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Schaltanordnung für die stufenweise, unterbrechungslose Änderung einer
elektrischen Wechselspannung mittels Stufentransformators und Spannungsteilers Zur
stufenweisen, unterbrechungslosen Änderung einer elektrischen Wechselspannung finden
häufig Stufentransformatoren Anwendung, an die der Verbraucher über einen oder mehrere
Spannungsteiler an eine oder mehrere Transformatoranzapfungen angeschlossen ist.
Durch Trennen einer Spannungsteilerwicklung von einer Anzapfung und Anschließen
derselben an eine neue erfolgt die Spannungsänderung ohne Unterbrechung, weil immer
wenigstens eine Wicklung angeschlossen bleibt. Diese bewirkt während des, Schaltens
als Drosselspule eine beträchtliche Spannungsverminderung am Verbraucher, wenn letzterer
nicht einen Leistungsfaktor nahe der Einheit besitzt. , Bei Einphasenrefi.henschlußmotoren
für Bahnbetrieb, wo die besagte Schaltung häufig vorkommt, tritt die Spannungsminderung
bei den Anfahrstufen am stärksten auf, weil der Leistungsfaktor hier noch gering
ist, und macht sich durch vorübergehende Zugkraftv erminderung unerwünscht bemerkbar.
Die Drosselspulenspannung' und damit die Zugkraftminderun.g könnten zwar durch magnetische
Sättigung der Spannungsteiler vermindert werden, aber damit würden für den Dauerbetrieb
mehrere Nachteile geschaffen: hoher Magnetisierungsstrom, Eisenerwärmung, Stromverzerrung.
Im weiteren bewirkt gerade bei den unteren Stufen eine bestimmte Spannungszunahme
eine wesentlich größere Stromzunahme als bei höheren Stufen. Wenn also für alle
Stufen beim übergang zur nächst höheren Stufe gleiche Stromzunahme gefordert wird,
müssen die Spannungsdifferenzen zwischen zwei benachbarten Transformatoranzapfungen
der unteren Stufen entsprechend klein gewählt werden. Der Spannungsteiler rnuß aber
für die höheren Spannungsdifferenzen der oberen Stufen bemessen werden und kann
deshalb unmöglich schon bei den kleineren Spannungen der unteren Stufen magnetisch
gesättigt sein.
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Die Erfindung besteht nun in einer Schaltanordnung, bei der eine hohe
Sättigung des Spannungsteilers bei den unteren Stufen unabhängig von der bei den
oberen Stufen erforderlichen Spannung ermöglicht wird. Damit ist die Sättigung auch
auf jene Stufen beschränkbar, die ohne Sättigung beim Schalten beträchtliche Spannungsrückfälle
aufweisen würden.
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Zur Erläuterung der neuen Schaltung sind in Abb. z und a der beiliegenden
Zeichnung zunächst zwei der üblichen Schaltungen gezeigt. Abb._ 3 . zeigt die beispielsweise
Anwendung des' Erfindungsgedankens auf eine
Schaltung gleichen Prinzips
wie in Abb. i. Die Vektordiagramme (Abb. q., 5, 6) zeigen die Strom- und Spannungsverhältnisse
vor, während und. nach-dem-Umschalten von Stufe zu Stufe für einen Verbraucher mit
großem Phasenverschiebungswinkel,ga, Abb. 7 und den Zustand vor und während dem
Umschalten mit kleinem Winkel p.
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In den Abb. i bis 3 bedeuten e1, e=, e.,, e", et die Anzapfungen des
Stufentransformators a, b, bis b" die zugehörigen Schalter, c die Spannungsteiler,
d die Verbraucher. Bei einer Stufe .in Abb. i seien beispielsweise die Schalter
b, und b. eingeschaltet. Der Übergang zur nächst höheren Stufe erfolgt durch Ausschalten
von b, und nachheriges Einschalten von b3. Bei der Anordnung nach Abb.2 seien bei
einer der untersten Stufen b" b_, b3, b4 die geschlossenen Schalter. Auf
die nächst höhere Stufe gelangt man durch Ausschalten des Schalters b, und nachheriges
Einschalten von b.. Nach dem öffnen des einen und vor dem Schließen des anderen
Schalters wirkt je einer der Spannungsteiler c vorübergehend als Drosselspule.
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Die Vektordiagramme sind für die Schaltung nach Abb. i und 3 gezeichnet.
Abb. ;I gilt für die Stufe mit geschlossenen Schaltern b, und b2, Abb. 5 nach Ausschalten
des Schalters b, und Abb. 6 nach Einschalten des Schalters b3. Die Spannungen El
und E; ergeben am Mittelpunkt des Spannungsteilers für den Verbraucher die Spannung
E,_, die einen um den Winkel,9 nacheilenden Strom J" zur Folge haben möge. Größe
und Phasenverschiebung des Verbraucherstromes zur Verbraucherspannung sind durch
die Eigenschaften und den Zustand des Verbrauchers gegeben. Der Strom J" setzt sich
als v ektorielle Summe der Teilströme J2 und J, zusammen. Die vektorielle Differenz
derselben muß den Magnetisierungsstrom J. des Spannungsteilers ergeben. Nun werde
der Schalter b, geöffnet. Dann ist der ganze Verbraucherstrom Magnetisierungsstrom
in der Spule c und induziert die Spannung E'd 1 zum Verbraucherstrom J21.
Nach dein Einschalten des Schalters bg herrscht wieder Spannungsteilung, die für
den Verbraucher die neue Spannung E" (Abb. 6) ergibt.
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Je geringer nun die Sättigung des Spannungsteilers beim Anschluß an
b, und b2 ist, um so größer ist die Spannung Ed und um so kleiner die vorübergehende
Verbraucherspannung_E" beim Schaltvorgang.
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Abb. 7 und 8 zeigen, daß der Spannungsrückfall bei keinem Winkel q
für den Fall des Reihenschlußmotors, also bei den höheren Stufen, vollständig verschwindet,
selbst bei geringer Sättigung im Spannungsteiler. Die Spannung E34 geht beim Schalten
sofort in die höhere Spannung E34 und hierauf in die noch höhere nächste Stufenspannung
über.
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Gemäß der neuen Schaltung werden nun für die unteren Stufen des erwähnten
Beispiels Spannungsteiler mit geringer und für die oberen solche mit höherer Windungszahl
verwendet. Damit wird die Verwendung hochgesättigter Spannungsteiler zur Vermeidung
der Spannungsrückfälle-für die unteren Stufen ermöglicht und gleichzeitig hohe Sättigung
auf den Dauerstufen vermieden. Die Schaltung ist sehr einfach. Statt nach .ebb.
i alle ungeradzahligen Schalter an den zinen, die geradzahligen Schalter an den
anderen Schenkel des Spannungsteilers anzuschließen, werden die den Anfahrstufen
ent-. sprechenden Schalter an eine verminderte Windungszahl, die übrigen .dagegen
an die vollen Spulen angeschlossen.
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Sinngemäß gestaltet sich die Anwendung der neuen Schaltung bei Anordnungen
nach Abb.2 oder bei anderen bekannten Schaltungsarten.