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Anordnung zur Phasenkompensation in Speisepunkten von Wechselstromnetzen
mit Hilfe einer an die Wechselstromleitung angeschlossenen Induktionsmaschine mit
Kondensatoren im Sekundärkreis Es ist bekannt (s. z. B. J o n e s »Power Factor
Correction<#, Journal of the American Institute of Electrical Engineers, jUli
1920, S. 654), zur Phasenkompensation ül Speisepunkten einen Transformator
zu verwenden, dessen Sekundärkreis durch statische Kondensatoren kapazitiv belastet
ist. Diese Anordnung hat gegenüber dem direkten Anschluß der Kondensatorbatterie
an das Net z den Vorteil, daß man, unabhängig von der Netzspannung wird,
d. h. die an den Kondensatorbelegen liegende Sekundärspannung beliebig wählen
kann. Sie hat aber noch den Nachteil, daß die voreilende Blindleistung im allgemeinen
unveränderlich ist und nur mit Hilfe besonderer, betriebstechnisch unbequemerMaßnahmen
zur sekundären Spannungsänderung, wie z. B. durch Abschaltspulen im Transformator,
der nacheilenden Blindleistung der zu kompensierenden, jeweils in Betrieb stehenden
Maschinengruppen angepaßt werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird eine besondere Form des gewöhnlichen Transformators,
nämlich eine Induktionsmaschine mit Kondensatoren im Sekundärkreis, für die Zwecke
der regelbaren Phasenkompensation dadurch brauchbar gemacht, daß durch Schlupfänderung
des Sekundärkreises relativ zu dem umlaufenden Erregerfeld gleichzeitig mit der
Spannung an den Kondensatoren auch der kapazitive Blindwiderstand kontinuierlich
geändert wird. Zu diesem Zweck wird der Läufer der Induktionsmaschine von einem
Motor angetrieben, dessen Drehzahl und Drehrichtung veränderlich sind. Die für diesen
Antriebsmotor aufzu-,vendende Energie ist außerordentlich gering, da die Induktionsmaschine
infolge der rein kapazitiven Belastung des Sekundärkreises leerläuft und demgemäß
nur ein Teil ihrer Verluste mechanisch zu decken ist.
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Die Verhältnisse, welche auf diesem Wege geschaffen werden, sind ähnlich
wie bei der Verwendung eines gewöhnlichen Drehtransformators mit daran angesälossenen
statischen Kondensatoren. Gegenüber einem solchen Drehtransformator hat aber der
Ge enstand #g der Erfindung den Vorteil, daß der mit beliebiger Drehzahl rechts
oder links laufende, d. h. im Sinne des Drehfeldes oder entgegengesetzt angetriebene
Induktionsmotor nicht nur als Spannungswandler wie der Drehtransformator, sondern
gleichzeitig auch als Frequenzwandler wirkt. Da nun der vom Kondensator aufgenommene
Blindstrom außer der aufgedrückten Wechselspannung auch der Frequenz proportional
ist und beide Werte gleichsinnig von der Drehzahl beeinflußt werden, so ist der
vom Kondensator aufgenommene voreilende Blindstrom eine quadratische Funktion der
Drehzahl und deshalb in sehr weiten Grenzen stetig veränderlich. Aus der Tatsache,
daß der Kondensatorstrom außer von der Spannung noch von der Frequenz abhängig ist,
ergibt sich gegenüber der Verwendung eines ruhenden Drehtransformators noch der
weitere Vorteil, daß zur Erzielung gleich hoher Kondensatorströme- eine geringere
Spannung
verwendet werden kann bei gleicher Größe der Kapazität oder bei gleicher Spannungshöhe
die Kapazität kleiner bemessen werden kann. Die Anordnung hat außerdem den Vorteil,
daß der mit dem Primärkreis transformatorisch gekuppelte Sekundärkreis für die an
seinen Klernmen liegende Kondensatorbatterie als Schutzimpedanz für Einschaltstromstöße
und Oberwellen und beim Abschalten vom Netz als Entladewiderstand wirkt.
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Eine Ausführungsform der Schaltung gemäß der Erfindung ist in Abb.
i dargestellt. Mit i ist ein Drehstromnetz bezeichnet, an das über die Schleifringe--
der in Stern geschaltete Läufer3 der Induktionsmaschine angeschlossen ist. Die Läuferwelle
ist gekuppelt mit einem hinsichtlich der Drehzahl und Drehrichtung stetig regelbaren
Motor4. 5ist der Sekundärkreis im Ständer des Induktionsmotors, der durch die Kondensatoren6
belastet ist.
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Die Ableitung der allgemeinen Theorie der Induktionsmaschine als Spannungs-
und Frequenzwandler mit sekundärer Kapazitanz geschieht unter der hier stets zulässigen
Vernachlässigung sämtlicher Wirkströme am einfachsten an Hand des Strombildes (Abb.
2), und zwar, wie praktische Messungen zeigen, zugleich mit genügender Genauigkeit.
Bezeichnet E die primäre Phasenspannung, JO den primären Phasenstrom bei
synchronem Leerlauf, J,. den Primär- und J2 den Sekundärstrom für einen beliebigen
Betriebszustand, x, den kapazitiven Blindwiderstand der Kondensatorbatterie bei
Netzfrequenz und endlich n die jeweilige Drehzahl des Sekundärteiles der
Indüktionsmaschine gegen den Primärteil, wobei n positiv zu rechnen ist, wenn diese
Drehung im Sinne des Drehfeldes, dagegen negativ, wenn sie entgegengesetzt erfolgt,
so ist unter der vereinfachenden Voraussetzung gleicher Phasen- und Windungszahlen
im Ständer und Läufer nach dem Strombild: J, = JO - J..
Ferner
ist
gesetzt ist. Hieraus ergibt sich
in welchem Ausdruck s - E die Spannung an C
der Kondensatorbatterie
und x, ihr kapazitiver Blindwiderstand beim Schlupf s bedeutet. JI. ist der Blindstrom,
'den die Anlage aufnimmt. Er wird negativ, d.h. voreilend, sobald
wird. Multipliziert man den Ausdruck fürJI. noch mit der PhasenspannungE, so erhält
man die Blindleistung einer Phase
als einfache quadratische Funktion des Schlupfess, deren Koeffizienten selbst wieder
in einfachster Weise nur von den drei GrößenE, JO und x, abhängen. Diese Formel
ist an folgendem Beispiel experimentell nachgeprüft worden.
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Es wurde benutzt ein vierpoliger 15-PS-Drehstrommotor als Zwischentransformator.
Die primäre Phasenspannung betrug 225 Volt. Der primäre Leerlaufstrom
je Phase betrug 4,7Amp. Die Kapazität je Phase betrug i2,6Mikrofarad.
Die Primarwicklung war in Dreieck geschaltet. Die Netzfrequenz betrug 5o Per./Sek.
Die synchrone Drehzahl betri#g i5oo Umdrehungen, je Minute.
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Die Prüfung wurde vorgenommen bei zwei verschieden eingestellten Werten
des kapazitiven Widerstandes. Diese wurden dadurch hergestellt, daß die Sekundärwicklung
einmal in Dreieck und das zweitemal in Stern geschaltet wurde. Die Ergebnisse zeigt
Abb. 3. Die ausgezogenen Kurven sind nach der Formel für die Blindleistung
errechnet. Die durcli Kreuze angegebenen Punkte sind Meßwerte. Die Kurvea gilt für
die Dreieckschaltung der Sekundärwicklung mit einem kapazitiven Ohmwiderstand von
122 Ohm, reduziert auf den Primärkreis. Die Kurveb gilt für Sternschaltung der Sekundärwicklung
mit einer reduzierten Kapazitanz von 40,70hm. Aufgetragen sind als Ordinaten nach
oben die von dem Motor abgegebene nacheilende Blindleistung und nach unten die von
dem Motor abgegebene voreilende Blindleistung. Als Abszisse ist aufgetragen die
Drehzahl des Sekundärteiles der Maschine gegen den Primärteil und zwar nach links
bei Drehung im Sinne des Drehfeldes und nach rechts bei Drehung im entgegengesetzten
Sinne.
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Die Abb.3 zeigt deutlich die gute übereinstimmung zwischen Theorie
und Versuch. Aus der Formel geht schließlich noch. hervor, daß die Anlage, wenn
nötig, auch eine nacheilende Blindleistung aufnehmen kann, welche der Größe des
als Transformator verwendeten Motors entspricht, eine Eigenschaft, die
C
der statische Kondensator im Gegensatz zum dynamischen
(untererregte Synchronmaschinen) nicht besitzt.
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Bei der Verwendung einer Induktionsmaschine gemäß der Erfindung zur
Phasenkompensation ist es vorteilhaft, den zum Antrieb der Induktionsmaschine dienenden
Motor gleichzeitig zur Förderung der Kühl-
mittel für die Induktionsmaschine
und die Kondensatoren zu verwenden. Dadurch wird erstens einmal eine besondere Antriebsmaschine
erspart und zweitens verhütet, daß die Kühlmittelförderung infolge irgendeines Betriebsunfalles
einmal ausbleibt, denn solange der Antriebsmotor für die Induktionsmaschine noch
läuft, solange also die Anlage in Betrieb ist, solange wird auch das Kühlmittel
gefördert.
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Besonders vorteilhaft zum Antrieb der Induktionsmaschine gemäß der
Erfindung ist ein ein- oder mehrphasiger Kollektormotor. Die Drehzahl eines solchen
Kollektormotors kann bekanntlich durch Bürstenverschiebung in hinreichend weit-en
Grenzen verändert werden. Man ist dabei also in der Lage, mit Hilfe dieses einfachen
Mittels jede gewünschte Schlupfänderung einzustellen. Vielfach wird auch das Bedürfnis
auftreten, die Anlage ohne dauernde Kontrolle in Betrieb halten zu können. Das läßt
sich leicht und sicher dadurch erreichen, daß die Bürstenverschiebung des Kollektormotors
durch einen selbsttätigen, z. B. elektro-hydraulischen Schnellregler betätigt wird,
der von einem den cos ef des Speisepunktes messenden Instrument gesteuert wird.