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Anordnung zum Ausgleichen der Spannungsschwankungen von Wechselstromnetzen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausgleichen der Spannungsschwankungen
von Wechselstromnetzen mittels einer zwischen das Netz und den Verbraucher geschalteten
gleichstromvormagnetisierten Drossel mit zwei in entgegengesetztem Sinne wirkenden
Steuerwicklungen, von denen die eine mit einem konstanten Strom und die andere mit
einem einer veränderlichen Spannung proportionalen Strom gespeist wird. Die Erfindung
bezweckt, auch bei sehr großen Schwankungen der Netzspannung beispielsweise um ±
5o1/9 zu gewährleisten, daß die Spannung am Verbraucher konstant bleibt, was z.
B. für Beleuchtungsanlagen, die eine Fläche mit konstanter Lichtstärke anleuchten
sollen, von Bedeutung ist. Dies wird erreicht durch die Verwendung einer in an sich
bekannter Weise in zwei parallel geschaltete, auf getrennten Kernen angeordnete
Teildrosselspulen aufgeteilten Drossel und durch eine solche Anordnung und Dimensionierung
der beiden Steuerwicklungen auf jedem Kern, daß ihre Wirlcungsrichtungen in der
einen Teildrosselspule entgegengesetzt denjenigen in der anderen Teildrosselspule
sind und die Spannung der beiden Teildrosselspulen jeweils bestimmt ist durch die
Summe der Amperewindungen der konstant erregten Steuerwicklung und der von konstantem
Strom :durchflossenen Wechselstromwicklung, vermindert um die sich proportinal mit
der Netzspannung ändernden Amperewindungen.
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Bei einer bekannten Schaltung ist zu dem Zweck, die Spannung an einem
Gleichrichter möglichst
konstant zu halten, zwischen das Wechselstromnetz
und einen .dem Gleichrichter vorgeschalteten Transformator eine differentialvormagnetisierte
Drosselspule geschaltet. Eine Steuerwicklung der Drosselspule wird aus dem Wechselstromnetz
über einen Hilfsgleichrichter mit konstantem Strom gespeist. Im gleichen Sinne wie
diese Steuerwicklung wirkt eine zweite Steuerwicklung, die von dem gleichgerichteten
Verbraucherstrom durchflossen wird. Im entgegengesetzten Sinne wirkt eine dritte
Steuerwicklung, die von einem Gleichstrom durchflossen wird, welcher der Spannung
auf der Gleichstromseite des Hauptgleichrichters proportional ist. Hierbei wird
also zur Regelung der Spannung am Hauptgleichrichter und damit der Verbraucherspannung
diese Spannung selbst herangezogen, indem die Differenz zwischen einer konstanten
Vergleichspannung und der zu regelnden Spannung für die Vormagnetisierung der Drossel
ausgenutzt wird. Diese Abhängigkeit der Spannungsregelung von der zu regelnden Spannung
bedingt, daß diese Spannung nicht vollkommen konstant gehalten werden kann, weil
j a sonst kein Regelimpuls vorhanden wäre. Man ist daher genötigt, die unvermeidliche
Differenz zwischen der Vergleichsspannung und der zu regelnden Spannung möglichst
klein zu 'halten, indem als Verstärker die im vorstehenden an zweiter Stelle genannte,
vom Verbraucherstrom durchflossene Steuerwicklung vorgehen wird. Ein solcher, die
Anlage verteuernder Verstärker wird hingegen bei der Anordnung nach der Erfindung
nicht benötigt. Nach der Erfindung soll auch im Gegensatz zu der bekannten Schaltung
die den Regelimpuls bildende Differenz von Amperewindungen nicht möglichst klein
gehalten werden. Es wird als Regelimpuls bewußt eine sich in weiten Grenzen ändernde
Differenz von Amperewindungen benutzt entsprechend den großen vorkommenden Schwankungen
der Netzspannung. Während ferner bei der bekannten Anordnung trotz der Anwendung
des Verstärkers die Spannung am Verbraucher nicht vollkommen konstant gehalten werden
kann, weil eine gewisse Änderung der Spannung als Regelimpuls benötigt wird, gewährleistet
die Schaltung nach der Erfindung die Einhaltung einer vollkommen konstanten Spannung
am Verbraucher auch bei sehr großen Schwänkungen der Netzspannung.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise erläutert, und zwar
zeigt Fig. i ein Schaltbild Fig. z ein Vektordiagramm Fig. 3 ein Schaubild und Fig.4
ein Schaltbild einer abgewandelten Anordnung.
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An das Wechselstromnetz i (Fig. i) ist ein Stromverbraucher 2, z.
B. eine Beleuchtungsanlage, über die Leitungen 3 angeschlossen. Die Leitung 3 teilt
sich im Punkt 4 in zwei Zweige, die zwei Drosselspulen 5 enthalten und sich im Punkt
6 wieder vereinigen. Die beiden parallel zueinander geschalteten Drosselspulen 5
sitzen auf voneinander getrennten Magnetkernen 7 und bilden mit diesen zusammen
die Drossel. Auf den Magnetkernen 7 sitzen, außerdem je zwei die Gleichstromvormagnetis,ierung
bildende Spulen 8 und, g. Diese werden von einem Gleichrichter io gespeist, der
an das Wechselstromnetz i angeschlossen ist. Die von dem Pluspol des Gleichrichters
io ausgehende Leitung teilt sich in zwei Zweige i i und 1a. Die Leitung i i enthält
die beiden in Reihe geschalteten Spulen 8 sowie einen an sich bekannten Eisenwasserstoffwiderstand
13, der die Eigenschaft besitzt, daß er die Stromstärke in der Leitung i i und in
den Spulen 8 unabhängig von der Gleichrichterspannung innerhalb gewisser Spannungsgrenzen
konstant hält. Die Leitung 1a enthält die in Reihe geschalteten Spulen g. Die Leitungen
i i und 1a vereinigen sich wieder und sind an den Minuspol des Gleichrichters io
angeschlossen. Die Anordnung ist-dabei so getroffen, daß einerseits durch je zwei
benachbarte Spulen 8 und g der Gleichstrom in entgegengesetzten Richtungen fließt
und daß andererseits die beiden Spulen 8 so vorn Strom durchflossen werden, daß
die Wirkungen dieser beiden Teildrosseln entgegengesetzt gerichtet sind. Die Wirkungsrichtungen
der beiden Spulen g sind ebenfalls einander entgegengesetzt.
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In dem Vektordiagramm nach Fig. a bedeutet UI, die Spannung am Stromverbraucher
z, die konstant gehalten werden soll, UN die Netzspannung und L'D den Spannungsabfall,
der durch den induktiven Widerstand der Drosselspulen 5 hervorgerufen wird und gegenüber
UV eine Phasenverschiebung von go° aufweist. Die Vektoren der Spannungen schließen
sieh zu einem rechtwinkligen Dreieck zusammen. Wenn die Netzspannung um den Betrag
A UN schwankt, muß, wie aus dem Diagramm ersidhtli,ch ist, der Spannungsabfall
an. den. Drosselspulen sich um den Betrag A UD ändern, damit UT, konstant
bleibt. Wenn UN und UD im Verhältnis zu UV groß sind, wird praktisch,' UD
gleich A UN. Es muß also, damit die Spannung UV am Verbraucher immer gleich
bleibt, dafür gesorgt werden, daß selbsttätig A UD praktisch gleich
A UN wird. Dies wird erfindungsgemäß mittels der die Gleichstromvormagnetisierung
bildenden Spulen 8, g erreicht, die bewirken, daß sich die Permeabilität ,u der
Magnetkerne 7 wenigstens annähernd proportional mit der Netzspannung UN ändert.
Dies sei an Hand des Schaubildes von Fig. 3 erläutert.
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In diesem Schaubild ist die Permeabilität 7c eines Magnetkernes 7
über den Amperewindungen AW aufgetragen, d. h. über dem Produkt aus Stromstärke
und Windungszahl der zu diesem Magnetkern gehörenden Spulen. Hierbei ist berücksichtigt,
daß der Wechselstrom vom Punkt 4 nach dem Punkt 6 praktisch nur durch die linke
Drosselspule 5 fließt, weil in diesem Fall die rechte Spule 5 einen zu hohen induktiven
Widerstand bietet, während er vom Punkt 6 nach dem Punkt 4 praktisch nur durch die
rechte Drosselspule 5 fließt, weil dann die linke Spule 5 einen zu hohen Widerstand
hat. Der jeweils nur durch eine der beiden Spulen 5 fließende Strom hat dabei immer
die gleiche Richtung wie der Gleichstrom, der durch die zu der betreffenden
Spule
5 gehörende Wicklung 8 fließt (vgl. die in Fig. i eingezeichneten Pfeile).
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Die Spule 8 hat unveränderliche Amperewindungen, die in dem Schaubild
von Fig. 3 als AWs auf der Abszissenachse abgetragen sind. Daran anschließend sind
die Amperewindungen AW5 der Drosselspule 5 abgetragen, welche die gleiche Richtung
haben wie die Amperewindungen AWa. Da vorausgesetzt wird, daß der durch den Verbraucher
2 fließende effektive Strom konstant ist, sind auch die Amperewindungen AW5 konstant.
Der Endpunkt der auf der Abszissenachse abgetragenen Summe AW$+AW5 ist mit P bezeichnet.
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Die AmperewindungenAWq der Spule 9 sind den AmperewindungenA Wund
AWS entgegengerichtet, weil die Spule 9 im entgegengesetzten Sinne von Strom durchflossen
wird wie die Spulen 8 und 5. Man erhält daher die resultierenden Amperewindungen,
indem man AW9 vom Punkt P aus nach links abträgt (vgl. Punkt R in Fig. 3). Die zu
diesem Punkt gehörige Ordinate der eingezeichneten y-Kurve ergibt den entsprechenden
Wert der Permeabilität,u.
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Der durch die Spule 9 fließende Gleichstrom ist wenigstens annähernd
proportional zu der Netzspannung UN. Infolgedessen ergibt sich für den Verlauf
von AW9 in Abhängigkeit von UN in dem Schaubild die Gerade S, wenn man
UN auf einer vom Punkt P aus nach unten gehenden Ordinate abträgt. Schwankt
die Netzspannung UN um die Werte A UN und A UN", so ändern
sich die resultierenden Amperewindungen um AAW9 bzw. AAW9' und die Permeabilität
um A y% bzw. Au". Da die ,cc-Kurve in dem in Betracht kommenden Teil fast
geradlinig verläuft, ergibt sich aus dem Schaubild ohne weiteres, daß das Verhältnis
A y' zu A,ci' praktisch gleich ist dem Verhältnis A UN'
zu
A UN", daß sich also die Permeabilität ,u wenigstens annähernd proportional
mit der Netzspannung UN ändert. Dies bedeutet. daß A Up praktisch
gleich A; UN ist, so daß die Spannung UV am Verbraucher selbsttätig
unabhängig von den Schwankungen der Netzspannung praktisch gleich bleibt.
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Dies wird durch die Anordnung gemäß der Erfindung erreicht, ohne daß
komplizierte Regelglieder mit beweglichen Teilen benötigt werden.
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Soll bei mehreren Verbrauchern 2, die unabhängig voneinander an das
Netz i angeschlossen sind, die Spannung konstant gehalten werden, so können, wie
Fig.4 zeigt, sämtliche den einzelnen Verbrauchern zugeordnete Gleichstromwicklungen
8 für sich und sämtliche Gleichstromwicklungen 9 für sich in Reihe geschaltet werden.
Dabei wird mit allen Wicklungen 8 nur ein einziger Eisenwasserstoffwiderstand 13
in Reihe geschaltet, und es wird auch nur ein einziger Gleichrichter io benötigt.
Hierdurch wird auch der durch die Regelung bedingte Leistungsverbrauch gering gehalten.
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Die Regelung gemäß der Erfindung setzt voraus, daß die Netzspannung
größer ist als die Verbraucherspannung. Wenn dies nicht von vornherein der Fall
ist, kann ein Transformator 14 (Fig. 4) vorgesehen sein, der das erforderliche Spannungsgefälle
zwischen Netz und Verbraucher erzeugt.