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Fremdgesteuerter Synehronsehalter für Messzwecke.
Es ist der Vorschlag bekannt, zum Messen und Vergleichen von Wechselstromgromen sich eines fremdgesteuerten Synchronschalters, um den üblichen Ausdruck zu gebrauchen, eines mechanischen Gleichrichters, zu bedienen, dessen beweglicher Kontakt unter dem Einfluss eines Wechselfeldes erzwungene Schwingungen ausführt. Es ist fernerhin bekannt, dass man das bewegliche System eines solchen Synchronschalters im Gegensatz zu dem eines üblichen mechanischen Gleichrichters so ausbilden muss, dass seine Eigenfrequenz oberhalb der verwendeten Steuerfrequenz liegt. Durch diese bekannte Massnahme hat man aber die Grundforderung, dass ein solcher Synchronschalter seine Kontakte stets im richtigen Augenblick einwandfrei schliesst und öffnet, nicht ausreichend erfüllen können.
Es zeigen sich vielmehr in der Regel bei den bekannten Anordnungen eigenartige Stromschwankungen zu Beginn jedes Kontaktschlusses. Dadurch ist der Gleichstrom, den man mit Hilfe der bekannten Anordnungen aus einem Wechselstrom gewinnt, in seiner Grösse nicht eindeutig der Grösse des Wechselstromes zugeordnet, so dass die bekannten Anordnungen für Messzwecke, bei denen man die Gleichrichter hauptsächlich verwendet, um durch sie bei grosser Empfindlichkeit auch eine besonders hohe Messgenauigkeit zu erzielen, nicht geeignet sind.
Um diese Nachteile zu verhüten und ein einwandfreies Arbeiten der Kontakte zu erzielen, wird gemäss der Erfindung bei einem fremdgesteuerten Synohronschalter für Messzwecke, dessen beweglicher Kontakt unter dem Einfluss eines Wechselfeldes erzwungene Schwingungen ausführt, deren Frequenz unterhalb der Eigenfrequenz des schwingenden Systems liegt, das den schwingenden Kontakt tragende elastische Glied und das auf dieses einwirkende elektromagnetische Feld so bemessen, dass das Verhältnis der grössten Grundgeschwindigkeit des beweglichen Kontaktes zum grössten Kontaktdruck den Wert 200 cm nicht überschreitet. Der Begriff der Grundgeschwindigkeit des beweglichen Kontaktes ist se. unten näher definiert. Unter "grösstem Kontaktdruck" ist der vom Magnetfeld erzeugte grösste Druck ohne Rücksicht auf Massenwirkungen verstanden.
Durch Einhalten dieses Verhältnisses werden die bei Schliessung des Kontaktes auftretenden 'elastischen Kräfte so niedrig gehalten, dass sie den Kontakt entgegen der Kraft des elektromagnetischen Feldes nicht zu öffnen vermögen. Die beim Kontaktschluss auftretenden Kräfte sind Prellkräfte, d. h. der bewegliche Kontakt prallt von dem feststehenden Gegenkontakt infolge der elastischen Eigenschaften des Kontaktmaterials und des Trägers des beweglichen Kontaktes zurück und ruft bei den bekannten Anordnungen Unterbrechungen des Stromes hervor. Sorgt man also dafür, dass diese Prellkräfte den Kontakt entgegen der Kraft des elektromagnetischen Feldes nicht zu öffnen vermögen, dann erzielt man einwandfreie Kontaktscllüsse.
Der oben angegebene Verhältniswert, grösste Grundgeschwindigkeit durch grössten Kontaktdruck, ist ein experimentell gefundener Wert. Die zahlenmässig angegebene Grösse stellt die oberste zulässige
Grenze dar.
Mit zunehmender Verkleinerung dieses Wertes wird die Gefahr, dass Prellungen auftreten, vermindert. Die Verhältniszahlen 150,100, 50 usw. stellen gewissermassen Gütezahlen dar, wobei die kleinere Zahl stets den besseren Gleichrichter kennzeichnet. Anderseits empfiehlt es sich nicht,, diese Verhältniszahl unter eine gewisse Grenze herabzumindern, denn ein Verkleinern der Kontakt-
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geschwindigkeit ist nur durch Verkleinerung der Amplituden des beweglichen Kontaktes zu erreichen.
Werden diese Amplituden zu klein gewählt, dann befindet sich der bewegliche Kontakt in seiner Ruhestellung derart nahe vor seinem Gegenkontakt, dass beispielsweise Temperatureinflüsse sich störend geltend machen, weil selbst ganz geringe Veriiehungen des Gleichrichters dazu führen, dass der Abstand des beweglichen Kontaktes von seinem Gegenkontakt merkbar beeinflusst wird.
Eine andere Verhältnisgrösse, die ebenfalls für Gleichrichter nach der Erfindung charakteristisch ist, ist gegeben durch das Verhältnis zweier elastischer Konstanten c und %.
Die Konstante c ist folgendermassen definiert. Wird das den beweglichen Kontakt tragende, z. B. in Gestalt einer Kontaktzunge ausgebildete elastische System um den Weg A 1 (dieser Weg wird gemessen in der Bahn des an dem elastischen System befestigten beweglichen Kontaktes) aus der Ruhestellung bewegt, so gilt für die hiezu erforderliche Kraft F==c. A, worin c die genannte Konstante ist. Wie aus der technischen Mechanik bekannt ist, kann man durch entsprechende Bemessung der Stärke des den beweglichen Kontakt tragenden elastischen Systems, durch entsprechende Wahl des Materials und der sonstigen Abmessungen des gesamten Systems jeden gewünschten Wert von c erreichen.
In entsprechender Weise ist die Konstante ei, definiert. Legt man den festen und den beweglichen Kontakt, wobei diese Kontakte für sich allein betrachtet werden, lose gegeneinander und drückt sie darauf mit einer Kraft P aufeinander, die bewirkt, dass sich die beiden einander nicht berührenden Endflächen der Kontakte um A 1 nähern, so gilt
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Wie leicht einzusehen ist, ist auch diese Grösse von den Abmessungen und der Gestalt der Kontakte und dem Kontaktmaterial abhängig und kann an sich nach Belieben gewählt werden.
Das Kontaktmaterial muss eine gewisse Festigkeit besitzen und die Eigenschaft, dass die Oberfläche rein und der Übergangswiderstand klein bleibt. Es kommt daher für den Kontakt in erster Linie Platin oder Platinlegierungen, z. B. Platin-Iridium, in Frage. Das günstigste Verhältnis c zu (Jk liegt erfindungsgemäss zwischen 0'5 und 0'1.
Den Zusammenhang zwischen der Kraft des elektromagnetischen Feldes und dem resultierenden Kontaktdruck erläutert Fig. 1. In dieser Figur ist die Zeit t als Abszisse, der Druck P als Ordinate aufgetragen, u. zw. sind mit + P der Kontaktdruck und mit-P die Kraft entgegen der Richtung des elektromagnetischen Feldes aufgetragen. Die vom Nullpunkt des Koordinatensytems nahezu geradlinig ansteigende Linie p stellt einen Abschnitt aus der sinusförmigen Kurve dar, nach der die Kraft des Wechselfeldes ansteigt. Auf der Abszisse t ist eine Schwingung x aufgetragen, dies sei die Eigenschwingung des bei Kontaktschluss aus beiden Kontakten und gegebenenfalls deren näherer Umgebung entstehenden elastischen Systems. Die elastische Kraft a x ist den Ordinaten der Kurve x proportional.
Die Frequenz der Kurve x hängt von den elastischen Eigenschaften des Kontaktmaterials und von der Grösse der Massen ab.
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erzwungenen Grundschwingung und den Eigenschwingungen den grösstmöglichen Wert 200 so oder aber auch einen kleineren besitzen kann. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, für das Weitere nur die Grundschwingung heranzuziehen, woraus sich der Wert M J. o ergibt. Dieser Wert sei, da er gleich dem Maximalwert ist, der sich ergibt, wenn die Zunge nur unter der Einwirkung des Erregerfeldes frei schwingt und die oben als Grundschwingung bezeichnete Schwingung ausführt, als grösste Grundgeschwindigkeit bezeichnet. Im Augenblick des Kontaktschlusses werden die Kontakte durch zwei Kräfte aufeinander gepresst.
Die eine Kraft ist die Kraft p des elektromagnetischen Feldes, die zweite Kraft rührt daher, dass die kinetische Energie des beweglichen Kontaktes beim Aufprallen auf den Gegenkontakt frei wird. Die Folge davon ist, dass sich die Kontakte elastisch deformieren.
Die Kurve x stellt die Deformation der Kontakte infolge der dynamischen Kräfte und infolgedessen auch den zeitlichen Verlauf der durch diese Kräfte ausgelösten elastischen Gegenkräfte dar. Dabei ist die Dämpfung vernachlässigt. Durch sie werden die Prellungen verkleinert, was an sich günstig ist.
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Zur Zeit tl hat diese Deformation ihren Höhepunkt erreicht, von jetzt ab wird der bewegliche Kontakt durch die elastische Kraft der deformierten Kontakte entgegen der Richtung der Feldkraft zurückgeschleudert. Die zusätzliche Prellkraft ist im Zeitpunkt t2 gleich Null. Die Geschwindigkeit ist im Zeitpunkt ta gleich Null geworden. Wenn die elastische Gegenkraft so gross ist, dass der Wert ek. x, das heisst im richtigen Massstab die Kurve x im Zeitpunkt ts die Kurve p überschreitet, wird der Kontakt unterbrochen.
Wenn aber, wie in der Darstellung gezeichnet, die Kurve x stets unterhalb der Kurve p bleibt, bedeutet dies, dass die Kraft des elektromagnetischen Feldes dauernd überwiegt und den Kontaktschluss auch gegen die elastischen Kräfte aufrechterhält. Der resultierende Kontaktdruck ist durch die Kurve y gegeben. Die y-Kurve bleibt bei den Gleichrichtern gemäss der Erfindung stets oberhalb der Abszisse t ; die den Kontakt schliessende Kraft p wird also durch die elastischen Gegenkräfte niemals derart geschwächt, dass eine Ablösung des Kontaktes eintreten könnte. Auf die Eigenschwingungszahl des Kontaktsystems, das heisst auf die Wellenlänge der Kurve x, kommt es dabei nicht an, weil die Eigenfrequenz ein Vielfaches der Grundfrequenz ist und schon abgeklungen ist, bevor p wesentlich von der Geraden abweicht.
Es kommt auf das Verhältnis der Winkel an, den die Linie p mit der Abszisse und die Abszisse und eine Tangente an den Anfangspunkt der Kurve x einschliessen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in seinen Konstruktionsteilen in Fig. 2 wiedergegeben.
1 ist ein permanenter Magnet beispielsweise aus Konbaltchromstahl, auf den zwei Polschuhe 2 und 3 aufgesetzt sind. Über den Polschuhen 2 und 3 befindet sich eine isolierende Unterlage 4 bzw. 5, auf der die Gegenkontakte 6 bzw. 7 durch zwei Schellen 8 und 9 befestigt sind. Einer der Gegenkontakte kann auch durch einen Anschlag ersetzt werden. Die Schellen 8 und 9 gestatten eine Einstellung der Kontakte 6 und 7. Zwischen den Kontakten 6 und 7 und den Polschuhen 2 und 3 spielt eine Weicheisenzunge 10, die zwischen den Schenkeln des Hufeisenmagnetes durch zwei symmetrische Klemmstücke 11 und 12 und einem Klemmbolzen 13 eingespannt ist.
Der von dem Anker getragene Kontakt liegt in erregungslosem Zustand des Synchronschalters an dem festen Kontakt an ; in der Zeichnung ist jedoch der besseren Übersicht wegen zwischen den beiden Kontakten ein Abstand gelassen. Die symmetrischen Einspannungen des Ankers 10 schützen den Anker gegen Temperatureinflüsse. Die Ruhelage des Ankers wird in dieser Anordnung durch das Arbeiten der Konstruktionsteile bei Erwärmung und Abkühlung nicht beeinflusst.
Der Wechselstrom zur Erregung des Gleichrichters wird einer Spule 14 zugeführt. Im Umkehrpunkt seiner Schwingung befindet sich der Anker 10 weniger als 0-1 mm, beispielsweise 0-002 cm, von seinem Gegenkontakt 7 entfernt. Bei Betrieb mit 50periodigem Wechselstrom ist dann die maximale Grundgeschwindigkeit des beweglichen Kontaktes 0'6 cm pro Sekunde. Bei einem maximalen Kontaktdruck von O'l kg ist das Verhältnis zwischen maximaler Grundgeschwindigkeit und maximalem Kontaktdruck gleich
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dass die Verschmutzung der Gegenkontakte durch Staub dann vollkommen in Wegfall kommt und dass der Gleichrichter dann beispielsweise auch in Kesselhäusern oder Pumpstationen verwendbar ist.
Zum Schutz der Oberfläche der Kontakte empfiehlt es sich, den Gleichrichter in ein evakuiertes Gefäss einzubauen. Im Vakuum ist keine Funkenbildung zu befürchten, und ausserdem sind dann die Kontaktflächen auch vor chemischen Einflüssen, die bei den hohen Funkentemperaturen sonst nur schwer zu vermeiden sind, geschützt. Um ein starkes permanentes Magnetfeld zu erzielen, empfiehlt sich die Verwendung eines Kobaltchrommagneten. Der schwingende Träger des beweglichen Kontaktes kann eine Zunge oder Steg, ein Band oder auch eine Membran sein, die allseitig eingespannt ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Fremdgesteuerter Synchronschalter für Messzwecke, dessen beweglicher Kontakt unter dem Einfluss eines Wechselfeldes erzwungene Schwingungen ausführt, deren Frequenz unterhalb der Eigenfrequenz des schwingenden Systems liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das den schwingenden Kontakt tragende elastische Glied und das auf dieses einwirkende elektromagnetische Feld so bemessen sind, dass das Verhältnis der grössten Grundgeschwindigkeit des beweglichen Kontaktes zum grössten Kontaktdruck den
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