Zusatzpatent zum Hauptpatent Nr. 198525. Wechselstromschalteinrichtung zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen 'einem mehrphasigen Wechselstromsystem und einem Gleichstromsystem. Zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen einem Wechselstromsystem und einem Gleichstromsystem dienen Motorgene ratoren, Einankerumformer, gesteuerte Ent ladungsstrecken mit und ohne Ventilwirkung, sowie mechanische Schalteinrichtungen,Jeren Kontakte periodisch betätigt werden.
Bei den zuerst genannten umlaufenden Maschinen oder Maschinensätzen wird der Energierich- tungswechsel ohne weiteres durch Änderung der Maschinenerregungen erzielt, jedoch ist der Wirkungsgrad derartiger Einrichtungen infolge der Verluste in den Anker- und Er regerwicklungen sowie der Eisen-, Rei- bungs- und Übergangsverluste verhältnis mässig schlecht, ihre Anschaffungskosten sind verhältnismässig hoch. Auch Funkenstrecken haben grosse Verluste wegen des Spannungs abfalles im Entladungslichtbogen aufzuwei sen.
Dazu kommt bei den Entladungsstrecken mit Ventilwirkung der Nachteil, dass zum Energierichtungswechsel eine Umschaltung im Nutzstromkreis erforderlich ist, wodurch die Stetigkeit des Vorganges unterbrochen wird. Um dies zu vermeiden, hat man jeweils zwei Entladungseinrichtungen mit verschie dener Durchlassrichtung der Ventilfunken streeken parallelgeschaltet und durch Steuer- und Hilfszündeinrichtungen dafür gesorgt, dass in der einen Energierichtung das eine, in der andern Energierichtung das andere Entladungsgefäss den Nutzstrom übernimmt. Dadurch wird aber die Anlage sehr verteuert.
Die in beiden Richtungen betriebsfähigen Entladungsstrecken mit .gesteuerter Hilfszün dung haben sich bisher für grosse Leistungen, insbesondere für höhere Ströme, wegen ihrer Verluste und wegen der durch den Ent ladungslichtbogen hervorgerufenen Schäden . an den Kontakten nicht einführen lassen. Auch bei ihnen kann überdies ein stetiger Übergang bei Energierichtungswechsel nicht stattfinden, ebenso nicht bei gewöhnlichen, periodisch betätigten Schalteinrichtungen mit metallischer Kontaktberührung. Dies soll an Hand der Fig. 1 erläutert werden, in der das Schaltungsschema einer derartigen Einrich tung wiedergegeben ist.
An das Drehstromnetz RST ist. die Pri märwicklung PW eines Transformators an geschlossen, dessen Sekundärwicklung SIV aus den drei Phasen 1, 2, 3 besteht. Von die sen führen die Hauptstromleitungen zu den Kontaktsätzen K,, K" K3, deren jeder zum Beispiel aus zwei festen Kontakten und einer beweglichen Brücke besteht.
Die beweglichen Brücken werden gemeinsam von einer strich punktiert angedeuteten Welle IV aus über je ein in der Zeichnung nicht angegebenes Exzenter- oder Nockengetriebe oder derglei chen betätigt. Hinter den Kontakten ver einigen sich die Nutzstromleitungen und fiili- ren über eine Glättungsdrossel DH zuiri Gleichstromsystem, dessen anderer Pol an den Sternpunkt der Sekundärwicklung SIY- angeschlossen ist.
Das Gleichstromsystem be stehe beispielsweise aus einer Akkumula- torenbatterie oder, wie dargestellt, aus eifiter Maschine mit dem Anker A und der Feld wicklung F. Der umlaufende Teil habe ein grosses Schwungmoment, das seine Drehzahl aufrechtzuerhalten sucht. Der Anker A sei etwa mit einem Schwungrad gekuppelt. das in der Zeichnung nicht mitdargestellt ist.
Die Welle W wird von einem Synchronmotor SM angetrieben, der über einen Drehtrans formator DT an das Wechselstromnetz an geschlossen ist. Durch Verdrehen der Phasen lage des Synchronmotors gegenüber der Phase der Wechselspannung können die Schaltzeitpunkte innerhalb der -#Vechselspan- nungsperiode verschieden eingestellt werden.
Mit einer weiteren, nicht dargestellten Ein richtung kann die Eingriffsdauer der Kon- takte beispielsweise durch Verstellung der Getriebeexzentrizität oder durch Verlänge rung oder Verkürzung eines Antriebsstössels verstellt werden.
Die Hilfseinrichtungen R,, R, R3, V,, V, V3 und<I>N,,</I> N@, N;, bleiben zunächst ausser Betracht. In Fig. 2 ist der Augenblicksverlauf der Spannungen u, und u2 der Phasen 1 und 2 in demjenigen Teil einer Periode angegeben, in welchem die Stromübertragung von der Phase 1 auf die Phase 2 übergehen soll. Der Zeitpunkt, in welchem sich die beiden Span nungskurven schneiden, ist mit to bezeichnet.
t+,, t._, und t_3 sind Punkte, die gegenüber to um eine Zeiteinheit, z. B. eine Zwanzigstel halbwelle gleich 0,0005 Sekunden bei einer Wechselstromfrequenz von 50 Perioden in der Sekunde, später, bezw. ein und drei Zeit einheiten früher liegen.
Ist die Phasenlage des Antriebes so eingestellt, dass der Kon- taktschluss (oder bei den erwähnten Ent ladungsstrecken ohne Ventilwirkung die Zün dung durch die Hilfszündfunkenstreeke) in der Phase 2 im Augenblick t, herbeigeführt wird, so hat die Gleichspannung bekanntlich ihren höchsten Wert; zu jedem früheren oder späteren Zeitpunkt der Kontaktgabe gehört eine niedrigere Gleichspannung.
Der Verlauf der abgegebenen Gleichspannung in Ab hängigkeit vom Zeitpunkt der Kontakt schliessung ist annähernd eine Cosinuskurve und sei in Fig. 2 beispielsweise durch die Kurve U- wiedergegeben. Ausserdem ist eine konstante Gegenspannung U" eingezeichnet, die von einer Batterie oder vom Anker A bei einer bestimmten Drehzahl und einer be stimmten konstanten Erregung des Feldes F geliefert werden möge. Spannungsabfälle sind der Einfachheit halber vernachlässigt.
Werden die Kontakte des Kontaktsatzes KZ zur Zeit t," geschlossen, so entsteht in dem von den Phasen 1. und 2 über die Kontakt sätze K, und KZ gebildeten Kurzschluss- oder Kommutierungskreis eine Spannung A", vom Werte 0 aus beginnend., die der Differenz der Phasenspannung uz-u, entspricht und in dem betrachteten Falle positiv gerechnet werde.
Diese Spannung treibt einen Kurz schlussstrom ik in Richtung des eingezeich neten Pfeils durch den Kommutierungskreis, also entgegen dem Strom i, der abgebenden Phase 1, und in Richtung des Stromes 4, der in der Phase 2 fliessen soll. Der Kurz schlussstrom setzt sich mit den Phasenströmen zum Kommutierungsstrom ik, bezw. ik, zu sammen.
Der Augenblicksverlaufder Ströme i und ik ist in Fig. 3 dargestellt. Von den weiter hinzugefügten Indices bezeichnet der erste den Zeitpunkt der Kontaktberührung und der zweite die Phase. Es ist vollkommene @Glät- tung des Gleichstromes angenommen.
Dann erreicht in dem Augenblick, wo die Differenz .der gegenläufigen .Ströme i", und iko, das heisst der Kommutierungsstrom il""' Null wird, der Kommutierungsstrom il"" den Wert i"2 <I>=</I> io,. Genau in dem gleichen Augenblick muss die Unterbrechung erfolgen, .die Trenn strecke des Kontaktsatzes k, muss eine solche Länge erreicht haben, dass eine Rückzündung mit 8ieherheit verhindert ist,
dann tritt das geringstmögliche Schaltfeuer auf. Es ist natürlich sehr schwer, diesen Augenblick genau zu treffen, selbst wenn die Belastungs verhältnisse ideal konstant bleiben würden. Bei den praktisch vorkommenden Belastungs schwankungen ist eine genügend genaue Ein stellung unmöglich. Die vorliegende Betrach tung gilt daher rein theoretisch.
Wird der Kontaktschluss in der Phase 2 erst um eine Zeiteinheit später im Augen blick t, herbeigeführt, so ist die Gleichspan nung U- und ihr Überschuss über die Gegen spannung U,. geringer, somit auch der,Strom <I>i"</I> bezw. 42 auf der Gleichstromseite ent sprechend kleiner.
Da im Augenblick der Kontaktschliessung bereits eine positive Span nungsdifferenz Au-,-, vorhanden ist, so steigt der Kurzschlussstrom i1;+" beZw. ik+" bedeu tend schneller an, seine Richtung gegenüber dem Phasenstrom ist jedoch die gleiche wie in dem vorher beschriebenen Fall, nämlich in der Phase 1 entgegengesetzt i" und in -der Phase 2 in Richtung von i,2. Infolge des steileren Stromverlaufes ist die Kommutie- rungszeit kürzer.
Der günstigste Unter- brechung)saugenblick liegt etwas später als derjenige bei voller Aussteuerung und Kon taktschliessung im Augenblick to.
Alle diejenigen Betriebszustände, bei denen, wie in den vorstehend geschilderten Fällen, die im Augenblick der Kontakt schliessung der übernehmenden Phase vorhan dene Spannungsdifferenä zwischen abgeben der und übernehmender Phase eine solche Richtung hat, dass der durch sie verursachte Kurzschlussstrom dem Strom in der abgeben den Phase entgegengerichtet ist und bei denen ferner die resultierende @Glechspan- nung :
grösser ist als eine vorhandene Gegen spannung, werden im folgenden -zum soge- nannten "reinen 'Gleichrichterbetrieb" ge rechnet. .
Es sei nun der in Fig. 3 beispielsweise mit eingezeichnete Fall betrachtet, dass die Kontaktschliessung in der Phase 2 zum Zeit punkt t_,, also vor dem Schnittpunkt der Spannungskurven u, und u2 stattfindet.
Die im Kommutierungskreis zunächst vorhandene Differenzspannung du-, treibt den Kurz schlussstrom in Richtung des Stromes i", der inder abgebenden Phase 1 verschwinden soll, und entgegengesetzt .dem Strom i,2, der in der übernehmenden Phase 2 entstehen soll.
Die Folge -davon ist die Ausbildung eines höheren Kommutierungsstromes, dessen Ver lauf durch die in Fig. 3 gestrichelt eingetra genen Kurven ik_1, bezw. ik_,Z wiedergege ben ist.
Da aber die Differenzspannung ab nimmt und im Zeitpunkt to Null wird und dann ihr Vorzeichen umkehrt und wieder im neuen Sinne anwächst, so folgt der Kommu- tierungsstrom ik_" nicht der angedeuteten steilen Kurve, sondern verläuft flacher und sinkt, nachdem er zur Zeit to sein Maximum erreicht hat, wieder ab, geht dann durch den Wert i" bezw. durch den Nullwert und -ver läuft weiter im wesentlichen so, wie in dem vorher geschilderten Fall der Kontakt schliessung zur Zeit t,
. Die Lage des gün stigsten Unterbrechungsaugenblicks verändert sich also auch hierbei nur wenig .gegenüber der Kontaktschliessung im Zeitpunkt t+,. Entsprechendes gilt für alle diejenigen Fälle, in denen vor dem Zeitpunkt der,Spannungs- gleichheit die Kontakte .geschlossen werden oder die Zündung mittels einer Hilfsfunken strecke erfolgt, bis zu der durch den Zeit punkt t' gegebenen Grenze, wo die Gleieh- Spannung U- an der Schalteinrichtung nicht mehr grösser ist als die Gegenspannung tr,.
Der Bereich derjenigen Betriebszustände. bei denen, wie geschildert, die im Augen blick der Kontaktschliessung der übernehmen den Phase vorhandene Spannungsdifferenz zwischen abgebender und übernehmender Phase eine solche Richtung hat, dass der durch sie verursachte Kurzschlussstrom die gleiche Richtung hat wie der Strom der ab gebenden Phase, wird im folgenden als soge- nanntes "Übergangsgebiet" zwischen Gleich und Wechselrichterbetrieb bezeichnet.
Wird die Kontaktgabe noch weiter vor verlegt, beispielsweise auf den Zeitpunkt t_;,, so wird U- kleiner als U, Die Richtung des Stromes i._3 muss daher umgekehrt sein, als in den vorhergehenden Fällen, wie Fig. 3 zeigt. Die Schalteinrichtung, die vorher als Gleichrichter arbeitete, würde jetzt als Wechselrichter arbeiten.
Der Betrag des Stromes i_3 ist sehr klein entsprechend dem geringen Spannungsunterschied zwischen U- und U, bei dem angenommenen Aussteue- rungsgrad. Die Differenzspannung Au-, ist dagegen beträchtlich, sie treibt einen steil ansteigenden Kurzschlussstrom il,
." in der gleichen Richtung wie im vorher geschilder ten Falle durch den Kommutierungskreis. Diese Richtung stimmt aber jetzt mit der des entstehenden Stromes i_12 überein und ist derjenigen des verschwindenden Stromes i__31 entgegengesetzt.
Der Kommutierungsstrom ii;_31 erreicht daher fast sofort den Nullwert und muss unterbrochen werden, weil sonst nach dem Nulldurchgang ein entgegen gesetzter Kurzschlussstrom fliessen würde, der einen riesenhaften Betrag annehmen würde, der zu Abweichungen in der Symmetrie der drei Wechselstromphasen und infolgedessen zu Störungen bei der Unterbrechung der Folgekontakte führen würde.
Diejenigen Betriebszustände, bei denen, wie im zuletzt geschilderten Fall, die im Augenblick der Kontaktschliessung der über nehmenden Phase vorhandene Spannungsdif ferenz zwischen abgebender und übernehmen der Phase eine solche Richtung hat, dass der durch sie verursachte Kurzschlussstrom dem Strom der abgebenden Phase entgegen- gerichtet ist und bei denen ferner die resul tierende Gleichspannung kleiner ist als eine vorhandene Gegenspannung, werden im fol genden zum sogenannten "reinen Wechsel- richterbetrieb" gerechnet.
Es zeigt sich also, dass bei einer gewöhn lichen Schalteinrichtung ohne @ besondere Hilfsmittel bezw. bei einer durch Hilfs funkenstrecken gesteuerten Entladungsein richtung beim Übergang aus dem Gleich richter- ins Wechselrichtergebiet mittels ste tiger Verlagerung des Einschalt- oder Zünd- zeitpunktes eine plötzliche Verlagerung des Ausschalt- oder Löschzeitpunktes vorgenom men erden müsste.
Dadurch wird das Ge triebe bezw. die Steuereinrichtung ausser ordentlich umständlich und teuer und, was das Wesentlichste ist, unsicher im Betriebe, also praktisch weder ausführbar noch an wendbar. Ausserdem treten die durch die hohen Kommutierungsströme verursachten zusätzlichen Verluste und Elektrodenbean- spruchungen (bei Entladungsstrecken) auf.
Im Hauptpatent ist nun eine Wechsel stromschalteinrichtung beschrieben, die sich durch die Kombination von Mitteln zur Ab flachung eines dem Nulldurchgang benach barten Teils der Stromkurve mit einem die Unterbrechungsstelle überbrückenden und den Anstieg der nach der Unterbrechung an den Elektroden wiederkehrenden Spannung ver zögernden Parallelpfad auszeichnet.
Eine der artige Wechselstromschalteinrichtung kann, periodisch angetrieben, zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen einem mehrpha sigen Wechselstromsystem und einem Gleich stromsystem ohne Unterbrechung des Last stromkreises und ohne eine sonstige plötzliche Umschaltung im Nutzstromkreise verwendet werden, indem sie erfindungsgemäss mit einer während des Betriebes zu bedienenden Regeleinrichtung versehen wird,
mit der die Phasenlage der Einschaltzeitpunkte gegen über der Phasenlage der Wechselspannung durch das dem Augenblick der Spannungs gleichheit zwischen abgebender und über- nehmender Phase vorangehende Übergangs gebiet zwischen Gleich- und Wechsel- iichterbetrieb hindurch stetig verstellt wer den kann.
Zur Erläuterung des Erfindungsgegen- atandes .dienen die Fig.4 bis 6 unter Zu grundelegung des vervollständigten Schalt schemas gemäss Fig. 1.
Nach Fig. 1 sind in Reihe mit den Trenn strecken der Kontaktsätze K1, K2, X3 'Schalt drosseln R1, R2, R3 und parallel zu den Trennstrecken die Nebenpfade N1, N,., N3 ge schaltet, welch letztere vorzugsweise eine kapazitive Komponente aufweisen.
Die Schaltdrosseln, deren Eisenkreis sich bei spielsweise bei einem.Stromwert von 0,5 oder 1 Ampere sättigt, können mit einer weiteren Wicklung V1, V2, V3 versehen sein, durch die sie von einer besonderen Stromquelle oder auch aus dem angeschlossenen Gleichstrom- oder Wechselstromsystem zusätzlich vor magnetisiert werden können. Die Wicklungen V1, V2, V3 werden zu diesem Zweck vorteil haft hintereinander geschaltet.
Eine ebenfalls in Reihe damit liegende Drossel<I>DV</I> soll das Eindringen von Strompulsationen in den speisenden Teil des Vormagnetisierungs- kreises verhindern.
Durch Veränderung der Vormagnetisie- rung oder durch Veränderung der Impedanz des Parallelpfades .oder durch beide Regel arten gemeinsam kann erreicht werden, dass sich der Eisenkreis der Schaltdrossel in einem vorbestimmten Magnetisierungszustand befin det, wenn durch Schliessung der Kontakte in der übernehmenden Phase ein Kommutie- rungskreis gebildet wird.
In den Fig. 4 bis 6 sind für die drei Fälle der Kontaktgabe E im Zeitpunkt to, t_1 und t_3 neben dem Stromverlauf il bezw. i2 die Kurven f1 bezw. f2 des Magnetisierungs- zustandes (Induktion oder Kraftfluss im Eisen) der im Kommutierungskreis liegenden Schaltdrosseln R,
und R2 in Abhängigkeit von der Zeit wiedergegeben. Gemäss Fig. 4 kann sich vom Einschaltaugenblick E ab der volle Kurzschlussstrom zunächst nicht un gehindert ausbilden, weil die ,Schaltdrossel R, ungesättigt ist und somit einen sehr hohen Widerstandswert hat. Erst nachdem die Kurve f 2 die obere Sättigungsgrenze erreicht hat, setzt der eigentliche Kommutierungsvor- gang ein.
In der .Nähe des Nulldurchganges der Stromkurve il - und zwar beispiels weise infolge einer geringen Vorerregung kurz vorher - gelangt die rSchaltdrossel Rl in den ungesättigten Zustand. Es tritt daher eine praktisch stromlose Pause ein, die bei geschlossenen Kontakten eine oder einige Millisekunden dauern würde, nämlich so lange, bis .die Kurve f, die Sättigungegrenze in entgegengesetzter Richtung erreicht haben würde. Bevor dies eintritt, ist der Strom durch Öffnung .der Kontakte in der Phase 1 zu unterbrechen, beispielsweise im Zeit punkt A. .
Die Überlappungsdauer u, das ist die Zeit, während die Kontakte beider Pha sen, der abgebenden und der übernehmenden, gleichzeitig geschlossen sind, ist .dann ver hältnismässig lang. Da während der strom losen Pause eine verhältnismässig grosse Zeit spanne zur Verfügung steht, kommt es auf eine genaue zeitliche Lage des Ausschaltzeit punktes nicht an. Die Unterbrechung kann aber zum Beispiel auch bereits zur Zeit A' stattfinden, es genügt also die kürzere Über lappungsdauer u'.
Durch die Überlappungs- dauer ist im Hinblick auf das Ziel, die Stromunterbrechung während einer strom losen Pause stattfinden zu lassen, die Länge der letzteren und damit die Grösse der ,Schalt- drosseln in gewissen Grenzen festgelegt. Die Schaltdrosseln können um so kleiner sein, je kürzer die mechanische Überlappungsdauer der Kontakte gemacht werden kann.
Wenn die Schalteinrichtung nach Fig. 5 so ausgesteuert wird, dass der Einschaltzeit punkt E vor dem Zeitpunkt der Spannungs gleichheit to liegt, etwa bei t_1, so strebt der Magnetisierungsverlauf der Schaltdrossel Bz nicht der Sättigungsgrenze in Durchlassrich- tung, sondern infolge der zunächst negativen Richtung der Spannungsdifferenz Au-, der entgegengesetzten Sättigungsgrenze zu.
Die Schaltdrossel bleibt aber ungesättigt, wenn sie sich, was ohne weiteres mit Hilfe geeig- neter Bemessung des Nebenpfades N2 erreich bar und auch für jeden andern Aussteue- rungsgrad zulässig ist, beim Einschalten nicht allzu weit entfernt von der Sättigungs grenze in Richtung des entstehenden Stro mes i_# befindet, -wie die Kurve f: in Fig. 5 angibt.
Durch den hohen Widerstand der un gesättigten Schaltdrossel R., wird die Aus bildung eines erhöhten Kurzschlussstromes, wie 21;_1l und ik_lin Fig. 3, unterbunden, die Kommutierung verläuft infolgedessen hinsichtlich der Stromwerte unter etwa, den gleichen Bedingungen wie beim Einschalten im Zeitpunkt t+,. Der Verlauf der Kurve f, kurz vor, während und kurz nach der Kom- mutierung ist im wesentlichen ähnlich dem Verlauf gemäss Fig. 4.
Dagegen muss die Überlappungsdauer u gemäss Fig. 5 gross sein. Der Strom werde also im Zeitpunkte A unterbrochen. Die Zeit ic ist in dem angege benen Beispiel so lang gewählt, dass auch bei noch geringeren Aussteuerungsgraden, und zwar mindestens bis zur Kontaktschliessung im Zeitpunkt<I>t',</I> der Ausschaltzeitpunkt<I>A</I> stets in die Zeit fällt, in der die Schalt drossel R,
schon aus dem Sättigungszustand heraus ist und daher der Strom in der Phase 1 einen praktisch vernachlässigbar kleinen Wert hat.
In dem in Fig. 6 wiederbegebenen Falle der Kontaktgabe im Zeitpunkt t_;; gelangt die Schaltdrossel Rz kurz nach dem Ein schaltzeitpunkt E infolge der hohen Diffe renzspannung Au-, in den entgegengesetzten Sättigungszustand entsprechend der Kurve f_. Erst dann findet die eigentliche Kommutie- rung statt, also später als ohne Hilfseinrich tung gemäss Fig. 3.
Am Ende der Kommu- tierung nach Fig. 6 wird die Schaltdrossel R, entsättigt, ihr Magnetisierungszustand folgt unter dem Einfluss der im Augenblick t" die Richtung wechselnden Differenzspannung lac beispielsweise der Kurve f,. Die Ausschal tung könnte bereits nach einer kurzen Über lappungsdauer -tc' im Zeitpunkt<I>A'</I> erfolgen.
Sie kann aber auch länger sein, beispiels weise wiederum gleich u, so dass die Aus- echaltung im Zeitpunkte A stattfindet. Da bei hohen Nennstromstärken die Schaltdrosseln verhältnismässig kostspielig werden, kann eine wesentliche Verbilligung dadurch erzielt werden, dass während des rei nen Gleich- bezw. Wechselrichterbetriebes eine verkürzte Überlappungedauer, z.
B. ent sprechend ü in den Fig.4 und 6, gewählt wird; die Eisenkerne der Schaltdrosseln kön nen dann, ohne dass im übrigen die Betriebs bedingungen ungünstig beeinflusst werden, kleiner bemessen sein, so dass sich die Ände rung ihres Magnetisierungszustandes schneller vollzieht, was in den Fig. 4 bis 6 einem stei leren Verlauf der Kurven f, und f2 während der Überlappungszeit entsprechen würde.
Man sieht hier, dass auch bei steilerem Kurvenverlauf durch Vorverlegung des Aus- echaltzeitpunktes in Fig. 4 und 6 erreicht werden kann, dass in diesen Fällen, die dem reinen Gleich- und Wechselrichterbetrieb ent sprechen, die Stromunterbrechung in der ab gebenden Phase während des ungesättigten Zustandes der zu ihr gehörenden ,Schalt- drossel stattfindet.
Man erkennt ferner aus Fig. 5, dass, obwohl in diesem im Übergangs gebiet liegenden Falle eine längere Überlap- pungszeit, z. B. u, eingestellt werden muss, trotzdem auch bei Wahl eines geringeren Querschnittes der Schaltdrosselkerne der Ausschaltpunkt, z. B. A, in die Zeit fällt, in der die Schaltdrossel ungesättigt ist.
Der Grund hierfür ist darin zu erblicken, dass, wie Fig. 5 zeigt, der Beginn der Stromände rung durch einen Richtungswechsel des Magnetisierungsverlaufes der Schaltdrossel der übernehmenden Phase (vergl. Kurve. f,) verzögert wird. Die erforderliche Verstellung der Überlappungsdauer kann mit Hilfe einer zusätzlichen inedianischeiiSteuereinrichtung zum Beispiel an der mechanischen Antriebs vorrichtung oder an den verstellbar an gebrachten ruhenden Kontakten oder andern mechanischen Teilen vorgenommen werden.
Bei kleinen und mittleren .Stromstärken ist mehr der Preis der Kontakteinrichtung ausschlaggebend. Es ist daher häufig vorzu ziehen, die Schaltdrosseln für eine längere Überlappungsdauer (vergl. u in Fig. 4 bis 6) zu bemessen, die in sämtlichen Betriebs- bereichen konstant beibehalten werden kann, so dass die Antriebsvorrichtung für die Kon takte einfach gestaltet werden kann.
Dazu muss der Querschnitt des sich sättigenden Eisenkreises der Schältdrossel so gross sein, dass, wenn sich der Eisenkreis der besagten Schaltdrossel beim Einschalten .der über nehmenden Phase in einem vorbestimmten Magnetisierungs.zustand befindet, der Aus schaltzeitpunkt der abgebenden Phase in allen Betriebsbereichen in die dem abgeflachten Stromkurventeil entsprechende stromlose Pause fällt, wie es beispielsweise bei dem in Fig. 4 bis 6 gezeichneten Verlauf der Magnetisierungszustandskurven f, und f" der Fall ist.
Zur Bremsung und Drehrichtungsumkehr von regelbaren elektrischen Antriebsvorrich tungen, beispielsweise für Walzenstrassen; Förderungsanlagen, Aufzüge, Werkzeug maschinen, kann die beschriebene Wechsel stromschalteinrichtung gleichstromseitig mit dem Anker einer mit 'Gleichstrom erregten Kommutatormaschine verbunden werden, der art, dass ausser einer Erhöhung und Herab setzung der Drehzahl der Kommutator- masohine durch die stetige Verstellung der Regeleinrichtung durch das Übergangsgebiet hindurch eine Umkehr der Drehrichtung be wirkt wird.
Eine besonders bequeme Bedienung wird dadurch ermöglicht, dass sich der Verstell bereich der Regeleinrichtung mindestens über das Gebiet einer ganzen Wechselstrom periode, das heisst über einen Winkel von 660 elektrischen Graden erstreckt. Hierbei ist zu beachten, dass die mechanische Über lappungsdauer der Kontakte, die Bemessung der Kerne und Wicklungen der Schaltdros seln und die Widerstandswerte (Impedanz werte) der .zu den Kontakten parallel ge schalteten Strompfade so aufeinander ab gestimmt sind, .dass die Ausschaltzeitpunkte der Kontakte bei stets gleich langer (kon stanter)
Überlappungsdauer in dem ganzen Verstellbereich von 360 elektrischen Graden innerhalb der stromschwachen Pause liegen. Im folgenden sei an Hand der Fig. 7 .eine Betriebsweise näher betrachtet, bei .der die Schalteinrichtung auf eine veränderliche Gegenspannung arbeitet, derart, dass in den beiden Hälften des gesamten Verstellberei- ehes, die durch die Punkte höchster Gleich spannung (U-) an der Schalteinrichtung ab gegrenzt sind, eine Spannungsdifferenz von endlicher Grösse vorhanden ist, wobei die Richtung ,
der Differenzspannung in der einen Hälfte des Verstellbereiches der in der andern Hälfte entgegengesetzt ist. Eine der artige Betriebsweise kommt praktisch zum Beispiel bei einem Wendeantrieb mit regel bar gespeistem Gleichstrommotor und mit Nutzbremsung vor und spielt sich im ein zelnen wie folgt ab:
Wird der ganze Regelbereich .durchlaufen, beginnend bei dem Punkt, bei welchem :die Einrichtung als Gleichrichter mit der grösst möglichen abgegebenen Spannung arbeitet (VersIellwinkel '1V = 0<B>')"</B>so nimmt zunächst, während die Gegenspannung einen kleineren Absolutwert hat, .die Gleichspannung U- ab; bis sie nach einer Verstellung von 90 elek trischen Graden Null geworden ist.
Bei wei terer Verstellung in .derselben Richtung kehrt sich die Richtung der Spannung U- um, so < lass bei, wie erwähnt, gleichbleibender Rich tung der Differenzspannung ein stetiger Übergang auf ,den Weohselrichterbetrieb er folgt, da nunmehr der Absolutwert der Gegenspannung grösser ist als derjenige der Spannung U- an der Schalteinrichtung.
Diese Spannung wächst beim Weiterdrehen wieder an, bis nach 1$0 elektrischen Graden der negative Höchstwert der Spannung erreicht ist. Bei weiterer stetiger Verstellung in glei cher Richtung ändert sich die Polarität des Stromes und mit ihr die Richtung der Diffe renzspannung, die Einrichtung arbeitet dar nach indem Bereich von<B>1.80'</B> bis<B>270'</B> wie derum als Gleichrichter auf eine dem Abso- lutwert nach kleinere Gegenspannung,
jedoch mit vertauschten Polen gegenüber dem Be reich von 0 bis<B>90'.</B> Bei der Verstellung über<B>270'</B> hinaus kehrt die ,Spannung nach Durchlaufen des Nullwertes ihre Richtung noch einmal um, wobei die Richtung der Dif ferenzspannung wiederum, wie vorausgesetzt, die gleiche bleibt, und steigt allmählich wie derum auf den Höchstwert an, der bei<B>360'</B> erreicht ist. In dem Bereich von<B>270'</B> bis <B>360'</B> herrscht wegen des nunmehr grösseren Absolutwertes der Gegenspannung wiederum Wechselriehterbetrieb,
jedoch mit umgekehr ter Polarität gegenüber dem Bereich von<B>90'</B> bis<B>180'.</B> Bei<B>360'</B> ist der Ausgangspunkt wieder erreicht. Durch Umkehr der Strom richtung und damit auch der Richtung der Differenzspannung findet hier wieder der Übergang zum Gleichrichterbetrieb statt. Sämtliche Übergänge von einer Betriebsart in die andere an den Regelpunkten<B>0', 90',</B> <B>180', 270'</B> und<B>3,60'</B> gehen vollkommen stetig vor sich.
Der Verlauf der Abhängig keit der abgegebenen Gleichspannung U- von der Regelstellung bezw. dem Verstellwin- kel <B>!F</B> in Graden entspricht etwa der in Fig. 7 dargestellten Kurve 1, die durch Ver such aufgenommen wurde.
Die Verstellung kann beispielsweise durch Ständerverdrehung des synchronen Antriebs motors SM der Kontakteinrichtung erfolgen. Statt dessen kann auch durch einen Dreh transformator DT die Lage des Ständerdreh- feldes des Antriebsmotors verändert werden. Sind die Kontakte zum Beispiel nach Art eines Kollektors als Ringsegmente ausgebil det, so kann die Verstellung durch Verdrehen der Stromabnahmebürsten vorgenommen wer den.
Ein Gleiehstrommotor kann also mit Hilfe der besehriebenen Einrichtung durch die Verstellung einer einzigen Grösse nach einander vom Stillstand (bei if =<B>909</B> aus angelassen, bis auf seine Höehstdrehzahl (bei '1' =<B>0')</B> geregelt und dann elektrisch ab gebremst werden, bis wieder zum Stillstand (bei<B>!U</B> =<B>270'),</B> von hier aus in entgegen gesetzter Drehrichtung wieder angelassen, auf die Höchstdrehzahl (bei if =<B>180)</B> ge bracht und wiederum elektrisch abgebremst werden, bis er stillsteht (bei '1' = 90'),
wor auf mit dem Anlassen in der ursprünglichen Drehrichtung das Spiel von neuem beginnt. Die Verstellrichtung entspricht dem mit WA bezeichneten Pfeil in Fig. 7.
Grösse und Verlauf der für eine derartige Betriebsweise im Einzelfalle gewünschten Differenzspannung sind einerseits von der mechanischen Trägheit des umlaufenden Teils des Gleichstrommotors und der von diesem angetriebenen Teile bezw. von der mecha nischen Zeitkonstante der Gesamtheit aller beweglichen Teile und anderseits von der Ge schwindigkeit, mit der die Verstellung der Schaltzeitpunkte vorgenommen wird, ab hängig und stehen ferner im Zusammenhang mit der Höhe des vom Motor aufgenommenen oder abgegebenen Stromes.
Durch Überwachung des Betriebes mit Hilfe von Relais, welche .die Drehzahl eines dieVerstellung bewirkenden Hilfsmotors zum Beispiel in Abhängigkeit vom Ankerstrom des Gleichstrommotors durch Ab- und Zu schalten von Widerständen regeln, kann der Ablauf des Verstellvorganges den Arbeits bedingungen des gesteuerten Wendeantriebes selbsttätig an gepasst werden, derart, dass der (xleichstrommotor eine regelmässige Folge von Arbeitsspielen,
bestehend aus aufeinander folgenden Perioden wechselnder Dreh- bezw. Energierichtung ausführt.
Die, wie beschrieben, regelbare Schalt einrichtung ersetzt also beispielsweise den bei einem Leonardantrieb erforderlichen Schwungradgenerator und seinen Antriebs motor bezw. einen Einankerumformer oder auch eine Stromrichteranordnung, bestehend aus zwei gittergesteuerten Quecksilber gefässen, von denen das eine als Gleichrichter, das andere als Wechselrichter arbeitet.
Vor diesen bekannten Einrichtungen zeichnet sich der Erfindungsgegenstand dadurch aus, dass er mit verhältnismässig niedrigeren Kosten beschafft werden und insbesondere mit höhe ren Wirkungsgraden arbeiten kann. Sein Wirkungsgrad kann unter Wegfall der bei Queeksilberdampfgefässen auftretenden Licht bogenverluste bezw. bei durch Verwendung von metallischen Abhebekontakten erreich barem Wegfall der bei Motorgeneratoren und Einankerumtormern auftretenden Bürsten verluste besonders hoch sein.
Das Auftreten von. Stromwärmeverlusten kann beim Erfin dungsgegenstand im wesentlichen auf die Wicklungen der Schaltdrosseln beschränkt werden, und zwar so weit, dass diese Ver luste niedriger sind als die Stromwärme- und Eisenverluste umlaufender Umformer gleicher Durchgangsleistung. Der Leistungs aufwand für den Antrieb der Kontakteinrich tung kann vernachlässigbar klein gehalten werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Steuerungs vorgänge zu beeinflussen, besteht darin, dass die Schaltdrosseln mit Gleichstrom so vor magnetisiert werden, dass der Strom dem an ,die Schalteinrichtung selbst angeschlossenen Gleichstromkreise entnommen wird. Die Rich tung der Vormagnetisierung wechselt dann gleichzeitig mit der Polarität des Gleich stromes. Die Steuerkurve hat dann, wie durch Versuche gefunden wurde, den in h'ig. 7 mit 2 bezeichneten, gestrichelt dargestellten Ver lauf, wobei das positive und das negative Maximum etwa gleich gross, jedoch beide kleiner sind als ohne Vormagnetisierung der Schaltdrosseln.
Legt man die Vormagnetisie- rungswicklungen an eine fremde, konstante Spannung, so ergibt sich, wie Versuche zeig ten, die strichpunktiert eingezeichnete Steuer kurve 3 mit verschieden grossen Maxima, das heisst der Antrieb kommt während eines Spiels in der einen Drehrichtung auf eine höhere Drehzahl als in der andern. Dies ist vielfach vorteilhaft für Walzen oder Werk zeugmaschinen, bei denen jeweils auf einen Arbeitsgang ein Leerrücklauf mit erhöhter Geschwindigkeit folgt.
Additional patent to the main patent no. 198525. AC switching device for the mutual exchange of energy between 'a multi-phase AC system and a DC system. For the reciprocal exchange of energy between an alternating current system and a direct current system, motor generators, single armature converters, controlled discharge paths with and without valve action, and mechanical switching devices, Jeren contacts are operated periodically.
In the case of the rotating machines or machine sets mentioned first, the change in direction of energy is easily achieved by changing the machine excitations, but the efficiency of such devices is relatively moderate due to the losses in the armature and excitation windings as well as the iron, friction and transition losses bad, their acquisition costs are relatively high. Spark gaps also have large losses due to the voltage drop in the discharge arc.
In addition, in the case of the discharge paths with valve action, there is the disadvantage that a switchover in the utility circuit is necessary to change the energy direction, which interrupts the continuity of the process. To avoid this, two discharge devices with different flow directions of the valve sparks have been connected in parallel and control and auxiliary ignition devices have ensured that one discharge vessel takes over the useful current in one energy direction and the other in the other. However, this makes the system very expensive.
The in both directions operable discharge paths with .gesteuerter auxiliary ignition have so far been used for large powers, especially for higher currents, because of their losses and because of the damage caused by the discharge arc. do not allow it to be inserted at the contacts. Moreover, even with them, a steady transition cannot take place when the energy direction changes, nor with normal, periodically operated switching devices with metallic contact. This will be explained with reference to FIG. 1, in which the circuit diagram of such a device is shown.
To the three-phase network RST is. the primary winding PW of a transformer is closed, the secondary winding SIV of the three phases 1, 2, 3 consists. From these the main power lines lead to the contact sets K ,, K "K3, each of which consists, for example, of two fixed contacts and a movable bridge.
The movable bridges are operated jointly by a shaft IV, indicated by dashed and dotted lines, via an eccentric or cam gear (not shown in the drawing) or the like. The utility power lines come together behind the contacts and flow through a smoothing choke DH to the direct current system, the other pole of which is connected to the star point of the secondary winding SIY-.
The direct current system consists, for example, of a storage battery or, as shown, of a single machine with armature A and field winding F. The rotating part has a large momentum that tries to maintain its speed. The armature A is for example coupled to a flywheel. which is not shown in the drawing.
The shaft W is driven by a synchronous motor SM, which is connected to the AC network via a rotary transformer DT. By rotating the phase position of the synchronous motor with respect to the phase of the alternating voltage, the switching times within the - # VAC voltage period can be set differently.
With another device, not shown, the duration of engagement of the contacts can be adjusted, for example, by adjusting the gear eccentricity or by lengthening or shortening a drive tappet.
The auxiliary devices R ,, R, R3, V ,, V, V3 and <I> N ,, </I> N @, N ;, are initially disregarded. In FIG. 2, the instantaneous course of the voltages u, and u2 of phases 1 and 2 is indicated in that part of a period in which the current transmission is to pass from phase 1 to phase 2. The point in time at which the two voltage curves intersect is denoted by to.
t + ,, t._, and t_3 are points which are opposite to by a unit of time, e.g. B. a twentieth half-wave equal to 0.0005 seconds at an AC frequency of 50 periods per second, later, respectively. one and three time units earlier.
If the phase position of the drive is set in such a way that the contact (or, in the case of the mentioned discharge paths without valve action, the ignition by the auxiliary ignition spark path) is brought about in phase 2 at instant t, the direct voltage is known to have its highest value; at any earlier or later point in time when contact is made, there is a lower DC voltage.
The course of the output DC voltage as a function of the time of the contact closure is approximately a cosine curve and is shown in Fig. 2, for example, by the curve U-. In addition, a constant counter voltage U ″ is shown, which may be supplied by a battery or by armature A at a certain speed and a certain constant excitation of the field F. Voltage drops are neglected for the sake of simplicity.
If the contacts of the contact set KZ are closed at time t, ", a voltage A" is created in the short-circuit or commutation circuit formed by phases 1 and 2 via the contact sets K, and KZ, starting from the value 0 corresponds to the difference in phase voltage uz-u, and is calculated positively in the case under consideration.
This voltage drives a short-circuit current ik in the direction of the arrow marked in through the commutation circuit, i.e. against the current i, the emitting phase 1, and in the direction of the current 4, which is to flow in phase 2. The short-circuit current is combined with the phase currents to the commutation current ik, respectively. ik, together.
The instantaneous course of the currents i and ik is shown in FIG. Of the indices that have been added, the first designates the point in time of contact and the second the phase. Perfect @ smoothing of the direct current is assumed.
Then, at the instant when the difference between the opposing currents i "and iko, that is to say the commutation current il" "', becomes zero, the commutation current il" "reaches the value i" 2 <I> = </I> io ,. The interruption must take place at exactly the same moment, the isolating distance of the contact set k must have reached such a length that reignition is prevented with certainty,
then the slightest possible switchfire occurs. It is of course very difficult to hit this moment exactly, even if the load conditions would ideally remain constant. A sufficiently precise setting is impossible with the load fluctuations that occur in practice. The present consideration is therefore purely theoretical.
If the contact closure in phase 2 is not brought about until one time unit later at the moment t, then the DC voltage is U- and its excess over the counter voltage U,. lower, so the "current <I> i" </I> or 42 on the direct current side is correspondingly smaller.
Since a positive voltage difference Au -, -, is already present at the moment the contact is closed, the short-circuit current i1; + "or ik +" increases significantly faster, but its direction relative to the phase current is the same as in the case described above , namely in phase 1 opposite i ″ and in phase 2 in the direction of i, 2. As a result of the steeper current curve, the commutation time is shorter.
The most favorable interruption instant is a little later than the one with full modulation and contact closure at the instant to.
All those operating states in which, as in the cases described above, the voltage differences between the output and the accepting phase at the moment of contact closure of the accepting phase have such a direction that the short-circuit current caused by them corresponds to the current in the output phase in the opposite direction and for which the resulting @ equal voltage:
is greater than an existing counter-voltage, are calculated in the following as so-called "pure 'rectifier operation". .
Let us now consider the case, which is also shown, for example, in FIG. 3, that the contact closure in phase 2 takes place at time t_ ,, that is, before the intersection of the voltage curves u and u2.
The differential voltage initially present in the commutation circuit drives the short-circuit current in the direction of the current i ", which should disappear in the output phase 1, and in the opposite direction. The current i, 2, which should arise in the absorbing phase 2.
The consequence of this is the formation of a higher commutation current, the Ver course of which by the dashed lines in Fig. 3 einetra genen curves ik_1, respectively. ik_, Z is reproduced.
However, since the differential voltage decreases and becomes zero at time to and then reverses its sign and increases again in the new sense, the commutation current ik_ "does not follow the indicated steep curve, but runs flatter and sinks after it is at time to Has reached maximum, again from, then goes through the value i "respectively. through the zero value and -ver runs essentially the same as in the previously described case of contact closure at time t,
. The position of the most favorable interruption moment also changes only slightly here compared to the contact closure at time t +. The same applies to all those cases in which the contacts are closed or the ignition is carried out by means of an auxiliary spark gap, up to the limit given by the time point t ', where the equilibrium voltage U- at the switching device is no longer greater than the counter voltage tr ,.
The range of those operating states. where, as described, the voltage difference between the transferring and accepting phase at the moment of contact closure of the phase taking over has such a direction that the short-circuit current caused by it has the same direction as the current of the phase giving out, is hereinafter referred to as so-called "transition area" between direct and inverter operation.
If the contacting is moved further forward, for example to the point in time t _; ,, then U- becomes smaller than U, The direction of the current i._3 must therefore be reversed than in the previous cases, as FIG. 3 shows. The switching device that previously worked as a rectifier would now work as an inverter.
The amount of the current i_3 is very small corresponding to the small voltage difference between U- and U, with the assumed degree of control. The differential voltage Au-, on the other hand, is considerable, it drives a steeply rising short-circuit current il,
. "in the same direction as in the previously described case through the commutation circuit. However, this direction now coincides with that of the resulting current i_12 and is opposite to that of the disappearing current i__31.
The commutation current ii; _31 therefore almost immediately reaches the zero value and has to be interrupted, because otherwise an opposite short-circuit current would flow after the zero crossing, which would assume a gigantic amount, which would lead to deviations in the symmetry of the three alternating current phases and consequently to disturbances in the Interruption of the follow-up contacts would lead.
Those operating states in which, as in the case described last, the voltage difference between the outputting and accepting phase at the moment of contact closure of the accepting phase has such a direction that the short-circuit current caused by it is opposite to the current of the outputting phase and where the resulting DC voltage is also smaller than an existing counter voltage, what is known as "pure inverter operation" is calculated in the following.
So it turns out that with an ordinary switching device without @ special tools BEZW. In the case of a discharge device controlled by auxiliary spark gaps, a sudden shift in the switch-off or extinguishing time would have to be made during the transition from the rectifier to the inverter area by means of a constant shift in the switch-on or ignition point.
This will be the Ge gear. the control device except neatly cumbersome and expensive and, what is most essential, unsafe in operation, so practically neither feasible nor applicable. In addition, there are additional losses and electrode stresses caused by the high commutation currents (in the case of discharge paths).
In the main patent, an alternating current switching device is now described, which is characterized by the combination of means for flattening a part of the current curve adjacent to the zero crossing with a parallel path that bridges the interruption point and the increase in the voltage recurring after the interruption at the electrodes.
Such an alternating current switching device can, periodically driven, be used for the reciprocal exchange of energy between a polyphase alternating current system and a direct current system without interrupting the load circuit and without any other sudden switchover in the utility circuit by providing it according to the invention with a control device to be operated during operation ,
with which the phase position of the switch-on times compared to the phase position of the AC voltage can be continuously adjusted through the transition area between DC and AC operation preceding the instant of voltage equality between the outputting and receiving phase.
FIGS. 4 to 6 serve to explain the subject matter of the invention, based on the completed switching scheme according to FIG.
According to Fig. 1 are in series with the isolating routes of the contact sets K1, K2, X3 'switching chokes R1, R2, R3 and parallel to the isolating routes, the secondary paths N1, N,., N3 ge switched, which latter preferably have a capacitive component .
The switching reactors, the iron circuit of which saturates at a current value of 0.5 or 1 ampere, for example, can be provided with an additional winding V1, V2, V3 through which they can be supplied from a special power source or from the connected DC or AC system can also be magnetized before. The windings V1, V2, V3 are advantageously connected in series for this purpose.
A choke <I> DV </I>, which is also in series, is intended to prevent current pulsations from penetrating into the feeding part of the premagnetization circuit.
By changing the pre-magnetization or by changing the impedance of the parallel path. Or by using both types of control together, the iron circuit of the switching inductor is in a predetermined magnetization state when a commutation circuit is made by closing the contacts in the receiving phase is formed.
In FIGS. 4 to 6, for the three cases of contact making E at time to, t_1 and t_3, in addition to the current curve il respectively. i2 the curves f1 respectively. f2 of the magnetization state (induction or power flow in the iron) of the switching reactors R in the commutation circuit,
and R2 as a function of time. According to FIG. 4, the full short-circuit current cannot initially develop unhindered from the moment E is switched on, because the switching inductor R is unsaturated and thus has a very high resistance value. Only after curve f 2 has reached the upper saturation limit does the actual commutation process begin.
In the vicinity of the zero crossing of the current curve il - for example as a result of a slight pre-excitation shortly before - the switching choke Rl enters the unsaturated state. There is therefore a practically currentless pause which would last one or a few milliseconds with closed contacts, namely until the curve f would have reached the saturation limit in the opposite direction. Before this occurs, the current must be interrupted by opening the contacts in phase 1, for example at point A.
The overlap duration u, that is the time during which the contacts of both phases, the releasing and the accepting, are closed at the same time, is then relatively long. Since a relatively long period of time is available during the powerless break, the precise timing of the switch-off time is not important. The interruption can, for example, also take place at time A ', so the shorter overlap duration u' is sufficient.
With regard to the goal of allowing the current interruption to take place during a currentless break, the length of the latter and thus the size of the switching chokes are determined within certain limits by the overlap duration. The switching chokes can be smaller, the shorter the mechanical overlap duration of the contacts can be made.
If the switching device according to FIG. 5 is controlled in such a way that the switch-on time E is before the time of voltage equality to, approximately at t_1, the magnetization curve of the switching inductor Bz does not strive for the saturation limit in the forward direction, but rather as a result of the initially negative direction the voltage difference Au-, the opposite saturation limit.
However, the switching reactor remains unsaturated if, when switched on, it is not too far away from the saturation limit in the direction of the resulting current, which can be easily achieved with the help of suitable dimensioning of the secondary path N2 and is also permissible for any other degree of control mes i_ # is, -as the curve f: in Fig. 5 indicates.
Due to the high resistance of the unsaturated switching choke R., the formation of an increased short-circuit current, such as 21; _1l and ik_lin Fig. 3, is prevented, the commutation consequently takes place with regard to the current values under approximately the same conditions as when switching on at time t + ,. The course of curve f, shortly before, during and shortly after the commutation, is essentially similar to the course according to FIG.
On the other hand, the overlap duration u according to FIG. 5 must be large. The current is therefore interrupted at time A. In the example given, the time ic is selected to be so long that even with even lower levels of modulation, namely at least until the contact closes at time <I> t ', </I> the switch-off time <I> A </I> is always in the time falls in which the switching throttle R,
is already out of saturation and therefore the current in phase 1 has a practically negligible value.
In the case of making contact at time t_ ;; The switching throttle Rz arrives shortly after the switch-on time E due to the high differential voltage Au-, in the opposite saturation state according to the curve f_. Only then does the actual commutation take place, that is, later than without the auxiliary device according to FIG. 3.
At the end of the commutation according to FIG. 6, the switching inductor R 1 is desaturated; its magnetization state follows curve f 1, for example, under the influence of the differential voltage lac, which changes direction at the moment t ". tc 'at time <I> A' </I>.
However, it can also be longer, for example again equal to u, so that the switch-off takes place at time A. Since the switching chokes are relatively expensive at high nominal currents, a substantial reduction in the price can be achieved by the fact that during the pure equal or Inverter operation has a shortened overlap period, e.g.
B. accordingly ü in Figures 4 and 6 is selected; The iron cores of the switching reactors can then be dimensioned smaller without the operating conditions being adversely affected, so that the change in their magnetization state takes place more quickly, which in FIGS. 4 to 6 shows a steeper course of the curves f, and would correspond to f2 during the overlap time.
It can be seen here that even with a steeper curve progression of the switch-off time in FIGS. 4 and 6 can be achieved that in these cases, which correspond to the pure rectifier and inverter operation, the current interruption in the emitting phase during the unsaturated phase State of the switching throttle belonging to it takes place.
It can also be seen from FIG. 5 that, although in this case in the transition area, a longer overlap time, e.g. B. u, must be set, but even if a smaller cross section of the switching inductor cores is selected, the switch-off point, e.g. B. A, falls in the time in which the switching reactor is unsaturated.
The reason for this can be seen in the fact that, as FIG. 5 shows, the start of the current change is delayed by a change in direction of the magnetization curve of the switching inductor of the accepting phase (see curve f,). The required adjustment of the overlap duration can be carried out with the help of an additional Indian control device, for example on the mechanical drive device or on the adjustable stationary contacts or other mechanical parts.
In the case of small and medium currents, the price of the contact device is more decisive. It is therefore often preferable to dimension the switching throttles for a longer overlap period (cf. u in FIGS. 4 to 6), which can be kept constant in all operating areas, so that the drive device for the contacts can be designed simply .
For this purpose, the cross-section of the saturating iron circuit of the switching reactor must be so large that if the iron circuit of said switching reactor is in a predetermined magnetization state when the receiving phase is switched on, the switching off time of the output phase in all operating ranges in the dem currentless pause corresponding to the flattened current curve part, as is the case, for example, in the course of the magnetization state curves f and f ″ shown in FIGS. 4 to 6.
For braking and reversing the direction of rotation of controllable electric drive devices, for example for roller lines; Conveying systems, elevators, machine tools, the described alternating current switching device can be connected on the direct current side to the armature of a commutator machine excited with direct current, such that, in addition to increasing and decreasing the speed of the commutator machine, the constant adjustment of the control device through the transition area through a reversal of the direction of rotation be acts.
A particularly convenient operation is made possible by the fact that the adjustment range of the control device extends at least over the area of an entire alternating current period, that is to say over an angle of 660 electrical degrees. It should be noted that the mechanical overlap duration of the contacts, the dimensioning of the cores and windings of the switching reactors and the resistance values (impedance values) of the current paths connected in parallel to the contacts are coordinated so that the switch-off times of the contacts with always the same length (constant)
Overlap duration in the entire adjustment range of 360 electrical degrees lie within the low-current pause. In the following, a mode of operation will be considered in more detail with reference to FIG. 7, in which the switching device works on a variable counter voltage, in such a way that in the two halves of the entire adjustment range, the points of highest direct voltage (U-) are delimited at the switching device, there is a voltage difference of finite magnitude, the direction
the differential voltage in one half of the adjustment range is opposite to that in the other half. Such an operating mode occurs in practice, for example, with a reversing drive with a controllable DC motor and regenerative braking, and it takes place as follows:
If the entire control range is run through, starting at the point at which: the device works as a rectifier with the highest possible output voltage (angle of versIell '1V = 0 <B>') "</B> then initially takes a has a smaller absolute value, .the direct voltage U- until it has become zero after an adjustment of 90 electrical degrees.
With further adjustment in the same direction, the direction of the voltage U- is reversed, so with the direction of the differential voltage remaining the same, as mentioned, a steady transition occurs, the inverter operation takes place, since the absolute value of the counter voltage is now greater than that of the voltage U- at the switching device.
This voltage increases again as the rotation continues, until the negative maximum value of the voltage is reached after 1 $ 0 electrical degrees. With further constant adjustment in the same direction, the polarity of the current changes and with it the direction of the differential voltage, the device then works in the range from <B> 1.80 '</B> to <B> 270' </B> again as a rectifier to a counter voltage that is smaller in terms of the absolute value,
however with reversed poles compared to the range from 0 to <B> 90 '. </B> When adjusting beyond <B> 270' </B>, the voltage reverses its direction once more after passing through the zero value, whereby the direction of the differential voltage in turn, as assumed, remains the same and gradually increases in turn to the maximum value which is reached at <B> 360 '</B>. In the range from <B> 270 '</B> to <B> 360' </B>, due to the now larger absolute value of the counter-voltage, there is again alternating operation,
but with the opposite polarity compared to the range from <B> 90 '</B> to <B> 180'. </B> At <B> 360 '</B> the starting point is reached again. By reversing the direction of the current and thus also the direction of the differential voltage, the transition to rectifier operation takes place again. All transitions from one operating mode to the other at the control points <B> 0 ', 90', </B> <B> 180 ', 270' </B> and <B> 3.60 '</B> are complete steadily in front of you.
The course of the dependency of the output DC voltage U- BEZW of the control position. the adjustment angle <B>! F </B> in degrees corresponds approximately to curve 1 shown in FIG. 7, which was recorded by experiment.
The adjustment can take place, for example, by rotating the stator of the synchronous drive motor SM of the contact device. Instead, the position of the stator rotating field of the drive motor can also be changed using a rotary transformer DT. If, for example, the contacts are designed as ring segments in the manner of a collector, the adjustment can be made by rotating the current pickup brushes.
A DC motor can be started from a standstill (with if = <B> 909 </B>, up to its maximum speed (with '1' = <B> 0 ') with the help of the described device by adjusting a single variable. </B> regulated and then electrically braked until it comes to a standstill again (at <B>! U </B> = <B> 270 '), </B> restarted from here in the opposite direction of rotation, on the maximum speed (at if = <B> 180) </B> and then electrically braked again until it comes to a standstill (at '1' = 90 '),
whereupon the game starts again with starting in the original direction of rotation. The direction of adjustment corresponds to the arrow labeled WA in FIG. 7.
The size and course of the differential voltage desired for such an operating mode in the individual case are, on the one hand, dependent on the mechanical inertia of the rotating part of the DC motor and the parts driven by it. of the mechanical time constant of the entirety of all moving parts and, on the other hand, of the speed with which the adjustment of the switching times is carried out, and are also related to the amount of current consumed or delivered by the motor.
By monitoring the operation with the help of relays, which regulate the speed of an auxiliary motor causing the adjustment, for example depending on the armature current of the DC motor by switching resistors on and off, the sequence of the adjustment process can be automatically adapted to the working conditions of the controlled reversing drive , in such a way that the (x DC motor has a regular sequence of work cycles,
consisting of successive periods of alternating rotation or Energy direction executes.
The, as described, controllable switching device replaces, for example, the flywheel generator required in a Leonard drive and its drive motor respectively. a single armature converter or a converter arrangement, consisting of two grid-controlled mercury vessels, one of which works as a rectifier, the other as an inverter.
Prior to these known devices, the subject matter of the invention is characterized in that it can be procured at relatively lower costs and, in particular, can work with higher degrees of efficiency. Its efficiency can bezw with the elimination of the arc losses occurring with Queek silver vapor vessels. with the use of metallic lift-off contacts achievable omission of the brush losses that occur in motor-generators and single-armature motors can be particularly high.
The appearance of. Current heat losses can essentially be limited to the windings of the switching chokes in the inven- tion subject, to the extent that these losses are lower than the current heat and iron losses of circulating converters of the same throughput. The power required to drive the contact device can be kept negligibly small.
Another possibility of influencing the control processes is that the switching chokes are magnetized with direct current so that the current is drawn from the direct current circuits connected to the switching device itself. The direction of the premagnetization then changes simultaneously with the polarity of the direct current. The control curve then has, as has been found through experiments, the one in h'ig. 7 denoted by 2 and shown in dashed lines, the positive and negative maximums being approximately the same size, but both being smaller than without bias of the switching chokes.
If the bias windings are connected to an external, constant voltage, the result, as tests have shown, is the dash-dotted control curve 3 with maxima of different sizes, i.e. the drive comes to a higher speed than during play in one direction of rotation in the other. This is often advantageous for rollers or machine tools in which an idle return follows an operation at increased speed.