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Verfahren und Einrichtung zur leistungslosen Umschaltung von Stufens chaltwerken
Stufenschaltwerke bekannter Bauart, wie sie beispielsweise zur Steuerung von Motoren, insbesondere Bahnmotoren, verwendet werden, arbeiten entweder mit leistungslos zu schaltenden Stufenwählern und Lastschaltern, die vor jedem Umschaltvorgang eine der Sammelschienen-Phasen, an der eine Umschaltung erfolgen soll, abschalten, oder aber jeder Stufenwähler muss für eine Abschaltleistung ausgelegt sein, die der von seiner Stufe abgegebenen Leistung entspricht. Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur leistungslosen Umschaltung von Stufenschaltwerken für über Gleichrichter aus einem Wechselspannungsnetz gespeiste elektrische Verbraucher. Erfindungsgemäss wird der Verbraucher über zwei parallele, getrennt abschaltbare Kreise gespeist, in denen spannungsteuernde Elemente vorgesehen sind, mittels derer wahlweise einer dieser Kreise durch Erzeugung einer hinreichend grossen Spannungsdifferenz in diesem Kreis gegenüber dem andern stromlos gemacht wird.
Das kann entweder dadurch geschehen, dass die Spannung in einem Kreis gegenüber dem Spannungswert bei symmetrischer Belastung erhöht oder die im andern Kreis erniedrigt wird oder aber, wenn der Laststrom durch den Verbraucher unverändert bleiben soll, eine gegensinnige Spannungsänderung in demselben Verhältnis gleichzeitig in beiden Kreisen vorgenommen wird. Durch diese stetige Spannungssteuerung wird eine leistungslose Umschaltung von der einen auf die andere Stufe ohne die Verwendung von Lastschaltern ermöglicht.
Bevor auf die Anwendung dieses Prinzips auf Stufenschaltwerke eingegangen wird, soll das Verfahren nach der Erfindung an Hand der in Fig. 1 dargestellten einfachen Schaltung erläutert werden.
Aus einer Wechselstromquelle 1 mit der EMK E wird über zwei parallel liegende Zweige der Gleichstromverbraucher 2 gespeist, der den Widerstand Rv haben möge. Der Zweig A führt über einen beispielsweise induktiven Spannungsteiler 3, die Gleichrichterbrücke 4 und den Schalter 5, Zweig B über den
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und 10 der als linear angenommenen Spannungsteiler a und 6, wie durch das Verbindungsglied 11 angedeutet, derart gekoppelt, dass sich bei einer gemeinsamen Verschiebung der Abgriffe 9 und 10 die Spannung an einem Abgriff in demselben Verhältnis erhöht, wie sich die am andern erniedrigt bzw. umgekehrt.
Im stationären Zustand liegen, wie in Fig. 1 angedeutet, beide Abgriffe 9 und 10 an der Mitte der
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beispielsweise,Spannungsteiler 3 verringert und die an dem Spannungsteiler 6 erhöht.
Wie man leicht errechnet, beträgt die Spannungsänderung . E, die erforderlich ist, um lA = 0 und iB = iges. werden zu lassen,
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RG-Wertes nicht erforderlich ist. Die analoge Betrachtung gilt mit umgekehrten Vorzeichen für den Fall, dass Kreis B stromlos gemacht werden soll.
In der Praxis wird man meistens auf die Forderung eines exakt konstanten Stromes durch den Verbraucher während eines solchen Umsteuerungsvorganges verzichten können, zumal ja durch dieseUmsteuerung eine Umschaltung der Verbraucher von einer auf die andere Spannungsstufe eingeleitet wird. Dann erübrigt sich die in der Anordnung nach Fig. l dargestellte Kopplung der beiden Abgriffe 9 und 10 an den Spannungsteilern 3 und 6 durch das Verbindungsglied 11. Um beispielsweise Kreis A stromlos zu machen
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um den die Spannung bei grösstmöglichem Strom in einem Zweig erhöht werden muss, um den andern Zweig stromlos zu machen.
Die erste, mit Hilfe der Magnetverstärker stetig steuerbare Spannungsstufe Uo 13 wird also zweck-
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Als Beispiel einer Umschaltung sei der Wechsel von Stufe 14 auf Stufe 15 erläutert. Solange die bei- den Schalter 19 und 20 geschlossen sind, fliesst durch beide Kreise A und B der halbe Laststrom, da die
Magnetverstärker 25 und 26 zunächst soweit ausgesteuert sind, bis die Gesamtspannung an den Gleich- richtorbrücken 27 und 28 2Uik kleiner als Uo 13 + Uik ist. Dies kann, wie in Fig. 2 beispielsweise darge- stellt, mittels des auf die Steuerwicklung beider Magnetverstärker 25 und 26 gleichsinnig wirkenden
Steuerkreises 30 erfolgen.
Die Umschaltung wird eingeleitet, indem mit Hilfe des auf die beiden Magnetverstärker 25 und 26 gegen- sinnig wirkendenSteuerkreises 31 bis zur Stromlosigkeit des Kreises B die S pannung an der Gleichrichterbrücke
27 erhöhtunddie andergleichrichterbrücke 28 erniedrigt wird. Der Einfachheit halber kann dieseSpanimngs- differenzimmerdenobendefinterten, fürdiestromlosigkeiteines der Kreise A und B bei maximalem Laststrom im andernKreis bemessenen ertAUannehmen.
Obwohl bei kleinerenLastströmen bereits ein empire- chend geringerer Wert als A U ausreichen würde, spielt eine Überschreitung des exakten Gleichgewichtswertes keine Rolle, da, wie bereits an Hand der Fig.1 erläutert, Rückströme durch die Gleichrichter ausgeschlossen sind.
Nachdem die erläuterte Spannungsdifferenz hergestellt ist, kann der Schalter 20 leistungslos geöffnet werden. Nun wird der Magnetverstärker 26 vollkommen gesperrt, was weiterhin mit dem Steuerkreis 31 geschehen kann, da die Steuerwicklung des Magnetverstärkers 25 nur bis zu dessen Sättigung wirksam ist. ist. Der Schalter 22 kann dann leistungslos eingeschaltet werden, da danach die Spannung an der Gleichrichterbrücke 28 um mindestens AU kleiner ist, als an der Gleichrichterbrücke 27. Jetzt erfolgt eine Umsteuerung der beiden Magnetverstärker 25 und 26 mit Hilfe der Steuerkreis 30 und 31 so, dass die Spannung im Kreis A abnimmt und die im Kreis B zunimmt.
Ist dann die Spannung im Kreis B um den Betrag AU höher als im Kreis A, so dass jener die Speisung des Verbrauchers übernimmt, kann der Schalter 19 ge- öffnet und nach vollständiger Sperrung des Magnetverstärkers 25 der Schalter 21 geschlossen werden. Wäh- rend der Magnetverstärker 25 gesperrt wird, verbleibt der Magnetverstärker 26 zweckmässigerweise auf dem Aussteuerungszustand AU, so dass, nachdem der Umschaltvorgang beendet ist, die herrschende Spannungsdifferenz AU an den Gleichrichterbrücken 27 und 28 beseitigt werden und nun wieder eine stetige Steuerung um eine ganze Spannungsstufe des Transformators bei symmetrischer Belastung beider Kreise A und B erfolgen kann.
Die Rückschaltung auf Stufe 14 erfolgt in der umgekehrten Reihenfolge. Jede andere Umschaltung kann völlig analog der beschriebenen durchgeführt werden.
Wie man sich leicht klarmacht, stellt die beschriebene Steuerfolge an den Magnetverstärkern jeweils nur eine von mehreren Möglichkeiten dar. Die gewünschte Stromlosigkeit kann ja im Prinzip immer auf drei Arten erreicht werden : entweder Erhöhung der einen oder Erniedrigung derandemSpannungoder aber gleichzeitige gegensinnige Veränderung beider Spannungen an den Magnetverstärkern.
Als weiteres Beispiel der Erfindung soll in Fig. 3 die Anwendung des an Hand der Fig. 1 erläuterten Prinzips nach der Erfindung auf ein bereits vorgeschlagenes Schaltwerk erläutert werden. Dieses Schaltwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Stufen des Transformators sekundärseitig galvanisch voneinander getrennt sind und jeder Stufe eine mittels eines besonderen Schalters wahlweise zu- oder abschaltbare Gleichrichtergruppe zugeordnet ist, wobei sämtliche Gleichrichtergruppen miteinander und mit der Last In Reihe geschaltet sind. Dieses Schaltwerk hat also keinerlei Hauptlastschalter mehr, dafür mttss- te jeder Stufenschalter für die von seiner Stufe abgegebeneLeistung ausgelegt und in der Lage sein, diese abzuschalten.
Indem erfindungsgemäss jeder der den einzelnen Stufen zugeordneten, untereinander und mit der Last in Reihe liegenden Kreise in zwei analoge parallele, getrennt abschaltbare Zweige aufgespalten wird und In diesen beiden Zweigen spannungssteuernde Elemente, vorzugsweise spannungssteuernde Magnetverstärker, in Selbstsättigungsschaltung angeordnet sind, lässt sich die bereits beschriebene leistungslose Umschaltung verwirklichen.
In Fig. 3 ist schematisch ein derartiges Schaltwerk nach der Erfindung gezeigt. Von den sekunde tig galvanisch getrennten Transformatorstufen sind fünf mit den Zahlen 32 - 36 bezeichnet. Jede Tram- formatorstufe ist zwischen Transformator 37 und Verbraucher 38 in zwei analoge parallel geschaltete Zweige A und B aufgeteilt, denen die Schalter 39 - 46 sowie die Gleichrlchtergruppen 47-56 zugeord- net sind. In der Stufe 32 befinden sich die beiden spannungssteuernden Magnetverstärker 57 und 58 in Selbstsättigungsschaltung.
Die Steuerkreise der Magnetverstärker 57 und 58 wurden hier nicht besonders
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dargestellt. da erfindungsgemäss alle bekanntenSteuerverfahren angewendet werden können. Alle mit ungeraden Bezugszahlen ab 39 bezeichneten Elemente liegen untereinander und mit dem Verbraucher 29 in Reihe, ebenso alle mit geraden Bezugszahlen ab 40 bezeichneten Elemente. In beiden parallelen Zweigen A und B kann zweckmässigerweise noch je eine Glättungsdrossel 59 und 60 vorgesehen werden.
Die Stufen 33 - 36 mögen dual gestaffelt sein, also die Spannungswerte U, 2U, 4U und 8U haben.
Für den praktisch interessierenden Fall, dass die Stufen nur der Reihe nach (U, 2U, 2U + U, 4U, 4U + U usw. ) herauf-oder heruntergeschaltet werden sollen, genügt es, dass die Stufe 32 wenigstens einen Wert U + AU hat, wobei AU wieder den Betrag bedeutet, um den die Spannung in einem der Kreise A bzw. B bei grösstem Laststrom erhöht werden muss, damit der andere Zweig stromlos wird. Die Stufe 32 ist stetig durch die Magnetverstärker 57 und 58 steuerbar.
Die Steuer- und Schaltfolge ist dann, wie man leicht erkennt, völlig analog der der Anordnung nach
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eine Spannungsdifferenz-AU gegenüber dem ändern Zweig herzustellen. Vor dem Schliessen irgendeines der Stufenschalter 39 - 46 muss ferner dafür gesorgt werden, dass die Spannung in seinem Zweige zuzüg- lich des zu schaltenden Spannungssprungs um wenigstens AU geringer bleibt als die im andern Zweig.
Für den Fall, dass bei einem Schaltwerk mit dualer Abstufung nach Fig. 3 eine beliebige Schaltfolge vorgesehen ist, also z. B. dann, wenn der Verbraucher 38 in Stufe 33 (U) liegt und als nächste Stufe gleich Stufe 36 (8U) dazugeschaltet werden soll, lässt sich ein zumindest leistungsloses Anschalten der Stufenschalter bei der Aufwärtssteuerung des Schaltwerkes nach den beschriebenen Verfahren erreichen, ein leistungsloses Zuschalten der Stufenschalter dagegen nur, wenn die durch die Magnetverstärker 57 bzw. 58 stetig steuerbare Stufe entsprechend dem grössten Spannungssprung ausgelegt ist. Da man in der überwie-
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absteuern der Speisespannung der Laststrom infolge der noch wirkenden Anker-EMK sehr schnell absinkt und dann die Notwendigkeit einer besonderen Entlastung der zu öffnenden Schalter entfällt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur leistungslosenUmschaltungvonStufenschaltwerken für über Gleichrichter aus einem Wechselspannungsnetz gespeiste elektrische Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher über zwei parallele, getrennt abschaltbare Kreise gespeist wird und in beiden Kreisen spannungssteuernde Elemente vorgesehen sind, mittels derer wahlweise einer dieser Kreise durch Erzeugung einer hinreichend grossen Spannungsdifferenz in diesem Kreis gegenüber dem andern stromlos gemacht wird.