2 - CYBRA

XXI. JAHRGANG
MAI 1934
Nr. 5
Herausgegeb en von der Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & C 1E, BADEN (Schweiz)
SOCIETE DE OAZ ET D'ELECTRICITE DU SUD-EST, TOULON (SÜD-FRANKREICH ).
Brown Boveri-Velox-Dampfe rzeuger, 25 000 kg/h, 21 kg/cm2 abs, 375 O C. Speisewassertemperat ur 35 O C. Masutfeuerung.
INHALT:
Seite
Seite
Beitrag zur Berechnung der Schaufelschwin gungen
bei Dampfturbinen . . . . . .
. . . 79
Zehn weitere Schnellzuglokom otiven derType 2 Do2
mit Brown Boveri - Einzelachsantrie b für die
Paris-Orleans-B ahn . . . . . . . . . . . 90
Hochstrom-Glei chrichter für Russland
. . . . 91
Die 36 000-kW -Höchstdruck-T urbogruppe auf Karolinenschacht der Witkowitzer Steinkohlengrub en 92
Die Umformeranlag e Mühleberg . .
Kleine Mitteilungen:
Die neue Kleinturbine Type DAR
. .
. . . 83
.
.
.
89
BRO
N BOV ERI
Hochdruck- und Hochleistungs-Dampfturbinen
Hochdruck-Dreizyli nder-Kondensations -Turbogruppe geliefert für die Zentrale Karolinenschacht der Witkowitzer Steinkohlengruben
' S. R.
Mährisch-Ostrau , C.
Gebaut für folgende Verhältnisse :
Frischdampf am Einlassventil
120 kg/cin2 abs, 4800 C, inax. 500 ° C.
°
Zwischenüberhitzung nach Hochdruckzylinder mit Frischdampf auf 360 C
48000 kVA, 36000 kW bei cos <p == 0,75, 5350 V, 50 Perioden,
3000 U/ min.
Bei offiziellen Versuchen ermittelter thermischer Wirkungsgra d
34,5°/o
bezogen auf die Leistung an den Generatorkle mmen und mit nur einstufiger
Speisewasservorwärmung.
lin Jahre 1933 war diese Turbogrup pe rd. 8000 Stunden iin Betrieb
und hat 61 Millionen kWh erzeugt.
„
BROWN BOVERI MITTEILUNGEN
1
HERAUSGEGEBEN VON DER A.-G. BROWN, BOVERI & C E IN BADEN
Nr. 5
MAI 1934
XXI.JAHRG.
Die Brown Boveri Mitteilungen erscheinen in monatlichen H eften. Der Nachdruck von Aufsätzen und die Wiedergabe von Abbildungen sind unter
Quellenangabe gestattet. Einzelheft Fr. 1.- ; Jahresabonne ment Fr. 10.- ausschliesslich Verpackung und Portospesen.
BEITRAG ZUR BERECHNUNG DER SCHAUFEL SCHWINGU NGEN BEI
DAMPFTURBINEN.
Dezimalindex 621.165. 0012.
1. ALLGEMEINE BEZEICHNUNG EN.
1
=== Freie
Länge der Schaufel
L.. 1
0 -L.. x -== Abszisse
x
== Ordinate (Ausschlag) 0 L.. y .
y
=== x/l
~
..
r; == y/l
y' y" y'" usw. dy/dx. d 2y/ dx2 d3y/dx3 usw.
1/ 1111 1 "' usw. d17/d~ d217/d~2 d31 /d~3 usw.
t * === Teilung t der Schaufel minus
Schaufel dicke
p === Kraft
T === Trägheitskraft
J == Kleinstes Trägheitsmomen t des
Schaufelquersch nittes .
]o === Kleinstes Trägheitsmomen t am
.
Scha ufelf uss .
.1
== VJ/F === Trägheitsradius des
Schaufelquersch nittes .
Wsch=== Widerstandsmom ent des Schaufelquerschnittes .
Wb == Widerstandsmom ent des Bindedrahtquerschnitt es .
=== Elastizitätsmodul des SchaufelE
materials .
]bEh == Biegesteifigkeit des Bindedrahtes (Trägheitsmome nt X Elastizitätsmodul) .
F === Schaufelquersch nitt
Fk === Schaufelquersch nitt am Kopf
== Spezifische Masse des Schaufelµ
.
materials .
a l === \IE/µ Materialkonstan te: Fortpflanzungsgesch windigkeit einer
Weile im Material
=== Eigenschwingungszahl pro Min
nute
A === n: n/ 30 == Kreisfrequenz der
Schwingung .
=== bezieht sich auf ruhende, freie
s
(Inde . )
Schaufel
=== bezieht sich auf ruhende, geg
(fod x)
bundene Schaufel . .
d
(Ind x)
(cm)
(cm)
(cm)
(-)
q
Eigenschwingungszahl
=== n /ns === der gebundenen Schaufel
Eigenschwingungszahl
g
der freien Schaufel
.
== Biegemoment .
== Beanspruchung .
=== Winkel zwischen Schaufelsehne
und Umfangsrichtung .
Q
(-)
(- )
M
<J
(cm)
(kg)
(kg)
a
(cm4)
== bezieht sich auf rotierende, freie
Schaufel . . . . . . . .
l ]b Eh . 2
=== Bind~~gskoeff1z1ent === 12 t * JE s1n a
(-)
(-)
(kg cm)
(kg cm - 2)
(-)
II. EINLEITUNG UND STELLUNG DER AUFGABE.
Vor schon mehr als 20 Jahren kam man zur Erkenntnis, dass bei Dampfturbinen Schaufelbrüche auftraten, obwohl weder durch Fliehkraft noch durch
U mfangskraft grosse Beanspruchunge n hervorgerufen
wurden. Es handelt sich in diesen Fällen meistens um
(cm4)
(cm)
Schwingungsbrüche.
(kg cm - 2)
(kg cm 2)
(cm 2)
(cm2)
t
- ---- 7---------- --- ---------- -----1
(kg s2 cm - 4)
Abb. 1. -
(cm s -
(s - 1)
1)
Wöhlerkurve.
1 = Ermüdungsgrenze (Schwingungsfestigk eit).
2 = Anzahl Lastwechsel.
Abb. 1 stellt den charakteristische n Verlauf der
Lebensdauer irgendeines Schaufelmaterial s in Abhängigkeit von der Wechselbeanspr uchung dar (Wöhlerkurve ). Fällt die Beanspruchung unter einen bestimmten
Wert, die Schwingungsfe stigkeit (Ermüdungsgren ze)
des Schaufelmaterials, so tritt bei noch so grosser Lastwechselzahl kein Bruch mehr ein.
BROWN BOVERI MITTEILUNGEN
SEITE 80
Überlagert sich dieser Schwingungsbeanspruchung
noch eine ruhende Beanspruchung (Zug, Biegung durch
Dampfkraft), so· ändert sich die Beanspruchung wie auf
Abb. 2 schematisch dargestellt ist 1). Soll eine Schaufel
gegen Bruch gesichert werden,
// "'3
so muss also die
/
/
/
gesamte
Bean'b"'
//
spruchung unter/
/
/
halb dieser Grenz/
kurve
bleiben.
/"
/
/
Leider lässt sich
/
//
c'"'
meistens
diese
/
Beanspruchung
45 °
4 __. ~
nicht berechnen,
weil die SchwinAbb. 2. - Überlagerung der Schwingungsund der ruhenden Beanspruchung.
gungsbeanspru1 = Ermüdungsgre nze (Schwingungsfestigkeit).
chung nicht mit
2 = Grenzkurve.
3 = Streckgrenze.
hinreichender Ge4 = Ruhende Beanspruchung.
nauigkeit ermit5 = Schwingungsbeanspru ch ung+ ruhende
Beanspruchung.
telt werden kann.
Die Gesamtbeanspruchung wird besonders hoch,
wenn Resonanz eintritt. Fallen Erregerfrequenz und
_ Eigenfrequenz zusammen, so wachsen die Schwingungsausschläge und Beanspruchungen sehr rasch, was zu
einem baldigen Bruch führen muss.
t
ci)
CO
1) Thum, Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure,
Jahrgang 1931, Seite 705.
MAI 1934
Man kann Resonanz vermeiden und g leichzeitig
die Gesamtbeanspruchung herabsetzen, indem man die
Schaufeln mit Bindedrähten versteift. Von der Wahl
der Bindedrähte wird später noch berichtet.
Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, dass die
Berechnung der Schwingungszahlen der Schaufeln, ohne
und mit Bindung unerlässlich ist, um die verschiedenen
Vorgänge zu beurteilen, und die entsprechenden Massnahmen treffen zu können. Zweck nachstehender Arbeit ist, diese Berechnung so einfach wie möglich zu
gestalten.
III. SCHWINGUNG DER EINSEITIG EINGESPANNTEN SCHAUFEL VON KONSTANTEM QUERSCHNITT.
ALLGEMEINE DIFFERENTIALGLEICHUNG.
Es wird angenommen, dass die Schwingungen aller
Schaufelteile gleichphasig und harmonisch sind.
Die Masse eines Schaufelelementes ist p F dx,
und die Beschleunigung - A2 y. Die .r esultierende
Trägheitskraft, welche auf das Schaufelelement wirkt,
ist nach Abb. 5
dT, und .aus dem Bewegungsgesetz folgt dann d T === - A2 ,u Fydx.
(1)
dM
Die Momentgleichung ergibt d~
T === 0. (2)
+
+
. dM
Da aber M === J Ey", wird d x
=== JE y 111 •
.
Nach Ein-
setzen dieses Wertes in GI. (2) differenziert man nach
T+dT
(
>....
X
/1 _.
_. I„
dx
40169 ·1
Abb. 5 . -
Schwingend es Schaufelelement.
x und führt GI. (1) ein, was nach Kürzen durch
d x die Gleichung
JEy"" -
Abb. 3. - Aufstellung eines Schaufelpaketes für einen Schwingungsversuch.
Abb. 4. -
Schwingende Schaufeln.
A2 µ Fy === 0
(3)
liefert. Setzt man }4 µ FA2 /JE === (:]4
(4)
x
y .
.
.
.
und f === -1 , 11=== 1 in GI. (3) ein, so ergibt sich als
Al/gemeine Differentialgle ichung der schwingenden Schaufel:
(5)
Mb === Durch den Bindedraht auf die Schaufel übertragenes Biegemoment. Dieses besteht aus zwei Anteilen M sin a, weil der Bindedraht auf beiden Seiten
der Schaufel wirkt (Abb. 6).
Unter Einführung von Hyperbel- und Kreis-Funktionen erhält man die allgemeine Lösung der GI. (5):
•
SEITE 81
BROWN BOVERI MITTEILUNGE N
MAI 1934
a 1 C'
11' === ß (a1 S '
17 11 ===ß 2(a 1 C '
1/11 === (33 (a 1 S '
17"" === ß4 (a1 C '
1l
C ' , S' , c' , s'
a 1 , a 2 , a3 , a4
a2 S '
a 2 C'
a2 S '
a 2 C'
a2 S '
+
+
+
+
+
+ a 3 c' +
- a3 s '
- a 3 c' a3 s ' + as c' +
+
+
a4
a4
a4
a4
a4
=== eh ((3 ~), sh (ß ~), cos ((3 ~),
=== Integrationskons tanten.
s'
c')
s')
c')
s ') '
Für P findet man
p
M
p _
24 J_h Eh . f
(6)
'
t*3
oder, da
== r/
f
mit
sin (ß ~),
„ p
==
sin a
12 ]b Eb
t* 2
t*
2
, .
· '1) Sln
a.
Dies eingesetzt ergibt
IV. FREIE SCHAUFEL.
Die Grenzbedingung en sind
für ~ === 0 : 1/
für ~ === 1 : r;"
=== 0
=== 0
Mb
und
und
ns
=== 30 As / 7r: ===
30ß2
7r:
1 ... /
12 V
ß ist
... /
E/µ V
aber
J/ F
. (8)
1 • 1.
a
12
33,6
=== 0,5.106 cm s- 1
=== 0,35.106 cm s- I.
Die Masse des Bindedrahtes, deren Einfluss meist
sehr klein gegenüber dem der Schaufelmasse ist, wird
vernachlässigt. Die Grenzbedingung en der allg. GI. (6)
für die am freien Ende gebundene Schaufel lauten nun:
Für ~
=== 0 ist r; == 0 r;' === 0
Mb 11)
Pt*
2
M === Biegemoment des Bindedrahtes. Von diesem
Moment wirkt in Richtung der kleinsten Trägheitsachse die Komponente
sin a
===
t*
JE
r;"' === 0. (10)
Führt man aus praktischen Gründen eine das
Verhältnis Steifheit des Drahtes : Steifheit der Schaufel
kennzeichnende Zahl q ein, so ist :
q
1
]h
Eb
=== 12 ~ JE
.
s1n2 a.
(11)
Obige Grenzbedingung en schreiben sich nun
r;
~ == 0
~ == 1
=== 0
11
)) == - q1l'
r/
r;'"
== 0
=== 0.
Daraus sieht man, dass der Einfluss der
Bindung auf die Eigenschwingu ngszahl der Schau„
/el durch die Zahl q eindeutig bestimmt ist.
Aus Abbildung 6 folgt
=== M
1 ]h Eh
sin2a · r;'
-12-
r;" == - JE --
Betrachte man nun eine Reihe Schaufeln, die
durch einen Bindedraht von der· Biegesteifigkeit ]b Eh
am freien Ende gebunden sind. Es gilt die GI. (6),
nur muss eine neue Grenzbedingung gefunden werden.
1/2 Mh
.
· r;' s1n2 a.
Schaufelbindung.
Abb. 6.-
V. ANSATZ ZUR BERÜCKSICHT IGUNG
DER SCHAUFELBIN DUNG.
M ===
t*
(9)
Der Wert der Konstante a 1 ist
a1
für Stahl:
„ Messing: a1
12 ]hEb
r;' === 0
r; '" === 0
Setzt man dies. in Gl. (6) ein, so bekommt man
vier lineare homogene Gleichungen in a 1 bis a 4 • Sie
haben nur Lösungen, falls die Determinante der Beiwerte Null ist. Dies aber führt nach einigen Vereinfachungen zu einer transzendenten Bestimmungs(7)
gleichung für ß : Ce + 1 === 0 ,
wo C === eh ß und c === cos (3.
Die kleinste Wurzel dieser Gleichung ist ßs ===
1,875.
Wegen der Definition von
==
Pt*
2
.
Sill a
Mit Hilfe dieses Ansatzes wird das Verhältnis der
Schwingungszah len der gebundenen zur freien Schaufel
Q
===
ng
ns
ßs ')
=== (ßg
2
. k e1"t von q, f..ur d"1e
Abh··ang1g
•
In
folgenden in der Praxis wichtigen Fälle untersucht:
1) Weil y 11
== r/ /1.
1
MAI 1934
BROWN BOVERI MITTEILUNGEN
SEITE 82
1. Einfache Bindung am freien Ende der Schaufel.
2. Einfache Bindung an einer beliebigen Stelle längs
der Schaufel.
3. Doppelte Bindung (1 Draht in der Mitte, der andere am Ende der Schaufel).
4. Dreifache Bindung (
~, ~
und Ende der Schaufel) .
sh ß
cos ß
C*, S*, c*, s* === eh [ß(l-~)]
C 2 , S 2 , c 2 , s 2 === eh (ß/2)
Cs, s3,C:p Sa === eh (ß/3)
, parallel zur q -Achse, stellt
2
die Asymptote der Kurve Q === f (q) dar.
Es soll noch die Anfangstangente der Kurve berechnet werden. Man sucht also den Wert
2 dß
.
2ß dß
•
dß 2
.
dQ
.
hm d === hm ß 2 d === hm ß 2 d === hm -ß d .
q
s
q~O
q
q•O s
q
s
q•O
q
q•O
sin ß
sh {ß~)
cos (ß~)
C', S1, c', s' === eh (ß~)
Die Gerade Q ===
Differenziert man GI. {13) und setzt q
bleibt, nach Division durch dq
Von nun an gelten folgende Bezeichnungen:
C, S, c, s === ch ß
7[
1
ßs (Sc
+ Cs) +
dß
dq (Sc -
Cs)
=== 0,
so
== 0.
sin (ß~)
Daraus rechnet man ddß und erhält
sh [ß(l-~)]
sin[ß(l -~)]
cos [ß(1-~)]
sh (ß/2)
cos (ß/2)
sin (ß/2)
sh (ß /3)
cos {ß/3)
sin (ß/3).
q
.
2
. dQ === lim
dß
1Im
q• O ßs dq
q•O dq
0,307.
VII. DIE STELLE DER BINDUNG LÄNGS
DER SCHAUFEL IST BELIEBiG.
Betrachtet man auf Abb. 7 zwei Gebiete, so er-
VI. EINFACHE BINDUNG AM FREIEN ENDE
DER SCHAUFEL.
Die Bindung wird durch ihren Kennwert q charak-
II
terisiert.
1
2Mb
Grenzbedingungen:
'
Für ~ === 0,
~ === 1,
1/
=== 0
17"' === 0
17 === 0
17 11 === - q171
ai
3
a
2
ß2 (a C + a S 2
1
a 1S +
=o
-
+a
0
+a
a c - a s) ===
qß (a S + a C 4
-
4
3
2
1
a 2 C + a3 s - a 4 c -
a3 s
40171-1
l
und in GI. (6) eingese~zt:
+ a c)
J (12)
4
Abb. 7. --- Beliebige Stellung des Bindedrahtes
längs der Schaufel.
0.
Aus (12) gelangt man zu
1 + Ce +
3,0
ß; (Cs +
sc) = O.
(13}
Diese Gleichung gestattet für jeden beliebigen
Wert von q den zugehörigen Wert ßg, also auch
Q zu berechnen. Diese Berechnung erfolgt weitaus
am bequemsten, wenn man, statt die transzendente
Gleichung aufzulösen, eine Reihe Werte von ßg annimmt und die zugehörigen q daraus bestimmt.
Man ersetzt damit die transzendente Gleichung
(13) durch eine gewöhnliche algebraische Gleichung
ersten Grades, die leicht zu lösen ist.
Ce === 0, wie schon
Wird q === 0, so bleibt 1
für die freie Schaufel gefunden worden war.
+
Wird q
=== oo,
so bleibt
Cs + Sc == 0.
Diese Gleichung wird erfüllt durch ßv:
D araus ist Q
===
......
1~
2
.
„,
f,
.A~
= ß.
00
Q
t
2,s,-----t--l-~~+--4---__J
2,01-----HL-/:_--+----~~--_J
1,5
-
-
2
(14)
V;·
q= J
N
"0
0
Abb. 8. -
0,5
...
~
•
1,0
Einfluss d er Bindungsstelle auf die Schwingungszahl.
'
BROWN BOVERI MITTEILU NGEN
MAI 1934
hält man folgende Grenzbedin gungen:
1/r' === 0
17 === 0
Für ~ === 0
l
1
~
=== ~
1jl
1j~
== 1jII
q 17~
17~' === -
+ 17~~
1/~I
11~" === 17~~,
1j~~·
11~~ === 0
~ === 1
-
== 0.
Dies in GI. (6) eingesetzt, ergibt nach e1n1gen
Umformun gen die Bestimmun gsgleichung
1
+ Ce +
- qß_ [C's' +
2
S 'c' +
C* (C's - s*)
+ c* (Sc' -
(15)
S*)] === 0.
SEITE 83
Abb. 8 stellt den Verlauf von Q längs der
Schaufel dar, für verschieden e q. Daraus ersieht
man, dass bei einem gegebenen Wert von q, Q für
eine Bindung etwa in der Mitte der Schaufel am
grössten ist. Man könnte daher denken, dass Bindung in der Schaufelmi tte vorteilhaft sei.
Praktisch wird jedoch bei einmal gebundene n
Schaufeln der Wert von q nicht viel grösser als rd. 2,
und dann ist Q von Differenzen der Lage des Bindedrahtes fast unabhängig (zwischen ~ === 0,5 und ~ === 1).
W. Peter.
{Fortsetzun g folgt.)
{MS 812)
DIE UMFORMERANLAGE MÜHLEBERG.
D ezimalind ex 621. 314.26 (494) .
1. DIE BETRIEBS BEDINGU NGEN DER
UMFORM ERANLAG E MÜHLEBE RG.
Zum Energieaus tausch zwischen dem 50-periodig en
Industriene tz der Bernischen Kraftwerke (B KW) und
dem 16 2 /3-periodig e.n Netz der Schweizeri schen Bundesbahnen (SB B) wurde im Wasserkraf twerk Mühleberg
der B KW eine Frequenz- und Phasen-Um formeranla ge
aufgestellt.
Die grundsätzli che Anordnung des F requenzum formers zeigt Abb. 1. Der Umformer ist zwischen die
Sammelsch ienen 1
b
a
und II geschaltet.
Auf die Sammelschiene I arbeitet
je nach den BeII
..--------~-----------------~
tri e bsverhäl tnissen
nur ein Teil oder
alle Generatore n
der Zentrale Mühleberg; über die Verbindung c ist 1 mit
A
dem ganzen Netz
und den weiteren
der
Kraftwerke n
B KW sowie zeitI
Abb. 1. - Grundsätzlich e Anordnung des Frequenzumf ormers in der Zentrale Mühleberg.
A = Frequenzumfor mer.
B = Turbinen-Gene ratorgruppe.
1 = Zentrale (Sammelschien e n
50 P erioden).
II = Zentrale (Sammelschien en
16 i;s P eriod en).
a = Verbindung mit dem Netz der
S chwe izerischen Bundesbahnen (SBB).
b = Speiselei tungen eines gesond erten Ba hnbetriebes.
c = Verbindung mit de m Netz der
Ber nischen Kra ftwe rke
(BKW).
B
c
36 440·1
weise mit einer gros·
sen Zahl weiterer
Industrieze ntralen
der Schweiz zusammengeschlo ssen.
Die 16 2/3-periodig e Sammelsch iene II ist über die Verbindung a mit dem gesamten Netz der SB B und mit
allen ihren 16 2 /3-periodig en Kraftwerke n, deren hauptsächlichste Ritom, Amsteg, Vernayaz und Barberine
sind, verbunden. Der Abzweig b versorgt ein gesondertes Bahnnetz ohne sonstige generatoris che Ein.
spe1sung.
Die vom Auftraggeb er, den Bernischen Kraftwerken A.-G., Bern, an die Umformera nlage gestellten
Bedingung en sind in ihren wesentlichs ten Punkten die
folgenden:
1. Die Umformera nlage soll es ermögliche n, eine konstante, beliebig zwischen 0 und der hinsichtlich Erwärmung und Kippmome nt höchst zulässigen Belastungsgre nze der Maschinen einstellbare n Wirkleistung in der einen oder anderen Richtung zu
übertragen , unabhängig von den Frequenzsc hwankungen und Frequenzun terschieden der beiden gekuppelten Netze, zwischen welchen die einstellbare
Leistungsü bertragung stattfindet.
2. Es soll möglich sein, mit der Frequenz-U mformergruppe den Abzweig a mit einer beliebig einstellbaren, konstanten Energiequo te zu speisen und zugleich das F eeder b mit einer durch den Bahnbetrie b
bedingten, veränderlic hen Belastung zu versorgen.
Dabei darf die Summe beider Belastunge n die höchst
zulässige Belastungs grenze der Maschinen nicht überschreiten.
3. Die Umformerg ruppe soll ferner gestatten, die Energie in Abhängigk eit der Frequenz des einen Netzes
in beiden Richtungen zu übertragen , jedoch unabhängig von den Frequenzän derungen des andern
Netzes. Dabei muss es möglich sein, innerhalb des
normalen Regulierbe reiches, für welchen die Anlage
bemessen ist, die Leistung 0 für jeden beliebigen
Frequenzw ert, in dessen Abhängigk eit reguliert wird,
einzustellen .
Die umgeformt e Leistung wächst bei dieser
Regulierar t im Sinne der Abgabe an das die Regulierung beeinflusse nde Netz, wenn von der der Null-
SEITE 84
BROWN BOVERI MITTEILUNGEN
last entsprechenden Frequenz f == f0 aus, die Frequenz
abfällt und umgekehrt. Das Anwachsen der umgeformten Leistung in Abhängigkeit der Frequenz
(Statik) kann so bestimmt werden, dass die Volllast für jede Frequenzänderung in den Grenzen von
1,5-80/o erreicht wird.
Die unter 1. und 3. charakterisierten Reguliermöglichkeiten sind in Abb. 2 dargestellt. Die Regulierung 2 entspricht der Regulierung 1 mit der
Überlagerung einer veränderlichen, durch den Bahnbetrieb bedingten Leistung.
Die in der Abb. 2 gezeichneten Charakteristiken
geben der Umformergruppe bei abnormalen Betriebszuständen noch keine Sicherheit hinsichtlich Überlastungen und Überdrehzahl.
Störungen äussern sich in der Regel durch grosse
F req':1enzschwankungen, wie sie beispielsweise als
natürliche Folgeerscheinungen bei Kurzschlüssen auftreten. In diesem Falle würde bei der Arbeitsweise
der Gruppe nach irgendeiner Charakteristik nach der
Bedingung 3, die übertragene Leistung Werte annehmen, die die Belastbarkeit der Maschinen überschreiten, den Überlastungsschutz unfehlbar zum An- sprechen bringen und die Gruppe ausser Betrieb
setzen würde.
+P
e'
=-
>I
1
Abb. 2. -
~
-
~
1
:::::r,,"""'2
„f
Betriebscharakteristiken.
P = Leistung.
+ Leistungsabgabe an das die Regulierung beeinflussende N etz.
f =
a und a ' =
bund b' =
c=
c' =
d=
d' =
e=
c' =
- Leistungsaufnahme aus dem die Regulierung beeinflussenden
Netz.
Frequenz.
Charakteristiken gemäss Bedingung 1 (konstante Leistung a ls
Generator).
Charakteristike n gemässBedingung l(konstante Leistung alsMotor).
Charakteristiken gemäss Bedingung 3 für f 0 = f 1 und kleiner
Statik.
Charakteristik gemäss Bedingung 3 für f o = f 1 und grosser
Statik ( rd. 8 O/o).
Charakteristik gemäss Bedingung 3 für f o = f 2 und kl eine Statik.
Charakteristik gemäss Beding ung 3 für f o = f 2 und g rosse Statik.
Charakteristik gemäss Bedingung 3fürf 0 = f 3 und kleine Statik.
Charakteristik gemäss Bedingung 3 für f o = f 3 und grosse Statik.
Das lnbetriebbleiben einer Umformeranlage auch
im Störungsfalle muss als conditio sine qua non betrachtet werden: das gesunde Netz sollte das gestörte,
soweit es die Maschinenleistung erlaubt, unterstützen.
MAI 1934
Diese Forderung bedingt, dass die Betriebscharakteristiken der Umformeranlage bei Überschreiten
von bestimmten, einstellbaren Frequenzwerten nach den
in Abb. 3 dargestellten Gesetzen verändert werden.
+P
a
c'
1
1
" - .<
-,
1 . \{
1f2
11
\
1
\ a'"
f
b"
a
,,,,
36442·1
Abb. 3. P
f
a
a' und a"
b und c
Begrenzte Betriebscharakteristiken.
=
=
=
=
=
Leistung.
Frequenz des einen Netzes.
Charakteristik für konstante Leistung.
Leistungsbegrenzung bei wachsender frequenz.
Frequenzabhängige Charakteristiken, b mit kleiner
Statik, c mit grosser Statik.
h'und b", c' und c" = Begrenzte Charakteristiken.
Wie dieser Abbildung entnommen werden kann, wird
jede Charakteristik stets so beeinflusst, dass bei Überschreiten einer bestimmten, wählbaren Grenzfrequenz
die übertragene Leistung sich stets den veränderten
Betriebsbedingungen anpasst oder die zulässige Belastbarkeit der Maschine nicht überschreiten lässt.
Arbeitet z. B. die Umformeranlage mit konstanter
Leistung nach einer Charakteristik a, so würde bei
einer möglichen Abschaltung auf der Generatorseite
die Gruppe durch die eingestellte Leistung in der
Tourenzahl hochgetrieben, was jedoch nur bis zu der
wählbaren Grenzfrequenz f === f 1 möglich ist. Von dort
an nimmt die Beschleunigungsleistung mit weiter zunehmender Frequenz je nach der eingestellten Statik,
nach einer wählbaren Charakteristik a ' oder a " ab.
Sie erreicht im Schnittpunkt der Charakteristik mit
d er x-Achse den Wert 0.
Arbeitet die Gruppe dagegen nach einer frequenzabhängigen Kennlinie b oder c, so wird bei Überschreiten von wählbaren Grenzfrequenzen f === f2 und
f === f3 (für b) oder bei f === f4 , und f === f5 (für c)
die Leistungsabgabe von der Frequenz unabhängig
auf einem konstanten, einstellbaren Wert festgehalten.
II. DIE GRUNDSÄTZLICHE WIRKUNGSWEISE
DER UMFORMERGRUPPE UND IHRE
REGULIERUNG.
Es bedarf wohl keiner weiteren Erläuterung, dass
diese Vielseitigkeit der Arbeitsweise, wie sie an eine
solche Umformeranlage gestellt wird, mit der einfachen
Kupplung zweier Synchronmaschinen oder einer Synchron- mit einer Asynchronmaschine nicht erreichbar ist.
MAI 1934
BROWN BOVERI MITTEILU NGEN
SEITE 85
wird, erlaubt einerseits eine wirtschaftliche Regulierun g
und anderseits den vielseitig gestellten Bedingung en
gerecht zu werden.
Die grundsätzli che Schaltung einer Umformergruppe mit einer Scherbius-M aschine als Reguliermaschine, wie sie von Brown Boveri entwickelt wurde,
ist in Abb. 4. dargestellt.
Bei Asynchron maschinen ist bei konstanter
Spannung die Leistung proportiona l dem Rotorstrorn
und dieser letztere ist abhängig von der Rotorspann ung.
Wenn es gelingt, in den Rotorstrom kreis eine regulierbare Spannung mit Schlupffreq uenz einzuführen , so
ist es demnach durch Veränderu ng dieser Spannung
möglich, die Leistung der Asynchronm aschine nach
beliebigen Gesetzen zu regulieren. Eine solche Spannung von Schlupffreq uenz liefert der Frequenzw andler e.
Sein Rotor ist fest auf die Welle der Umformergruppe aufgekeilt und somit mit seiner Drehzahl an
die Frequenz des Einphasenn etzes gebunden. Der
Rotor wird dreiphasig über Schleifring e vorn Dreiphasennetz gespeist und liefert an seinem Kollektor
eine der Speisespan nung proportion ale Spannung, jedoch mit der gewünschte n Schlupffreq uenz. Da jedoch
Frequenzw andler für so grosse Leistungen aus technischen Gründen nicht gebaut werden können, um
unmittelba r die Erregung der Asynchronm aschine
übernehme n zu können, speist der Frequenzw andler
die Erregung der Scherbiusmaschine, die als Dreiphasen-Kollek tormaschin e an ihrem Kollektor, weil mit
Schlupffreq uenz erregt, wiederum eine Spannung mit
Schlupffreq uenz liefert, die dann in den Rotorkreis
der Asynchronm aschine eingeführt wird.
Durch bestimmte Veränderun gen
II
1
der Speisespan nung des Frequenzwandlers mit dem Induktions regler f
ist es möglich, die Leistung der Asynchronmasch ine unabhängig vom erzwungenen Schlupf nach bestimmten
f
Gesetzen zu beeinflusse n. Da jedoch
die vektorielle Phasenlage der Spannung
b
für die Verteilung der Wirk- und Blindleistung der Asynchron maschinen massc
a
d
gebend ist, muss die Speisung des
Frequenzw andlers mit einem Doppel36443·1
induktionsr egler, mit unveränder ter Phasenlage der regulierten Spannung, verwendet werden.
Abb . 4. - Allgemeines Schaltbild der Gruppe.
Das ganze Problem der Leistungsc = Dreiphasen-As ynchro nmaschine.
I = Einphasen netz.
d = S ch erbiusmaschine (R eguliermaschin e zu c).
II = Dreiphasen netz.
regulierung einer Umformerg ruppe konine).
Scherbiusmasch
r
de
ung
{Erreg
ler
ine.
Frequenzwand
e =
a = Einphasen -Synchronmasch
zentriert sich auf die geeignete Regulief = Induktio ns regler.
a.
zu
rmaschine
rrege
E
=
b
rung des Doppel-Ind uktionsregl ers, dessen
regulierte Spannung nun allein für die Leistung der Asynlierung mit Widerstand im Rotorkreis der Asynchronchronmasch ine und damit auch für die durch das Ummaschine kann aus wirtschaftlichen Gründen wegen
zu grosser Verluste nicht in Betracht kommen. Nur formeraggr egat übertragen e Leistung rnassgeben d ist.
Zu diesem Zwecke wurde von Brown Boveri eine
eine Schlupfreg ulierung mit Hintermasc hinen, wobei
der grösste Teil der Schlupfene rgie zurückgew onnen Regulierein richtung entwickelt, welche erlaubt, die Um-
Um die gestellten Aufgaben zu lösen, kam für
den vorliegend en Fall eine sogenannte elastische Urnformergrup pe mit einer besonders hiefür entwickelte n
Regulierein richtung zur Verwendun g. Sie besteht aus
zwei Hauptmasc hinen, einer Asynchron -Dreiphase nund einer Synchron-E inphasenma schine, den Regulierrnaschinen für eine verlustlose Schlupfreg ulierung
(Scherbiusr egulierung) und der zugehörige n Steuerapparatur.
Bei einer Umforrnera nlage, bestehend aus nur
einer Asynchron - und einer Synchronm aschine ohne
Regulierka skade ist der Schlupf der Asynchronm aschine
allein, d. h. die mit letzterem proportion ale Schlupfspannung für die Leistungsü bertragung rnassgeben d.
Da die Synchroqrn aschine und damit auch die gekuppelte Asynchron maschine synchron mit der Frequenz
des Einphasenn etzes laufen muss, wird der Gesamtschlupf der Asynchronr naschine durch die Frequenzen
der beiden gekuppelte n Netze bestimmt. Industrienetze weisen im normalen Betrieb Frequenzsc hwankungen bis rd. 10/0. auf, während in Netzen mit Bahnbetrieb mit solchen von 3 0/ 0 gerechnet werden muss,
sodass sich ein Gesamtschl upf, der für die Asynchron maschine massgeben d ist, von etwa 4 °/0 ergibt. Asynchronmasch inen von einigen tausend Kilowatt Leistung
haben einen natürlichen Schlupf von Leerlauf bis Volllast in der Grössenord nung von 1/2-3/4 0/ 0. Ein solcher
von 4 J0 , wie er sich bei gekuppelte n Netzen ergibt,
würde einer Belastung entsprechen , welche die Leistungsfähig keit der Asynchron maschinen und damit
auch der Synchronm aschinen um ein Vielfaches überschreiten würde. Auch eine zusätzliche Schlupfreg u-
°
SEITE 86
BROWN BOVERI MITTEILUNGEN
formergruppe nach den gleichen Gesichtspunkten hinsichtlich Regulierung, wie auch betreffend Sicherheit
zu betreiben, wie eine moderne Turbinengeneratorgruppe. Gemäss Abb. 5 wird der Doppel-Induktionsregler h, der den Frequenzwandler speist, von einem
Nulleistungsregler g vorerst so gesteuert, dass die Leistung der Asynchronmaschine unabhängig vom Schlupf
stets auf den Wert 0 einreguliert wird. Der Nullleistungsregler arbeitet astatisch, d. h. ohne Gegenfeder,
sodass die Trommel T in jeder Lage im Gleichgewicht
ist. Der Regler, d. h. sein Drehsystem, die Trommel T,
steuert mechanisch das Vorventil k des Servomotors f.
Dieser verstellt den Rotor des Doppel - Induktionsreglers, wodurch die gewünschte Spannungsänderung
am Frequenzwandler bewirkt wird. Durch diese Steue-
„
MAI 1934
der Zuleitung der Asynchronmaschine die Leistung 0
eingestellt ist. Durch diese Schaltung wird nun die
Asynchronmaschine vollständig entkoppelt, d. h. die
Leistung wird vom Schlupf vollkommen unabhängig
gemacht.
Jede Superposition eines W attstromes im Stromsystem des Nulleistungsreglers überträgt sich linear als
Leistung auf die Asynchronmaschine. Gelingt es, eine
solche W attkomponente nach gewissen Gesetzen dem
Stromsystem zu superponieren, so ändert sich damit
auch die Leistung der Asynchronmaschine nach denselben Gesetzen.
Ein Spannungsteiler c (Handpotentiometer), nach
Abb. 6 superponiert auf das Stromsystem des Nullleistungsreglers, eine eindeutige Zusatz -Wattkomponente, unter deren Einfluss sich der
II
l
Regler so lange verstellt, bis zwischen
der Wirkung des Stromes vom Stromwandler in Phase S und derjenigen der
Spannung vom Spannungsteiler wieder
Gleichgewicht herrscht, d. h. die Wirkleistung der Maschine wird eindeutig
auf dem durch den Spannungsteiler diktierten Wert festgehalten. Die Asynchronmaschine arbeitet motorisch oder
generatorisch, je nachdem die den Wattstrom bewirkende Zusatzspannung am
a
c
d
Spannungsteiler, bezogen auf die Netzspannung, positiv oder negativ ist. Die
Mittellage am Spannungsteiler entspricht,
weil in dieser Stellung keine ZusatzAbb. 5. - Allgemeines Schaltbild
der Anlage.
spannung zur Wirkung kommt, der
1 = Einphasennetz.
Leistung 0.
II = Dreiphasennetz.
f
Mit der beschriebenen und in Abb. 6
a = Einphasen-Synchronmaschine.
b = Erregermaschine zu a.
~
P"""~ k
grundsätzlich dargestellten einfachen
c = Dreiphasen-Asynchronmaschine.
d = Scherbiusmaschine.
Schaltung ist es möglich, die Umformere = Frequenzwandler.
gruppe mit konstanter, · beliebig von 0 bis
f = Servomotor.
g = Nulleistungsregler.
Vollast einstellbarer Wirkleistung und mit
h = Doppel-Induktionsregler.
beliebiger Leistungsrichtung zu betreiben.
i = Transformator zur Speisung von h.
k = Vorventil des Se rvomotors.
Diese Art des Betriebes hat jedoch
......__ _ _ _ _ _ _ _ ____, 36444·1
T = Trommel des Nulleistungsreglers.
den Nachteil, dass bei einer möglichen
rung des Induktionsreglers ist eine eindeutige Zu- Abschaltung auf der Synchronseite bei Energiefluss
ordnung zwischen der Stellung der Trommel des Reg- asynchron-synchron die eingestellte Leistung die
lers und derjenigen des Induktionsreglers gewähr- Massen beschleunigt, bis ein Sicherheitsorgan die
Umformergruppe asynchronseitig ausser Betrieb setzt.
leistet.
Da der Nulleitungsregler für eine sehr grosse Der Betrieb hat in dieser Beziehung noch nicht die
Ansprechgenauigkeit gebaut werden kann, der Öl- Sicherheit erlangt, wie sie ein Turbinenaggregat aufdruckservomotor eine sehr rasche Regulierung erlaubt weist. Auch erlaubt die Einstellung mit diesem
und endlich die elektrischen Maschinen (F requenzum- Spannungsteiler nicht, die Durchgangsleistung in
former, Scherbiusmaschine und Asynchronmaschine) Abhängigkeit der Frequenz d es einen oder andern
wegen der Verwendung von nur lamelliertem Eisen in Netzes zu verändern. Ersetzt man jedoch die Handden magnetischen Kreisen äusserst kleine Zeitkon- regulierung des Spannungsteilers durch eine autostanten aufweisen, wird durch die besprochene Regulier- matische Regelung mit Hilfe eines Pendelreglers
anordnung eine sehr rasche Regulierung gewährleistet. gemäss Abb. 7, so lassen sich damit die analogen
Nach dieser Schaltung reguliert der Nulleitungs- Charakteristiken einstellen, wie sie eine neuzeitliche
regler unabhängig vom Schlupf stets so lange, bis in Turbinenregulierung aufweist.
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BR O WN B O VERI MITTEILUNG EN
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II
II
R
--------------____
s .._-----------------a''"..,________________
---...
----__.,....
..,.______
r .....------..-.----- -----------........+-----~
d
,.
b
n
·-
·- ·1
m
1
1
1
1
T
j
'
1
1
V,
..,...,.
<.o
---~~~~~~~~~~__,M
Abb. 6. -
Schaltbild des Reglers.
II = Dreiphasennetz.
a = Nulleistungsregler.
b ~ Verbindung zum Vor~entil
des Servomotors.
=
Spannungst eiler {Handpotentiometer).
d = Spannungswandler.
T = Trommel des Nulleistungsregl ers.
c
g
Wie bereits erwähnt, besteht, unabhängig vom
Schlupf der Asynchronmasch ine, Proportionalität zwischen der mechanischen Stellung des Spannungsteiler s
und der Leistung der Asynchronmasch ine und zwar
entspricht der Mittelstellung des Spannungsteiler s
Leistung 0, seiner Verstellung nach der einen Seite
generatorischem , der Verstellung nach der andern
Seite motorischem Betrieb der Asynchronmaschine.
a) Regulierung der Um/ormerleistung in Abhängigkeit der Frequenz des einen Netzes.
Mit der in Abb. 7 schematisch dargestellten selbsttätigen Potentiometerre gulierung ergibt sich mit einer
Hebelübersetzun g, eine mit der Frequenz des das Pendel
antreibenden Netzes, proportionale mechanische Verstellung des selbsttätigen Spannungsteiler s 0 (automatisches Potentiometer) und damit eine proportionale
Änderung der Leistung der Asynchronmaschine. Rotiert
das Pendel synchron mit der Netzfrequenz f der Synchronmaschine, so erhält man eine der in der Abb. 2 verlangten Charakteristiken c oder c', vorausgesetzt, dass
die Mittellage des Spannungsteiler s der Frequenz f 1
entspricht. Die Neigung der Charakteristik kann beliebig
durch Verschieben des Stützpunktes a, d. h. durch
Veränderung
X
des Hebelübersetzun gsverhältnisses -
y
eingestellt werden, womit sich jede beliebige Charakteristik zwischen c und c' einstellen lässt. c entspricht dem
Stützpunkt a stark rechts, d. h. einer kleinen Statik;
c' einer Verschiebung des Stützpunktes a nach links,
d. h. einer Charakteristik mit grosser Statik. Der
Zeiger g am Hebelsystem zeigt auf einer Skala jeder-
00
......
Abb. 7. - Grundsätzliche Schaltung
der automatischen PotentiometerRegulieru ng.
=
II
a
e
g
k
m
n
=
=
=
=
=
=
o
p
q
F
T
=
=
=
=
=
Dreiphasennetz.
Stützpunkt.
Anschläge.
Zeiger.
Wandermutter.
Nulleistungsregler.
Ve rbindung zum Vorv entil des
Servomotors.
Spannungsteiler.
Pendelregler.
Antriebmotor des Pendels.
Z ei~er der Wandermutter k.
Trommel des Nulleistungsreglers.
zeit angenähert die von der Synchronmaschin e aufgenommene oder abgegebene Leistung an.
Diese Reguliereinrichtu ng erlaubt aber nicht ~ur
eine Veränderung der Statik, sondern auch eine Verschiebung des Nullpunktes der Charakteristik, durch
eine einfache Verschiebung der Wandermutter k. Dies
bewirkt eine Änderung der Länge 1 und somit eine
Verschiebung der Mittellage des selbsttätigen Spannungsteilers (Leistung 0), auf einen andern Frequenzwert, womit sich ohne weiteres die in Abb. 2 verlangten Charakteristiken d und d ' bei Verschieben der
Wandermutter nach der einen, e und e ' bei Verschieben
derselben nach der andern Richtung ergeben. Ein Betrieb mit solchen Kennlinien könnte jedoch sowohl im
normalen Betrieb bei kleiner Statik, besonders aber
im Störungsfall mit starken Frequenzänderu ngen (Kurzschluss) auch mit grosser Statik Überlastungen der
Umformergrupp e zur Folge haben, die die Umformeranlage abschalten würden.
SEITE 88
BROWN BOVERI MITTEILU NGEN
Wird der Ausschlag des Zeigers g und damit
der Hebel zur Betätigung des Spannungs teilers durch
feste, einzeln beliebig einstellbare Anschläge e begrenzt, so wird damit auch die Leistung der Umformergruppe begrenzt.
Diese ganze Regulierein richtung entspricht der
Öffnungsb egrenzung der Turbine, nur dass sie für
beide Energierich tungen wirksam ist, womit die Bedingungen gemäss der Abb. 3 erreicht sind (Charakteristiken b ' und c'). Der Zeiger f, der fest mit der
Wandermu tter verbunden ist, sich also mit dieser verstellt, zeigt stets diejenige Frequenz an, bei welcher
keine Leistung durch die Gruppe übertragen wird,
d. h. diejenige Frequenz, bei welcher die Charakteristik die Abszissena chse schneidet.
Mit dieser Charakteri stik kann die Umformergruppe, wie jeder andere Generator, die Frequenzhaltung, d. h. die Spitzenbel astung in einem Netz
übernehme n, mit dem Vorteil gegenüber einem gewöhnlichen Generator, dass seine Kapazität hierfür
wegen der Reguliermö glichkeit in beiden Richtungen
der doppelten Maschinenl eistung entspricht.
b)
Übertragung einer konstanten Leistung.
Oft werden Stromliefer ungsverträg e für Bezug
oder Abgabe einer stets gleichbleib enden Energiequo te
abgeschlos sen. Auch hierfür lässt sich vorteilhaft der
Pendelregl er verwenden . Gleichbleib ende Energiequo te
heisst unveränder te Stellung des selbsttätige n Spannungsteiler s. Wird die Leerlaufdre hzahl oder die
Frequenz für Leistung 0 für Generatorb etrieb der
Synchronmaschine so hoch eingestellt, dass diese
Frequenz bei Normalbetr ieb nicht erreicht wird und
wird die Leistungsb egrenzung durch den Anschlag e
auf die zu übertragen de Quote eingestellt, so wird
im normalen Frequenzbe reich der Zeiger stets am
begrenzend en Anschlag e anliegen, der automatisc he
Spannungs teiler in unverändet er Stellung bleiben, und
somit wird die konstante Energiequo te festgehalte n.
In ähnlicher Weise muss für den Motorbetri eb der
Synchronmaschine der Leerlaufpu nkt tiefer als die
normal zu erreichende tiefste Frequenz eingestellt
werden, um die gewünschte konstante Leistung über
dem normalen Frequenzbe reich zu erhalten.
MAI 1934
bis die eingestellte Grenzfrequenz erreicht ist,
bei welcher die
Leistungsch arakteristik frequenzabhängig wird. In
diesem Augeng
blick verlässt der
e
Zeiger g den begrenzenden Anschlag und bewegt sich bei
Freweiterer
quenzsteig erung
gegen den zweiAnschlag.
ten
Beim eingestellten Leerlaufpu nkt
die
schneidet
Charakteri stik a "
(Abb. 3) die AbAbb. 8. - Automatische s Potentiomete r.
h d
.
Ansicht von vorne.
sz1ssenac se, ann
kehrt die Energierich tung um und wächst in diesem
Sinne an, bis der Zeiger mit dem zweiten Anschlag
c) Störungsfälle.
Die Gruppe arbeitet mit konstanter Leistung
und das Pendel rotiert synchron mit der Frequenz f
der Synchronmaschine.
Bei Abschaltun g im Netz der Synchronmaschine
ist es denkbar, dass das noch mit der Maschine zusammenges chlossene Netz nicht imstande ist, die eingestellte Energiequo te aufzunehm en, wodurch sich die
besprochen e Frequenzer höhung ergeben kann. Die
Frequenzst eigerung geht jedoch nur so lange vor sich,
Abb. 9. -
Automatische s Potentiomete r. Ansicht von hinten.
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BROWN BOVERI MITTEILUNGEN
SEITE 89
zur Berührung kommt. Letztere kann beliebig zwischen
0 und negativer Vollastleistung eingestellt werden, wie
dies in der Abb. 3 durch die Charakteristiken a 111 und
a"" angedeutet ist. Wenn auf dem abgeschalteten
Stück kein Konsum mehr vorhanden ist und auch
keine weiteren Generatoren auf dieses Netzstück
arbeiten, wird die Drehzahl der Umformergruppe
selbsttätig auf der eingestellten Nullfrequenz gehalten.
Bei Auslösen des Schalters der Synchronmaschine
z. B. infolge Überlast, reguliert die automatische Regulierung in gleicher Weise, ebenfalls auf die eingestellte Leerlaufdrehzahl. In diesem Falle kann die
Einphasenmaschine ohne 'Neiteres durch Verstellen
der Leerlaufdrehzahl synchronisiert werden, und die
ganze Umformeranlage ist wieder im Betrieb.
In gleicher Weise lässt sich auch beim Motorbetrieb der Synchronmaschine bei zu tiefer Netzfrequenz
die Leistung begrenzen, d. h. zurückreguliereri, sodass
von selbst eine Entlastung des Netzes eintritt. Auch
diese Charakteristik lässt sich wiederum analog wie
die vorhergehende auf jeden beliebigen für die Umformeranlage unschädlichen Wert begrenzen.
Mit diesem einfachen Apparat, dem automatischen
Spannungsteiler, wird es, wie aus vorstehendem zu
ersehen ist, in einfacher Weise möglich, alle gestellten
Forderungen, sowohl hinsichtlich Regulierung, wie auch
betreffend den gewünschten Sicherheiten gerecht zu
werden. Die Umformeranlage arbeitet wie eine doppelt
wirkende Turbine, sie wird zur elektrischen Turbine.
Der zusammengebaute Apparat: Pendel und
Spannungsteiler, ist in Abb. 8 und 9 veranschaulicht.
Abb. 8 gibt die Vorderseite, auf welcher der Zeiger g
und die beiden Begrenzungsanschläge e sowie der
Nullpunktzeiger f (Anzeige der Frequenz für LeistungO)
ersichtlich sind. Die sichtbaren Sektoren sind die verschiebbaren Kontakte des Spannungsteilers. Unten auf
der Abbildung sind die beiden kleinen Motoren zur
Verstellung der Leistungsbegrenzung (Anschläge e)
noch zu sehen. Auf Abb. 9, die die Rückseite des
Apparates wiedergibt, ist das Pendel mit seinem Antrieb sowie die Verstellung der Statik mit Hilfe des
Stützpunkte~ a erkennbar. Der ganze Apparat ist zum
Einbau in eine Schalttafel entworfen.
(MS 782)
(Fortsetzung folgt.)
F. Grieb.
KLEINE MITTEILUNGEN.
Drehzahl der anzutreibenden
Maschine ohnehin die Zwischen..
schaltung eines Ubersetzungsgetriebes erfordert.
Die Räder der drei kleineren Typen sind fliegend
angeordnet, sodass die vordere Stopfbüchse und deren
Dampfverlust vermieden werden. Die beiden grösseren
Typen erhalten zweifach gelagerte Rotoren. Die Wellen
Die neue Kleinturbine Type DAR.
Dezimalindex 621.165.
Kleinere industrielle Betriebe benötigen neben elektrischer Energie oft auch Dampf mit verhältnismässig niedrigem
Druck für Koch- und Heizzwecke. Es ist in solchen Fällen
meist vorteilhaft, den Dampf in den Kesseln mit wesentlich
höherem Druck zu erzeugen, ihn in einer Gegendruckturbine auf den gewünschten Druck zu entspannen und mit
der in ihr erzeugten Leistung den Kraftbedarf des Betriebes
wenigstens teilweise zu decken.
Für die Wirtschaftlichkeit einer Gegendruckturbine
sind im G egensatz zur Kondensationsturbine in sehr vielen
Fällen die Anschaffungskosten von grösserer Bedeutung als
der Dampfverhrauch, weil die im Abdampf enthaltene
Wärme doch restlos ausgenützt wird. D er Bedarf an
billigen und doch möglichst wirtschaftlichen Gegendruckturbinen kleinerer Leistung hat deshalb Brown Boveri veranlasst, eine neue Kleinturbine zu entwickeln, die unter
der Typenbezeichnung DAR in fünf Grössen gebaut wird
(Abb. 1)
Das für Gegendruckturbinen verfügbare Druckgefälle
oder besser gesagt, Wärmegefälle ist meist verhältnismässig
klein, sodass es in einem einzigen Gleichdruckrad noch mit
gutem Wirkungsgrad ausgenützt werden kann. -Der Rotor
erhält deshalb nur ein zweikränziges Gleichdruckrad (Curtisrad) mit kleinem Durchmesser. Da aber zur Erzielung eines
guten Wirkungsgrades eine grosse Umfangsgeschwindigkeit
erforderlich ist, muss die Drehzahl entsprechend hoch sein.
Die Turbinen sind daher für Drehzahlen bis 17000 U/min
geeignet, wobei die Materialbeanspruchung dank der kleinen
Durchmesser und Verwendung hochwertiger Baustoffe in
mässigen Grenzen gehalten wird. Die mit Rücksicht auf
einen guten Dampfverbrauch wünschenswerte Anpassung
an das jeweils zu verarbeitende Wärmegefälle geschieht
durch die Wahl der günstigsten Drehzahl. Dies bereitet
keine Schwierigkeiten, da die '. meist wesentlich kleinere
36542·1
Abb. 1. - Kleinturbine Type DAR, 40 kW, mit angebautem Getriebe
14000 / 4000 U/min.
SEITE 90
BROW N BOVE RI MITTE ILUNG EN
MAI 1934
Paris-O rleans-B ahn. Jener Rekord ist seither geschla gen
werden durch Labyrin th-Stop fbüchse n gedicht et und sämtworden und zwar von einer Lokom otive der gleichen Serie,
liche Lager durch Druckö l geschm iert.
aber der neuen Lieferu ng dieser Lokom otiven für die P.-0.Mit Ausnah me der kleinste n Type, bei welcher das
Bahn. Anfang s Novem ber des Jahres 1933 hat die MaDüsenv entil mechanisch vom Geschw indigke itsregle r beschine E 504, eine der 25 Lokomo tiven, die die P.-0.-B ahn
tätigt wird, erhalten sämtliche Turbine n eine gestäng elose
im Jahre 1931 der Compa gnie Electro -Mecan ique, Paris,
Druckö lsteueru ng, ähnlich derjenig en grösser er Brown
1)
e,
bestellt
Paris,
ille,
Fives-L
gnie
Compa
der
mit
en
zusamm
hl
Drehza
n
normale
der
en
Erreich
Boveri- Turbine n. Beim
beginnt der Geschw indigke itsregle r zu wirken. Er bewegt dabei die Ölregul iermuff e
derart, dass mit steigen der Belastu ng der
Druck des Steuerö les durch Verklei nerung
I
des Abfluss quersch nittes zunimm t und die
·/
mit Federn verschi edener Schlies skraft versehenen Düsenv entile nachein ander öffnet.
Die Turbine n erhalten je nach Leistun g und
Verwen dungszw eck ein bis drei Düsenv entile.
Sie sind ferner mit einem vom Steueru ngssystem vollkommen unabhä ngigen Sicherh eitsregler ausgexü stet, der bei einer etwa zehnprozent igen Ubersc hreitun g der Drehza hl auslöst · und das Haupta bschlus sventil schliesst.
Soll die Turbine auf konstan ten Gegendruck regulie rt werden , so stehen die Frischdampfv entile derart unter dem Einfluss eines
Abb. 1. - Schnellz uglokom otive 2 D 0 2, Serie E 503- E 527 (Lieferu ng 1933/34).
Gegend ruckreg lers, dass sie bei grösser em
Gleichstr om 1500 V, 4000 PS, Höchstgeschwindigkeit 130 (140) km/h {ausnahmsweise wurde
Heizda mpfbed arf infolge des fallende n Gemit 158 km/h gefahren) .
gendruc kes öffnen, bei abnehm endem Heizdampf bedarf und damit steigen dem Gegenden Südexp ress
.. geführt , in dem sich Herr M. Vaugoi n,
druck schliessen. Der Drehza hlregle r ist dabei so eingest ellt,
Präside nt der Osterre ichische n Bundes bahnen befand. Der
dass er erst bei Übersch reitung der Leerlau fdrehza hl einZug legte die 100 km lange Strecke Juvisy- Les Aubrai s in
zugreife n beginnt .
40 Minute n zurück, entspre chend einer mittlere n, bis jetzt
Bei den drei kleinere n Typen ist das Turbine ngehäu se
kaum ermit dem Getrieb ekasten zusamm engego ssen. Turbine nrad
reichten
und Getrieb eritzel bilden ein einzige s Stück. Die beiden
Geschwingrösste n Typen erhalten getrenn te Gehäus e. Die Turbine ndigkeit von
welle ist hier zweifach gelager t und mit der Ritzelw elle
150 km/ h.
elastisch gekupp elt. Sowohl das Turbine ngehäu se als auch
Dabei beder Getrieb ekasten sind zur leichten Montag e und Kontro lle
trug die
in der Horizon talen geteilt.
grösste
Die Getrieb e erhalten mit Druckö l geschm ierte PräFahrzisionsz ahnräde r. Das Öl für die Schmie..rung und für die
geschwinRegulie rung der Turbine wird von einer Olpump e geliefer t,
digkeit
die im Getrieb ekasten eingeba ut und von der Radwel le
158 km/h
angetri eben wird.
und das
Die Turbine n werden für Betrieb mit Frischdar:npf
Anhäng ealler gebräuc hlichen Drücke und Temper aturen, für Gegengewich t
drücke von 0,4 bis 6,0 kg/cm2 abs und je nach den Dampfetwa 475 t.
verhältn issen für Leistun gen bis etwa 450 kW gebaut. Sie
Die offieignen sich besond ers zum Antrieb von elektris chen Maziellen Verschinen kleinere r Leistun g in Betrieb en, wo Dampf für Kochtreter franund Heizzw ecke benötig t wird, ferner für Schiffshilfszösisch er
maschinen und für direkte n Antrieb hochtou riger Gebläse .
Bahnen ,
Die Type DAR bietet im Vergleich zu den bisher gein Begleibauten Kleintu rbinen grosse Vorteil e. Der Platzbe darf ist
tung von
dank ihrer gedrän gten Bauart sehr klein; sie erforde rt wegen
Präside nt
des geringe n Gewich tes nur leichte Fundam ente, der Wirkun gsVaugoi n,
grad ist gut und die Anscha ffungsk osten sehr gering.
konnten
L. Böttcher.
(MS 815)
sich bei
dieser GeleZehn weiter e Schnel lzuglok omotiv en der Type 2 Do 2 genheit ReAbb. 2. - Blick in den FUhrers tand.
mit Brown Boveri -Einze lachsan trieb für die
chenschaft
Paris-O rleans- Bahn.
geben vom rulligen Gang und der unbedin gten Stabilit ät
Dezimalin dex 621. 335. 2 (44).
dieser Lokomo tivtype.
Im Heft 6, Jahrgan g 1933, S. 191 der Brown Boveri
Zu Ende des Jahres 1933 waren bereits 16 Stück
Mitteilu ngen wurde über einen Geschw indigke itsrekor d beder 25 Lokomo tiven der zweiten Bestellu ng geliefer t.
richtet, der mit einer Schnell zugloko motive der Type 2 Da 2,
Vier Maschinen dieser neuen Lieferu ng hatten am 15. DeNr. E 502 aufgest ellt wurde, anlässlich der Eröffnu ng des
1) Brown Boveri Mitteilun gen, H efC2, Jahrgang 1932, S. 78/79.
elektris chen Betrieb es auf der Strecke Orleans -T ours der
•
•
MAI 1934
BROWN BOVERI MITTEILUNGEN
SEITE 91
zember 1933 bereits je 60000 bis 70000 km Fahrleistung
hinter sich.
Es ist offenbar in Würdigung dieser glänzenden Ergebnisse und da keine der bis jetzt gelieferten Maschinen
ähnlicher Bauart, aber anderer Herkunft, gleich gute Eigenschaften zeigte, dass noch im Dezember des Jahres 1933,
also bevor die zweite Lieferung beendigt war, eine neue
Bestellung von seiten der P .-0.-Bahn erfolgte und zwar
an die gleichen Lieferanten, auf zehn Lokomotiven der
gleichen Type 2 Do 2 mit Brown Boveri-Einzelachsantrieb.
(MS 832)
E. Schrreder.
Hochstrom-Gleichrichter für Russland.
D ezimalindex 621.314.65 (47).
Für zwei Anlagen in Russland, wovon die eine in
Tscheljabinsk, die andere in Wladikawkas zur Aufstellung
kommt, hat Brown Boveri vier Hochstrom-QuecksilberdampfGleichrichtergruppen von 9000 A bei 575 V geliefert.
Jede Gleichrichtergruppe hat einen Regulier-Autotransformator, der es erlaubt, unter Verwendung der phasenweisen Spannungsregelung auf der Gleichstromseite der
Gruppe eine Gesamtstufenzahl von 60 zu erhalten. Der vorgeschriebene Regulierbereich beträgt 475- 575 V Gleichstrom. Es hat sich aber als zweckmässig erwiesen, diesen
Bereich nach unten etwas zu erweitern, was ein bequemeres
Anlassen der Zinkelektrolysezellen erlaubt. Die Dauerstromstärke jeder Gleichrichtergruppe beträgt 9000 A, wobei die
gesamte Leistung durch einen Gleichrichtertransformator,
der primär in Dreieck-, sekundär in offener SechsphasenSchaltung g eschaltet ist, g eliefert wird.
Abb. 1. Brown Boveri - Hochstromgleichrichter, geliefert nach
Jeder Gleichrichter hat 12 Anoden, die einzeln über
Tscheljabinsk und Wladikawkas für Zinkelektrolysewerke.
entsprechende Verteildrosselspulen an die S ekundärphasen
Betriebspannung 575 V.
des Haupttransformators angeschlossen sind. Die Gleichsomit möglich, jederzeit die Spannung, die der betreffenden
richter gehören der normalen Brown Boveri-Hochstromtype
Stufenschalterstellung entspricht, unmittelbar an der Schaltan; sie sind mit entsprechenden Luftpumpenaggregaten und
Zündvorrichtungen versehen. Eine Neuerung in dem Betrieb
tafel abzulesen.
Die In- und Ausserbetriebsetzung jeder Gleichrichtersolcher Gleichrichter besteht in der Einführung eines Übergruppe muss zwangläufig in einer bestimmten Reihenfolge
stromschutzes durch gesteuerte Gitter. In der Abb. 1 sind
der Schaltvorgänge durchgeführt werden. Zu diesem
die Einführungen zu den g esteuerten Gittern neben den
Zweck sind verschiedene Apparate und Teile der Anlage
ljauptelektroden sichtbar. Bei Auftreten eines unzulässigen
untereinander elektrisch oder mechanisch verriegelt. Das
Uberstromes werden die gesteuerten Gitter durch ein genachfolgende Beispiel soll den vorgeschriebenen Einschalteignetes, rasch wirkendes Relais augenblicklich unter negative
fahrplan andeuten.
Hilfspannung gesetzt und der Gleichrichter in kürzester Zeit
Beim Einschalten muss man sich zue rst vergewissern,
gesperrt. Die für die Steuergitter b enötigte Gleichstromhilfob · die Luftleere im Gleichrichter genüg end hoch ist. Für
spannung wird _durch ein kleines Aggregat von 0,55 kW
die Aufrechterhaltung dieser Luftleere steht je Gleichrichter
Gleichstromleistung bei 110 V geliefert.
ein Luftpumpenaggregat, bestehend aus einer QuecksilberAusser dem Gitterschutz werden für den Schutz des
dampf-Hochvakuumpump e und einer r otierenden VorvakuumGleichrichters sowie für seine Abtrennung von der Speisestromquelle und von d er Gleichstromseite
geeignet e dreipolige Ölschalter und Gleichstrom-Schnellschalter verwendet.
Aus Abb. 2, die eine Schalttafel für
zwei Gleichrichtergruppen darstellt~ ist die
Anordnung der Messinstrumente ersichtlich.
Die Stufenschalter, die in die entsprechenden Reguliertransformatoren eing ebaut
wurden, werden durch einen Kontaktgeber
von d er Schalttafel aus betätigt. Es ist nun
von Wichtigkeit, nicht nur die durch die Betätigung der Reguliervorri chtung erzielte
Gleichstrombetriebspannung messen zu können, sondern auch zu wissen, in welcher Lag e
sich der Stufenschalter gerad e befind et. Dies
. 37562·1
erfolgt durch eine elektrische Messvorrichtung, welch e ihrerseits ein Anzeigeinstrument
b etätig t. Das let ztere ist ebenfalls auf d er
Frontseite der Schalttafel in d er Nähe d es
Abb. 2. - Vorde ransicht d e r Hauptschalttafel für zw e i Gleichrichtergr u ppen von
Gleichstromvoltmeters angeordnet. Es ist
9000 A, 575 V, d e r Anlage Tscheljabinsk.
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MAI 1934
BROWN BOVERI MITTEILU NGEN
pumpe zur Verfügung. Die Inbetriebset zung des Luftpumpenaggr egates erfolgt durch Betätigung eines Handschalters, wobei zuerst die Heizplatte der Hochvakuum pumpe
unter Spannung gesetzt wird. Nach etwa 15 Minuten Betriebszeit der Hochvakuum pumpe, vom kalten Zustande aus
gerechnet, wird die Vakuumpum pe eingeschalte t. Die Messung der Luftleere wird durch das Hitzdrahtva kuummeter
sowie durch das entsprechen de Vakuummes sinstrument bewerkstelligt . Letzteres hat zwei Kontakte; der eine entspricht dem ungenügend en Vakuum, der andere einem unzulässig schlechten Vakuum. So bald der Instrumente nzeiger
die entsprechen de Lage einnimmt, wird ein Rufstromkre is
unter Spannung gesetzt und bei ungenügend er Luftleere
das Personal alarmiert. War die Vorvakuum pumpe nicht in
Betrieb, so wird bei ungenügend er Luftleere diese eingeschaltet. Bei sehr schlechtem Vakuum aber wird die Gruppe
automatisch ausser Betrieb gesetzt.
Ist das Vakuum gut, so kann die Inbetriebset zung der
Gleichrichte rgruppe erfolgen. Der Erregerstrom kreis der
Gleichrichte rgruppe wird durch Betätigung eines Paketschalters unter Spannung gesetzt. Durch das Schliessen
dieses Schalters werden die Gleichrichte r selbsttätig gezündet und erregt. Gleichzeitig werden aber die Gitterschutz-Moto rgeneratorgr uppen sowie die Umlaufgrup pen der
Wasserkühl ung in Gang gesetzt. Haben die beiden Gleichrichter richtig gezündet und sind sie erregt, so kann man zur
weiteren
.. Durchführung des Einschaltvorganges schreiten.
Der Olschalter wird durch seinen Motorantrie b geschlossen.
- Der Autotransfo rmator, der Haupttransf ormator sowie die
Verteildross elspulen werden unter Spannung gesetzt. Die
Gleichrichte r sind bereit, sobald der Gleichstrom kreis geschlossen ist, die Belastung zu übernehmen . Der ganze
Einschaltvor gang wickelt sich dank der Verriegelun gen so
ab, dass er unbedingt in allen seinen Einzelheiten n~ch
Vorschrift erfolgen muss. So kann z. B. der dreipolige 01schalter, solange die Erregung der beiden Gleichrichte r
ausser Betrieb ist, nicht eingeschalte t werden. Das gleiche
betrifft das Kühlwasser, dessen Fehlen die Inbetriebset zung
der Gleichrichte rgruppe ebenfalls unmöglich macht.
Die Gleichstrom schalter sind ihrerseits ebenfalls von
der Stellung eines Relais, das in den Erregerstrom kreis
eingeschalte t ist, abhängig.
Ein ähnlicher Abwicklung svorgang ergibt sich auch
für das Ausschalten der Gruppe.
Die Temperatur sämtlicher Haupttransf ormatoren, der
Reguliertran sformatoren , der Saugdrossel spulen sowie des
Kühlwassers und die Raumtempe ratur werden durch eine
entsprechen de Fernmessein richtung gemeldet. Diese Einrichtung besteht aus einer Messbrücke, ausgerüstet mit einem
gemeinschaf tlichen Messinstrum ent, das auf die einzelnen
Widerständ e mit Hilfe eines Druckknopf schalters geschaltet
werden kann. Die Speisung der T emperaturm essvorrichtu ng
wird mit Wechselstro m unter Verwendung eines besonderen
Spannungsw andlers durchgeführ t.
N. Kotschubeg.
(MS 813)
Die 36 000-kW-H öcltstdruck -Turbogrup pe auf
Karolinens chacht der Witkowitz er Steinkohle ngruben.
Dezimalindex 621.165-174.1 (43).
Anfangs März dieses Jahres, d. h. am Ende der Garantiezeit, erfolgte eine Revision an der von der A.-G. Brown,
Boveri & Cie., Baden, gelieferten Dreizylinde r-Turbogrup pe,
n === 3000, gebaut für 120 kg/cm2 abs, 480° C, 25-grädiges Kühlwasser und Zwischenüb erhitzung mit Frischdampf bei ungefähr 10 kg/cm2 abs auf 360° C. Es wurden
sämtliche Turbinenkö rper gründlich durchgesehe n und überprüft. Der Befund war gemäss Protokoll einwandfrei .
Die Turbogrupp e hat während 14 200 Betriebslun den
bis Ende Februar 1934 ungefähr 115 Millionen Kilowattstunden erzeugt. Im Jahre 1933 allein lieferte sie in 7823 Betriebstunden ungefähr 61 Millionen Kilowattstu nden. Diese
Betriebstund enzahl entspricht einem Betriebsfak tor von 90°/o,
der als ausserorden tlich hoch zu bezeichnen ist. Damit ist
der Beweis erbracht, dass es heute möglich ist, Höchstdruckanlage n genau so betriebsicher zu bauen wie Anlagen mittlerer Frischdamp fverhältniss e mit ungefähr
30 kg /cm 2 abs, 4000 C.
Die Höchstdruck anlage wurde im Februar 1933 von
Herrn Geh. Reg.-Rat. Dr. E. Josse, Professor an der Technischen Hochschule in Charlottenb urg, und Herrn Dr. L.
Miskovsky, Professor an der Technischen Hochschule Prag,
gemessen. Für die Turbogrupp e wurden folgende Wärmeverbrauchsza hlen, einschliesslich Speisewasse rvorwärmun g
und Zwischenüb erhitzung, angegeben, wobei der Wärmeinhalt mit der Entropietafe l nach Knoblauch (2. Auflage)
bestimmt wurde.
Belastung . . . . . . . . kW 1 20 000 ! 30 000 l 36 000
..
Wärmeverbr auch pro kWh an den
Klemmen des Generators kcal/k Wh 2544 2464 1 2469
76
85 1 88 1
Speisewasse rvorwärmun g auf . O C
konstant 360
Zwischenüb erhitzung auf . . O C
25
Kühlwasser . . . . . . . o C
1
Thermischer Wirkungsgr ad, bezogen auf Frischdamp f vor Hauptabschliessun g und ' Klemmen des
34,8
34,9
Generators . . . . . . . O/o 33,7
1
-
1
--
-
-
-
Leider war es bei den V ersuchen nicht möglich, die
Turbogrupp e mit ihrer wirtschaftlic hen Belastung zu messen,
da dies die Werksbelas tung nicht zuliess. Im Bericht der
vorgenannte n Sachverstän digen wird erklärt, dass die Turbogruppe bei einer Belastung von 25100 kW den garantierten
Wärmeverbr auch richtig erreichte und bei einer Belastung
von 19160 kW um ungefähr 2°/o unterschritt. Bei der
grösstmöglic hen Belastung betrug der gemessene, thermische
Wirkungsgr ad somit rd. 34,5° /o, bezogen auf Frischdamp f
vor Haupteinlas sventil und Klemmen des Generators.
Diese Zahl ist ausserorden tlich hoch, wenn man bedenkt, dass die Turbogrupp e nur mit ungefähr 85 °/o der
wirtschaftlic hen Belastung gemessen werden konnte und
dass als Kühlwasser in der Anlage nur rückgekühlt es von
25 O C zur Verfügung steht. Ebenso ist es in Anbetracht
der besonderen Verhältni~se nicht möglich, das Speisewasse r
höher als 85 C vorzuwärme n. Steht 15-grädiges Kühlwasser
zur Verfügung und wird das Speisewasse r mit Entnahmedampf beispielswei se auf 165 C vorgewärmt , so erhöht
sich der thermische Wirkungsgr ad der Turbogrupp e auf
über 37 °/o, sodass ein Anlagewirk ungsgrad von ungefähr
31°/o, bezogen auf Kohle und Klemmen, erreicht wird.
Wird in einer Zentrale Masut als Brennstoff verwendet,
sodass ein Velox-Damp ferzeuger mit Zwischenüb erhitzung
im Dampferzeu ger selbst aufgestellt werden kann, so werden
Anlagewirk ungsgrade von 32- 33°/o, bezogen auf Masut
und Generatorkl emmen, erreicht werden. Dieser Anlagewirkungsgra d entspricht praktisch demjenigen einer Dieselanlage. Die Dampfkraft anlage hat aber gegenüber einer
Dieselanlag e den Vorteil billigeren Brennstoffes , geringerer
Anlage-, kleinerer Schmieröl- und Reparaturko sten.
W. R. Felix.
(MS 844)
°
°
Verlag: A.-G. Brown, Boveri Cie., Baden (Schweiz). - Druck: Buchdruckerei Effingerhof A.-G., Brugg.
Erhältlicli in den Buchhandlunge n A. Frandce A.-G., Bern, und Rouge & Cie., Lausanne.