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StromdrehfeIdscheider Es ist bekannt, daß sich ein unsymmetrisches
Mehrphasensystem in zwei gegenläufige symmetrische Systeme gleicher Phasenzahl zerlegen
läßt. Die bekannten Kunstschaltungen für die Auflösung in zwei gegenläufige Systeme,
im folgenden kurz Drehfeldscheider genannt, bestehen aus einer Widerstands- undDrosselspulenkombination,
welche, wenn es sich um einen Drehfeldscheider für reine Drehstromsysteme ohne überlagerte
Einphasenkomponente handelt, von zwei, sonst von drei Strömen oder Spannungen des
Drehstromnetzes gespeist werden müssen. Nachteilig ist in vielen Fällen, daß bei
den bekannten Schaltungen die Wandler, über welche dem Leitungsnetz die erforderlichen
Ströme oder Spannungen entnommen werden, durch den Drehfeldscheider in bestimmter
Weise galvanisch gekuppelt werden, so daß es nicht möglich ist, mit den gleichen
Wandlern noch beliebige andere normale Stromwandlerschaltungen, wie z. B. Dreieckschaltung,
vorzunehmen.
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Erfindungsgemäß werden die Phasenbeziehungen der Kunstschaltung so
gewählt, daß der Anschluß der zur Speisung dienenden -Wandler an betriebsmäßig normale
Stromwandlerschaltungen (Stern- oder Dreieckschaltung) ohne Verwendung von besonderen
Isolierwandlern ermöglicht wird. Zur Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung.
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In Abb. r ist ein Drehstromnetz mit den Phasenleitern T, S, R dargestellt.
Die Ströme der Phasenleiter -T und R erregen je einen Stromwandler. Die zur Zerlegung
des unsymmetrischen Drehstromsystems dienende Widerstandskombination enthält die
Impedanzen Z1 und Z2 und ferner die Impedanz Z eines in die Schaltung eingebauten
Relais oder Anzeigegerätes. Die Impedanz Z1 ist als Ohmscher Widerstand dargestellt,
die Impedanz Z2 besitzt eine Induktivität und einen Ohmschen Widerstand. Die Induktivität
ist gebildet durch eine Drosselspule mit einer zweiten Wicklung. Die beiden Stromwandler
sind nicht galvanisch miteinander verbunden. Für den Fall, daß Z1, wie gezeichnet,
ein Ohmscher Widerstand ist, wird die Anordnung so getroffen, daß die Drosselspule,
welche einen Zwischentransformator bildet, einen Strom aufnimmt, welcher seiner
Erregerspannung um 6o° nacheilt. Diese Phasenverschiebung kann nötigenfalls durch
einen zweckmäßigerweise einstellbaren Ohmschen Widerstand auf der Primär- oder der
Sekundärseite der Drosselspule erreicht werden. Die erforderliche Phasenverschiebung
der Ströme in den Impedanzen Z1 und Z2 kann z. B. auch durch Zuschalten einer Drosselspule
bei
der Impedanz Z, erzielt werden. Der Grenzwert des bei der Impedanz Z, einzustellenden
Phasenwinkels beträgt also 30°, wenn Z2 verlustlos ist, d. h. eine Phasenverschiebung
von genau 9o° besitzt.
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Die beschriebene Schaltung bringt den anfangs erwähnten Vorteil, daß
die an die Drehstromleitung angeschlossenen Wandler nicht galvanisch verkettet zu
sein brauchen. Unter Einhaltung bestimmter Größenverhältnisse der Impedanzen Z1
und Z2 läßt sich außerdem eine Entlastung der Wandler erreichen, indem nämlich gemäß
der Erfindung bei der in Abb. a dargestellten Schaltung die Anordnung weiterhin
derart getroffen wird, daß an Stelle der Impedanz Z, ein Ohmscher Widerstand von
der Größe
und ein m_ öglichst verlustarmer Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis z
: i gewählt wird. Dadurch erreicht man, daß der Wandler des Phasenleiters R bei
vollkommener Symmetrie des Netzes gänzlich unbelastet- ist. Die Belastung in der
Phase T wird deshalb nicht größer als die Belastung jedes Wandlers bei der Schaltung
nach der Abb. i, wenn dort beide Stromwandler gleich belastet sind. Die gesamte
Wandlerleistung sinkt also auf die Hälfte herab. Zur Kompensation der unvermeidlichen
Verlustwinkel kann erfindungsgemäß eine geringe Abweichung von dem genannten Übersetzungsverhältnis
angewendet werden. Um eine streuungsfreie Kupplung der beiden Wicklungen des Drosseltransformators
zu erzielen, eignet sich folgende Anordnung: Die Drosselspule erhält einen dreischenkligen
Eisenkern. Auf den beiden Außenschenkeln sitzen bifilar gewickelte Spulen, die derart
geschaltet sind, daß die eine Hälfte der einen Spule mit der einen Hälfte der anderen
Spule in Reihe geschaltet ist und daß die zweiten Hälften dieser beiden Spulen einander
parallel geschaltet sind. Es verhält sich dadurch die Spannung an der Reihenschaltung
zu derjenigen an der Parallelschaltung wie z: i. Infolge der bifilaren Wicklung
ist die Streuung praktisch auf Null herabgedrückt.
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In dem Relais oder Anzeigegerät mit dem inneren Widerstand Z fließt
bei den Schaltungen gemäß den Abb. i und a ein Strom, dessen Größe bei vollkommener
Symmetrie der Ströme des Netzes gleich Null ist und bei unsymmetrischer Netzbelastung
der Größe des. gegenläufigen Stromsystems proportional ist. Man kann dieselben Schaltungen
auch zur Messung des rechtsläufigen Systems, d. h. zur Überwachung der symmetrischen
Netzbelastung, verwenden. Zu dem Zweck wird bei sonst unveränderter Schaltung eine
acyclische Vertauschung der Wandler vorgenommen, beispielsweise der eine Stromwandler
statt an die Phase T an die Phase S angeschlossen. In diesem Falle ist gegenüber
der früheren Anordnung die Belastung des Wandlers in der Phase S die gleiche geblieben
wie bisher an der Phase T, während der Wandler in der Phase R durch ein Viertel
der entsprechenden Scheinleistung belastet ist.
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Die Schaltung hat neben den bereits erwähnten Vorteilen, daß die galvanische
Wandlerverkettung vermieden und die Wandlerbelastung verkleinert wird, auch' den
weiteren Vorteil, daß die Abgleichung der Ströme in der Widerstandskombination durch
Veränderung nur einer einzigen Veränderlichen, z. B. des Widerstandes R, durchgeführt
werden kann, da bei der Drosselspule ohne Schwierigkeit eine Phasenverschiebung
von go° zwischen Strom und Spannung zu erreichen ist. Die Drosselspule kann zu dem
Zweck beispielsweise einen Eisenkern mit großem Luftspalt erhalten.
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Die bei einer Schaltung gemäß Abb. 2 erzielte Leistungsersparnis kommt
nur einem der beiden Wandler zugute, so daß die beiden Wandler infolgedessen nicht
mehr gleichmäßig belastet sind. In manchen Anwendungsfällen ist eine etwas höhere
Gesamtbelastung der Wandler nicht störend, sofern die Wandler nur gleichmäßig -belastet
sind und gleichzeitig eine Lastersparnis des einzelnen Wandlers gegenüber dem einfachsten
Drehfeldscheider (Abb. i) erzielt wird.
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Dies ist erfindungsgemäß bei einer in Abb.3 wiedergegebenen Schaltung
erreicht. In jedem der drei Phasenleiter T, S und R liegt ein Stromwandler. Die
Impedanz Z, besteht aus einem Ohmschen Widerstand R, die Impedanz Z2 besteht aus
einer Induktivität X. Diese Induktivität ist eine Drosselspule mit drei galvanisch
nicht untereinander verbundenen Wicklungen. Die eine Wicklung wird gespeist vom
Strom im Leiter T, die zweite Wicklung vom Strom im Leiter S, die dritte Wicklung
ist an den Stromwandler der Phase R angeschlossen und wird von dem von den beiden
erstgenannten Erregerwicklungen aufgebrachten Feld induziert. Es ist zweckmäßig,
die drei, Wicklungen der Drosselspulen gleichzumachen. Damit die beiden Erregerwicklungen
gegenüber der dritten Wicklung gleiche Streuung aufweisen, werden sie zweckmäßig
untereinander bifilar aufgewickelt. Damit die Schaltung als Drehfeldscheider wirkt;
müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: -, i. R -f- j X # (@7 - @!?) = o z. R-X#j/3
ist dabei eine Abkürzung für
Bei dieser Bemessung ergibt sich, daß alle Wandler gleich stark
belastet werden, und zwar ist die Belastung jedes Wandlers halb so groß wie die
Belastung des Wandlers T in Abb. 2. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die
Übersetzungsverhältnisse zwischen den drei Wicklungen der Drosselspule im Verhältnis
i : i : i stehen. Man kann auch andere Übersetzungsverhältnisse je nach der gewünschten
Lastverteilung auf die verschiedenen Wandler anwenden. Andererseits ist auch galvanische
Verkettung der drei Wandler zulässig. Beispielsweise kann die Drosselspule ein Spartransformator
sein. Man spart in diesem Falle die den Wandlern zur Last fallenden Verluste der
Primärwicklungen; zur Abstimmung braucht man aber kleine Zusatzwiderstände bzw.
Zusatzwindungen innerhalb der Schaltung des Drehfeldscheiders.
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Die in den Abb. i, 2 und 3 .behandelten Schaltungen für Stromdrehfeldscheider
sind nur Beispiele zur Erläuterung der Erfindung. Eine andere, an sich bekannte
Schaltungsweise besteht darin, daß ein Viereck gebildet wird, welches in einem Ast
einen Ohmschen, im gegenüberliegenden Ast. einen teils Ohmschen,- teils induktiven
Widerstand besitzt und bei dem in einer oder beiden Verbindungsleitungen zwischen
dem Ohmschen Ast und dem induktiven Ast ein Relais öder ein Anzeigeinstrument liegt.
Ein derartig bekannter Stromdrehfeldscheider ist in Abb. 4. dargestellt.
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Bei diesem läßt sich die galvanische Verkettung der Wandler nur durch
Verwendung eines.Zwischenwandlers vermeiden. Bei der bisher bekanntgewordenen Schaltung
wird aber die Wandlerbelastung groß, weil der Phasenwinkel zwischen den Teilströmen,
in welche die an den Eckpunkten der Brücke zugeführten Ströme zerlegt werden, einen
Winkel von 6o° einschließen müssen, wozu nur Ohmsche und induktive Widerstände vorgesehen
sind. Erfindungsgemäß ist zwecks Ersparnis an Leistung bei der Anordnung nach Abb.
5 außer den Impedanzen Z zweier Relais oder Anzeigeinstrumente nur, noch eine Impedanz
Z1 vorgesehen, welche kapazitiv sein muß, wenn die Impedanzen Z der Relais induktiv
sind, so daß der Phasenwinkel zwischen Z und Z1 i2o° beträgt. Dies bringt weiterhin
noch den Vorteil, daß man die beiden Stromwandler erden kann, was für manche Meßzwecke
wichtig ist. Der an Stelle des Ohmschen Widerstandes Z1 einzuführende kapazitive
Widerstand muß dabei seinem Betrage nach gleich Z sein.
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Die sich daraus ergebende Schaltung ist in Abb. 5 dargestellt. Abb.
6 zeigt die gegenseitige Phasenlage der drei Impedanzen Z, Z1 und Z -f- Z, Da bei
Strommeßeinrichtungen Kapazitäten mit ausreichenden Größen schwierig zu beschaffen
sind oder sehr groß werden, empfiehlt sich die Einschaltung eines Zwischenwandlers
mit hohem Übersetzungsverhältnis und der Anschluß des Kondensators an die Oberspannungsseite
dieses Zwischenwandlers. Ein solcher Zwischentransformator, namentlich wenn er einstellbaren
Luftspalt besitzt, ermöglicht auch eine einfache Einstellung des Scheinwiderstandes
auf den gewünschten Wert. In Abb.5 ist der nicht näher bezeichnete Kondensator bereits
an einen Zwischenwandler angeschlossen.
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Ein besonderer Vorteil der Anordnung gemäß Abb.5 liegt darin, daß
die Wandlerbelastung außerordentlich gering ist, ferner ist die Schaltung der Wandlerkreise
derart, daß der Stromdrehfeldscheider ohne Schwierigkeit auch bei Sternschaltung
der Stromwandler verwendbar ist, welche z. B. für die Erdschlußüberwachung ohnedies
erforderlich ist-Die Scheinwiderstände der beiden Meßinstruinente, von denen das
eine den rechtsläufigen, das andere den gegenläufigen Strom erfaßt, sind bei der
Schaltung gemäß Abb. 5 einander gleich. Da von diesen beiden Strömen aber im allgemeinen
der gegenläufige Strom sehr klein und der Strom des rechtsläufigen Systems sehr
groß ist, ist es unter Umständen vorteilhafter, auf die Messung des einen der beiden
Ströme, beispielsweise den des rechtsläufigen Systems, zu verzichten. Man kann dann,
wie Abb. 7 zeigt, an Stelle des einen Meßgerätes eine Ersatzimpedanz Z2 geeigneter
Größe einschalten. Der Phasenwinkel der Impedanz Z2 kann dabei an sich einen zwischen
30° und cgo° liegenden beliebigen Wert haben. Er wird mit Rücksicht auf die nicht
vollständig zu vermeidenden Verluste im Kondensatorzweig möglichst groß gewählt,
weil dann die Einstellung weniger Schwierigkeiten bereitet. Für die Verwendbarkeit
der Anordnung als Stromdrehfeldscheider spielt die Impedanz des Meßinstrumentes
keine Rolle. Die Abstimmung der Widerstandskombination wird dadurch erleichtert.
Auch bei der Schaltung gemäß Abb. 7 kann, wenn es erwünscht ist, die galvanische
Kopplung der beiden Wandler durch Verwendung von Zwischenwandlern aufgehoben werden.
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Bei den bisher beschriebenen Schaltungen ist vorausgesetzt, daß man
es stets mit einem Dreileiterdrehstromsystem zu tun hat, daß also die Summe der
drei Ströme in den Leitungen T, S und R gleich Null ist. Die Erfindung läßt sich
aber auch bei solchen Schaltungen anwenden, bei denen ein vierter Stromweg vorausgesetzt
ist, beispielsweise
wenn statt der Leiterströme die Differenzen
der Ströme von je zwei Leitern in eine der bisher beschriebenen Schaltungen eingeführt
werden.
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In Abb. 8 ist z. B. eine bekannte Schaltung dargestellt, welche sich
an Abb. i anlehnt, jedoch nicht unter Verwendung eines Zwischenwandlers, sondern
unter galvanischer Kopplung der beiden Stromwandlerkreise. Die Anordnung besitzt
vier Stromwandler, von denen jeder mit dem
-fachen Betrag der für eine Schaltung gemäß Abb. i ermittelten Werte belastet ist.
Der in den Relais wirksame Strom beträgt das Dreifache, die Impedanzen der Schaltung
ein Drittel des für die obige Anordnung notwendigen Betrages. Vier Wandler braucht
man jedoch nur dann, wenn eine galvanische Verkettung zweier Stromwandler notwendig
ist. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen neuen Schaltung für ein Vierleitersystem,
dessen vierter Leiter jedoch nicht gezeichnet ist, zeigt Abb.9, welche der Abb.2
für Dreileitersysteme entspricht. Auch bei der Schaltung gemäß Abb. 9 ist wiederum
ein Wandler bei symmetrischer Netzbelastung gänzlich unbelastet, während die beiden
anderen je
desjenigen Betrages aufzubringen haben, der gemäß Abb.2 von dem einzig belasteten
Wandler geliefert werden muß.