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Einrichtung zur Spannungsregelung von Wechselstromkreisen durch Teilaussteuerung
der Spannungshalbwellen Es ist bekannt, die Spannung eines Wechselstromkreises mit
Hilfe von zwei in Gegenschaltung angeordneten gittergesteuerten Entladungsventilen
zu regeln, mit denen aus jeder Halbwelle nur ein Teil ausgesteuert wird. Damit kann
eine praktisch stufenlose Spannungsregelung in Wechsel- und Drehstromkreisen erreicht
werden.
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Nach der Erfindung wird vorgeschlagen, an Stelle von Ventilen eine
mechanische Schalteinrichtung mit periodisch betätigten, synchron gesteuerten Kontakten,
die zur Spannungssenkung jedesmal nur während eines Teiles einer Halbwellendauer
geschlossen sind, und mit einer Einrichtung zur Verstellung der gegenseitigen Lage
des Kontaktschließungs- und des Kontaktöffnungszeitpunktes zu verwenden. Wesentliche
Vorteile einer solchen Regeleinrichtung sind unter anderem kleine Abmessungen, einfacher
Aufbau und bequeme Bedienung der Regelgeräte wie bei den bekannten Einrichtungen
mit Entladungsventilen, außerdem aber geringere Verluste als bei jenen, wo der Spannungsabfall
der Entladungsstrecke den Wirkungsgrad erheblich beeinträchtigen kann.
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Zur Spannungsregelung können ähnliche Kontakteinrichtungen verwendet
werden wie für Kontaktgleichrichter, bei denen die Regelung der Gleichspannung durch
Teilaussteuerung durch Verstellung der Schaltzeitpunkte bekannt ist. Bestehen die
Kontakteinrichtungen aus je zwei ruhenden Kontakten und einer beweglichen Schaltbrücke,
die von einem Synchronmotor durch Exzenter od. dgl. über Stößel entgegen einer Rückstellkraft
abgehoben
wird, so kann die Zeitspanne, in der die Kontakte geöffnet sind, durch Verstellung
der ruhenden Kontakte gegenüber dem Hubbereich des Stößels geregelt werden. Da hierbei
der Einschaltzeitpunkt stets um den gleichen Betrag in entgegengesetztem Sinne verstellt
wird wie der Ausschaltzeitpunkt, so werden vorteilhaft bei Belastung die Schaltzeitpunkte
zusätzlich gemeinsam gegenüber der Phasenlage der Wechselspannung gleichsinnig um
so viel verstellt, daß der Ausschaltzeitpunkt in die Nähe des Stromnullwertes fällt.
Diese zusätzliche Verstellung kann durch Ständerverdrehung des antreibenden Synchronmotors
oder durch einen diesem vorgeschalteten Drehregler beispielsweise zwangläufig durch
ein Getriebe bewirkt werden, sofern die Phasenlage des Stromes gegenüber der Spannung
unveränderlich ist, wie z. B. in reinen Wirkstromkreisen für Heizung und Beleuchtung.
Ändert sich jedoch die Phasenlage des Stromes während des Betriebes, so ist eine
stromabhängige Steuerung der Kontakte angebracht, damit sich die Kontakte bei verschiedenen
Belastungszuständen stets in der Nähe des Stromnullwertes öffnen. Bei Starkstrom
kann zur Erleichterung der Stromunterbrechung mit den Kontakten ein veränderlicher
Widerstand in Reihe geschaltet sein, durch dessen periodische Veränderung in der
Nähe des Stromnullwertes eine stromschwache Pause hervorgerufen wird, z. B. eine
Schaltdrossel mit beim Nennstromwert hochgesättigtem Magnetkern, der sich in der
Nähe des Stromnullwertes entsättigt.
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Während Ventile wegen ihrer Sperrwirkung immer nur paarweise für beide
Stromrichtungen verwendbar sind, genügt dazu eine einzige Kontakteinrichtung, wenn
diese mit der doppelten Wechselspannungsfrequenz arbeitet. Die Verwendung von zwei
oder noch mehr zueinander parallel geschalteten Kontakteinrichtungen, die abwechselnd
nacheinander je eine Stromhalbwelle bzw. bei herabgeregelter Spannung nur einen
Teilausschnitt davon übertragen, kann im Hinblick auf eine Stromentlastung bei hohen
Stromstärken und zur mechanischen Entlastung durch kleinere Betätigungsfrequenz
jeder einzelnen Kontakteinrichtung vorteilhaft sein. Es ist auch möglich, eine Teilaussteuerung
nicht in jeder Halbwelle, sondern nur in jeder zweiten oder dritten Halbwelle usw.
vorzunehmen und in den dazwischenliegenden Halbwellen die Kontakte geschlossen zu
lassen. Ebenso besteht die Möglichkeit, nicht von jeder Halbwelle, sondern nur von
jeder zweiten oder dritten Halbwelle usw. einen Ausschnitt zu übertragen. Mit den
vorgenannten Mitteln kann unter Umständen eine erhöhte Regelgenauigkeit innerhalb
eines begrenzten Regelbereiches erzielt werden. Wenn vermieden werden soll, daß
der geregelte Strom eine Gleichstromkomponente hat, so ist zur Teilaussteuerung
bzw. zur übertragung jede dritte, fünfte oder siebente usw. Halbwelle auszuwählen.
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Eine hohe Anpassungsfähigkeit an wechselnde Belastungszustände wird
durch eine Einrichtung zur elektromagnetischen Betätigung und Steuerung der Kontakte
erreicht. Eine solche Einrichtung mit besonders geringer magnetischer und mechanischer
Trägheit und mit dementsprechend sehr kleinen Eigenzeiten kann z. B. für die Kontaktschließung
und -öffnung mit je einem Haltemagneten mit einer in der Nachbarschaft seines Ankers
angeordneten Auslösewicklung und einem zwischen der magnetischen Spannungsquelle
seines Hauptkraftflusses und der Steuerwicklung vom Magnetkreis des Haltekraftflusses
abgezweigten, einen Luftspalt enthaltenden magnetischen Nebenschluß ausgerüstet
sein. Ein Beispiel dafür zeigt Fig. i der Zeichnung.
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Die Schalteinrichtung i i enthält zwei Ausschaltmagneten 12, die zugleich
ruhende Kontaktstücke darstellen, einen Anker 13, der eine bewegliche Kontaktbrücke
bildet und an gespannten Klaviersaitendrähten 1q. schwingfähig aufgehängt ist, und
einen dreischenkligen Einschaltmagneten 15. Die Hauptkraftflüsse der Magneten können
durch Erregung mit Gleichstrom hervorgerufen werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
rühren sie von Dauermagneten her, deren Pole mit N und S bezeichnet sind. Die Magneten
12 sind seitlich mit Messingplatten abgedeckt, von denen in der Zeichnung die vorderen
weggelassen sind. An den Polschuhen sind silberne Kontaktleisten angelötet. Auch
der Anker 13 ist zur guten Kontaktgabe mit zwei seitlich angelöteten Silberleisten
versehen. Die Schenkel der Magneten 12 enthalten Durchbrechungen, in denen die Ausschaltsteuerwicklung
16 angeordnet ist. Ein Strom in dieser Wicklung wirkt also nicht in Längsrichtung
des Hauptkraftflusses magnetisierend, sondern seine feldschwächende bzw. feldverdrängende
Wirkung beruht ausschließlich auf Quermagnetisierung. Außerdem schützen magnetische
Nebenschlüsse 17 die Dauermagneten vor einer übermäßigen Verringerung des Hauptkraftflusses.
Sie sind nicht gesättigt, damit sie auch den über den Anker 13 verlaufenden Teil
des Hauptkraftflusses bei dessen Verdrängung ohne weiteres aufnehmen. Der Einschaltmagnet
15 hat ebenfalls einen Dauermagneten, dazu eine um den mittleren Schenkel angeordnete
Steuerwicklung 18 und magnetische Nebenschlüsse i9. Die Steuerwicklung 18 wirkt
längsmagnetisierend. Sie kann in feldverstärkendem Sinne erregt werden, so daß der
Anker 13 vom Magneten 15 angezogen wird. Hier wird er dann auch nach dem Verschwinden
der Erregung festgehalten. Damit ist die Schalteinrichtung i i betriebsbereit. Die
Betriebsbereitschaft kann auch durch mechanische Bewegung des Ankers 13 zum Magneten
15 hin herbeigeführt werden. Die Steuerwicklung des Einschaltmagneten kann ebenso
wie diejenige der Ausschaltmagneten so angeordnet sein, daß sie nicht längsmagnetisierend
wirkt.
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In Fig.2 ist eine Regelanordnung mit solchen Kontakteinrichtungen
für eine Drehstromanlage als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Für jede Phase sind zwei Schalteinrichtungen i i vorgesehen, von denen die eine
die positiven und die andere die negativen Halbwellen
führt. In
Reihe damit liegt ein Verbraucher 2o, dessen einzelne Phasen über Schaltdrosseln
21 an ein Drehstromnetz 22 angeschlossen sind. Die Anordnung der Kontakteinrichtungen
am Sternpunkt ist insofern vorteilhaft, als solche Kontakteinrichtungen einseitig
gemeinsames Potential haben. Die Steuereinrichtung ist nur für eine Phase vollständig
gezeichnet. Zur Steuerung der Haltemagneten dienen beispielsweise Sättigungswandler.
Für den Einschaltvorgang ist ein Sättigungswandler 23 für jede Phase vorgesehen.
Er wird von einer Hilfsspannung gleicher Frequenz wie die Hauptwechselspannung und
regelbarer Phasenlage gegenüber der Hauptwechselspannung erregt und ist hierzu über
einen Drehregler 24 an das Drehstromnetz 22 angeschlossen. Die Phasenlage der Einschaltimpulse
kann statt mit einem Drehregler auch durch eine regelbare Wechselstromvormagnetisierung
der Sättigungswandler 23 oder mit Hilfe geeigneter Scheinwiderstände mit regelbarer
Wirk-und Blindkomponente verstellt werden. Die Einschaltsteuerwicklungen der beiden
Kontakteinrichtungen einer Phase sind hintereinandergeschaltet. Da diese Wicklungen
längsmagnetisierend auf das Hauptfeld wirken, so spricht jeder Einschaltinagnet
nur auf Stromstöße einer Richtung an. Die Einschaltung der beiden Kontakteinrichtungen
einer Phase erfolgt also mit einem Zeitwinkelabstand von i8o°. Die Auslösewicklungen
der Ausschaltinagneten sind an eine Schaltdrosselwicklung angeschlossen. Sie haben
keine längsmagnetisierende Komponente, die Magneten wirken infolgedessen nicht polarisiert.
Damit sie abwechselnd arbeiten, sind mit ihnen Ventile 25 gegensinnig in Reihe geschaltet.
Das Ausschalten erfolgt in jedem Falle stromabhängig und damit selbsttätig durch
die in der Schaltdrossel. bei ihrer Entsättigung in der Nähe der Stromnullwerte
hervorgerufenen Stromimpulse. Es können geeignete zusätzliche 1littel gegen schädliches
Schaltfeuer und Materialwanderung vorgesehen werden, z. B. Einschaltkerne für die
Schaltdrosseln, Vormagnetisierung derselben sowie vorzugsweise kapazitive Nebenwege
zu den Trennstrecken.
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In den Endlagen des gesamten Regelbereiches kann die Betätigung der
Kontakteinrichtungen unterdrückt werden, d. h., bei der Spannung Null wird das Einschalten
und bei der vollen Spannung das Ausschalten der Kontakteinrichtungen unterbrochen.
Bei den obenerwähnten mechanisch angetriebenen Kontakten ergibt sich dies ohne weiteres
durch eine über die Endlagen der Regelung hinausgehende weitere Verstellung der
Lage der ruhenden Kontakte gegenüber der Hubstrecke des Stößels, wodurch die bewegliche
Schaltbrücke jenseits der einen Endlage außer Eingriff mit den ruhenden Kontakten
und jenseits der anderen Endlage außer Eingriff finit dem Stößel kommt. Damit ist
die Vereinigung von Regel- und Schaltgerät erreicht. Bei elektromagnetisch betätigten
Kontakteinrichtungen können die Steuerstromkreise der Einschaltmagneten und der
Ausschaltmagneten durch Hilfsschalter unterbrochen werden. Statt dessen können die
Kerne der steuernden Sättigungswandler so hoch vormagnetisiert werden, daß sie dauernd
gesättigt bleiben und infolgedessen keine Steuerimpulse abgeben. Die Regeleinrichtung
kann so ausgestaltet werden, daß sie zugleich als Leitungs- und Kurzschlußschutz
dient.
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Die ganze Steuereinrichtung kann besondere Bedeutung vor allem für
Beleuchtungsanlagen (Saal-oder Bühnenbeleuchtung) erreichen, wobei sich durch die
praktisch ohmsche Belastung ein außerordentlich geringer Schaltdrosselaufwand ergibt.
Für solche Anwendungen kann die Steuerung der einzelnen Kontakte in an sich bekannter
Weise in Stellwerken mit entsprechendem Gruppenantrieb od. dgl. vorgenommen werden.
Die Einzel- und Summensteuerung der einzelnen Steuerkreise kann durch mechanische
Mittel oder durch entsprechende Vormagnetisierungen oder durch Drehtransformatoren,
die den einzelnen Steuerstromkreisen bzw. Gruppen solcher Stromkreise zugeordnet
sind, durchgeführt werden. Die in solchen Anlagen übliche Vorwahl der Stromkreise
kann durch Schaltung der Steuerstromkreise erreicht werden, wodurch sich außerordentlich
kleine und übersichtliche Steuergeräte (Stellwerke) ergeben.
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Für die Regelung von Elektroöfen od. dgl. ist die unmittelbare Beeinflussung
der Steuergeräte durch einen Thermostaten oder ein Thermoelement, gegebenenfalls
über magnetische Verstärker, möglich.