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Mit periodisch bewegten Schaltkontakten arbeitende Einrichtung zur unmittelbaren Umformung von Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz.
Es ist bekannt, bei Kontaktgleichrichtern zur Verbesserung der Kommutierung in Reihe mit den Schaltkontakten sogenannte Schaltdrosseln zu schalten, d. h. Drosselspulen, die bei Erreichung eines sehr niedrigen Stromes infolge ihrer scharf geknickten Magnetisierungskennlinie sprunghaft ihren Sättigungszustand erreichen. Die Wirkungsweise dieser Sehaltdrosseln ist kurz folgende : Wenn in einem bestimmten Zeitpunkt die Stromübergabe von einem Schaltkontakt zu dem der Folgephase zugeordneten Kontakt eingeleitet werden soll, so wird dieser letztere Kontakt geschlossen und auf diese Weise ein innerer, in sieh geschlossener Stromkreis hergestellt, in welchem die beiden einander ablösenden Kontakte sowie die diesen Kontakten zugeordneten Schaltdrosseln in Reihe liegen.
Als treibende Spannung ist in diesem inneren Stromkreis die Differenz zwischen der Spannung der Folgephase und der Spannung der abzulösenden Phase wirksam. Diese Differenzspannung ruft einen inneren Kurzschlussstrom hervor, der sieh in der abzulösenden Phase dem darin noch fliessenden Gleichstrom überlagert. Der erwähnte Kurzschlussstrom entsteht nun keineswegs plötzlich, da in dem Kurzschlussstromkreis noch Induktivitäten vorhanden sind, von denen jedoch nur die Induktivitäten der Schaltdrosseln betrachtet werden mögen. Im ersten Augenblick des Eintritts der Kontaktüberlappung fliesst in der abzulösenden Phase noch der volle Gleichstrom, der als völlig geglättet angenommen werden möge. Die Schaltdrossel dieser Phase ist dabei gesättigt und besitzt keine nennenswerte Induktivität mehr.
In dem soeben geschlossenen Kontakt ist dagegen der Strom noch gleich Null, so dass die zu ihm gehörige Schaltdrossel entsättigt ist und eine hohe Induktivität besitzt. Die Induktivität dieser Sehaltdrossel ist es, die zunächst nur ein sehr langsames Ansteigen des Kurzschlussstromes gestattet.
Durch richtige Wahl des Einschaltzeitpunktes muss dafür gesorgt werden, dass der Kurzschlussstrom dem Gleichstrom in der abzulösenden Phase entgegengesetzt gerichtet ist. Dieser wird also allmählich abgebaut derart, dass die Summe der Ströme in den beiden Phasen in jedem Augenblick gleich dem konstanten Betrag des Gleichstromes ist. Nach einer gewissen Zeit wird der Strom in der Folgephase soweit angestiegen sein, dass die darin liegende Sehaltdrossel plötzlich ihren Sättigungszustand erreicht, wobei ihre Induktivität fast restlos verschwindet. In diesem Augenblick setzt statt der bisherigen langsamen Änderung eine sehr rasche Stromänderung ein, die nur noch durch die Induktivitäten der Transformatorwicklung und die Restinduktivitäten der Schaltdrosseln bedingt ist.
Nach kurzer Zeit wird jetzt der Strom in der abzulösenden Phasr so weit heruntergesunken sein, dass nunmehr die Schaltdrossel dieser Phase entsättigt wird. Von diesem Zeitpunkt an geht die Stromänderung nur noch sehr langsam vor sich, was zur Folge hat, dass der Strom in dem zu öffnenden Kontakt längere Zeit im Bereich des Nullwertes bleibt und so eine funkenlose Kontakttrennung ermöglicht. Wesentlich ist dabei, dass die eigentliche Stromübergabe von der einen Phase zur andern nicht bereits in dem Zeitpunkt der Kontaktschliessung beginnt, sondern erst dann, u. zw. mit grosser Geschwindigkeit vor sich geht, wenn in der Folgephase der'Sättigungsstromwert überschritten wird.
Mit Rücksicht auf eine spannungs-
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vor der Kontaktschliessung ein Strom in der zugehörigen Schaltdrossel fliesst und diese fähig macht, die gesamte vorhandene Phasenspannung zu übernehmen.
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Wenn die Aufgabe gestellt ist, die Frequenz eines Wechselstromes umzuformen. so könnte man zunächst daran denken, einen Umrichter aus einem Gleichrichter und einen Wechselrichter mit dazwischenliegendem Gleichstromkreis aufzubauen, wie das auch für Entladungsstrecken bekannt ist.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Frequenzumformung unmittelbar, d. h. ohne Verwendung eines Zwischengleichstromes durchzuführen. Bei den unmittelbar arbeitenden Umrichtern mit Entladungsstreeken sind hiefür zwei verschiedene Gruppen von Entladungsstrecken
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Ventilwirkung ein und dieselbe Gruppe von Sehaltkontakten zur Bildung sowohl der positiven als auch der negativen Halbwolle der umgeformten Spannung benutzt werden. Kontaktstromrichter dieser Art sind im Prinzip bereits bekannt. Die Erfindung löst die Aufgabe, auch bei derartigen Kontaktumrichtern Sehaltdrosseln zur Verbesserung der Kommutierung heranzuziehen.
Gemäss der Erfindung wird bei Verwendung von den Schaltkontakten vorgeschalteten Schalt- drosseln, die bei einer bestimmten Erregung sprunghaft ihren Sättigungszustand erreichen, diesen Schaltdrosseln eine Vorerregung aufgedrückt, die sich periodisch nach Massgabe der Frequenz des niedriger frequenten Netzes ändert. Mit Hilfe der Vorerregung hat man es in der Hand, denjenigen Stromwert, bei dem die Sättigungsgrenze der Schaltdresseln erreicht wird, nach Belieben zu vergrössern,
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die Zeit, welche nach der Schliessung des Folgekontaktes vergeht, bis die eigentliche mit grosser Geschwindigkeit verlaufende Übergabe der Stromführung von der einen zur ändern Phase einsetzt, beliebig auszudehnen.
Die Erfindung möge zunächst an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert werden. Es sei dabei
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auf welche Weise die Kurve der umgeformten Spannung aus den Spannungskurven des speisenden Wechselstromsystems gebildet wird, u. zw. ist derjenige Zeitabschnitt dargestellt, in dem der Übergang
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der folgenden negativen Halbwelle liefert. Der zu dieser Phase gehörige Kontakt muss also dement- sprechend lange geschlossen bleiben.
In Fig. l ist die niedriger frequente Spannungskurve E so dargestellt, als ob der Übergang zwischen den Phasen des höher frequenten Systems immer genau im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit a bzw. a' erfolgte. Dies wird im allgemeinen praktisch nicht der Fall sein. Nach dem vorher Gesagten ergibt sich, dass bei einer Kontaktschliessung im Punkte a bzw. j'die eigentliche Stromiiberg, be erst eine gewisse Zeit später erfolgt. Der Ablauf der Stromübergabe hängt ab von der jeweiligen Richtung und
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in dem gleichen Augenblick wie die Spannung der niedrigeren Frequenz durch Null hindurchgeht. Es liegt also Ohmsche Belastung vor.
Die Kontaktanordnung arbeitet mithin sowohl in dem positiven
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kreis dem Strom in der abzulösenden Phase entgegenwirkt. Anderseits hängt aber der Zeitpunkt, in dem der Strom in der abzulösenden Ph, se den Sättigungswert der Schaltdrossel unterschreitet und von dem ab innerhalb eines gewissen Bereiches eine funkenlose Kontakttrennung möglich ist, von
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der Grösse des Belastungsstromes geändert werden. Hierin liegt jedoch eine recht erhebliche Schwierig- keit, da diese Aufgabe mit einem einfachen Antrieb der Kontakte nicht mehr zu lösen ist. Wird jedoch den Schaltdrosseln eine Vormagnetisierung aufgedrückt, die von der Grösse des Stromes ab-
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dem der Strom in der ablösenden Phase gerade seinen flachen Verlauf in der Nähe des Nundurelhganges besitzt.
Die Vorerregung, die mit dem Strom zusammen ihr Vorzeichen wechselt, kann auch dazu benutzt werden, um die Höhe der umgeformten Spannung zu beeinflussen, ohne lez ss d zu eine Änderung der Schaltzeitpunkte erforderlich wird. Wie schon oben erwähnt, ist es möglich, den Bereich der
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Figur dargestellte Trapezform, sondern Sinusform erhalten soll. Das lässt sich nämlich analog wie bei den bekannten Steuerumrichtern mit Entladungsstrecken dadurch erreichen, dass der Aussteuerungsgrad innerhalb der Halbwelle geändert wird.
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Besonders wichtig ist die Aufgabe, auch Blindlast durch den Umrichter zu übertragen. Kurvenmässig ist ein solcher Fall in Fig. 2 dargestellt. Dort eilt die Kurve des Stromes I gegenüber der Spannungskurve E um einen bestimmten, durch die Entfernung der Nulldurchgänge d bzw, e gegebenen Betrag nach. Auch hiebei ist es gleichgültig, ob es sich um einen Trapezkurvenunuiehter handelt oder
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d. h. also jeweils mit dem Punkt d ihr Vorzeichen wechseln. Ausserdem ändert sich aber innerhalb der Halbwelle des Stromes durch Umkehr der Spannung c. ueh noch die Richtung der Leistungsübertragung.
Während zwischen den Punkten d und e Gleichrichterbetrieb herrscht, herrscht links vom Punkt d
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Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der aufeinanderfolgenden Phasen liegen, da in einem Wechselrichter der Strom in der abzulösenden Phfse nur dann abgebaut wird, wenn in dem Uberlappungs- kreis die Wechselspannung der Folgephase kleiner ist als die der abzulösenden Phase. Kleinere Wechsel- spannung bedeutet nämlich in diesem Fall höheres Potential, da ja als resultierende Spannung stets die Differenz zwischen der treibenden Gleichspannung und der Wechselspannung wirksam ist.
Man müsste also, wollte man diesen Verhältnissen nur durch entsprechende Steuerung der Schliessungs- zeitpunkte Rechnung tragen, dafür sorgen, dass die Schaltzeitpunkte sieh bei jedesmaligen Richtungs-
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zeitpunkt von dem Punkt b nach dem Punkt'-verlegt werden. k würde dabei etwa gleich/c'zu wählen sein, damit die ausgesteuerte Spannung in beiden Fällen annähernd die gleiche bleibt.
Eine solche Steuerung ist namentlich bei stark wechselndem Leistungsfaktor praktisch kaum durchführbar. Gemäss der Erfindung lässt sieh nun auch in diesem Fall mit festliegenden Schaltkontakten eine einwandfreie Kommuttierung dadurch erzielen, dass die Schliessungszeitpunkte der Kontakte stets vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegen bleiben, dass aber nicht nur beim Nulldurchgang des Stromes, sondern auch beim Nulldurchgang der Spannung oder, fllgemein gesprochen, beim Wechsel der Leistungsrichtung die Vorerregung der Drosselspule geändert wird. Für Gleichrichterbetrieb, d. h. Iso für
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Kontakte stets so gross sein, dass auch noch ein Zeitraum nach dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit davon umfasst wird.
Bei Wechselrichterbetrieb wird dagegen die V orprngung so eingestellt, dass der eigentliche Kommutierungsvorgang bereits vor der Spannungsgleiehheit beendet ist. Auf diese Weise
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betrieb gesteuert werden, wie es dem kleinsten vorkommenden Leistungsfaktor entspricht, während die übrigen Kontakte entsprechend den Anforderungen des Weehselriehterbetriebes gesteuert, d. li. vor dem Punkt der Spannungsgleichheit geschlossen werden. Bei einem Grösserwerden des Leistungsfaktors würde dann allerdings ein Teil der für Wechselrichterbetrieb ausgesteuerten Kontakte nicht mehr ganz einwandfrei kommutieren.
Wenn man den Wert k bzw. f'sehr klein hält, lässt sich, wenigstens bei voller Aussteuerung, hiedurch unter Umständen noch ein brauchbares Arbeiten erzielen. Gegebenen- falls kann man auch diese Anordnung der Kontaktfolge mit einer Änderung der Yorrm gnetisierung der Schaltdrosseln bei Leistungswechsel in Verbindung bringen.
In Fig. 3 ist als Ausführungsbeispiel die Schaltung einer Umformungseinrichtung gemäss der Erfindung dargestellt. Die Umformungseinriehtung soll dazu dienen, um Energie rus dem Drehstrom-
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der Ventile eines Verbrennungsmotors ausgestaltet und werden durch die Nockenwelle 9 betätigt, die ihrerseits durch den Synchronmotor 10 angetrieben wird. In Reihe mit den Seiultkontakten, die an die sechsphasige Sekundärwicklung des Transformators 6 angeschlossen sind, liegen die Wicklungen- der Drosselspulen 2. Ausser der Reihenwieklung- besitzt jede Drossel noch zwei Erregerwicklungen 4 und 5.
Die Erregerwicklungen 4 sind in Reihe an einen Spannungswandler 1.) ange- schlossen, so dass sie also von einem Strom durchflossen werden, der mit der Spannung des Einphasennetzes phasengleich ist. Auf diese Weise wird es erreicht, dass der Zeitpunkt, in dem jeweils das Induktivitätsmaximum an den einzelnen Drosselspulen auftritt, beim Übergang von der positiven zur negativen Halbwelle der Einphasenspannung verschoben wird. Um bei induktiver Last die zeitliche lige des Induktivitätsmaximums bei Wechselrichterbetrieb gegenüber der Lrge bei Gleichrichterbetrieb verschieben zu können, ist es unter Umständen zweckmässig, die Vormagnetisierungswicklungen 4 nicht in Abhängigkeit von der Spannung des Einphasennetzes, sondern in Abhängigkeit von dem Einphasenstrom zu erregen.
Zu diesem Zweck müssten sie an einen in Reihe mit dem Einphasennetz liegenden
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Stromwandler angeschlossen werden. Die ausserdem vorhandenen Erregerwicklungen 3 gestatten eine zusätzliche Beeinflussung der Vorerregung der Drosselspulen, die willkürlieh oder in Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrössen erfolgen kann.
Bei der Schaltanordnung nach Fig. 4 sind mit jedem Schaltkontakt zwei Drosseln M und 76 in Reihe geschaltet, von denen die eine der positiven, die andere der negativen Halbwelle der Einphasenspannung zugeordnet ist. Während der positiven Halbwelle wird dann die zu der negativen Halbwelle gehörige Drosselspule so hoch vorerregt, dass ihre Induktivität praktisch verschwindet.
Das gleiche geschieht mit der der negativen Halbwelle zugeordneten Drosselspule während der positiven Halbwelle. Die Drosselspulen brauchen auf diese Weise nicht wechselnd vormagnetisiert zu werden und können von vornherein auf die günstigsten Werte für die betreffende Halbwelle abgestimmt werden.
Um diese Vormsgnetisierung zum Zwecke der Induktivitätsherabsetzung durchzuführen, sind die Vormagnetisierungswieklungen 17 und 18 an Messwiderstände 19 und 20 angeschlossen, die über Ventile ; ; 2 und 2. 3 mit der Sekundärseite eines Umspanners verbunden sind, der primär an die Einphasenspannung angeschlossen ist. Falls kein Einphasennetz vorhanden, erfolgt der Anschluss des Um- spanners an einen Taktgeber, dessen Frequenz in konstantem Verhältnis zu der speisenden Primärfrequenz steht.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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formung von Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz, insbesondere von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom kleinerer Frequenz, dadurch gekennzeichnet, dass den Schaltkontakten vorgeschaltet Scha1tdrosseln, die bei einer bestimmten Erregung sprunghaft ihren Sättigungszustand erreichen, mit Vormagnetisierungswieklungen ausgerüstet sind, denen ein solcher Strom zugeführt wird, dass sich die Vorerregung periodisch im Rhythmus der Frequenz des niedriger frequenten Netzes ändert.