt, daß hierdurch die Kontakte C₁ und C₂ vom Kontakt c nicht berührt werden. Auf die beiden Eisenkerne A₁ und A₂ wirken daher nur die Wicklungen w-, bzw. V₁ und u ein. Also steht der Kern A₁ unter dem Einfluß einer Zugkraft, die sich mit dem periodisch veränderlichen Erregerstrom angenähert synchron verändert, demnach im Augenblick, in dem das Kontaktpaar C₁ und C₂ geöffnet wird, ein Maximum ist und in dem Augenblick, in dem das Kontaktpaar geschlossen ist, ihren geringsten Wert erreicht. Der periodisch veränderliehe Nebenschlußstrom bedingt eine periodisch sich ändernde Spannung der Erregermaschine, wobei die Veränderlichkeit letzterer mit einer gewissen Verzögerung gegenüber derjenigen des Nebenschlußstroms statthat. ■

Der in.der Spule ^₁ fließende Strom hat nun gegen die Erregerspannung eine weitere Phasenverschiebung, so daß die von der Spule V₁ auf den Kern A, ausgeübte Kraft in ihrer Veränderlichkeit gegenüber der von W₁ auf A₁ ausgeübten Zugkraft eine Phasenverschiebung im Betrage von etwa ^x/_i bis zu ^x/₂ Periode aufweisen kann. Außer der Spule V₁ kann auf den Kern A₂ auch noch die Spule u einwirken, die zu der von ν_Λ ausgeübten Wirkung in denjenigen Zeitintervallen, in denen das Kontaktpaar C₁, C₂ geöffnet ist, eine zusätzliche Wirkung ausübt.

Die Schwingungen der beiden Hebel spielen ' sich somit in folgender Weise ab: In einem Zeitmoment, während dessen sich der Kon-■ takt C₁ nach abwärts bewegt, tritt zwischen den Kontakten C₁, C₂ Schluß ein. Von dem Augenblick an vermehrt sich der Erregerstrom und ι damit die auf den Kern U₁ ausgeübte Zugkraft \ plötzlich, so daß der Kontakt C₁ nach Errei- ; chung einer tiefsten Stellung seine Bewegungs- ^: richtung, umkehrt. Während dieser Zeit ver-' mindert sich noch die auf A₂ ausgeübte Zug-ί kraft, um dann einen Minimalwert zu erreichen und nachher allmählich anzusteigen. Da nun aber der Anstieg des Kontaktes C₁ früher einsetzt und rascher erfolgt als derjenige von C₂, so tritt wieder Trennung der beiden Kontakte ein. Von diesem Augenblick an vermindert sich die auf den Kern A₁ ausgeübte Zugkraft, so daß der Kontakt C₁ nach Erreichung einer ·■ höchsten Stellung wieder nach unten sinkt..

Gleichzeitig vermehrt sich die auf den unter dem Einfluß von V₁ und u stehenden Kern A₂ ausgeübte Zugkraft, so daß der Kontakt C₂ beschleunigt nach oben geht. Während sich die auf A₂ ausgeübte Zugkraft allmählich wieder vermindert, der Kontakt C₂ aber immer noch im Ansteigen begriffen ist, tritt ein Augenblick _vein, in dem der ihm entgegenkommende Kontakt C₁ wieder mit C₂ in Berührung kommt.

ίο Hierauf bewegen sich beide Kontakte geringe Zeit gemeinsam nach unten, worauf eine abermalige Trennung derselben eintritt und das Spiel von neuem beginnt.

Indem man die Form der Magnete und die Zahl und Stärke der auf die beiden Hebel einwirkenden Federn entsprechend wählt, und da man auch die Phasenverschiebung der auf den Kern A₁ und A₂ ausgeübten Zugkräfte verändern kann, läßt sich der absolute Betrag der Einschalte- und Kurzschluß dauer des Widerstandes W, d. h. die Frequenz der schwingenden Kontakte und auch das Verhältnis der beiden Zeitabschnitte verändern.

Wie aus dem Gesagten hervorgeht, nehmen die beiden Kontakte C₁ und C₂ eine um so höhere Mittelstellung ein, je höher die Erregerspannung ist. Indem man also das Gesetz ändert, nach welchem die Gleichgewichtsstellung der Kerne A₁ und A₂ mit der anwachsenden Erregerspannung veränderlich ist, läßt es sich erreichen, daß sich die Einschaltedauer des Widerstandes mit der Änderung der Mittellage der beiden Kontakte in der zur Einregelung der entsprechenden Erregerspannung erforderliehen Weise verändert.

Die bisherigen Betrachtungen galten für den stationären Belastungszustand des Generators und normalen Wert der Generatorspannung. Nimmt man nun an, daß plötzlich eine Spannungserniedrigung eintritt, so sinkt der Magnetkern m hinab und der Kontakt c kommt mit C₁ in Berührung. Die Folge davon ist, daß die Wicklung PF₂ eingeschaltet wird und damit die auf den Kern A₁ ausgeübte Zugkraft verschwindet, weiter daß der Kontakt C₁ augenblicklich hinabsinkt und mit C₂ Schluß herstellt. Das Kontaktpaar C₃, C₂ bleibt so lange geschlossen, bis die Spannung ihren normalen Wert wieder erreicht hat. Tritt Spannungserhöhung ein, so kommt der Kontakt c mit C₂ in Berührung, so daß die Spule V₂ eingeschaltet wird und die auf den Kern k₂ ausgeübte Zugkraft annähernd verschwindet; das Kontaktpaar C₁, C₂ bleibt so lange geöffnet, bis wieder die normale Spannung erreicht ist.

Indem man auf den Eisenkern m neben der Spannungsspule S₁ noch eine zweite, ihr entgegenwirkende, vom Netzstrom bzw. von einem mit diesem proportionalen Strom durchfiossene Spule S₂ anordnet, kann man nach Maßgabe der Zahl der von s₂ angeschlossenen Windungen die auf den Magnetkern m einwirkende magnetomotorische Kraft vermindern und auf diese Weise erreichen , daß die vom Regler eingestellte Generatorspannung mit der Größe des Netzstroms ansteigt. Das kann benutzt werden, um die Spannung an einem von der Zentrale entfernten Punkt konstant zu halten, indem man die Windungszahl der Stromspule s₂ so groß wählt, daß die beim Normalwert des Netzstroms statthabende Spannungserhöhung in der Zentrale dem in der Leitung stattfindenden Spannungsabfall gleichkommt.

Im Ausführungsbeispiel ist die Spule s₂ an die Sekundärklemmen eines Stromtransformators T₂ angeschlossen.

An dem beschriebenen Apparat kann eine Reihe verschiedener Änderungen vorgenommen werden. So brauchen die Wicklungen W₁ und w_t nicht vom Nebenschlußstrom der Erregermaschine, sondern können von einem mit der Erregerspannung proportionalen Strom erregt werden. Hierzu schließt man die Wicklungen unter Vorschaltung eines induktionsfreien Widerstandes an die Klemmen der Erregermaschine an.

Es ist auch nicht nötig, daß die Wicklung W₂ bzw. v₂ die Wirkungen der Wicklungen W₁ bzw. V₁ vollends aufheben, sondern es genügt, wenn erstere die Wirkungen der letzteren nur in gewissem Maße schwächen. Auch kann die Wirkung des Spannungsrelais auf die beiden Magnetkerne A₁ und A₂ darin bestehen, däß durch die Berührung der Kontakte c und C₁ bzw. c und C₂ ein Teil der Wicklungen W₁ bzw. V₁ kurzgeschlossen wird. Bei dieser Anordnung kommen die Wicklungen W₂ und V₂ in Fortfall.

In Anbetracht dessen, daß sich die Kontakte C₁ und C₂ nur mit einem ganz geringen Hub bewegen, wird man zwecks Vermeidung starker Funkenbildung an diesen das Kurzschließen des Nebenschlußwiderstandes nicht unmittelbar durch die Kontakte C₁ und C₂, sondern durch ein Kontaktpaar, das von einem zwischengeschalteten Relais bewegt wird, besorgen lassen. ^:

Die Spannungsregelung des Generators kann ■ auch in der Weise erfolgen, daß der Regler nicht auf die Erregermaschine selbst, sondern in der oben beschriebenen Weise auf eine Zusatzmaschine der Erregermaschine einwirkt.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Einrichtung zum selbsttätigen Regeln der Spannung von Generatoren zur Erzeugung beliebiger Stromart, bei der das periodische, durch zwei schwingende Kontakte erfolgende Kurzschließen eines aμf die Erregung einwirkenden Widerstandes und somit die Konstanthaltung der Netzspannung in der Zentrale oder an einem von der Zen-

   trale entfernten Orte unter dem Einfluß eines von der zu regelnden Spannung bzw. einer ihr gleichwertigen, von anderen elektrischen Größen des Generators herrührenden, resultierenden magnetomotorischen Kraft beeinflußten Relais bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Kurzschließen des Widerstandes durch zwei nur unter dem Einfluß des Stromes bzw. der Spannung der Erregermaschine der Generatoren stehende Kontakte erfolgt, die der phasenverschobenen Wirkung der sie beeinflussenden Kräfte zufolge Schwingungen ausführen und von dem durch die Spannung bzw. andere elektrische Größen der Generatoren beeinflußten Relais nicht unmittelbar mechanisch beeinflußt werden.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, bei der die Zunge des als Kontaktinstrument ausgebildeten, von der Spannung bzw. anderen elektrischen Größen der Generatoren beeinflußten Relais zwischen festen Anstoßkontakten spielt, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweiligen Berührung eines der beiden Anstoßkontakte (C₁ bzw. C₂) durch den Kontakt (C) der Relaiszunge zufolge elektromagnetisch auf die schwingenden Kontakte (Ji₁ bzw. Ji₂) derart eingewirkt wird, daß die Einschaltdauer des Erregerwiderstandes verkürzt bzw. verlängert wird.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.