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Anordnung zur wechseisemgen JHnergleubertragung zwiscnen emem ieicnstrom-und einem
Wechselstromnetz.
Die Erfindung bezieht sich auf Umformungseinrichtungen für Ströme bzw. Spannungen, die mit periodisch bewegten Schaltkontakten arbeiten. Es ist bereits der Vorschlag gemacht worden, bei derartigen Umformungseinrichtungen zur Verbesserung der Stromübergabe von einem Schaltkontakt auf den Folgekontakt in Reihe mit den Schaltkontakten periodisch veränderliche Widerstände zu schalten, die den Strom in dem abzulösenden Kontakt bei seiner Öffnung stark herabsetzen. Für diesen Zweck können beispielsweise gesättigte Drosselspulen Verwendung finden, die entsättigt werden, wenn der Strom in dem betreffenden Kontakt einen bestimmten Wert unterschreitet und dann fast die gesamte Spannung übernehmen.
Es ist weiterhin bereits vorgeschlagen worden, bei den genannten Umformungseinrichtungen zum Zwecke der Spannungsregelung den jedesmaligen Einschaltzeitpunkt innerhalb der Stromübertragungsperiode zu verlegen.
Die Erfindung bezweckt, bei einer Umformungseinrichtung, wie sie soeben beschrieben wurde. eine stets einwandfreie Kommutierung zu gewährleisten, wenn die Einrichtung zur wechselseitigen Energieübertragung zwischen einem Gleichstrom-und einem Wechselstromnetz benutzt wird. Gemäss der Erfindung wird die Kontaktanordnung derart ausgestaltet, dass bei Energierichtungswechsel eine Veränderung in der Synchronlage der Kontaktbewegung, bezogen auf den zeitlichen Verlauf der Wechselspannung, erfolgt.
Diese Veränderung der Synchronlage der Kontaktbewegung, also die Ver- änderung der zeitlichen Lage des Kontaktschlusses bzw. der Kontaktöffnung innerhalb der Periode der Wechselspannung, erfolgt zweckmässig derart, dass beim Übergang vom Gleichrichterbetrieb auf den Wechselrichterbetrieb der Vorgang der Stromübergabe von einem Kontakt auf den Folgekontakt von einem Zeitpunkt, der je nach Massgabe des Aussteuerungsgrades mehr oder weniger hinter dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der einander ablösenden Phasen liegt, auf einen Zeitpunkt verlegt wird, der vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegt.
Soll sich bei Energierichtungswechsel die von der Umformungseinrichtung gelieferte Spannung nicht verändern, so muss die zeitliche Voreilung des Kommutierungsvorganges gegenüber dem Punkt der Spannungsgleichheit bei Wechselrichterbetrieb etwa gleich der Nacheilung des Kommutierungsvorganges bei Gleichrichterbetrieb sein.
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, möge an Hand der Fig. 1-4 näher erläutert werden, welchen Einfluss eine Verlegung der Schaltzeitpunkte bei einem Kontaktstromriehter auf die Kommutierung und die abgegebene Spannung ausübt. Die in diesen Figuren dargestellten Stromund Spannungsdiagramme beziehen sich auf dreiphasige Umformungseinrichtungen. J, 2 und 3 stellen jedesmal die Spannungen der drei Phasen dar ; die Ströme, die zu den einzelnen Phasen gehören, werden durch die Kurven 4, 5 und 6 wiedergegeben. Die stark ausgezogenen Kurvenzüge stellen den zeitlichen Verlauf der Spannung an den Gleichstromklemmen der Umformungseinrichtung dar. Fig. 1 zeigt die Verhältnisse bei Gleichrichterbetrieb und voller Aussteuerung, d. h. für den grösstmöglichen Wert der gelieferten Gleichspannung.
Bei der Stromübergabe überlappen sich die Schliessungsdauern der einander ablösenden Kontakte um ein gewisses Zeitmass. Während dieses Zeitintervalls bilden die beiden Kontakte mit den entsprechenden Transformatorphasen einen in sich geschlossenen Kurzschluss-Stromkreis. Der Strom in dem abzulösenden, d. h. zu öffnenden Kontakt setzt sich also zusammen aus dem Belastungsstrom und einem Strom, der durch die im Kurzschluss-Stromkreis wirksame Spannung hervorgerufen wird.
Um gute Kommutierungsbedingungen zu erhalten, ist es zweckmässig, den Zeitpunkt für die Schliessung des Kurzschluss-Stromkreises so zu wählen, dass der Kurz- sehlussstrom in dem zu öffnenden Kontakt dem Verbraucherstrom entgegengesetzt gerichtet ist, so dass
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der resultierende Strom in diesem Kontakt herabgesetzt wird. Bei Gleichrichterbetrieb wird diese Bedingung erfüllt, wenn die Spannung der zu dem Folgekontakt gehörigen Phase im Augenblick des Kontaktschlusses grösser ist als die Phasenspannung des abzulösenden Kontaktes bzw. wenn sie mindestens während der Dauer des Kurzschlusses auf einen grösseren Betrag anwächst als die Phasenspannung des abzulösenden Kontaktes.
Die Differenzspannung zwischen den genannten beiden Phasenspannungen wirkt dann nämlich dem Belastungsstrom in dem zu öffnenden Kontakt entgegen. Wird beispielsweise bei Gleichrichterbetrieb und voller Aussteuerung, wie es in Fig. 1 diagrammässig dargestellt ist, der Folgekontakt jeweils in dem Zeitpunkt t1, ta, t5 usw., d. h. im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der beiden einander ablösenden Kontakte, geschlossen, so steigt während der Dauer des Kurzschlusses die Spannung des Folgekontaktes an, während die Spannung des abzulösenden Kontaktes sinkt. Betrachtet man z. B. den Übergang von der Phase 1 auf die Phase 2, so verläuft während der Dauer des Kurzschlusses die Spannung in dem Gleichstromkreis nach einer mittleren Kurve C-D zwischen der Phasenspannung 2 und der Phasenspannung 1.
In dem Kurzsehlusskreis dagegen ist die Differenz zwischen der Phasenspannung 2 und der Phasenspannung 1 wirksam. Nach Massgabe dieser Differenz steigt der Strom in dem Folgekontakt während des Kurzschlussintervalls ta, t1 bis auf seinen normalen Wert an und setzt dementsprechend den Strom in dem abzulösenden Kontakt derart herab, dass die Summe beider Ströme in jedem Augenblick gleich dem Verbraucherstrom ist. Es ist dabei angenommen, dass der Verbraucherstrom vollkommen geglättet ist, also ständig konstant bleibt.
Soll nun die Gleichspannung vermindert werden, so kann man den Zeitpunkt des Kontakt- schlusses im Sinne der Nacheilung verlegen und erreicht damit schliesslich einen Zustand, bei dem die gelieferte Gleichspannung gleich Null ist. Dieser Zustand wird erreicht, wenn der Zeitpunkt der Kontaktschliessung etwa bei B liegt. Für die Kontaktschliessung steht also bei Gleichrichterbetrieb das Intervall von A-B zur Verfügung. Fig. 2 gilt ebenfalls für Gleichrichterbetrieb, u. zw. für einen Aussteuerungsgrad, der bereits ausseroidentlich klein ist. Auch hier ist die Kurve der gelieferten Gleichspannung stark ausgezogen. Man erkennt, dass die Kontaktschliessung in einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die Phasenspannung des abzulösenden Kontaktes bereits negativ geworden ist.
Dass der abzulösende Kontakt noch in dem negativen Teil seiner Phasenspannungskurve Strom führt, wird durch die in dem Gleichstromkreis vorgesehenen Glättungsmittel ermöglicht. Wenn man den Stromübergang von dem Kontakt J ! auf den Kontakt 2 betrachtet, so erkennt man, dass hier von dem Augenblick der Kontaktschliessung an die Gleichspannung ebenfalls nach einer mittleren Kurve E-F zwischen den Kurven 1 und 2 verläuft. Bei der Öffnung des abzulösenden Kontaktes springt die Kurve der gleichgeriehteten Spannung auf den entsprechenden Punkt der Spannungskurve des Folgekontaktes.
Der Wechselrichterbetrieb zeichnet sich dadurch aus, dass der Strom jeweils den Phasenspannungen entgegengesetzt gerichtet ist. Wenn also während des Kurzschlusses die in dem Kurz- schlusskreis wirksame Differenzspannung dem Strom entgegengesetzt gerichtet sein soll, so muss die Spannung des Folgekontaktes grösser sein als die Spannung des abzulösenden Kontaktes. Um diese Bedingung einzuhalten, muss man den Kontaktschluss vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit erfolgen lassen. Fig. 3 stellt dementsprechend ein Diagramm für Wechselrichterbetrieb und volle Aussteuerung dar. Der Kontaktschluss erfolgt jeweils in den Zeitpunkten ti, ta, t5 uSW., und die Kontakttrennung erfolgt jedesmal im Punkte der Spannungsgleichheit, also in den Zeitpunkten ta, t1, t6 usw.
In gleicher Weise wie bei den obengenannten Beispielen verläuft die Kurve der Gleichspannung während des Kurzschlusses nach einer mittleren Kurve zwischen den entsprechenden Phasenspannungen. Will man nun die Grösse der Gleichspannung herabsetzen, so muss man den Zeitpunkt des Kontaktschlusses noch weiter vorverlegen. Man erreicht dabei schliesslich einen Punkt, bei dem wiederum die Gleichspannung gleich Null ist. Der Zeitpunkt der Kontaktschliessung, bei dem das erreicht ist, entspricht etwa dem Punkte H ; für den Aussteuerungsbereich bei Wechselrichterbetrieb steht also ein Intervall von G-H zur Verfügung. Fig. 4 stellt schliesslich ein Diagramm dar für den Verlauf der Spannungen und Ströme bei Wechselrichterbetrieb und Teilaussteuerung.
Es lässt sich also erreichen, dass die Umformungseinrichtung sowohl im Gleichrichter-als auch im Wechselrichterbereich stets unter günstigen Kommutierungsverhältnissen arbeitet, wenn gemäss der Erfindung beim Energierichtungswechsel die Synchronlage der Kontaktbewegung, bezogen auf den zeitlichen Verlauf der Wechselspannung, verändert wird. Diese Veränderung der Synchronlage lässt sich auf verschiedene Weise durchführen ; die Art der Durchführung wird sich dabei im allgemeinen nach der Ausgestaltung der Kontakte bzw. ihres Antriebs richten. Handelt es sich z. B. um eine Kontaktanordnung, bei der ein rotierender Kontakt und mehrere feste Kontakte vorgesehen sind, so kann man beispielsweise die festen Kontakte bei unveränderter Synchronlage des rotierenden Kontaktes verdrehen oder man verdreht den rotierenden Kontakt gegenüber der antreibenden Welle.
Ist dagegen die Kontaktanordnung, wie es bereits vorgeschlagen worden ist, nach Art der Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors ausgestaltet, vollführen also die Kontakte unter der Einwirkung einer Nockenwelle eine auf-und niedergehende Bewegung, so kann man für Gleichrichter-und für Wechselrichterbetrieb verschiedene Nocken für jeden Kontakt auf der gleichen Welle vorsehen und beim Energierichtungswechsel der Welle verschieben. Man kann aber auch von vornherein eine Nockenwelle für Wechselrichterbetrieb und eine Nockenwelle für Gleichrichterbetrieb vorsehen und den Antrieb so
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ausgestalten, wie es beispielsweise Fig. 5 zeigt. In Fig. 5 bedeutet 1 den Fuss des Kontaktstössels, der wechselweise mit der Nockenwelle 2 als auch mit der Nockenwelle 3 zum Zusammenwirken gebracht werden kann.
Die beiden Nockenwellen 2 und 3 sind in einer Schwinge 4 angeordnet, die um die Mittelachse 5 drehbar gelagert ist. Beim Energierichtungswechsel wird die Schwinge 4 um einen gewissen Winkel geschwenkt, so dass die Kontaktstössel mit der für die andere Energierichtung vorgesehenen Nockenwelle in Eingriff kommen.
Wenn zum Antrieb der Kontaktanordnung ein Synchronmotor dient, was häufig der Fall sein wird, so kann man die Synchronlage der Kontaktbewegung dadurch ändern, dass man die Synchronlage des Läufers in bezug auf das umlaufende Ständerdrehfeld des Motors verändert, beispielsweise dadurch, dass man den Läufer mit zwei je für sich regelbaren, in verschiedenen Achsen liegenden Erregerwicklungen ausrüstet. Eine ausserordentlich rasche Verstellung lässt sich aber auch bewirken, wenn der Ständer des Motors ebenfalls um einen gewissen Winkel drehbar gelagert wird.
Ein weiteres Mittel zur Veränderung der Synchronlage der Kontaktbewegung in bezug auf die speisenden Phasenspannungen besteht darin, dass man die Phasenlage der den Kontakten zugeführten Wechselspannung verschiebt, beispielsweise dadurch, dass man die Anschlüsse der Kontakte an die Phasen des speisenden Drehstromnetzes vertauscht. Schliesslich sei noch eine weitere Möglichkeit erwähnt, die darin besteht, dass von vornherein zwei getrennte Kontaktanordnungen vorgesehen werden, von denen die eine stets als Gleichrichter, die andere stets als Wechselrichter ausgesteuert ist. Beim Energierichtungswechsel wird dann der Gleichstromkreis von der einen Kontaktanordnung auf die andere umgeschaltet. Die Steuerung der beiden Kontaktanordnungen erfolgt zweckmässig in zwangläufiger gegenseitiger Abhängigkeit.
In vielen Fällen wird es zweckmässig sein, mehrere Mittel zur Veränderung der Synchronlage in einer Anlage zu vereinigen. Man kann dann z. B. das eine Mittel zur Grobeinstellung und das andere zusätzlich zur Feineinstellung benutzen. Arbeitet man beispielsweise mit einer Verdrehung des Ständers des Synchronmotor, so wird diese Verdrehung im allgemeinen immer nur in einem bestimmten Winkel erfolgen. Dieser Verdrehungswinkel wird aber nicht immer für jeden Betriebsfall richtig sein, insbesondere dann, wenn die Kommutierungszone nur schmal ist. Man braucht dann die Verdrehung des Ständers nur zur groben Einstellung zu verwenden und kann zur Feineinstellung, d. h. zur Anpassung an den jeweiligen Aussteuerungsgrad, noch den Läufer relativ zum Drehfeld verdrehen.
Es wurde bisher stets vorausgesetzt, dass die Grösse der zeitlichen Kontaktüberlappung unabhängig von der Lage des Einschaltzeitpunktes konstant bleibe. Bei einem gewöhnlichen Kontaktstromrichter ohne besondere Hilfsmittel zur Kommutierung hängt zwar die zur Stromübergabe von einem Kontakt auf den andern erforderliche Zeit, d. h. also die Kommutierungszeit, von der jeweiligen Grösse des kommutierenden Stromes ab, jedoch ist es durcli die Einwirkung der im vorliegenden Falle zur periodischen Herabsetzung des Stromes den Schaltkontakten vorgeschalteten Hilfseinrichtungen stets möglich, in weiten Grenzen mit einer unveränderlichen Überlappungsdauer auszukommen. Diese Verhältnisse mögen im folgenden einmal für den Fall betrachtet werden, dass als Kommutierungshilfsmittel hochgesättigte Drosselspulen dienen.
Diese Drosselspulen werden so bemessen, dass sie bei Überschreitung eines sehr kleinen Stromes, der noch funkenlos unterbrochen werden kann, sprunghaft ihren Sättigungszustand erreichen, wobei dann ebenso sprunghaft ihre Induktivität auf einen geringen Bruchteil der im entsättigten Zustand vorhandenen Induktivität herabsinkt. In dem Augenblick, in dem der Folgekontakt geschlossen wird, führt dieser zunächst noch einen sehr geringen Strom, so dass die mit ihm in Reihe geschaltete Drosselspule noch entsättigt ist und mit ihrer vollen Induktivität zur Wirkung gelangt. Die Zunahme des Stromes in diesem Kontakt und dementsprechend die Abnahme des Stromes in dem abzulösenden Kontakt wird daher zunächst nur verhältnismässig langsam vonstatten gehen, bis der Strom in dem Folgekontakt den Sättigungswert der Drossel erreicht hat.
Erst in diesem Augenblick beginnt der eigentliche Stromübergabevorgang, u. zw. ändern sich die Ströme dabei ausserordentlich rasch, da die in dem Kommutierungsstromkreis liegenden Drosselspulen beide gesättigt sind. Sobald nun der Strom in dem abzulösenden Kontakt auf den Sättigungswert der Drossel herabgesunken ist, steigt plötzlich die Induktivität dieser Drossel auf ein Vielfaches des vorher vorhandenen Betrages, so dass von diesem Augenblick an wiederum eine nur sehr langsame Stromänderung stattfindet. Diese Teile des Stromübergabevorganges, in denen die Stromänderung wegen der Entsättigung der Drosseln nur sehr langsam vor sich geht, liegen stets innerhalb der durch den Sättigungsstrom der Drosseln gegebenen, im Verhältnis zu dem normalen Belastungsstrom sehr niedrigen Stromgrenzen.
Die Grösse dieser Zeitabschnitte ist daher unabhängig von dem gerade vorhandenen Belastungstrom. Anderseits ist der Zeitabschnitt, während dessen der Hauptteil des Stromes von dem einen Kontakt zu dem andern übergeht, wegen der viel grösseren Änderungsgeschwindigkeit gegenüber diesen Zeitabschnitten sehr gering, so dass tatsächlich die Überlappungszeit im allgemeinen konstant gehalten werden kann. Eine genaue zeitliche Lage des Öffnungszeitpunktes ist nicht erforderlich, da ja die Drosselspulen dafür sorgen, dass sich der Strom in dem abzulösenden Kontakt in der Nähe des Nulldurchganges nur sehr langsam ändert.
Immerhin sind Belastungsfälle denkbar, in denen sich die gesamte Stromübergabezeit doch so ändert, dass man bei Konstanthaltung der Überlappungszeit, insbesondere beim Übergang auf eine
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stände verändert werden können. Bei der Verwendung von gesättigten Drosseln kann man diese mit einer Vormagnetisierungswicklung ausrüsten und gleichzeitig mit der Veränderung der Synchronlage der Kontakte auch die Vormagnetisierung der Drosseln ändern. Durch Vormagnetisierung der Drosseln hat man es nämlich in der Hand, zu bestimmen, bei welcher Grösse des Kontaktstromes die Sättigung bzw. Entsättigung der Drossel eintreten soll.
Gibt man beispielsweise der Drossel eine Vorerregung, die mit dem Sättigungswert übereinstimmt, so wird die in Reihe mit dem zugeschalteten Kontakt liegende Drosselspule bereits von dem Augenblick des Beginns der Überlappung ab gesättigt sein, da ja bereits bei dem geringsten Strom in dem zugeschalteten Kontakt ihr Sättigungswert überschritten ist. Das erste Zeitintervall der langsamen Stromänderung kommt dann also in Fortfall, und es beginnt sofort der rasch verlaufende Hauptteil des Stromübergabevorganges. Die gesamte Kommutierungszeit wird dadurch wesentlich herabgesetzt, so dass man auf diese Weise eine an sich zu kleine Überlappungsdauer wieder unschädlich machen kann. Umgekehrt kann man durch entgegengesetzte Vorerregung auch eine Verlängerung des Kommutierungsvorganges erzielen.
Die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel dafür, wie man die Erfindung verwirklichen kann. In dem Schaltschema nach dieser Figur dient zur Kupplung des Drehstromnetzes 4 mit dem Gleichstromnetz 5 eine Kontaktanordnung 1, die in dem vorliegenden Fall aus einem rotierenden Kontakt 2 und drei feststehenden Kontakten 3 gebildet wird. In Reihe mit den festen Kontakten liegen die hochgesättigten Drosselspulen 6, die zur Begrenzung des Stromes während der Kommutierung dienen.
Zum Antrieb des beweglichen Kontaktes 2 dient ein Synchronmotor 9, dessen Ständer 10 verdrehbar angeordnet ist und dessen Läufer zwei elektrisch um 900 gegeneinander versetzte Erregerwicklungen 11 und 12 aufweist. Durch verschiedene Erregung dieser beiden Wicklungen 11 und 12 kann die Achse des resultierenden Erregerfeldes und damit die Synchronlage der Schaltzeitpunkte der Kontaktanordnung verändert werden. Die Verdrehung des Ständers 10 wird durch eine besondere Einrichtung 13, beispielsweise einen Elektromagneten, bewirkt. Zur Speisung des Elekrromagneten 13 ist ein Hilfsgleichstromnetz 19 vorgesehen. Zur Kontrolle für das Auftreten eines Wechsels in der Energierichtung ist bereits eine ganze Reihe verschiedener Anordnungen vorgeschlagen worden.
Man kann für diesen Zweck beispielsweise stromriehtungs-bzw. leistungsrichtungsabhängige Relais verwenden oder auch eine Anordnung, die die Spannungszustände der beiden Netze vergleicht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gelangt ein Waagebalkenrelais 15 zur Anwendung, welches umschlägt, sobald der Strom in dem Messwiderstand 14 seine Richtung verändert. Dabei schliesst es seinen rechten bzw. seinen linken Kontakt und bewirkt damit, dass der Elektromagnet 13 den Ständer des Motors 10 nach der einen oder der andern Seite um einen bestimmten, durch Anschläge festgelegten Winkel verdreht. Gleichzeitig mit der Verdrehung des Ständers des Antriebmotors erfolgt auch eine Veränderung der Vormagnetisierung der Drosselspulen 6.
Zu diesem Zweck sind auf den Kernen der Drosselspulen noch Vormagnetisierungswicklungen 8 vorgesehen, die über ein Kontaktpaar 16 und einen parallel hiezu liegenden Widerstand 7 mit dem Gleichstromnetz 19 verbunden sind. Nimmt der Ständer des Motors die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Lage ein, so ist das Kontaktpaar j ! 6 geschlossen und es fliesst in den Wicklungen 8 ein verhältnismässig grosser Vormagnetisierungsstrom. Wird dagegen der Motorständer nach rechts verdreht, so sind die Kontakte 16 unterbrochen, der Widerstand 7 ist mit den Wicklungen 8 in Reihe geschaltet und es stellt sich infolgedessen ein kleinerer Vormagnetisierungsstrom ein.