Stromrichter für Starkstrom mit mechanisch bewegten Kontakten. Es sind bereits viele Einrichtungen be schrieben, die den Zweck verfolgen, Wechsel strom mit Hilfe von mechanisch bewegten Kontakten in Gleichstrom umzuformen oder umgekehrt, und Hilfsmittel, beispielsweise sich sättigende Drosselspulen, vorgesehen, die in Reihe mit den Kontakten liegen und dazu dienen sollten, die Ausbildung von Schalt feuer zu verhindern. Die genannten Einrich tungen haben sich jedoch praktisch nicht be währt, weil die vollständige Unterdrückung des Schaltfeuers mit den bekannten Mitteln nicht gelungen ist.
Bildet sich nun aber bei derartigen Umformern im Normalbetrieb beim Schalten jedesmal ein Fünkchen aus, und sei es noch so winzig, so wird der Ab brand der Kontaktstücke infolge der sehr hohen Schalthäufigkeit schon nach verhält nismässig kurzer Betriebszeit so gross, dass der Umformer nicht mehr einwandfrei ar beitet.
Erst in-letzter Zeit ist eine Einrichtung vorgeschlagen worden, mit der es gelingt, das Schaltfeuer an den mechanischen Kontakten beim Ausschalten vollständig zu unterdrük- ken, und die es infolgedessen gestattet, einen mit mechanischen Kontakten ausgerüsteten Stromrichter, wie Versuche gezeigt haben, mehrere Monate lang im Betrieb zu halten,
ohne dass wesentliche Abbranderscheinungen an den Kontakten auftraten. Bei der vorge schlagenen Anordnung sind mit den Kon takten Schaltdrosseln in Reihe geschaltet. Diese sind Drosselspulen mit einem Eisen kern, der aus einer hochwertigen Eisensorte von grosser Permeabilität besteht, und dessen Magnetisierungskurve einen scharfen Sätti- gungsknick aufweist.
Wicklung und Kern querschnitt sind derart bemessen, dass der Kern nur bei sehr kleinen Strömen in der Nähe des Nulldurchganges des ihn durch fliessenden Wechselstromes ungesättigt ist. Die Sättigung tritt im Verlaufe der Wechsel- stromperiode bereits beim eines geringen Bruchteils des Nennstromes sprung haft ein, beispielsweise je nach den übrigen Bedingungen unterhalb des 10. oder des 100.
oder eines noch kleineren Teils des Nenn stromes. Durch die Schaltdrossel wird die Kurve des -\Veehselstromes derart verzerrt, dass in der Nähe des Stromnulldurchganges jedesmal eine stromschwache Pause eintritt, während welcher der Strom praktisch den Wert Null hat, und die wenigstens so lang ist, da.ss für die Trennbewegung der Kon takte eine ausreichende Zeit zur Verfügung steht, um die Kontakte in eine solche Ent fernung voneinander zu bringen, dass sie von der wiederkehrenden Spannung nicht mehr durchschlagen werden kann.
Ist die Betriebs spannung an sich hoch, beträgt sie zum Bei spiel mehr als 10 V, so werden weitere Mit tel angewandt, um bei Beginn der Kontakt trennbewegung die an der Trennstrecke ent stehende Spannung zunächst auf einem ge ringen Wert von wenigen Volt zu halten und ihren Anstieg erst zuzulassen, nachdem die Kontakte sich soweit voneinander entfernt haben, dass keine Rücl@zündung mehr mög lich ist.
Zu diesem Zweeh wird zu jeder Un terbrechungsstrecke ein Nebenpfad parallel geschaltet, der vorzugsweise kapazitive Wi derstände enthält. Über den Nebenpfad wird beim Ausschalten der Kontakte mindestens ein Teil des Stromes aufrechterhalten, so da.ss in dem Augenblick, wo sich die Kontakte öffnen, nur eine verschwindend kleine Rest spannung an ihnen auftritt.
Der übrige Teil der wiederkehrenden Spannung liegt unter dessen an den mit der Unterbrechungsstrecke in Reihe geschalteten Impedanzen, insbeson dere an der Schaltdrossel, die sich in diesem Augenblick gerade in ungesättigtem Zustand befindet und infolgedessen einen sehr hohen induktiven Widerstand besitzt, demgegen über der Widerstandswert des Nebenpfades nur einen geringen Bruchteil darstellt. Mit dieser Anordnung gelingt es, wie erwähnt, das Schaltfeuer beim Ausschalten vollständig zu unterdrücken.
i1Zit der vorliegenden Erfindung wird nun die genannte Einrichtung so verbessert, dass sie in einem Unterbrecher für hohe Betriebs spannungen bis zu mehreren 1000 V verwen- det werden kann, so dass damit bei Verwen dung mehrerer L: nterbrecher Stromrichter ge baut werden können, mit denen auch die höchsten derzeit gebräuchlichen Spannungen bis zu mehreren 10O k-' beherrscht werden.
Überschreitet die Spannung an zwei me- cha nisch bewegten Kontakten eine bestimmte Höhe, die von den äussern Umständen, ins besondere von der Beschaffenheit der Kon takte und von dem sie umgebenden lbTedium und dessen Zustand, vorzugsweise vom Druck, abhängig ist, so schlägt bei gegen seitiger Annäherung der Kontakt bereits ein Funke über, durch welchen ein Stromüber gang hervorgerufen wird, bevor die Kontakte vollständig miteinander in Berührung kom men.
Bei der grossen Schalthäufigkeit eines Stromrichters werden durch diese Funken ebenfalls Abbranderscheinungen hervorgeru fen, so dass ein Dauerbetrieb unmöglich ist. Zur Vermeidung dieses Nachteils sind nach der Erfindung Hilfszündeinrichtungen vor gesehen, über welche die erneute Stromüber tragung am Schluss der Sperrzeit kurz vor dem Schliessungsaugenblick der Kontakte ein geleitet wird.
Diese Hilfszündeinrichtungen brauchen nur für den Bruchteil des Nenn stromes bemessen zu werden, der während der stromschwachen Pause von der im un",esätti((r- ten Zustand befindlichen Schaltdrossel durch- ,e <B>0'</B> lassen wird. Dadurch unterscheidet sich die Erfindung beispielsweise von den bekannten Vorkontakten für Leistungsschalter, die unter Umständen für kurze Zeit den gleichen Strom zu führen haben wie die Hauptkon takte und daher dementsprechend gross be messen sein müssen.
Die Hilfszündeinrich- tungen nach der Erfindung dagegen sind stets schon durch die Hauptkontakte über brückt, bevor beim Eintritt des Sättigungs zustandes der Schaltdrossel deren Wider standswert auf einen Bruchteil dessen herab sinkt, den sie im ungesättigten Zustande hat, und damit der Anstieg des Stromes be ginnt.
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele für die Erfindung dar gestellt. Fig. 1 zeigt ein einpoliges Schalt- Schema der Gesamtanordnung, Fig. 2 eine be sondere Ausführungsform der Hilfszündein- richtung, ebenfalls schematisch, Fig. 3 eine:
konstruktive Einzelheit in vergrössertem Massstab; die Fig. 4 und 5 zeigen Kontakt anordnungen für Stromrichter hoher und höchster Spannungen in schematischer Dar stellung; Fig. 6 ist das Gesamtschaltbild eines Stromrichters; Fig. 7 ist ein für eine bestimmte Gesamtanordnung eines Strom- riehters geltendes Spannungsvektordiagramm.
In Fig. 1 ist 11 eine Wechselstromquelle, 12 und 13 sind die Kontakte, deren mecha nischer Antrieb in der Zeichnung- nicht mit dargestellt ist. In Reihe mit den Kontakten. liegt die Schaltdrossel 14, deren Eisenkern 15 die oben beschriebenen Eigenschaften be sitzt. Er- ist mit einer besonderen, aus einer Gleichstromquelle 16 gespeisten Erregerwick lung 17 versehen, die dazu dient, die Schalt drossel in einen bestimmten Vormagnetisie- rungszustand zu versetzen. Eine Eisendros sel 20 verhindert das Eindringen von Wech selstrom in den Gleichstromkreis.
Durch Ver= änderung der Vormagnetisierung mittels eines regelbaren Widerstandes 18 findet man leicht einen passenden Wert, bei welchem völlige Funkenfreiheit an den Kontakten herrscht. Ausserdem können damit Strom:. und Spannung: am Verbraucher 19 durch Än derung der Vormagnetisierung geregelt wer den.
Um einen möglichst weiten Regel bereich zu erzielen, empfiehlt es sich, die Phasenlage der Kontaktöffnungs- und Schlie ssungszeiten verstellbar zu machen, beispiels weise durch Verwendung eines- Synchron motors mit verdrehbarem Ständer, und diese: Verstelleinrichtung@ mit dem Regelorgan des Widerstandes 18 mechanisch zu kuppeln. Damit kann eine Regelung bis zum. Nullwert von Strom und Spannung bei völlig funken freiem Arbeiten der Kontakte über den gan zen Regelbereich: erzielt werden.
Parallel zu den Hauptkontakten 12 und 13 sind zwei Nebenpfade geschaltet, deren jeder aus einem Kondensator 21 bezw. 23 und einem ohmschen Widerstand 22 bezw. 24 besteht.
Der Widerstand 24. ist verhältnis- mässig klein ,und dient dazu, den Strom stoss aus dem Kondensator 2'3 beim Einschal ten der Hauptkontakte 12, 13 zu begrenzen. Der Widerstand 22 ist vergleichsweise gross und erfüllt die Aufgabe, beim Offnen der Hauptkontakte 12;
13 das Einschwingen der widerkehrenden Spannung zu dämpfen. 25 ist die Hilfszündeinrichtung. Diese ist mit dem nicht gezeichneten Antrieb so. verbun den, dass sie jedesmal kurz vor dem Schlie- ssungsaugenblick der Kontakte einen Strom übergang einleitet und öffnet, bevor der Hauptkontakt öffnet:
Die Hilfszündeinrichtung kann aber auch stattdessen aus einer gesteuerten oder uri gesteuerten Entladungsstrecke bestehen, ins besondere sind dafür lIochvakuumglühventle geeignet.- Diese brauchen nur für den von der Schaltdrossel in ungesättigtem Zustand durchgelassenen Strom bemessen. zu sein. Es werden daher auch für grosse Stromstärken -von mehreren 100 Amp. nur kleine Ventile von der handelsüblichen Grösse und Bauart benötigt.
Die Anwendung solcher Ventile ist wirtschaftlich besonders- lohnend für Be triebsspannungen in der Grössenordnung von 10G kV und mehr.
Trnterhalb dieser Grenze liegende Span nungen können. mit billigeren Mitteln durch Anwendung mechanischer- Hilfselektroden beherrscht werden, die mittels eines synchron laufenden mechanischen Antriebes einander bis auf Bruchteile eines Millimeters genähert werden. Auch sie brauchen nur für den von der Schaltdrossel in ungesättigtem Zustand durchgelassenen Strom bemessen zu sein. Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise in Fig. 3 dargestellt: Sie besteht aus einem.
einfachen metallenen Kontaktsegment 26, das durch einen isolierenden Halter 27 an einer synchron angetriebenen Welle 28 befestigt ist. An seiner Bahn ist das feste Kontakt stück 29 derart angeordnet, dass die beiden Segmente, sich beispielsweise bis auf 0,3 mm nähern, kurz bevor sich die dazu gehörigen Hauptkontakte schliessen.. Die Stromübertra gung wird dann durch einen zwischen den Kontaktsegmenten 26 und 29 überspringen- den Funken mit nachfolgendem kleinen Lichtbogen eingeleitet und dadurch die Span nung zwischen den Kontakten 12 und 18 auf einen ungefährlichen Wert herabgesetzt.
In dem Augenblick, wo sich die Hauptkontakte schliessen, erlischt der Lichtbogen an der Hilfszündeinrichtung. Die Hauptkontakte werden vor Abbrand vollständig bewahrt. An ihnen findet daher stets eine vollkommen einwandfreie Stromübertragung statt. An den Hilfselektroden 26 und 29 wird zwar von dem Lichtbogen ein geringer Abbra,nd her vorgerufen.
Dieser ist jedoch auch für eine sehr lange Betriebsdauer ungefährlich, weil die Stromstärke des Lichtbogens durch die in ungesättigtem Zustand befindliche Schalt drossel auf einen ganz geringen Wert be grenzt ist, und weil an die Oberflächen beschaffenheit der Kontaktsegmente 16 und 29 nicht so hohe Anforderungen gestellt wer den wie beispielsweise an die Oberflächen beschaffenheit der Hauptkontakte, an denen ein hoher Strom durch unmittelbare metalli sche Berührung übertragen wird. Die Hilfs elektroden werden vorteilhaft verhältnis mässig stark bemessen, damit eine Material reserve für den Abbrand vorhanden ist. Sie werden beispielsweise nach Fig. 3 als Klotz elektroden 26 und 29 aus Kupfer hergestellt.
Der Abbrand verteilt sich dann auf grosse Flächen.. Damit ist die Betriebsfähigkeit für lange Zeit sichergestellt, ohne dass die Hilfselektroden ausgewechselt zu werden brauchen. Für einen Stromrichter, der mit Drehstrom gespeist wird, ist es zweckmässig, die Hilfszündeinrichtung doppelpolig auszu gestalten, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die beiden Elektroden 26 leitend mit einander verbunden sind, und sie für alle drei Phasen zu verwenden, deren feste Kon takte am Umfang der Bewegungsbahn in regelmässigen Winkelabständen angeordnet sind.
Die zu einer Phase gehörenden festen Kontakte U, U', bezw. V, Ir' bezw. <I>W, W'</I> stehen sich dabei um 180 gegenüber.
Um die Drehzahl der Hilfselektrodenein- richtung auf einen Bruchteil herabzusetzen, wird diese vorteilhaft als gezahnte Scheibe ausgeführt und derart synchron angetrieben, da.ss jedesmal kurz vor dem Schliessungs augenblick der Hauptkontakte ein Zahn der festen Hilfselektrode gegenübersteht. Die Zeit zwischen dem Augenblick, in dem die Hilfselektroden sich einander soweit genähert haben, da,ss ein Funken überspringt und dem Augenblick, in dem die Hauptkontakte sich berühren, darf nur einen Bruchteil der Dauer der stromschwachen Pause ausmachen.
An derseits muss die Überschlagsspannung der Hauptkontakte in dem Augenblick, in dem gezündet werden soll, noch grösser sein als die der Hilfsschalteinrichtung. Aus diesen beiden Bedingungen ergeben sich die erfor derlichen Geschwindigkeiten der Hauptkon takte und der Hilfselektrodeneinrichtung.
Für Spannungen in der Grössenordnung bis 100 kV empfiehlt es sich, jede Unter brechungseinrichtung aus mehreren in Reihe geschalteten Abhebekontakten mtsammen- zusetzen, wobei jeder Abhebekontakt aus zwei nebeneinanderliegenden festen Kontakt stücken und einer beweglichen Kontakt- briieke besteht.
Die an der gesamten Unter brechungseinrichtung auftretende Spannung wird auf die einzelnen hintereinander ge schalteten Unterbrecbungsstrecken gleich mässig verteilt, indem Impedanzen, insbeson dere Kondensatoren, parallelgeschaltet wer den, welche gleichzeitig die Aufgabe des obenerwähnten Parallelpfades erfüllen.
Ein Beispiel für eine derartige Unterbrechungs einrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Die festen Kontaktstiicke sind hier mit 11.2 und 112', 212 und 212', 312 und 31<B>'</B> usw. be zeichnet, die beweglichen Kontaktbrücken mit 113, 213 und 313 usw. Zu jeder Trenn strecke ist ein Kondensator <B>121</B> bezw. 121', 221 bezw. 221' usw. parallel geschaltet, denen je ein Dämpfungswiderstand 122, 122', 222, 222' usw. vorgeschaltet ist.
Die Kon densatoren sind untereinander gleich, ebenso die Dämpfungswiderstände. Sie brauchen alle nur für den schwachen Strom bemessen zu sein, der von der Schaltdrossel (entsprechend 14, 15, Fig. 1) in ungesättigtem Zustand durchgelassen wird, da während der Zeit, in der die Schaltdrossel gesättigt ist, die Hauptkontakte geschlossen sind. Die beweg lichen Kontaktbrücken 113, 213, 313 usw. werden gemeinsam angetrieben und besitzen je eine Feineinstellvorrichtung, mit der ein genau gleichzeitiges Öffnen und Schliessen sämtlicher hintereinander geschalteter Unter brechungsstrecken eingestellt werden kann.
Die Hilfszündeinrichtung 25 ist nur einmal vorhanden und überbrückt sämtliche hinter einander geschalteter Unterbrechungsstrecken. Zur gleichmässigen Verteilung der Spannung können auch ohmsche Widerstände oder Drosselspulen allein vorgesehen sein. Es kann auch eine Drosselspule verwendet wer den, welche in gleichen Abständen Anzap- fungen besitzt, und von der je ein Abschnitt einer Unterbrechungsstrecke parallelgeschal tet ist.
Es sind auch beliebige Kombina tionen von ohmschen Widerständen, Drosseln und Kondensatoren verwendbar, bei denen durch geeignete Bemessung und Abstimmung erreicht werden kann, dass die Trennstrecken funkenlos geöffnet werden.
Um den Stromrichter für noch höhere Spannungen, beispielsweise für die höchsten erreichbaren Spannungen von mehreren 100 kV geeignet zu machen, werden nach Fig. 5 jeweils mehrere hintereinandergeschal- teter Unterbrechungsstrecken zu Gruppen zusammengefasst<B>(</B>110, 210 usw.), deren jeder eine eigene Hilfsentzündeinrichtung 125, 225 usw. parallelgeschaltet ist, und die Kontakt gruppen ebenso wie die Hilfszündeinrichtun- gen untereinander wiederum in Reihe ge schaltet.
Die Kontaktgruppen 110, 210 sind in Fig. 5 vereinfacht dargestellt, sie sind sinngemäss nach Fig. 4 zu vervollständigen. Zwecks Erleichterung der Isolierung kann man auch die speisenden Transformator wicklungen der Länge nach unterteilen und jedem Wicklungsteil eine Kontaktgruppe nebst Schaltdrossel und Parallelpfad zuord nen, welche mit ihm unmittelbar verbunden ist. Die Gesamtschaltung besteht dann also aus hintereinandergeschalteten Teilanordnun gen, von denen jede eine Teilwicklung des Transformators und die dazugehörige Kon taktgruppe mit Zubehör umfasst.
Man kann hierbei die Spannungsvektoren der einzelnen Wicklungsteile jeder Phase durch Querwick lungen, deren Spannungsvektoren eine von einander abweichende Richtung haben, in der Phase gegeneinander um einen geringen Win kelbetrag verschieben. Eine derartige Schal tung ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt. In dieser ist 30 die Primärwicklung eines Speisetransformators. Die Sekundärwick lung ist unterteilt und besteht für jede der drei Phasen aus den Teilen 31, 32, 33 und 34.
Die Wicklungsteile 31 und 33 sind in der dargestellten Schaltung mit je einem auf einem andern Schenkel des Transformators liegenden Wicklungsteil 32 verbunden. Die Wicklungsteile 32 sind also die obenerwähn ten Querwicklungen. Es ergibt sich infolge dessen für die Speisespannung der Unter brechungseinrichtungen ein Vektordiagramm nach Fig. 7. In diesem ist 35 der Spannungs vektor der Wicklungen 31 bezw. 33.
Diese setzen sich mit den Vektoren 32' bezw. 34' zu den resultierenden Spannungen 36 bezw. 37 zusammen, die gegeneinander um einen geringen Winkelbetrag verschoben sind. Da durch wird die Welligkeit des Gleichstromes herabgesetzt, der dem Stromrichter entnom men werden kann.
Die Schaltung nach Fig. 6 wird vervollständigt durch die Schaltdrosseln 14, 15, die entsprechend Fig. 1 mit einer regelbaren Vorerregung ausgestattet sind, die aber der besseren Übersicht halber in Fig. 6 weggelassen ist. -Die Kontaktgruppen nebst Zubehör sind vereinfacht dargestellt und sinngemäss nach Fig. 4 zu ergänzen. Als Hilfszündeinrichtungen sind - bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel Hochvakuum rohre 125' bezw. 225' usw. dargestellt.
Beim Betrieb als Gleichrichter oder Wechselrichter liegt beispielsweise an der Sternverbindung der Hilfswicklungen 32 bezw. 34 der Plus pol, an den ebenfalls durch eine gemeinsame Leitung zusammengefassten äussern Enden der Kontakteinrichtungen der Minuspol. Mit Hilfe der Leitung 35 sind die beiden Teile des Stromrichters hintereinander geschaltet. An den Leitengen 36, 37 wird dann der Gleichstrom abgenommen bezw. zugeführt.
Ein vorteilhafter Aufbau eines derartigen Höchstspannungsstromriehters ergibt sich beispielsweise dadurch, dass die einzelnen hintereinandergeschalteten Kontakte und Kon- tal,tgruppen über der sie gemeinsam antrei benden Welle in einander gleichen baulichen Einheiten reihenweise nebeneinander ange- c;rdnet sind.
Je nach der Höhe der Betriebs spannung wird dann eine grössere oder klei nere Anzahl derartiger Baueinheiten neben einandergereiht, ohne da.ss grundsätzliche Unterschiede zwischen einem Stromrichter gegebener Spannung und einem solchen für beispielsweise doppelt so hohe Spannung be stehen. Der gemeinsame Antrieb von einer Welle aus erfolgt hierbei vorteilhaft über Nocken- oder Exzenteranordnungen, bei spielsweise nach Patent Nr. 202967. Auch die übrigen in diesem Patent beschriebenen Einrichtungen eignen sich zur Verbindung mit der vorlegenden Erfindung.
Eine hohe Betriebssicherheit wird dadurch erreicht, dass ein Stromrichter der oben be schriebenen Art mit einer Anzahl in Reihe geschalteter Kontakte in einem unter nor malen Atmosphärendruck stehenden, mit ge reinigter Luft beschickten Raum aufgestellt ist. Der Stromrichter muss dann zwar mit einer grösseren Anzahl von Kontakten aus gestattet sein, als wenn er sich in einem unter erhöhtem Druck stehenden Raum befände. Dem steht aber der Vorteil gegenüber, dass die Überschlagspannung zwischen den unter Atmosphärendruck stehenden Kontakten durch gelegentliche, nicht gänzlich vermeid bare Verschmutzung nicht in so hohem Masse herabgesetzt wird wie bei einem unter Überdruck stehenden Kontakt.
Ausserdem ist der unter Atmosphärendruck stehende Stromrichter durch etwa vorkommende Rück zündungen an einen einzigen von vielen Kontakten weniger gefährdet als ein unter erhöhtem Druck stehender Stromrichter, der eine geringere Anzahl von Kontakten besitzt, durch Überschläge an einen dieser Kontakte. Zudem fällt bei Aufstellung unter normalem Atmosphä.ren@druck die Gefahr weg, die bei erhöhtem Druck durch den Druckabfall in folge von Undichtheiten oder infolge des Ver sagens der Druckanlage entstehen kann.
Bis lang war der praktische Betrieb eines Höehst- spannungsstromrichters mit einer grossen An zahl in Reihe geschalteter Kontakte nicht für längere Dauer durchführbar, weil die Kon takte Beschädigungen, - insbesondere durch Abbrand erlitten, die ein häufiges Auswech seln der Kontaktstücke und damit ein Still setzen des ganzen Stromrichters nötig mach ten.
Dieses Hindernis ist beseitigt, da mit den oben angegebenen Mitteln ein derart ein wandfreier Dauerbetrieb jedes einzelnen Kontaktes gewährleistet ist, dass eine stän dige Wartung nicht erforderlich ist und ein Stillegen des Stromrichters zum Auswechseln eines Kontaktes nur noch in seltenen Aus nahmefällen vorkommt, die nicht häufiger sind als Betriebsstörungen, die auch bei an dern Geräten vorkommen können.
Der Erfindungsgegenstand wird vorteil haft in Verbindung mit in den Patenten Nr. 19.8525 und 2!029e66 beschriebenen Ein richtungen verwendet, die dadurch verbessert, insbesondere für höhere Spannungen geeignet gemacht werden.