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Anordnung zur selbsttätigen Steuerung der Kontakttrennung bei Stromumformern mit bewegten
Kontakten.
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Schaltteile so klein sind, dass bei der folgenden Ausschaltbewegung die Kontaktöffnung so zeitig beginnt, dass zu einem Zeitpunkt, in welchem der abklingende Strom praktisch Null ist, bereits der zur sicheren Verhinderung des Stromdurchganges in umgekehrter Richtung erforderliche Mindestkontaktabstand erreicht, jedoch nicht wesentlich überschritten ist. Durch die Erfindung sind die Wirkungen der Gasentladung so weitgehend vermindert, dass sie auch bei sehr hohen umzuformenden Leistungen mit verhältnismässig einfachen Mitteln beherrscht werden.
Grösse und Verlauf des Kommutierungsstromes, die für die Dauer der Kommutierungszeit massgebend sind, sind bereits von dem Augenblick ab messbar, in dem der Kommutierungsstromkreis geschlossen wird. Man kann daher eine rechtzeitige Steuerung der Kontaktbewegung vorsehen, vorausgesetzt, dass die Steuereinrichtung entsprechend schnell arbeitet.
Insbesondere kann man die Änderungsgeschwindigkeit des Kommutierungsstromes als Steuergrösse zur Bestimmung des Öffnungsbeginnes der Kontakte verwenden. Die Kurve des Kommutierungsstromes ist nämlich nicht etwa geradlinig, sondern sie besitzt gewöhnlich eine mit der Zeit zunehmende Steilheit. Man kann daher das Steuergerät so einstellen, dass es bei einem bestimmten Belastungsstrom bei der dem rechtzeitigen Beginn des Aussehaltvorganges entsprechenden Steilheit anspricht.
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Zulässigen.
Man kann z. B. eine Drossel anwenden, bei welcher die induzierte Spannung der Änderungsgeschwindigkeit des Kommutierungsstromes proportional ist. Bei einer Drossel mit Eisenkern kann man den Sättigungseffekt ausnutzen, der je nach Grösse und Verlauf des Kommutierungsstromes die charakteristische Unstetigkeit bald früher und bald später erzeugt. Hiedurch kann man einen ausgeprägten Steuerimpuls für die Kontaktbewegung erzeugen.
Es ist besonders empfehlenswert, eine in den Hauptstromkreis eingeschaltete Drossel in Verbindung mit einer Schalteinrichtung für die Stromformerkontakte anzuwenden, wobei die gegebenenfalls vormagnetisierte Drossel so ausgelegt ist, dass sie bereits bei einem sehr geringen Stromwert ihren Sättigungszustand erreicht, in welchem ihr Widerstandswert praktisch Null ist, während sie bei Unterschreitung dieses Wertes plötzlich in den ungesättigten Zustand gelangt, dabei sprunghaft einen sehr hohen Widerstandswert annimmt und vorübergehend während einer gewissen Zeitspanne eine weitere Änderung des Stromes nahezu verhindert. Dadurch entsteht in der Stromkurve in der Nähe jedes Nulldurchganges eine Abflaehung, eine sogenannte stromsehwache Pause, während welcher der Strom praktisch vernachlässigbar klein ist.
Die Kontaktbewegung ist so auf die Arbeitsweise der Drossel abgestimmt, dass die Schalteinriehtung die Kontakttrennung bei allen betriebsmässig vorkommenden Belastungen möglichst beim Eintritt des ungesättigten Zustandes der Drossel bewirkt und der erforderliche Kontaktabstand spätestens zu dem Zeitpunkt erreicht ist, in dem der Augenblickswert des Stromes den Sättigungswert der Drosselspule wieder erreicht. Ein so ausgerüsteter Stromumformer wird bei allen betriebsmässig vorkommenden Belastungen ungeachtet der verschiedenen zeitlichen Lage der Stromnulldurchgänge die erwähnte eigen- tümliche Wirkung der sich entsättigenden Drosselspule für die Kommutierung ausnutzen, so dass er stets mit besonders geringen Entladungserscheinungen arbeitet.
Die in den Hauptstromkreis eingeschaltet Drosselspule kann hiebei selber eine zweite Funktion ausüben, nämlich die Kontaktbewegung nach Massgabe des jeweiligen Kommutierungsstromes steuern. Man kann für diese Steuerung jedoch auch eine im Nebenschluss zum Hauptstrom liegende besondere Drossel verwenden.
Zur Vorausbestimmung und Veränderung des zur Sättigung der Eisendrosseln notwendigen Stromwertes kann man die Drosseln mit Gleichstrom oder mit synchron zum Takte der Schaltbewegung verlaufendem Wechselstrom vormagnetisieren.
Die den Augenblick der Kontakttrennung verstellende Einrichtung soll eine so geringe Eigenzeit besitzen, dass diese Verstellung innerhalb der Kommutierungszeit erfolgen kann, das ist in einer Zeit von der Grössenordnung einer Tausendstelsekunde unter Voraussetzung normaler Verhältnisse (50periodiger Wechselstrom).
Um sehr geringe Eigenzeiten zu erzielen, soll die bewegte Masse der Verstelleinrichtung so gering wie möglich, die sie beschleunigende Kraft dagegen sehr hoch gemacht werden und der erforderliche Verstellweg soll möglichst klein gemacht werden, etwa dadurch, dass man die Unterbrechungseinrichtung in einem gasförmigen Medium von hoher Durchschlagsfestigkeit und hohem Druck arbeiten lässt und durch entsprechende Löscheinrichtungen für eine sehr schnelle Säuberung der Unterbreehungsstrecke von den Ladungsträgern Sorge trägt. Die Verstärkung des Steuerimpulses zu der für die Kontaktbewegung erforderlichen Kraft muss dabei ebenfalls möglichst trägheitslos erfolgen, beispielsweise durch Verstärkerröhren und ähnliche masselose Relais.
Die den Augenblick der Kontakttrennung in Abhängigkeit von der Belastung beeinflussende Einrichtung kann entweder dem bewegten Kontakt seine Schaltbewegung erteilen oder dem feststehenden Gegenkontakt eine zusätzliche Schaltbewegung, die sich der eigentlichen Sehaltbewegung überlagert. Man kann beispielsweise bei einem Stromrichter mit hin-und hergehender Kontaktbewegung den Steuerimpuls zur Erzeugung der hin-und hergehenden Bewegung benutzen.
Man kann anderseits bei einem Stromrichter mit rotierendem Kontakt dem nicht rotierenden Gegenkontakt die zusätzliche Steuerbewegung erteilen, so dass sich der kontinuierlichen Rotationsbewegung eine für jede Halbwelle
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hängige Kontaktbewegung durch Zündung eines explosiblen Gemisches herbeiführen oder durch kurzzeitige Kupplung des Kontaktes mit einer schnellbewegten, z. B. rotierenden Masse.
Fig. 1 stellt ein Diagramm der Spannungen und der Ströme eines mehrphasigen Gleichrichters dar. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit i aufgetragen, auf der vertikalen Achse die Spannungs- werte u und die Stromwerte J und i. Im Punkte "1 sind die Phasenspannungen U1 und 14 gleich gross.
In diesem Augenblick erfolgt der Kurzschluss der beiden Phasen, indem der Kontakt geschlossen wird.
Man kann natürlich nach Bedarf den Kontaktschluss knapp vor oder nach Erreichen der Spannungs- gleichheit vornehmen, um dadurch in an sich bekannter Weise den Strom zu regeln. Der in der Phase 1 fliessende Strom sei i1. Dieser Strom nimmt nun in der Kommutierungszeit k1 bis auf den Wert Null ab.
In der gleichen Zeit steigt der Strom der Phase 2 vom Werte Null auf den vollen Wert i2 an. Die Tren- nung der Kontakte in der abzuschaltenden Phase 1 erfolgt 1n Sekunden vor dem Stromnulldurchgang des Kommutierungsstromes im Zeitpunkt B. Die Zeit m ist gerade so gross gewählt, dass der Kontakt der abzuschaltenden Phase in dieser Zeit jenen Abstand erreicht, bei dem eine Lichtbogenlöschung stattfindet und ein Stromdurehgang in umgekehrter Richtung mit Sicherheit verhindert ist. Der hinter dem ablaufenden Kontakt gezogene Lichtbogen wird also nur auf die kleinstmögliche Länge gebracht.
Wenn nun die Belastung vom Werte i auf den Wert J steigt, dann erreicht der Strom J1 der abzuschaltenden Phase erst in der Zeitz seinen Nullwert, und in der gleichen Zeit steigt der Strom in der Phase 2 auf seinen vollen Wert J2 an. Die Kommutierungszeit hat sich also vom Werte k1 auf den Wert k2 verlängert. Durch die Kontaktsteuerung nach der Erfindung wird nun die Kontakttrennung vom Zeitpunkt B auf den Zeitpunkt C'zurückverlegt. Diese Zurückverlegung ist so gross, dass die Kontakttrennung wieder wie früher erst m Sekunden vor dem Nulldurchgang des Stromes J1 der abzuschaltenden Phase stattfindet und mithin wieder gerade nur die zur Unterbrechung erforderliche Strecke von dem Kontakt zurückgelegt werden kann.
Der Lichtbogen wird hiebei nicht auf eine unnötig grosse Länge gebracht, sondern er behält seine Mindestlänge bei.
Werden in den Hauptstromkreis eisengesättigte, entsprechend vormagnetisierte Drosselspulen eingeschaltet, dann verläuft der Kommutienmgsstrom nach den Kurven J'bzw. i', d. h. es entsteht eine sich vor dem Stromnulldurchgang erstreckende Stromstufe, in welcher das Drosseleisen ungesättigt ist, wodurch der Strom schon früher einen sehr geringen Wert annimmt und ihn bis zum Stromnulldurchgang beibehält. Es ist nun möglich, die in den Hauptstromkreis eingeschaltete Drossel und die Schalteinrichtung für die Stromrichterkontakte so aufeinander abzustimmen, dass die Kontakttrennungspunkte B bzw. C möglichst am Beginn der Wirkungszeit der Drossel liegen, wie aus der Figur ersichtlich ist.
In diesem Falle wird der Stromkreis mit einem nur sehr geringfügigen Lichtbogen unterbrochen, u. zw. bei allen betriebsmässig vorkommenden Belastungsstromstärken, da sich sowohl der Wirkungsbereich der Drosselspule wie auch die Kontakttrennung völlig selbsttätig der sich ändernden Kommutierungszeit anpasst.
In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Aus dem Drehstromnetz U, V, W wird ein Transformator 1 gespeist. Die Ströme der drei sekundären Phasen sind über die Schalteinrichtungen 2, 3, 4 geführt, die nach Art der bekannten Schnellschalter ausgebildet sein können. Diese Schalteinrichtungen werden so gesteuert, dass der Sekundärwicklung des Transformators ein gleichgerichteter Strom entnommen wird, der den Verbraucher 5 speist. Die Öffnungsbewegung der Schalteinrichtungen 2, 8, 4 erfolgt mit Hilfe von elektromagnetischen Kupplungen 6 und einer rasch umlaufenden Masse, die von einer Kette 7 gebildet wird, die über die zwei Rollen 8, 9 läuft und von einem Motor 10 angetrieben wird.
Dieser Antrieb der Schalteinrichtungen hat den Zweck, eine möglichst starke Beschleunigung der Ausschaltbewegung zu erzielen.
Die Steuerung der elektromagnetischen Kupplungen 6 erfolgt über Relais 11, denen Impulse für das Aussehalten der Sehalteinriehtungen durch die Drosselspulen 12 und Impulse für das Einsehalten der Schalteinrichtungen durch eine synchron mit der umzurichtenden Wechselspannung betätigte Steuereinrichtung 18 erteilt werden. Die Magnetwicklungen der Kupplungen sind mit 14 bezeichnet. 15 sind die Schliessfedern der Schalteinrichtungen, 16 sind Gleichstrombatterien. 17 sind die Eisenkerne der Drosselspulen, welche zweckmässigerweise vormagnetisiert sind und so bemessen sind, dass sie sich bei vollem Strom magnetisch sättigen.
In der dargestellten Lage wird die Gleiehstrombelastung 5 aus der Phase u gespeist. Die Magnetkupplung des Schalters 2 ist dabei unerregt, so dass dieser Schalter durch seine Schliessfeder 15 geschlossengehalten wird. Die Magnete der Schalter 3 und 4 sind dagegen erregt und werden durch die in der Richtung der Pfeile 18 sich bewegende Kette, die sich zwischen den Schenkeln des Magneten hindurchbewegt, mitgenommen. Die Schalter werden dadurch gegen die Kraft der Schliessfedern offengehalten.
Einen Augenblick später, nämlich sobald die Phasenspannung der Phase u auf dem absteigenden Ast der Wechselstromhalbwelle denselben Wert erreicht hat wie die Spannung der Phase M', gibt die Steuereinrichtung 13 der Schalteinrichtung 4 den Einschaltimpuls. Dadurch wird über das Relais 11 die Spule 14 der Schalteinrichtung 4 entregt, und die Schliessfeder 15 schliesst den Schalter 4. Nun ist ein Kurzschlusskreis hergestellt, der von den Phasen u und w über die Schalter 2 und 4 verläuft. Nach Massgabe des Abklingens des Kurzschlussstromes in diesem Kommutierungsstromkreis wird durch die
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impuls bewirkt mit Hilfe des Relais 11 die momentane Erregung der Spule 14 des Schalters 2.
Durch die lebendige Kraft der umlaufenden Masse 7, die im Verhältnis zur Masse der Schalteinriehtung entsprechend hoch gewählt sein muss, wird der Kontakt der Schalteinrichtung 2 sehr schnell aufgerissen, sobald infolge der Erregung der Spule 14 die magnetische Kupplung hergestellt ist. Die Beschleunigung dieser Öffnungsbewegung ist so gross, dass die Kontakte in der sehr kurzen Zeit von etwa einer Tausendstel- sekunde um die zur Unterbrechung erforderliche Strecke getrennt werden. Sie erreicht die volle Unterbrechungsdistanz in dem Augenblick, wo der Strom der zu unterbrechenden Phase gerade durch seinen Nullwert hindurchgeht. Der zwischen den Kontakten sich bildende Lichtbogen wird daher mit Mindest-
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sind in der Zeichnung weggelassen.
Die Schalteinrichtungen können auch nach Art von Sehnellschaltern gebaut sein, die ihre Öffnungsbewegung unter der Wirkung von starken Federn ausführen, sobald ein Schliessmagnet entmagnetisiert wird. Auch mit dieser an sich bekannten Konstruktion lassen sich sehr hohe Öffnung-
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PATENT-ANSPRÜCHE :
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Anordnung zur selbsttätigen Steuerung der Kontakttrennung bei Stromrichtern mit mechanisch bewegten Kontakten, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräte, welche eine Öffnung der Kontakte innerhalb eines jeden Kommutierungsvorganges bewirken, innerhalb des Zeitbereiches, während dessen der Strom den der Unterbrechung jeweils unmittelbar vorangehenden fallenden Kurventeil durchläuft, nach Massgabe des durch Grösse und Verlauf des Kommutierungsstromes bedingten Abklingens desselben oder in Abhängigkeit von einem bestimmten, von dem abklingenden Kommutierungsstrom durehlaufenden Stromwert desselben ansprechen und dass die Eigenzeiten der Steuereinrichtung und der gesteuerten Schaltteile so klein sind, dass bei der folgenden Ausschaltbewegung die Kontaktöffnung so zeitig beginnt, dass zu einem Zeitpunkt,
in welchem der abklingende Strom praktisch Null ist, bereits der zur sicheren Verhinderung des Stromdurchganges in umgekehrter Richtung erforderliche Mindestkontaktabstand erreicht, jedoch nicht wesentlich übersehritten ist.