DE1026849B - Phasenregelschaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Phasenregelschaltung und insbesondere auf ein Netzwerk, in welchem eine Kombination von festen und von verstellbaren Blindwiderständen einen Phasenunterschied zwischen der Ausgangsspannung des Netzwerks gegenüber seiner Eingangsspannung herstellt.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Phasenregelschaltungen liegt bei Röhrengleichrichtern und Röhrenweehselrichtern. vor, da dort eine Phasenverschiebung der dem Steuergitter einer Gleichrichter- oder einer Wechselrichterröhre zugeführten Spannung gegenüber der Anodenspannung bewerkstelligt werden muß, um diese Röhren im Betrieb in der erforderlichen. Weise zu steuern.

Für die genannten Verwendungszwecke scheiden die bekannten einfachen Phasenregel-schaltungen, die mit mechanisch bewegten Teilen arbeiten, wegen ihrer Trägheit aus, obwohl sie einen Bereich von 360° zu überstreichen gestatten.

Es sind auch Phasenregelschaltungen bekannt, die aus Widerstandskombinationen bestehen, und solche, die elektrisch verstellbare Widerstandselemente verwenden.

Eine bekannte Phasenregelschaltung, die aus einer mehrphasigen, symmetrischen Spannungsquelle gespeist wird, besteht darin, daß zwischen je zwei entsprechend der zyklischen Phasenfolge benachbarten Eingangsklemmen ein fester und ein veränderlicher Blindwiderstand miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Belastungen, denen die phasenverschobene Spannung zugeführt werden sollen, sind zwischen die Verbindungspunkte der festen und veränderlichen Blindwiderstände ohne jeweils zwischen einen dieser Verbindungspunkte und den Nullpunkt des Netzes geschaltet. Die bekannte Schaltung gewährleistet bei einem Dreiphasennetz, einen Bereich, von annähernd 240° durch Änderung der veränderlichen Impedanz vom Wert Null bis plus unendlich, bei gleichbleibender Spannung an der Belastung zu überstreichen, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

1. Die Impedanz der Belastung ist konstant.

2. Der Phasenverschiebungswinkel der Belastung ist gleich der Hälfte des Phasenwinkels zwischen benachbarten Eingangsklemmen (im folgenden kurz »Eingangswinkel«) und hat das umgekehrte Vorzeichen wie der Phasenwinkel der festen Impedanz des Phasenschiebers.

3. Die Größe des Betrages der festen Impedanz ist gleich dem zweifachen. Produkt aus dem Sinus des Phasenverschiebungswinkels der Last und dem Betrag der B el astungs impedanz.

Bei der bekannten Phasenregelschaltung sind die feste und die veränderliche Impedanz stets beide entweder kapazitiv oder induktiv. Sie besitzen also* stets dasselbe Vorzeichen.

Phasenregelschaltung

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. Juli 1961

Burnice Doyle Bedford, Schenectady, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung hat den Zweck, den Bereich, des bekannten Phasenschiebers zu erweitern, so daß im Falle eines Dreiphasennetzes anstatt bisher 240' annähernd 360° überstrichen werden können.

Erfindungsgemäß ist deshalb eine Phasenregelschaltung, die aus einer symmetrischen, mehrphasigen Spannungsquelle gespeist wird und bei der zwischen je zwei entsprechend der zyklischen Phasenfolge benachbarten Eingangsklemmen ein fester und ein veränderlicher Blindwiderstand miteinander in Reihe geschaltet sind,, bei der an. den Verbindungspunkten zwischen den festen und den veränderlichen Blindwiderständen die gegenüber den Eingangssparmungen phasenverschobenen Spannungen abgenommen werden und bei der der Phasenverschiebungswinkel der Belastung die Hälfte des Phasenwinkels zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasen der speisenden Spannungsquelle beträgt und ein gegenüber dem Phasenverschiebungswinkel der festen Blindwiderstände entgegengesetztes Vorzeichen hat, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen· Blindwiderstände von induktiven Werten über Null bis zu kapazitiven Werten verstellbar sind.

Die Erfindung soll nun in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 1 stellt eine schaltungsmäßige Veranschaulichung einer Ausführungsform der Erfindung für eine Dreiphasenscbaltung dar;

Fig. 2 ist ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1,

7OT 957/144

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung der Schaltung nach Fig, I, während

Fig. 4 und 5 Vektordiagramme enthalten, weiche die Spannungen und Ströme für verschiedene Blindwiderstandsgrößen der veränderlichen! Blindwiderstände in Fig. 1 wiedergeben.

In Fig. 1 ist ein dreiphasiges Wechselstromnetz durch die Leitungen 1, 2 und 3 angedeutet, zwischen denen wie gewöhnlich drei gleich große Spannungen

Vorzugsweise sollen die Größen dieser veränderlichen Blindwiderstandselemente so' gewählt werden, daß ihr Blindwiderstand von einem praktisch unendlich hohen, induktiven Wert sich über Null hinweg auf einen beliebigen kapazitiven Wert ändern läßt. Man kann· natürlich die S erieinschaltung 11, 12, 14 in Fig. 1 durch eine Parallelschaltung von kapazitiven und induktiven Elementen ersetzen unter Erzielung von ähnlichen Ergebnissen. Ferner kann man, statt den

mit 120° Phasenwinkel bestehen. Der im ganzen i° Blindwiderstand von induktiven Elementen wie den mit 4 bezeichnete Phasenschieber beisteht wenigstens Elementen 11 und 12 zu verändern, auch in. geeigneter

Weise den Blindwiderstand der kapazitiven Elemente 14 verändern. Zu diesem Zweck können bekannte

aus zwei zwischen je zwei Eingangsphasen angeordneten Blindwiderständen mit geringen und nach Möglichkeit sogar verschwindenden Verlusten, die in

mechanische Mittel dienen oder gewünschtenfalls eine

Reihe geschaltet sind, wobei der eine Blindwiderstand 15 Parallelschaltung eines veränderlichen induktiven

Elementes und kapazitiven Elementes 14. Ferner können natürlich zur Speisung der Vormagnetisierungswicklungen 13 beliebige geeignete Einrichtungen verwendet werden. Als Beispiel hierfür ist in Fig. 1

Wert aufweist. Um zwischen dem induktiven und 20 eine Gleichstromquelle 15 gezeichnet, die in Reihe dem kapazitiven Blindwiderstand leichter unter- mit einem einstellbaren ohmschen Vorschaltwider-

stand 16 liegt, der zur Veränderung des Stromes in den Vormagnetisierungswicklungen. 13 dient.

eine feste Blindwiderstandsgröße hat und der andere eine von praktisch unendlich großem induktivem Blindwiderstand über Null auf praktisch unendlich großen kapazitiven Blindwiderstand verstellbaren

Gemäß der Erfindung kann das veränderliche

scheiden zu können, wird im folgenden gelegentlich
der kapazitive Blindwiderstand als induktiver Blindwiderstand umgekehrten Vorzeichens bezeichnet werden. In entsprechender Weise kann der Unterschied 25 Element entweder einen kapazitiven oder induktiven zwischen einem nacheilenden Leistungsfaktor und Widerstandswert annehmen, je nachdem, welche einem voreilenden Leistungsfaktor durch einen Vor- Phasenverschiebung hergestellt werden muß. Es zeichenunterschied des Leistungsfaktors ausgedrückt fallen auch Einrichtungen unter die Erfindung, bei

denen das feste Element ein. induktives bzw. ein kapazitives Element ist. Somit kann in diesem Falle das veränderliche Element für bestimmte Größen der Phasenverschiebung auch dasselbe Vorzeichen haben wie das feste Element, und für andere Größen der

werden-, wenn voreilende und nacheilende Werte des Leistungsfaktors zum Vergleich stehen.

Das Dreiphasennetzwerk 4 in Fig. 1 besteht aus
drei festen kapazitiven. Elementen. 5, 6· und 7, die mit
drei veränderlichen Blindwiderstandselementeii innerhalb der punktierten Linien. 8, 9 und 10 derart in
Serie geschaltet sind, daß ein. Sechseck entsteht. Statt 35 auch von entgegengesetztem Vorzeichen; sein wie das dieser Darstellung könnte auch eine übliche Drei- feste Element. Durch diese Einrichtung läßt sich ein phasendreiecksdarstellung gewählt werden, derart, daß
in. jeder Dreiecksseite ein festes und ein. veränderliches Element in Reihe läge. Die veränderlichen
Elemente 8, 9 und 10 können dabei jeweils innerhalb 4°
des Erfindungsgedankens noch in verschiedener Weise
aufgebaut werden. Wie dargestellt, besteht jedes
dieser Elemente aus zwei miteinander in Reihe liegenden Arbeitswicklungen 11, 12 einer sättigungsfähigen

Drosselspule sowie aus einer Vo'rmagnetisierungs- 45 angeschlossen, so daß der Eingangswinkel 120° bewicklung 13. Die miteinander in Reihe liegenden trägt. Zwischen, die Klemmen 20 und 21 α ist ein Ver-Arbeitswicklungen 11, 12 können aus auf einzelne braucherkreis 23 angeschlossen, der in Fig. 1 aus Joche aufgebrachten Spulen bestehen, mit denen die einer Zündschaltung für ein Ignitron besteht. Eine Vormagnetisierungswicklung 13 magnetisch, gekoppelt derartige Schaltung enthält grundsätzlich einen Zündist; man kann aber gewünschtenfalls auch eine auf 50 kondensator 24, welcher über eine Drosselspule 25 drei Schenkeln aufgebaute Anordnung wählen und die von den Ausgangsklemmen des Phasenschiebers geWicklungen 11, 12 und 13 jeweils auf einem Schenkel speist wird. Der Kondensator 24 entlädt sich nach der Anordnung anbringen. In Reihe mit den Arbeits- seiner Aufladung durch eine sich selbst sättigende wicklungen 11 und 12 liegt je ein kapazitives EIe- Spule oder Zündspule 26 und speist einen Sparment 14, derart, daß es einen Teil der veränder- 55 transformator" 27, an welchen die Zündelektroden 28 liehen Blindwiderstandselemente 8_, 9 und 10 bildet. und 29 in bekannter Weise angeschlossen sind. Diese Wenn die Vormagnetisierungswicklung 13 einen sehr Elektroden werden von dem Spartransformator 27 geringen Strom führt, werden die Kerne der Spulen über einen Gleichrichter 30 bzw. 31 gespeist. Die 11 und 12 nicht gesättigt, und der induktive Blind- Kathode der beiden Röhren ist über eine gemeinsame widerstand ist relativ hoch, so daß der Gesamtblind- 60 Leitung 32 mit der Mittelanzapfung des Spartrans-

Phasenverschiebung kann das veränderliche Element

viel größerer Phasenverschiebungswinkel erreichen, als es bei der Einrichtung nach der obengenannten USA.-Patentschrift möglich ist.

Das Netzwerk 4 besitzt drei Eingangsklemmen 17, 18 und 19 und ferner Ausgangsklemmen. 20, 21 und 21a, welche bei dieser Schaltung jeweils zwischen zwei Eingangsklemmen liegen. Die Eingangsklenimen 17, 18 und 19 sind an die drei Leitungen 1, 2 und 3

widerstand in den Elementen 8, 9 und 10 vorwiegend induktiv ist, da die Größe der Kondensatoren. 14 so gewählt wird, daß der induktive Widerstand die kapazitive Komponente bei weitem überwiegt, so daß

formators 27 verbunden. Diese Schaltung arbeitet mit einem nacheilenden Leistungsfaktor. Die übrigen beiden Belastungszweige 33 und 34 sollen ebenso wie der Belastungszweig 23 ausgebildet sein. Diese Be

praktisch lediglich von einem sehr großen induktiven 65 lastungszweige sind in Fig. 1 nur schematisch ange-Widerstand gesprochen werden kann. Andererseits deutet, und zwar dadurch, daß im Belastungszweig 33 wird durch einen großen Strom in der Vormagnetisierungswicklung 13 der induktive Blindwiderstand

so stark herabgesetzt, daß die kapazitive Komponente,

d.h. der Einfluß der Kondensatoren 14, überwiegt. 70 Klemmen 21 und 21a eine Drosselspule 37 und. ein

zwischen den Klemmen 20 und 21 eine Drosselspule 35 und ein ohmscher Widerstand 36 eingezeichnet ist sowie im Belastungszweig 34 zwischen den

ohmscher Widerstand 38. Für die Anwendung des dargestellten Phasenschiebers kommt es darauf an, daß jeder Belastungszweig einen nacheilenden Leistungsfaktor besitzt. Bildet man nun die veränderlichen Blindwiderstände erfindungsgemäß so aus, daß ihr Vorzeichen den entgegengesetzten Wert der festen Elemente annehmen kann, so wird der maximale Phasenverschiebungswinkel von 240°, wie er bei einer bekannten Anordnung erreicht werden kann, auf einen Winkel von nahezu 360° erhöht.

Fig. 2 ist ein Vektordiagramm, welches die Spannungen für einen beliebigen Phasenverschiebungswinkel wiedergibt. In Fig. 2 ist zwischen, den. Eingangsklemmen 17 und 18 ein fester Kondensator 5 und ein veränderliches Blindwiderstandselement 8 dargestellt. Ein Belastungszweig¹ mit der Spule L und dem Widerstand R ist zwischen dem Punkt 20 und einem Punkt 22 eingeschaltet. Der Ursprungspunkt 22 ist in Fig. 2 nur zur Erläuterung eingezeichnet und stellt den neutralen oder den Nullpunkt des Dreiphasenausgangskreises in Fig. 1 dar, obwohl die Schaltung nach Fig. 1 eine Dreieckschaltung ist und daher in Wirklichkeit keinen Nullpunkt besitzt. Die Belastung kann natürlich auch in Sternschaltung angeschlossen werden, bei der ein Punkt nach Art des Punktes 22 in Fig. 2 entstehen würde. In Fig. 2 ist der Winkel Θ der »Eingangswinkel«, und die punktierten Linien zwischen dem Punkt 22 und dem Punkt 17 einerseits sowie dem Punkt 22 und dem Punkt 18 andererseits stellen die Spannungsvektoren dar, die vom Punkt 22 ausgehen und die den »Eingangswinkcl« Θ für einen Zweig mit den Elementen 5 und 8 einschließen. Wenn der veränderliche Blindwiderstand 8 kapazitiv ist, zeigt der ausgezogene Teil des Kreisumfangs in Fig. 2 den erreichbaren Phasen-Verschiebungsbereich an. Wenn das Element 8 von einem nahezu unendlich hohen kapazitiven Wert auf Null verändert wird, so ändert sich die Phasenverschiebung von einem nahe am Punkt K gelegenen Wert im Uhrzeigersinn über die Punkte 17 und 20 +^J bis zum Punkt 18, der den Resonanzfall für den Bestandteil 8, also den Widerstand Null, darstellt. Wenn die Elemente, welche den Bestandteil 8 enthalten, so eingestellt werden, daß der Widerstand induktiv wird und dabei dien. Bereich von Null bis zu einem sehr hohen induktiven Wert bestreichen., so ändert sich die erreichbare Phasenverschiebung vom Punkt 18 im Uhrzeigersinn längs des punktiert gezeichneten Teils des Kreisumfangs bis nahezu zum Punkt K.

Für eine Serienschaltung der Blindwiderstände 11, 12 und 14 ist eine möglichst große kapazitive Reaktanz 14 erforderlich. !Die Reaktanz der induktiven Elemente 11 und. 12 muß von einem induktiven Wert, der absolut höher ist als der kapazitive Blindwiderstand von 14, bis auf einen. Wert, der absolut kleiner ist als dieser kapazitive Blindwiderstand, veränderlich sein. Wenn die Elemente 11, 12 und 14 dagegen in einem Parallel resonanzkreis angeordnet werden, sind niedrige kapazitive Impedanzen, also große Kondensatoren 14 notwendig. Der absolute Betrag des induktiven Blindwiderstands der Elemente und 12 muß dabei von Größen, die oberhalb, bis zu Größen, die unterhalb des absoluten Betrages der kapazitiven Blindwiderstandsgröße des Kondensators liegen,, geändert werden können.

Der feste Blindwiderstand, der als Kondensator 5 gezeichnet ist, kann auch ein induktiver Blindwiderstand sein. Im letzteren Falle gelten ähnliche Verhältnisse, und das Elemente kann von einem hohen Wert des induktiven Blindwiderstandes über Null auf einen hohen. Wert des kapazitiven Blindwiderstandes geändert werden, so> daß ebenfalls ein. großer Phasenverschiebungswinkel von nahezu 360° erzielt wird.

Die Fig. 3 stellt schematisch eine Schaltung dar, wie sie bereits in Fig. 1 veranschaulicht ist. In Fig. 3 sind sowohl die Eingangsklemmen 17 und 18 als auch die Ausgangsklemmen. 20 und 22 enthalten. Das feste Element 5 ist in Serie mit dem veränderlichen Elements geschaltet, und der Belastungszweig liegt zwischen den Klemmen 20 und 22. Der Winkel Θ stellt den »Eingangswinkel« dar. Der Strom I₅ und der Strom I₈ sind die Ströme in diesen Elementen 5 und 8.

Die Fig. 4 zeigt im Vektorbild die Ströme und Spannungen für die Schaltung nach Fig. 3. Dabei bezieht sich Fig. 4 auf einen Fall, in. welchem das Element 8 kapazitiv ist, d. h. dasselbe Vorzeichen hat wie das feste Element 5. In Fig. 4 veranschaulicht die Spannung E₁ die Spannung zwischen der Klemme 22 und der Klemme 17, während, E₂ zwischen 22 und 18 liegt. Die Spannung E₅ liegt am Kondensator 5, während die Spannung E₈ am veränderlichen Blindwiderstand. 8 liegt. Man sieht aus Fig. 4, daß die Resultierende: dieser Spannungen durch den Vektor E gebildet ist. Der Strom I₅, der durch den Blindwiderstand. 5 fließt, eilt der Spannung E₅ vor, und zwar um 90°, während der Strom /_g der Spannung £₈ um 90° voreilt. Der resultierende Strom /, der die Vektorsumme der Ströme /₅ und /₈ bildet, eilt der resultierenden Spannung E um einen Winkel 0/2 nach, entsprechend dem Phasenverschiebungswinkel der Belastung. Die Phasenverschiebung, die unter diesen Umständen eintritt, beträgt, im Uhrzeigersinn gemessen, α gegenüber der Bezugslinie für die Messung des Phasenverschiebungswinkels, d. h. der Richtung von E₁.

Die Fig. 5 enthält ein Vektordiagramm ähnlich demjenigen der Fig. 4, aber mit der Annahme, daß der veränderliche Blindwiderstand 8 in Fig. 5 einen induktiven Wert hat. Die Vektoren der verschiedenen Ströme vind Spannungen sind in. Fig. 5 mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 4 versehen. Aus Fig. 5 sieht man, daß der Strom I₅ durch das feste kapazitive Element 5 der Spannung E₅ an diesem Element um 90° voreilt und daß der Strom /₈ der Spannung E_s am veränderlichen Element 8, welches hier induktiv ist, um 90° nacheilt. Der resultierende Strom / eilt der resultierenden Spannung E um einen Winkel Θ/2 nach, der dem Phasenverschiebuugswinkel der Belastung entspricht. Der erreichte Phasenverschiebungswinkel ist mit β bezeichnet.

Man kann also gemäß der Erfindung eine. Phasenverschiebung über nahezu 360° erreichen, wenn man ein festes und ein veränderliches Blindwiderstandselement benutzt und dabei das veränderliche Element so ausbildet, daß es von einem sehr hohen Wert des einen Vorzeichens durch Null hindurch auf einen sehr hohen Wert des anderen Vorzeichens gegenüber dem festen Element verstellt werden kann.

Claims (5)

Patentanspruch h

1. Phasenregelschaltung, die aus einer symmetrischen, mehrphasigen Spannungsquelle gespeist wird und bei der zwischen je zwei entsprechend der zyklischen Phasenfolge benachbarten Eingangsklemmen ein fester und ein veränderlicher Blindwiderstand miteinander in Reihe geschaltet sind, bei der an. den Verbindungspunkten

zwischen den festen und den veränderlichen Blindwiderständen die gegenüber den Eingangsspannungen phasenverschobenen Spannungen abgenommen werden und bei der der Phasenverschiebungswinkel der Belastung die Hälfte des Phasenwinkels zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasen der speisenden Spannungsquelle beträgt und ein gegenüber dem Phasenverschiebungswinkel der festen Blindwiderstände entgegengesetztes Vorzeichen hat, dadurch gekemnzeichnet, daß die veränderlichen Blindwiderstände von induktiven Werten über Null bis zu kapazitiven Werten verstellbar sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Blindwider- stand ein festes kapazitives Elament und ein veränderliches induktives Element enthält, daß der Blindwiderstand des veränderlichen induktiven Elementes von einem nahezu unendlich großen Wert bis zu kleineren, induktiven Werten solcher Größe verstellbar ist, daß der resultierende Blindwiderstand des festen kapazitiven Elementes und des veränderlichen induktiven Elementes kapazitiv ist.

3. Schaltung nach Anspruch. 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Blindwiderstand aus einer Serienschaltung eines Kondensators und einer Drosselspule besteht.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Blindwiderstand aus einer Parallelschaltung eines Kondensators und einer Drosselspule besteht.

5. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drosselspule durch Vormagnetisierung geändert werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 709 173;

G. Brion und V. View eg, »Starkstrommeßtechnik«, Ver.l. v. J. Springer, Berlin (1933), S. 104, Abs. 1 bis 3.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709957/144 3.58