Wechselstromschalteinrichtnng. Die Erfindung betrifft eine Schaltein richtung für Wechselstrom und ist zum Bei spiel sowohl für Schalter zum Ausführen von Einzelschaltungen, als auch für Schal ter mit periodisch bewegten Kontakten zum Umformen von Wechselstrom in Gleichstrom (Gleichrichter) oder von Gleichstrom in Wechselstrom (Wechselrichter) oder von Wechselstrom in Wechselstrom von anderer Frequenz (Umrichter) geeignet. Bei den bis her bekannten Schalteinrichtungen dieser Art treten Schwierigkeiten auf, die im we sentlichen darauf zurückzuführen sind, dass die Beschädigung der Unterbrechungskon takte durch Entladungserscheinungen nicht genügend vermindert werden konnte.
Es ist bekannt, bei Schaltern für Einzel schaltung und bei rotierenden mechanischen Gleichrichtern in den zu unterbrechenden Stromkreis eine Drosselspule mit sich bei einem sehr kleinen Wert des Stromes sätti gendem Eisenkern einzuschalten, durch wel- che die Augenblickswerte des Wechselstro mes in der Nähe des Stromnulldurchganges herabgesetzt werden und so die Stromkurve abgeflacht wird. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass sich an. den Kontakten im<B>Öff-</B> nungsaugenblick eine hohe Spannung .aus bildet und einen die Oberfläche der Kon takte angreifenden Lichtbogen hervorruft.
Es ist ferner angegeben worden, die Span nung an den Kontakten während der Unter brechung durch die Überlagerung von. Span nungen höherer Frequenz herabzusetzen. Hierbei wurde jedoch ausser acht gelassen, dass der Verlauf des Stromes gewöhnlich nicht mit dem der Spannung übereinstimmt; so dass der Strom trotz der Herabsetzung der Spannung kurz vor der Kontaktöffnung einen hohen Augenblickswert haben und so mit kräftiges Schaltfeuer entstehen kann, indem sich der Strom seiner plötzlichen Ver minderung widersetzt.
Auf diese Gründe ist es zurückzuführen, dass - soweit be- kannt - Schalteinrichtungen mit periodisch bewegten Kontakten für Starkstrom nicht in nennenswertem Umfang praktisch verwendet wurden. Gleichrichter dieser bekannten Art konnten sich gegenüber Umformeraggregaten nicht durchsetzen und sind gegenüber den im letzten Jahrzehnt kochentwickelten Quecksilherdampfstromrichtern und andern Entladungsgefässen für Starkstrom völlig zurückgetreten.
Die Erfindung bezweckt nun, die oben erwähnten Schwierigkeiten der bei der Un terbrechung auftretenden Entladungserschei nungen auch bei hohen Leistungen zu ver meiden und die Spannungsverluste, vergli chen mit denen der Gasentladungsgefässe, herabzusetzen.
Die Erfindung besteht in der Kombina tion von Mitteln zur Abflachung des Ver- laufes eines dem Nulldurchgang benachbar ten Teils der Stromkurve mit einem die Un terbrechungsstelle überbrückenden und den Anstieg der nach der Unterbrechung an den Elektroden wiederkehrenden Spannung ver zögernden Parallelpfad.
Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Fig. 1 bis 6, die Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes darstellen. Fig.1 ist ein schematisches Schaltbild einer ersten Anordnung; die Fig. 2 und 3 enthalten Dia gramme zur Veranschaulichung der Wir kungsweise der genannten Anordnung, und die Fig. 4 bis 6 zeigen verschiedene weitere Ausführungsbeispiele wiederum in Form von schematischen Schaltbildern.
In Fig. 1 bezeichnet 1' einen Generator oder eine andere Wechselstromquelle, welche mit der Spannung LT einen Stromkreis speist, der durch eine Schalteinrichtung 2' unter brochen werden kann. In dem Stromkreis liegt eine Impedanz 4' in Reihe mit der Un terbrechungsstelle, während 3' eine die Un terbrechungsstelle überbrückende parallele Kapazität darstellt. Die Impedanz 4' kann beispielsweise eine Wicklung sein, in der durch ein fremd erzeugtes Wechselfeld zu sätzliche Spannungen höherer Frequenz in- duziert werden, die die Änderung der Augen blickswerte des Stromes in der Nachbar schaft des Stromnulldurchganges hemmen.
Die Impedanz 4' kann auch selbsttätig pe riodisch veränderlich sein, derart, dass sie bei Unterschreitung eines vorbestimmten Strom wertes ihren Scheinwiderstandswert vergrö ssert. Eine derartige Impedanz ist beispiels weise ein Kohlesäulewiderstand, auf den ein in Abhängigkeit von dem hindurchfliessenden Strom selbsttätig gesteuerter Druck ausgeübt wird, der sich jedesmal plötzlich ermässigt, sobald der Strom einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
Die Impedanz 4' kann ferner eine Dros selspule mit Eisenkern sein, der so bemessen und auf dem die Wicklung so angeordnet ist, dass sich das Eisen bei Überschreitung eines vorbestimmten Stromwertes sprunghaft sättigt. Fig. 2 gibt ein Beispiel für die Ge stalt der Sättigungskurve einer derartigen Drossel an, die im folgenden als Schaltdros sel bezeichnet wird. Auf der horizontalen Achse ist die dem Strom proportionale Feld stärke H und auf der vertikalen Achse die magnetische Induktion B aufgetragen. Auf dem absteigenden Kurvenast s ist infolge der Remanenz im Stromnulldurchgang die In duktion B" vorhanden und daher der Eisen kern noch nahezu magnetisch gesättigt.
Nach dem Stromnulldurchgang gelangt die Induk tion in das ungesättigte Gebiet. Infolgedes sen nimmt die Induktivität der Schaltdrossel in diesem Gebiet zu. Sie behält einen hohen Wert, bis die entgegengesetzte Sättigungs grenze erreicht ist, bei deren Überschreitung die Induktivität und damit der Widerstands wert der Schaltdrossel auf den niedrigen Wert zurückgeht, der für den Stromdurch gang kein wesentliches Hindernis bildet.
Beim nächsten Stromnulldurchgang findet dann der umgekehrte Vorgang statt, wobei ebenfalls wieder eine vorübergehende starke Erhöhung des Scheinwiderstandswertes der Schaltdrossel unmittelbar nach dem Strom nulldurchgang eintritt. Dies ist jedesmal mit einer Abflachung der Wechselstromkurve im Stromnulldurchgang verbunden, die im fol- genden als stromschwache Pause bezeichnet wird.
Die Schaltdrossel wirkt um so günstiger, 3e weniger Streuung sie hat. Man führt sie deshalb mit grossem Eisenquerschnitt und verhältnismässig geringer 'v#rindungszahl aus. Hierzu werden mit Vorteil Eisensorten mit sehr geringer Remanenz bezw. geringer Koerzitivkraft, mit grosser Permeabilität, scharfem Sättigungsknick, sowie hoher Sät tigungsinduktion verwendet, z.
B. Permal- loy oder Hyperm. Um auch Eisen mit grö sserer Remanenz verwenden zu können, kann eine Vormagnetisierung durch Gleich- oder Wechselstrom oder auch durch permanente Magnete angewendet werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die plötzliche Änderung des Kraftflusses in den vormagnetisierenden Windungen eine Gegen-EMK induziert. Diese schädliche Wirkung kann durch eine weitere Drossel in dem Erregerkreis der Schaltdrossel oder durch Induzierung zu sätzlicher Spannungen, insbesondere fremder Phasen, kompensiert werden.
Die Vorerregung durch Gleichstrom gibt eine Verbesserung beim Ausschalten, kann aber unter Umständen die Stromstärke im Augenblick des Einschaltvorganges erhöhen. Die Einschaltstromstärke kann nach einem weiteren Verbesserungsvorschlag dadurch niedrig gehalten werden, dass im Bereich des Einschaltzeitpunktes mit geringerer oder mit entgegengerichteter Vormagnetisierung ge arbeitet wird.
Um sowohl den Bedingungen des Ausschaltvorganges, wie auch den Be dingungen des Einschaltvorganges zugleich Rechnung zu tragen, kann für die Einschalt drossel eine Vormagnetisierung durch Wech selstrom vorgesehen werden, so dass die Mag netisierung sowohl beim Einschalten wie auch beim Ausschaltvorgang im richtigen Sinne erfolgt. Bei wechselnder Last kann es zweckmässig sein, zur Erreichung des erfor derlichen Grades der Vormagnetisierung eine von der Belastung gesteuerte Gleichstrom vorerregung, beispielsweise durch den. Be lastungsstrom selbst oder einen Teil davon anzuwenden.
Dadurch ist innerhalb jedes Stromdurchlasszeitabschnittes der Zeitpunkt des Eintrittes der Impedanzänderung von der Grösse des Effektivwertes des übertra genen Stromes abhängig.
Dies geht aus dem in Fig. 2 durch strich punktierte Linien dargestellten Verlauf der Magnetisierungskurve bei Anwendung der Vormagnetisierung hervor. Infolge der Vor magnetisierung durch einen Strom von der Grösse J, veirsohiieibt sich idie Hysteresissobl#eife nach rechts, falls die Vormagnetisierung in beiden Stromhalbwellen die gleiche Richtung hat. Infolgedessen geht nunmehr die Induk tion auf dem absteigenden Kurvenast s' bei derseits des Stromnullwertes durch das un gesättigte Gebiet.
Die stromschwache Pause liegt infolgedessen zur Hälfte vor und zur Hälfte hinter dem Stromnulldurchgang. Man hat es in der Hand, durch eine noch grössere Vormagnetisierung die Abflachung der Stromkurve bereits noch früher eintreten zu lassen, so dass schliesslich der Stromnull- durchgang ganz am Schluss der stromschwa chen Pause liegt.
In Fig. 3 bedeutet i den Strom, der in dem Stromkreis nach Fig. 1 fliesst, wenn die Unterbrechungsstelle 2' geschlossen ist. Die mit i" bezeichnete stromschwache Pause wird dadurch hervorgerufen, dass. sich der Wider stand x der Schaltdrossel über den Strom:- nulldurchgang infolge der Entsättigung des Eisenkernes stark erhöht. x" ist der Wider stand der Schaltdrossel in gesättigtem Zu stand. Im Augenblick A werde die Unter brechungsstrecke geöffnet.
Hat dann der Scheinwiderstand des Parallelpfades einen der Geraden W entsprechenden Betrag, so steigt die Spannung an der Unterbrechungs strecke nicht sofort bis auf den vollen Wert der Spannung U des Netzes an, sondern nur auf einen kleinen Wert e., da sie sich auf die Reihenimpedanz und auf den vom Paral lelpfad überbrückten Teil des Stromkreises im . Verhältnis der Scheinwiderstandswerte aufteilt.
Infolge des hohen Scheinwider standswertes der Reihenimpedanz ist der auf den Parallelpfad mit dem Widerstandswert W LLnd somit auf die Unterbrechungsstrecke entfallende Spannungsanteil nur gering. Erst im Zeitpunkt B, in dem die Sättigung des Eisenkernes der Schaltdrossel erreicht ist oder der Steuerdruck der Kohlesäule erneut einsetzt und daher der Widerstand der Rei henimpedanz auf einen geringen Wert x" abfällt, steigt die Spannung e auf den vollen Wert der Netzspannung an.
Mithin stellt der Zeitraum zwischen den Punkten A und B auch eine spannungsschwache Pause dar, innerhalb derer die Unterbrechung unter er leichterten Bedingungen vonstatten gehen kann. Ist die Schaltdrossel so ausgelegt, dass der Stromwert, bei welchem die Sättigungs grenze ihres Eisenkernes erreicht wird, bei 1 Ampere oder bei einem noch kleineren Wert liegt, so wird die Unterbrechungsstelle bei der Öffnung keiner grösseren Beanspru chung ausgesetzt, als ein Schwachstromkon takt. Bei Betriebsspannungen in der Grössen ordnung von einigen 100 Volt kommt dann praktisch überhaupt kein Schaltfeuer zu stande.
In Fig. 4 ist die Schaltung für einen Dreiphasenstromrichter dargestellt, der bei spielsweise als Gleichrichter wirkt. Mit 27, 28 und 29 sind in den drei Phasen liegende feststehende Kontakte des Gleichrichters be zeichnet und mit 30 der um die Welle 21 umlaufende Kontakt, der seine Drehbewe gung durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Synchronantrieb erhält, der synchron mit dem umzuformenden Wechsel strom läuft. 32, 33 und 34 sind drei in den einzelnen Phasen liegende Schaltdrosseln mit den periodisch sich sättigenden Eisenkernen 35, :
36 und 37.<B>38</B> .ist die Gleichstrom- belastung, 39 eine Glättungsdrosselspule. 40, 41 und 42 sind die Parallelwiderstände für die drei Phasen. Sie sind je mit einem Ende an die Zuleitungen zu den festen Kontakten 27, 28 und 29 angeschlossen und mit ihrem andern Ende zum rotierenden Kontakt 30 ge führt. Die Widerstände 40, 41 und 42 gegebenenfalls auch Induktivitäten - kön nen gleichzeitig Verbraucherwiderstände sein, z. B. Wicklungswiderstände von An triebsmotoren. Die Anordnung ist besonders vorteilhaft anwendbar in Anlagen, welche hohen Strom führen, jedoch mässige Spannung haben, z.
B. für elektrogalvanische Zwecke, da in diesem Fall der Verlust in den Parallel widerständen bezw. Induktivitäten nicht ins Gewicht fällt.
Zur Vorm agnetisierung der Schaltdros seln dienen die Wicklungen 17, 18 und 19, die beispielsweise hintereinander geschaltet sind und aus einer gemeinsamen Stromquelle gespeist werden, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Zur Regelung der Vormag- netisierung dient ein veränderlicher Regel widerstand 20.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Parallelpfades im einpoligen Schema, die jedoch ohne weiteres auch bei jedem mehr- poligen Schema anwendbar ist. Mit 51 ist eine Wechselstromquelle bezeichnet, die einen Stromverbraucher 58 speist. Der Strom pfad führt über eine Schaltdrossel 53 mit dem Eisenkern 54 und über eine Unterbre chungsstrecke 59, deren bewegliches Schalt stück mit einer Synchronsteuerung ausgestat tet ist, so dass die Unterbrechung in einem vorbestimmten Augenblick innerhalb einer Halbwelle des zu unterbrechenden Wechsel stromes vollzogen werden kann. Soll die Einrichtung zur Stromumformung periodisch betrieben werden, so ist ein entsprechender, synchron laufender Antriebsmotor vorzuse hen.
Der Antrieb ist in der Zeichnung nicht. dargestellt. Der Parallelpfad zur Unterbre- chungsstrecke 59 hat eine kapazitive Kom ponente. Er besteht aus einem Kondensator 70 und einem Dämpfungswiderstand 71. Vorteilhaft ist es, noch einen Ohmschen Wi derstand 72 parallel zu schalten. Dieser kann auch unmittelbar zum Kondensator 70 paral lel liegen, so dass der Dämpfungswiderstand 71 beiden vorgeschaltet ist.
Der Kondensa tor bildet mit den im übrigen Stromkreis vorhandenen Induktivitäten, insbesondere der Schaltdrossel, zusammen einen Schwin gungskreis, der jedesmal beim Öffnen der Kontakte in Schwingungen versetzt wird, so dass ein pulsierender Stromfluss entsteht, während die Unterbrechungsstelle geöffnet wird. Der Strom durchfliesst auch die Schalt drossel und versetzt sie in einen sich von Augenblick zu Augenblick ändernden Mag- netisierungszustand. Durch geeignete Ein stellung der Blind- und der Wirkkomponente des Widerstandswertes des Nebenpfades kön nen Frequenz und Dämpfung der Schwin gungen willkürlich so eingestellt werden,
dass sich die Schaltdrossel am Ende der Öff nungszeit in einem bestimmten gewünschten Magnetisierungszustaud befindet, beispiels weise so, dass sie in einer dem zu erwarten den Übertragungsstrom entgegengesetzten Richtung vormagnetisiert, jedoch nicht völ lig gesättigt ist. Dann setzt beim Schliessen der Unterbrechungsstelle erst einmal die stromschwache Pause ein, da der Wider standswert der Schaltdrossel gerade sehr gross ist. An der Drossel liegt ferner in die sem Augenblick der grösste Teil der Betriebs spannung.
Erst wenn später der Übertra gungsstrom die Magnetisierungsrichtung um gekehrt hat und in. der neuen Magnetisie- rungsrichtting der Sättigungszustand er reicht ist, setzt die ungehinderte Stromüber tragung ein.
Wird die Schalteinrichtung nach Fig. 5 als Stromrichter ausgebildet und verwendet, so kann hier die Regelung in einfacher Weise bewirkt werden. Der Kondensator 70 und die Widerstände 71 und 72 werden dazu regelbar gemacht. Dann kann infolge der damit verbundenen Änderung des Schwin gungskreises und somit des im Schliessungs augenblick vorhandenen Magnetisierungszu- standes der Schaltdrossel 53, 54 die zeitliche Lage der stromschwachen Pause relativ zum Schliessungsaugenblick der Unterbrechungs strecke verändert werden, womit sich Strom und Spannung am Verbraucher ändern.
Der Kondensator 70 kann aus mehreren Kondensatorblöcken bestehen, mit deren Hilfe in Stufen geregelt wird, während der Ohmsche Widerstand 72 zur Feinregelung dient und zu diesem Zweck als feinstufiger oder als stufenloser Gleitwiderstand ausge bildet ist. Man kann bei der Schalteinrichtung mit parallel zur Unterbrechungsstrecke liegen dem Kondensator nach Fig. 5 die Regelung auch durch Hinzufügen einer veränderlichen, Vorerregung der Schaltdrossel 53, 54 er zielen.
Bei Regelung- in sehr weiten Grenzen oder bei starken Belastungsschwankungen kann der Fall eintreten, dass die strom schwache Pause der Schaltdrossel noch nicht begonnen hat, wenn die Unterbrechungs stelle geschlossen wird; das ist der Fall, wenn sich die Schaltdrossel in diesem Au genblick in gesättigtem Zustand befindet.
Für diesen Fall wird das stromlose Ein schalten durch eine besondere Hilfsschalt- drossel 73 mit dem Eisenkern 74 von klei neren Ausmassen als die Hauptschaltdrossel 53 gewährleistet, welche von der Regelein richtung unabhängig zwischen der Unterbre chungsstelle und der Abzweigstelle des pa rallelen Strompfades eingeschaltet ist.
Zu ihr kann ein Ohmscher Widerstand 78 unmittelbar parallel geschaltet sein. Über diesen Nebenpfad soll sich die magnetische Energie der ]Iilfs:schaltdro@s@siel ausgleichen, während die Unterbrechungsstelle 59 geöff net ist, damit beim Einschalten von der Hilfsschaltdrossel keine störenden zusätz lichen Spannungen hervorgerufen werden.
Für die Hilfsschaltdrossel ist es wichtig, dass sie einen besonders scharf ausgeprägten Sättigungsknick besitzt, und dass sie so ge baut ist, dass ihre Induktivität in gesättig tem Zustand so klein wie nur irgend mög lich ist.
Die Hilfsschaltdrossel ist nach Fig. 5 mit einer Einrichtung versehen, mittel:; derer sie vormagnetisiert werden kann, um zu erreichen, dass sie sich nach Abklingen des Übertragungsstromes in ungesättigtem Zustande befindet, wenn die Unterbrechungs stelle geschlossen wird.. Beispielsweise dient dazu eine besondere Magnetisierungswick- lung 75, welche aus einer Gleichstromquelle. 76 über einen regelbaren Widerstand 77 ge speist wird. An die Stelle der Batterie<B>76</B> kann bei Gleich- bezw: Wechselrichterbetrieb das vorhandene Gleichstromnetz treten.
Es kann auch Wechselstrom zum Vormagneti sieren benutzt werden, der dann vorteilhaft. synchron mit der Unterbrechungsstelle zu steuern ist. Statt der besonderen Wicklung 75 kann der Vormagnetisierungsstrom auch die Hauptwicklung 74 durchfliessen. Wird, wie früher beschrieben, ein Ohm- scher oder induktiver Widerstand als paral leler Strompfad zur Unterbrechungsstrecke verwendet, und bleibt nun dieser Wider stand, während die Hauptunterbrechungs- strecke geöffnet ist, mit unverändertem Wert in den Stromkreis eingeschaltet, so fliesst über ihn ein Verluststrom - bei Stromrichtern ein Rückstrom - der insbe sondere bei hoher Betriebsspannung uner wünscht hohe Werte annehmen kann.
Zur Beseitigung dieses Nachteils wird der Wi derstandswert des parallelen Strompfades mit der Periode des Wechselstromes verän derlich gemacht. Zwecks Anpassung an die in den angeschlossenen Stromkreisen herr- schendenStrom- und Spannungsverhältniase kann sowohl der Betrag als auch der innerhalb einer Halbwelle sich abspielende zeitliche Verlauf der periodischen Wider standsänderungen des parallelen Strompfades regelbar sein.
Mit der Regelung des zeit lichen Verlaufes kann ausser der Verbesse rung der Kommutierung auch eine Regelung des Stromes und der Spannung im Verbrau cherstromkreis erzielt werden. In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung für die Verwen dung als Stromrichter schematisch darge stellt. Mit 51 ist eine Wechselstromquelle bezeichnet, von der eine Leitung 52 über eine Schaltdrossel 53 mit Eisenkern 54, über eine weitere Leitung 55 eine Unterbrechungs strecke 56, 57 zu einem beliebigen Stromver braucher 58 und von diesem zur Wechsel stromquelle 51 zurückführt. Die Unterbre chungsstrecke 56, 57 wird durch einen Kon takt 59 überbrückt, der beispielsweise mit tels eines drehbaren Nockens 60 angehoben werden kann.
Parallel zur Unterbrechungs- strecke 56, 57 liegt der Widerstand 61; seine periodische Veränderung erfolgt mit Hilfe eines Regelschalters, der im vorliegenden Fall ein Ausschalter 63 ist, über welchen der Ansehluss des Parallelwiderstandes 61 an die Leitung 55 führt, und der mit dem Hauptschalter 59 derart mechanisch gekup pelt ist, dass der parallele Stromzweig über den Widerstand 61 geschlossen wird, kurz bevor die Hauptkontakte sich schliessen, und erst wieder geöffnet wird, nachdem die Hauptkontakte sich geöffnet haben.
Das wird erreicht durch einen Stössel 63, der in der Öffnungsrichtung die mechanische Kupp lung zwischen dem Hauptkontakt 59 und dem Hilfskontakt 62 herstellt, dabei aber etwas kürzer-ist als der Abstand zwischen den beiden Kontakten, so dass der Hubweg und damit die Öffnungszeit des Hilfskontak tes 62 kürzer ist als die des Hauptkontaktes 59. Durch verschiedene Einstellung des Ab standes zwischen den Kontakten 59 und 62 oder der Länge des Stössels 63 wird das Ver hältnis der Öffnungs- und Schliesszeiten des Hilfsschalters 62 zu denen des Hauptschal ters 59 geregelt: Durch Veränderung des Widerstandswertes des regelbaren Wider standes 61 wird der Betrag der Widerstands änderung des parallelen Strompfades ge regelt.
Die erforderlichen Regelungen kön nen selbsttätig in Abhängigkeit von der Grösse und Art der Belastung, von der Form der Wechselstromkurve und bei Gleich- oder Wechseltrichterbetrieb von der Form des Gleichstromes (Glättungsgrad), von einer etwaigen Gegenspannung auf der Gleich stromseite und bei mehrphasigen Wechsel stromsystemen in Abhängigkeit von etwa auftretenden Unsymmetrien gesteuert wer den.
Statt der durch Nocken gesteuerten Druckkontakte können auch Schleifkontakte der geschilderten Art sowohl für die Haupt unterbrechungsstelle, als auch für die Hilfs- unterbrechungsstelle verwendet werden, wo bei die umlaufenden Segmente und die Stromabnahmebürsten in ihrer Länge und in ihrer Stellung zueinander regelbar sind.
Um die Schaltleistung, die von der Schalteinrichtung maximal unterbrochen werden kann, heraufzusetzen oder um die Löschung von Lichtbögen, die infolge von Störungen .am,Sy nchronantri-eib aller infolge von Unsymmetrien zwischen den einzelnen Phasen eines angeschlossenen mehrphasigen Netzes entstehen können, zu erleichtern,
kön- aen zusätzliche Mittel zur Erhöhung der Durchschlagsspannung der Unterbrechungs strecke vorgesehen sein; man kann zum Bei spiel die Trennstrecke im Vakuum anord nen. Ein anderes Mittel besteht darin, dass die Trennstrecke mit einem besonderen hoch wertigen Medium von hoher Durchschlags spannung umgeben wird. Als Dielektrika kommen hauptsächlich Gase oder Flüssig keiten in Betracht, die zur weiteren Er höhung der Durchschlagsfestigkeit unter Überdruck stehen können.
Die Flüssigkeiten oder Gase können an der Unterbrechungs stelle in Strömung versetzt werden, um im Notfall als Löschmittel zu dienen.
AC switchgear. The invention relates to a Schaltein direction for alternating current and is for example both for switches for running individual circuits, as well as for scarf ter with periodically moving contacts for converting alternating current into direct current (rectifier) or direct current into alternating current (inverter) or alternating current in alternating current of a different frequency (converter). With the switching devices of this type known up to now, difficulties arise which are essentially due to the fact that the damage to the interruption contacts due to discharge phenomena could not be sufficiently reduced.
It is known to switch on switches for single circuits and rotating mechanical rectifiers in the circuit to be interrupted with a choke coil with a very low value of the current saturating iron core, which reduces the instantaneous values of the alternating current in the vicinity of the current zero crossing and so the current curve is flattened. However, there is a risk that. forms a high voltage on the contacts at the moment of opening and causes an arc attacking the surface of the contacts.
It has also been specified that the voltage at the contacts during the interruption by the superposition of. Reduce voltages of higher frequency. Here, however, it was ignored that the course of the current usually does not correspond to that of the voltage; so that the current has a high instantaneous value in spite of the reduction in voltage shortly before the contact opens and so can arise with powerful switching fire, as the current opposes its sudden reduction.
It is due to these reasons that - as far as is known - switching devices with periodically moving contacts for heavy current were not used in practice to any significant extent. Rectifiers of this known type could not prevail over converter units and have completely receded in comparison to the mercury vapor converters and other discharge vessels for high-voltage currents, which were developed over the last decade.
The aim of the invention is to avoid the above-mentioned difficulties of the discharge phenomena occurring during the interruption even at high power levels and to reduce the voltage losses compared with those of the gas discharge vessels.
The invention consists in the combination of means for flattening the course of a part of the current curve adjacent to the zero crossing with a parallel path bridging the point of interruption and delaying the rise in the voltage returning to the electrodes after the interruption.
FIGS. 1 to 6, which represent exemplary embodiments of the subject matter of the invention, serve to explain the invention. Fig. 1 is a schematic circuit diagram of a first arrangement; 2 and 3 contain diagrams to illustrate the manner in which we mentioned the arrangement, and FIGS. 4 to 6 show various other exemplary embodiments, again in the form of schematic circuit diagrams.
In Fig. 1, 1 'denotes a generator or another alternating current source, which with the voltage LT feeds a circuit which can be interrupted by a switching device 2'. In the circuit, an impedance 4 'is in series with the interruption point, while 3' represents a parallel capacitance bridging the interruption point. The impedance 4 'can, for example, be a winding in which additional higher-frequency voltages are induced by an externally generated alternating field, which inhibit the change in the instantaneous values of the current in the vicinity of the current zero crossing.
The impedance 4 'can also be periodically variable automatically, in such a way that it increases its impedance value when it falls below a predetermined current value. Such an impedance is, for example, a carbon column resistance to which an automatically controlled pressure is exerted as a function of the current flowing through it, which pressure suddenly decreases each time the current falls below a predetermined value.
The impedance 4 'can also be a choke coil with an iron core, which is dimensioned and on which the winding is arranged in such a way that the iron suddenly saturates itself when a predetermined current value is exceeded. Fig. 2 gives an example of the Ge shape of the saturation curve of such a throttle, which is hereinafter referred to as Schaltdros sel. The field strength H, which is proportional to the current, is plotted on the horizontal axis and the magnetic induction B is plotted on the vertical axis. On the descending branch of the curve s, due to the remanence in the current zero passage, the induction B "is present and therefore the iron core is still almost magnetically saturated.
After the current has passed zero, the induction enters the unsaturated area. As a result, the inductance of the switching reactor increases in this area. It maintains a high value until the opposite saturation limit is reached, and when this limit is exceeded, the inductance and thus the resistance value of the switching choke drops to the low value that does not constitute a major obstacle to the passage of current.
The reverse process then takes place at the next current zero crossing, with a temporary strong increase in the impedance value of the switching inductor also occurring immediately after the current zero crossing. This is always associated with a flattening of the alternating current curve in the current zero crossing, which is referred to below as the low-current pause.
The switching throttle works all the more favorably, 3e less scatter it has. They are therefore made with a large iron cross-section and a relatively low number of turns. For this purpose, types of iron with very low remanence are used with advantage. low coercive force, with high permeability, sharp saturation kink, and high saturation induction used, z.
B. Permal- loy or Hyperm. In order to be able to use iron with greater remanence, a premagnetization by direct or alternating current or by permanent magnets can be used. It must be taken into account here that the sudden change in the flow of force in the premagnetizing windings induces a back EMF. This harmful effect can be compensated for by adding a further choke in the exciter circuit of the switching choke or by inducing additional voltages, in particular external phases.
The pre-excitation by direct current provides an improvement when switching off, but can, under certain circumstances, increase the current strength at the moment of switching on. According to a further suggestion for improvement, the inrush current can be kept low by working with a lower or opposite pre-magnetization in the area of the switch-on time.
In order to take into account both the conditions of the switch-off process and the conditions of the switch-on process at the same time, a bias can be provided for the switch-on throttle by alternating current, so that the mag netization takes place in the correct sense both when switching on and when switching off. When the load changes, it can be useful to pre-excite a direct current controlled by the load, for example by the, in order to achieve the required degree of bias. Be load current itself or a part of it to apply.
As a result, the time at which the impedance change occurs within each current passage time segment is dependent on the size of the rms value of the transmitted current.
This is evident from the course of the magnetization curve shown in FIG. 2 by dash-dotted lines when the premagnetization is used. As a result of the pre-magnetization by a current of magnitude J, the hysteresis obstruction turns to the right if the pre-magnetization has the same direction in both current half-waves. As a result, the induction now goes on the descending branch of the curve s' on the other side of the current zero value through the unsaturated area.
As a result, the low-current pause is half before and half after the current zero crossing. It is up to you to let the flattening of the current curve occur even earlier by means of an even greater premagnetization, so that finally the current zero crossing is at the very end of the low-current pause.
In FIG. 3, i denotes the current which flows in the circuit according to FIG. 1 when the interruption point 2 'is closed. The low-current pause marked i "is caused by the fact that the resistance x of the switching inductor increases via the current: - zero crossing due to the desaturation of the iron core. X" is the resistance of the switching inductor in a saturated state. At moment A, the interruption path is opened.
If the impedance of the parallel path then has an amount corresponding to the straight line W, the voltage at the interruption section does not immediately rise to the full value of the voltage U of the network, but only to a small value e., Because it affects the series impedance and to the part of the circuit bridged by the parallel path in. Ratio of the impedance values divides.
As a result of the high apparent resistance value of the series impedance, the voltage component allotted to the interruption path on the parallel path with the resistance value W LLnd is only small. Only at time B, in which the saturation of the iron core of the switching throttle is reached or the control pressure of the coal column starts again and therefore the resistance of the series impedance drops to a low value x ", the voltage e rises to the full value of the mains voltage.
The period between points A and B therefore also represents a low-tension pause, during which the interruption can take place under lighter conditions. If the switching choke is designed so that the current value at which the saturation limit of its iron core is reached is 1 ampere or an even lower value, the interruption point is not exposed to any greater stress than a weak current contact when opening With operating voltages in the order of magnitude of a few 100 volts, there is practically no switching light at all.
In Fig. 4 the circuit for a three-phase converter is shown, which acts as a rectifier in example. With 27, 28 and 29 lying in the three phases fixed contacts of the rectifier be distinguished and with 30 of the contact rotating around the shaft 21, which receives its Drehbewe supply by a synchronous drive, not shown in the drawing, the synchronous with the alternating current to be transformed running. 32, 33 and 34 are three switching reactors in the individual phases with the iron cores 35, which are periodically saturated:
36 and 37. <B> 38 </B>. Is the direct current load, 39 is a smoothing choke coil. 40, 41 and 42 are the parallel resistances for the three phases. They are each connected at one end to the leads to the fixed contacts 27, 28 and 29 and at their other end to the rotating contact 30 leads ge. The resistors 40, 41 and 42, possibly also inductors - can be consumer resistances at the same time, e.g. B. winding resistances of drive motors to. The arrangement can be used particularly advantageously in systems which carry high currents but have moderate voltage, e.g.
B. for electroplating purposes, since in this case the loss in the parallel resistors BEZW. Inductors do not matter.
To Vorm agnetisierung the Schaltdros seln serve the windings 17, 18 and 19, which are connected for example in series and are fed from a common power source, which is not shown in the drawing. A variable control resistor 20 is used to regulate the pre-magnetization.
5 shows a further embodiment of the parallel path in the single-pole scheme, which, however, can also be used without further ado in any multi-pole scheme. An alternating current source, which feeds a current consumer 58, is denoted by 51. The current path leads via a switching throttle 53 with the iron core 54 and via an interruption path 59, the movable contact piece is equipped with a synchronous control so that the interruption can be completed at a predetermined moment within a half-wave of the alternating current to be interrupted. If the device for converting current is to be operated periodically, a corresponding, synchronously running drive motor must be provided.
The drive is not in the drawing. shown. The parallel path to the interruption section 59 has a capacitive component. It consists of a capacitor 70 and a damping resistor 71. It is advantageous to connect an ohmic resistance 72 in parallel. This can also be directly parallel to the capacitor 70, so that the damping resistor 71 is connected upstream of both.
The capacitor forms with the inductances present in the rest of the circuit, in particular the switching throttle, together an oscillating circuit that is set to oscillate each time the contacts are opened, so that a pulsating current flow occurs while the interruption point is opened. The current also flows through the switching inductor and puts it in a state of magnetization that changes from moment to moment. By appropriately setting the reactive and active components of the resistance value of the secondary path, the frequency and damping of the vibrations can be set arbitrarily so that
that the switching throttle is in a certain desired magnetization state at the end of the opening time, for example so that it is premagnetized in a direction opposite to the expected transmission current, but not completely saturated. Then, when the interruption point closes, the low-current pause starts because the resistance value of the switching throttle is very high. At this moment, most of the operating voltage is applied to the choke.
Only when the transmission current has reversed the direction of magnetization and the saturation state is reached in the new direction of magnetization does the unimpeded current transmission begin.
If the switching device according to FIG. 5 is designed and used as a converter, the regulation can be effected here in a simple manner. The capacitor 70 and the resistors 71 and 72 are made adjustable for this purpose. Then, as a result of the associated change in the oscillating circuit and thus the magnetization state of the switching inductor 53, 54 at the moment of closure, the temporal position of the low-current break relative to the moment of closure of the interruption path can be changed, which changes the current and voltage at the consumer.
The capacitor 70 can consist of several capacitor blocks, with the help of which it is regulated in stages, while the ohmic resistor 72 is used for fine control and for this purpose is formed as a fine-stage or stepless sliding resistor. With the switching device with the capacitor according to FIG. 5 lying parallel to the interruption path, the regulation can also be achieved by adding a variable pre-excitation of the switching inductor 53, 54.
With regulation within very wide limits or with strong load fluctuations, the case may arise that the low-current pause of the switching throttle has not yet started when the interruption point is closed; this is the case if the switching reactor is in a saturated state at this moment.
In this case, the currentless switching on is ensured by a special auxiliary switching choke 73 with the iron core 74 of smaller dimensions than the main switching choke 53, which is switched on by the control device independently between the interruption point and the branch point of the parallel current path.
An ohmic resistor 78 can be connected directly in parallel with it. The magnetic energy of the auxiliary: schaltdro @ s @ siel is supposed to balance out via this secondary path, while the interruption point 59 is open, so that no additional disruptive voltages are produced when the auxiliary switching choke is switched on.
It is important for the auxiliary switching choke that it has a particularly sharp saturation kink and that it is built in such a way that its inductance in the saturated state is as small as possible.
The auxiliary switching throttle is provided with a device according to FIG. 5, means :; which it can be pre-magnetized in order to ensure that it is in an unsaturated state after the transmission current has decayed when the interruption point is closed. For example, a special magnetization winding 75, which comes from a direct current source, is used for this purpose. 76 is fed via a controllable resistor 77 ge. The existing direct current network can take the place of the battery <B> 76 </B> in the case of rectification or inverter operation.
Alternating current can also be used for pre-magnetization, which is then advantageous. is to be controlled synchronously with the point of interruption. Instead of the special winding 75, the bias current can also flow through the main winding 74. If, as described earlier, an ohmic or inductive resistor is used as a parallel current path to the interruption path, and if this resistance remains while the main interruption path is open, with an unchanged value, a leakage current flows through it - In the case of converters, a reverse current - which can take on undesirably high values, especially at high operating voltage.
To eliminate this disadvantage, the resistance value of the parallel current path is made variable with the period of the alternating current. For the purpose of adapting to the current and voltage conditions prevailing in the connected circuits, both the amount and the time course of the periodic resistance changes of the parallel current path occurring within a half-wave can be regulated.
With the regulation of the course over time, in addition to improving the commutation, regulation of the current and voltage in the consumer circuit can also be achieved. In Fig. 6 an embodiment of such an arrangement for use as a converter is schematically Darge provides. With 51 an alternating current source is designated, of which a line 52 via a switching throttle 53 with iron core 54, via a further line 55 an interruption route 56, 57 to any Stromver consumer 58 and from this to the alternating current source 51 returns. The interruption path 56, 57 is bridged by a con tact 59, which can be raised by means of a rotatable cam 60, for example.
Resistor 61 is parallel to interruption section 56, 57; its periodic change takes place with the help of a control switch, which in the present case is a switch 63, via which the connection of the parallel resistor 61 leads to the line 55, and which is mechanically coupled to the main switch 59 in such a way that the parallel branch via the resistor 61 is closed shortly before the main contacts close, and is only opened again after the main contacts have opened.
This is achieved by a plunger 63, which in the opening direction establishes the mechanical coupling between the main contact 59 and the auxiliary contact 62, but is somewhat shorter than the distance between the two contacts, so that the stroke and thus the opening time of the auxiliary contact tes 62 is shorter than that of the main contact 59. By different settings of the distance between the contacts 59 and 62 or the length of the plunger 63, the ratio of the opening and closing times of the auxiliary switch 62 to those of the main switch 59 is regulated: By change of the resistance value of the controllable resistance 61, the amount of resistance change of the parallel current path is regulated.
The necessary controls can be made automatically depending on the size and type of load, the shape of the alternating current curve and, in the case of direct or inverter operation, on the form of the direct current (degree of smoothing), on any counter voltage on the direct current side and in multi-phase alternating current systems Depending on any asymmetries that occur, who controlled the.
Instead of the pressure contacts controlled by cams, sliding contacts of the type described can also be used for the main break point as well as for the auxiliary break point, where the rotating segments and the power take-off brushes can be regulated in their length and in their position to one another.
In order to increase the switching capacity that can be maximally interrupted by the switching device or to facilitate the extinguishing of arcs that can arise as a result of faults, am, synchronicity of all as a result of asymmetries between the individual phases of a connected multi-phase network,
additional means for increasing the breakdown voltage of the interruption path can be provided; For example, the isolating distance can be arranged in a vacuum. Another means is that the isolating distance is surrounded by a special high-quality medium with a high breakdown voltage. Mainly gases or liquids come into consideration as dielectrics, which can be under excess pressure to further increase the dielectric strength.
The liquids or gases can be set in flow at the point of interruption in order to serve as an extinguishing agent in an emergency.