Kontaktumformer. Mechanische Umformer zur Gleichrich tung von Drehstrom können gewöhnlich auch zur Energieübertragung in umgekehrter Richtung vom Gleichstromnetz ins Dreh stromnetz benutzt werden, indem der Beginn der Kommutierungszeit, der bei Gleichrich tung hinter dem Zeitpunkt der Spannungs gleichheit von abgebender und übernehmen der Phase liegt, auf einen davor liegenden Zeitpunkt vorverlegt wird.
Hierbei macht ;sich jedoch, abgesehen von schädlichem Schaltfeuer an den Kontakten, dessen Herabsetzung auf ein erträgliches Mass mit verschiedenen an sich bekannten Mitteln möglich wäre, ein weiterer Übelstand be merkbar in Gestalt einer unverhältnismässig grossen Blindlelstungsaufnahme aus dem Drehstromnetz, die wiederum eine un erwünschte Erhöhung der Verluste zur Folge hat und dazu zwingt, unter Umständen be sondere Blindleistungserzeuger aufzustellen sowie die Leitungen und Geräte,
insbeson- dere den Zwischentransformator, wesentlich grösser zu bemessen, als es für die Wirklast allein erforderlich wäre. Durch die Benut zung von veränderlichen, in der Hauptsache ohmschen Widerständen, die in Reihe mit den Kontaktstehlen des Umformers geschal tet :
sind und während des Kommutierungs- vorganges jedesmavl von einem verschwin dend geringen Widerstandswert in einer Zeit von etwa 1 bis 2 Millisekunden durch syn chron mit den Phasenspannungen des WeGh- selstromnetzes arbeitende Steuereinrichtun gen auf einen sehr grossen Betrag gebracht werden, erreicht man eine .gewisse Unab hängigkeit in der Wahl des Zeitpunktes für den gommutierungsbeginn,
weil ein Teil der zur Stromänderung erforderlichen Kommu- tierungsspannung statt auf natürlichernWdge von der Differenz der treibenden Spannun gen der einander ablösenden Phasen, von der künstlich am Widerstand durch :den Kom- mutierungsstrom erzeugten Spannung geflie- fert wird.
Dann kann also durch geeignete Wahl der Lage des Kommutierungsabschnit- tes innerhalb eines begrenzten Bereiches die Blindleistungsaufnahme herabgesetzt wer den. Damit sind jedoch erhöhte Verluste am gommutierungswiderstand verbunden. Diese wachsen um so stärker an, je später der Kommutierungsabschnitt einsetzt, bis sie schliesslich unerträglich hoch werden.
Nach der Erfindung wird nun das gün- stigste Gesamtergebnis für das Arbeiten eines. derartigen mechanischen Umformers als Wechselrichter erzielt, indem bei An wendung von veränderlichen und selbsttätig synchron mit der Wechselspannung gesteuer ten, -in der Hauptsache, ohmschen Kommutie- rungswiderständen die Antriebsvorrichtung für die Kontakte so ausgeführt bezw. ein gestellt wird,
dass bei Nennbetrieb von der gesamten Kommutierungszeit ein solcher Teil vor dem Zeitpunkt der Spannungs gleichheit der einander ablösenden Phasen liegt, dass einerseits die an den Ko,mmutie- rungswiderständen entstehenden Verluste in den Grenzen 1 bis 2 % der Gesamtleistung bleiben, und dass anderseits die Blindlei- stungsaufnahme aus dem Netz auf einen Bruchteil des bei reiner Spannungskommu- tierung erforderlichen Betrages herabgesetzt wird.
Dies ist für gewöhnlich dann der Fall, wenn von der gesamten Kommutierungszeit ,etwa 2/s vor und etwa '1s hinter dem Zeit punkt der Spannungsgleichheit der einander ablösenden Phasen liegen, In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Aus führungsbeispiel für einen mehrphasigen Kontaktumformer mit synchron gesteuerten Schaltwiderständen und einstellbarer An triebsvorrichtung für die Kontakte schema tisch dargestellt.
Dis Fig. 2 und 3 zeigen Ausschnitte aus den Spannungskurven in der Nachbarschaft eines Kommutierungsvorgan- ges, und in den Fig. 4 und 5 ist der Ver lauf von Strom, Spannung und Leistung während eines Kommutierungsvorganges für verschiedene Lagen der Kommutierungszei- ten graphisch aufgezeichnet.
Nach Fig. 1 liegt an einem Drehstrom- netz RST die Primärwicklung I eines Trans formators, dessen Sekundärwicklung 1I über die in Grätzsehaltung angeordneten Kon taktstellen K,<I>bis</I> K,; mit einem Gleichstrom netz NP in Verbindung steht.
Die Kontakte werden zum Beispiel über eine Nockenwelle TIVh durch einen Synchronmotor Mb ange trieben, der über einen Drehtransformator Dz; an das Drehstromnetz angeschlossen sein kann.
In Reihe mit den Kontaktstellen lie gen drehstromseitig veränderliche Vorsehalt- widerstände R,, Iij, R;, die etwa mittels Wälzsegmenten von einem weiteren Syn- chronmotorMR, der ebenfalls'übereinenDreh- transformator DR an das Drehstromnetz ange schlossen ist, zum Beispiel über eine weitere Nockenwelle TYR synchron mit der Wechsel spannung derart gesteuert werden,
dass der in den Kommutierungskreis eingeschaltete Wi derstandsbetrag innerhalb der Kommutie- rungszeit von Null auf einen so grossen Be trag anwächst, dass schliesslich der noch zu unterbrechende Reststrom zirka. 1 Ampere oder weniger beträgt. Mit Lp sind die sym bolisch dargestellten Streuinduktivitäten des gesamten Drehstromkreises, bezogen auf eine Phase, bezeichnet.
Gleichstromseitig sind Glättungsdrosseln G angeordnet. LT bezeich net die verkettete Wechselspannung, LT" U, Lrr, sind die drei Phasenspannungen, UR ist die Spannung am Vorschaltwiderstand; mit J ist der Gleichstrom bezeichnet. Die in der Figur dargestellte Stellung ,der Kontakte und die eingezeichneten Pfeile entsprechen demjenigen Zeitabschnitt tk, in dem die Stromübertragung von der Phase 1 auf die Phase 2 übergeht.
In Fig. 2 ist angenommen, dass dieser Zeitabschnitt tk jedesmal vollständig vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegt. Nimmt man an, dass das Wechsel stromnetz eine normale Frequenz von 50 Perioden in der Sekunde hat, und dass der Zeitabschnitt tk von Beginn bis zum Ende des Kommutierungsvorganges insge samt eine Millisekunde umfasst, so beträgt der Winkel ss, zwischen dem Beginn der Kommutierung und dem Schnittpunkt der beiden Spannungskurven -18 (er sei für diesen Fall als negativ definiert),
der Win kel ss2 :ist gleich Nu(11, da das Ende der Kom- mutierung mit dem Schnittpunkt der Span nungskurven zusammenfällt. In Fig. 3 ist ein anderer Fall dargestelf in welchem die Kommutierungszeit zur Hälfte vor und zur andern. Hälfte hinter dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegt, also ss1 = - 9 und ss2 <I>=</I> -i- 9 .
Dieser Fall ist im Ilin- blick auf den Blindleis,tungsbedarf der gün- stigste; denn -es wird Blindleistung weder aufgenommen noch abgegeben. Jedoch sind die Verluste am Vorschaltwiderstand im zweiten Fall grösser atl,s im ersten.
Das er gibt sich aus dem Vergleich .der Fig. 4 und 5, die diesen beiden Fällen entsprechen, und in denen die gesamte zur Kommutierung er forderliche Energie sowie der auf die natür liche Kommutierungsspannung und der auf die künstlich am gommutierungswiderstand erzeugte Spannung entfallende Anteil aufge tragen sind. Die Fig. 4 und 5 beruhen auf der Annahme, dass die Streuspannung des ge samten Drehstromteil.s 8 % beträgt.
Sie kann bei einer derartigen Anordnung verhältnis mässig klein sein im Vergleich zu den bis her üblichen Wechselrichtern, welche mit einem Quecksilberlichtbogen arbeiten und gegen zu hohe Kurzschlussströme durch eine besonders grosse Streuinduktivität geschützt werden müssen.
Die Kommutierungsleistung NI; ist der Streuspannung E in Prozent direkt proportional, sie beträgt in Hundertteilen der Gleichstromleistung N__, die vom Um former aus dem Gleichstromnetz entnommen wird: NkIN- <I>=</I> i/2 E #(%). Dies folgt bei Annahme stets gleicher Kommutierungs- dauer aus der Tatsache, dass der insgesamt für die Kommutierung aufzubringende Im puls von der prozentualen Streuspannung abhängig ist.
Deshalb wird u. a. der Ver bindungstransformator zwischen den Kon taktstellen und dem Drehstromnetz vorteil haft mit kleiner Streuung, zum Beispiel von weniger als 10 %, ausgeführt. Derjenige An teil, der von dem Schaltwiderstand aufge bracht werden muss, .ist um den natürilichen Anteil kleiner, den die Differenzspannung der einander ablösenden Phasen selbst auf bringt.. Hieraus: kann auf den Mittelwert der Spannung am Schaltwiderstand während der Kommutierungszeit geschlossen werden.
Dieser beträgt für die oben bezeichneten Fälle nach rechnerischer Ermittlung 11 bezw. <B>27%</B> von der Spannung auf der Gleichstromseite. Da aus praktischen Grün den die Spannung am Widerstand nicht ,gleich zu Beginn der Kommutierung den vollen Wert haben kann, ist annähernd mit einem derartigen zeitlichen Verlauf :dieser Spannung zu rechnen, :
dass sie von dem Werte Null aus im ersten Drittel der Kom- mutierungszeit auf einen bestimmten Wert anwächst, bis die an der Induktivität lie gende Kommutierungsispannung einen be stimmten Wert erreicht hat, der dann wäh rend der übrigen zwei Drittel der Kommu- tierungszeit konstant gehalten wird.
Der zu .erst genannte Spannungswert am Schalt- widerstand muss so gross sein, dass der Strom der abgebenden Phase am Schluss der Kom- mutierungs.zeit tk den Wert Null erreicht hat.
Daraus sind die Kurven der Fig. 4 und 5 rechnerisch bezw. auf graphischem Wege ermittdt. Diese Kurven geben ver schiedene während eines Kommutierungsvor- ganges von beispielsweise. 1 ms Dauer auf tretende Teilspannungen und Leistungs anteile sowie den Strom der abgebenden Phase in Abhängigkeit von der Zeit wieder.
Die genannten gommutierungsgrössen sind dabei nicht in absoluten Werten angegeben, sondern in Anteilen des Nennwertes der ent- sprechenden Grössen auf der Gleichstrom seite. Die nach links unten schraffierten Flächen stellen die natürliche Kommutie- rungsarbeit unter ider Wirkung der Diffe renz der Phasenspannungen :
dar, die nach rechts unten schraffierten Flächen die Kom- mutierungsarbeit des Schailtwiclerstandes. Die gesamte gommutierungsleistung beträgt in beiden Fällen 4%, was sich nach den oben dargelegten Zusammenhängen aus: der Annahme einer Streuspannung von 8 % un mittelbar ergibt.
Von der Gesamtleistung von 4% entfallen nach Fig. 4 auf die na.tür. liehe Kommutierung 3,l6 % , so dass in den Schaltwiderständen eine Verlustleistung von 0,84% zu vernichten ist. Nach Fig. 5 ent fallen auf die natürliche Kommutierun, nur 0,86/'o, so dass 3,14% in den Schaltwider ständen verlorengehen. Dadurch würde die Wirtschaftlichkeit des Betriebes gefährdet sein, insbesondere gegenüber den bekannten Wechselrichtern.
Erträglich -wäre dagegen ein Verlust von etwa. 1 %, selbst wenn dafür eine gewisse Blindleistungsa.ufnahme in Kauf genommen werden muss. Der Lei stungsfaktor beträgt in dem der Fig. 4 ent sprechenden Fall 0,985, was einer Blindlei- stungsaufnahme von 17 % entspricht. In dem der Erfindung entsprechenden Fall, der zwischen den beiden dargestellten Fällen liegt, ist die Blindleistungsaufnahme gerin ger, dafür sind die Verluste in den Schoult- widerständen etwas grösser.
Sie betra--en zum Beispiel nicht viel mehr als 1 % und sind daher ebenfalls erträglich.
Die für Nennstrom bemessene Abstufung der Schaltwiderstände ergibt bei andern Strömen eine andere zusätzliche Spannung. während die natürliche Kommutierungsspan- nung die gleiche bleibt. Soll erreicht wer den, dass die zusätzliche Spannung am derstand bei Überstrom bezw. bei Teillast nicht wesentlich verschieden ist von der bei Nennstrom erforderlichen, so ist es erforder lich, dass sich die Kommutierungszeit mit dem Strom ändert.
Liegt, wie vorstehend angegeben, ein grösserer Teil der Kommtitie- rungszeit vor dem Schnittpunkt der Phasen spannungen, so müssen Überströme eine län gere Kommutierungszeit haben; bei Teilbe lastung ist die Kommutierungszcit kürzer zu bemessen.
Zu diesem Zweck kann die Steue rung des Kontaktantriebes durch eine selbst tätig in Abhängigkeit von der Belastung ge steuerte Verstelileinrichtun- zur Verände rung der Überlappungszeit der Kontakte ge regelt werden, wie sie etwa. in den Schweizer Patenten Nr.<B>1</B>99581, Nr. 202967, Nr. 208839 und Nr.209231 beschrieben und dargestellt sind.
Contact converter. Mechanical converters for rectifying three-phase current can usually also be used to transfer energy in the opposite direction from the direct current network to the three-phase network by placing the start of the commutation time, which in the case of rectification is behind the point in time at which the voltage equals the supplying and accepting the phase, to a previous one time is brought forward.
In this case, however, apart from the harmful switching light at the contacts, which could be reduced to a tolerable level with various means known per se, a further disadvantage becomes noticeable in the form of a disproportionately large blind power consumption from the three-phase network, which in turn is an undesirable increase which results in losses and forces you to set up special reactive power generators as well as the lines and devices,
in particular the intermediate transformer, to be dimensioned much larger than would be necessary for the real load alone. By using variable, mainly ohmic resistors, which are connected in series with the contact bars of the converter:
and during the commutation process are brought from a vanishingly low resistance value to a very large amount in a time of about 1 to 2 milliseconds by control devices operating synchronously with the phase voltages of the off-road network, one achieves a certain uncertainty depending on the choice of the point in time for the start of gommutation,
because part of the commutation voltage required to change the current, instead of naturally from the difference in the driving voltages of the alternating phases, is supplied by the voltage artificially generated at the resistor by: the commutation current.
The reactive power consumption can then be reduced by a suitable choice of the position of the commutation section within a limited range. However, this is associated with increased losses in the gommutation resistance. The later the commutation section begins, the stronger these grow, until they finally become unbearably high.
According to the invention, the most favorable overall result for the work of a. Such a mechanical converter achieved as an inverter by th using variable and automatically synchronized with the AC voltage steer, -in the main, ohmic commutation resistors, the drive device for the contacts executed respectively. a is set,
that during nominal operation of the total commutation time there is such a part before the point in time of the voltage equality of the alternating phases that on the one hand the losses occurring at the commutation resistors remain within the limits of 1 to 2% of the total power, and on the other hand the blind lead - Power consumption from the network is reduced to a fraction of the amount required for pure voltage commutation.
This is usually the case when, of the total commutation time, about 2 / s before and about '1s behind the point in time when the voltages of the alternating phases are equal. In the drawing, FIG. 1 shows an exemplary embodiment for a multi-phase contact converter with synchronously controlled switching resistors and adjustable drive device for the contacts shown schematically.
2 and 3 show excerpts from the voltage curves in the vicinity of a commutation process, and FIGS. 4 and 5 graphically record the course of current, voltage and power during a commutation process for different positions of the commutation times.
According to FIG. 1, the primary winding I of a transformer is connected to a three-phase network RST, the secondary winding 1I of which via the contact points K, <I> to </I> K,; is connected to a direct current network NP.
The contacts are driven, for example, via a camshaft TIVh by a synchronous motor Mb, which is driven via a rotary transformer Dz; can be connected to the three-phase network.
In series with the contact points there are variable resistors R ,, Iij, R; on the three-phase side, which are for instance by means of rolling segments from a further synchronous motor MR, which is also connected to the three-phase network via a rotary transformer DR, for example via another Camshaft TYR can be controlled synchronously with the AC voltage in such a way
that the amount of resistance switched into the commutation circuit increases from zero to such a large amount within the commutation time that finally the residual current to be interrupted is approximately. 1 amp or less. The symbolic leakage inductances of the entire three-phase circuit, based on a phase, are designated with Lp.
Smoothing reactors G are arranged on the DC side. LT denotes the interlinked alternating voltage, LT "U, Lrr, are the three phase voltages, UR is the voltage at the series resistor; J denotes the direct current. The position shown in the figure, the contacts and the arrows shown correspond to that time segment tk, in which the power transmission changes from phase 1 to phase 2.
In FIG. 2 it is assumed that this time segment tk is always completely before the point in time when the voltage is equal. Assuming that the alternating current network has a normal frequency of 50 periods per second and that the time segment tk from the beginning to the end of the commutation process comprises a total of one millisecond, the angle ss between the start of commutation and the Intersection of the two voltage curves -18 (it is defined as negative in this case),
the angle ss2: is equal to Nu (11, since the end of the commutation coincides with the point of intersection of the voltage curves. FIG. 3 shows another case in which the commutation time is half before and half behind the point in time the voltage equals, i.e. ss1 = - 9 and ss2 <I> = </I> -i- 9.
This case is the most favorable in terms of the need for blind work; because reactive power is neither consumed nor released. However, the losses at the series resistor in the second case are greater atl, s in the first.
That he is from the comparison .der Fig. 4 and 5, which correspond to these two cases, and in which all of the energy required for commutation and the natural commutation voltage and the voltage artificially generated on the gommutation resistance share are wearing. 4 and 5 are based on the assumption that the leakage voltage of the entire three-phase current part is 8%.
With such an arrangement, it can be relatively small compared to the inverters customary up to now, which work with a mercury arc and have to be protected against excessively high short-circuit currents by a particularly high leakage inductance.
The commutation power NI; is directly proportional to the stray voltage E in percent, it is in hundred parts of the direct current power N__, which is taken from the direct current network by the converter: NkIN- <I> = </I> i / 2 E # (%). Assuming the same commutation time is always assumed, this follows from the fact that the total impulse to be applied for the commutation depends on the percentage leakage voltage.
Therefore u. a. the connection transformer between the contact points and the three-phase network is advantageous with a small spread, for example less than 10%. The part that has to be brought up by the switching resistor is smaller by the natural part that the differential voltage of the alternating phases itself produces. From this: the mean value of the voltage at the switching resistor during the commutation time can be deduced.
This amounts to 11 BEZW for the above-mentioned cases after computational determination. <B> 27% </B> of the voltage on the DC side. Since, for practical reasons, the voltage across the resistor cannot have the full value right at the beginning of the commutation, an approximate time curve of this type is to be expected: this voltage:
that it increases from zero in the first third of the commutation time to a certain value until the commutation voltage across the inductance has reached a certain value, which is then kept constant during the remaining two thirds of the commutation time .
The voltage value mentioned first at the switching resistor must be so high that the current of the emitting phase has reached zero at the end of the commutation time tk.
From this, the curves of FIGS. 4 and 5 are arithmetically or. determined graphically. These curves give different during a commutation process of, for example. 1 ms duration on occurring partial voltages and power components as well as the current of the emitting phase depending on the time.
The mentioned gommutation values are not given in absolute values, but in percentages of the nominal value of the corresponding values on the direct current side. The areas hatched towards the bottom left represent the natural commutation work under the effect of the difference in phase voltages:
the areas hatched to the right below represent the commutation work of the Schailtwiclerstand. The total gommutation power is 4% in both cases, which results from the relationships set out above from: the assumption of a stray voltage of 8% results directly.
According to Fig. 4, the na.tür accounts for 4% of the total output. Lent commutation 3, 16%, so that a power loss of 0.84% is to be destroyed in the switching resistors. According to FIG. 5, only 0.86% fall due to the natural commutation, so that 3.14% are lost in the switching resistors. This would jeopardize the profitability of the operation, especially compared to the known inverters.
On the other hand, a loss of about would be bearable. 1%, even if a certain reactive power consumption has to be accepted. The power factor in the case corresponding to FIG. 4 is 0.985, which corresponds to a reactive power consumption of 17%. In the case corresponding to the invention, which lies between the two cases shown, the reactive power consumption is lower, but the losses in the school resistors are somewhat greater.
For example, they were not much more than 1% and are therefore also bearable.
The grading of the switching resistors measured for the nominal current results in a different additional voltage for other currents. while the natural commutation voltage remains the same. Is to be achieved who the that the additional voltage on the stand in case of overcurrent or. at part load is not significantly different from that required at nominal current, it is necessary that the commutation time changes with the current.
If, as stated above, a larger part of the commitment time is before the point of intersection of the phase voltages, overcurrents must have a longer commutation time; in the case of partial load, the commutation time should be set to be shorter.
For this purpose, the control of the contact drive can be regulated by an adjusting device, which is automatically controlled depending on the load, to change the overlap time of the contacts, as is the case, for example. are described and shown in Swiss patents No. <B> 1 </B> 99581, No. 202967, No. 208839 and No. 209231.