Schaltanordnung zur Unterbrechung von Wechselstrom. Die Erfindung bezieht sich auf die Ver besserung einer iSchaltanordnung zur Unter brechung von Wechselstrom, bei der in Reihe mit der Unterbrechungsstelle eine Schalt drossel mit bei Nennstrom hochgesättigtem Magnetkern angeordnet ist, durch dessen Erst sättigung jedesmal in der Nähe eines Strom nullwertes eine stromschwache Pause hervor gerufen wird, während welcher der Strom unter erleichterten Bedingungen und daher ohne schädliches Schaltfeuer unterbrochen werden kann.
Bekanntlich kann durch eine zusätzliche Vormagnetisierung des Magnet kernes die Lage der stromschwachen Pause gegenüber dem, Nulldurchgang des Stromes verändert werden. Die Erfindung besteht darin, dass die für die Änderung des Magnet flusses der Drossel während der strom schwachen Pause erforderliche Änderung ihrer Gesamtdurchflutung mindestens teil weise durch eine Änderung der Augenblicks werte des Vormagnetisierungsstromes herbei- geführt wird.
Hierdurch kann erreicht wer den, dass sich während der stromschwachen Pause die Augenblickswerte des zu unter brechenden Stromes im Verhältnis zueinander nur wenig oder gar nicht ändern. Eine so regelnde Anordnung hat den Vorteil, dass auch bei verschiedener Lage des Schaltzeit punktes innerhalb der stromschwachen Pause stets gleich .günstige Unterbrechungsbedin gungen herrschen.
Das Wesen der Erfindung soll an Hand der Fig. 1 bis 7 erläutert werden, von denen Fig. 1 den beispielsweisen Magnetisierungs- verlauf einer Schaltdrossel ohne und mit An wendung der Erfindung, die Fig. 2 und Fig. 5 bis 7 den zeitlichen Verlauf des zu unterbrechenden Stromes bei verschiedener Vormagnetisierung und die Fig. 3 und 4 sche matische Ausführungsbeispiele der Schaltan ordnung nach der Erfindung zeigen.
Die Magnetisierungskurve des Schalt drosselkernes soll im ungesättigten Gebiet möglichst wenig gegen die Induktionsachse geneigt sein, an den Übergangsstellen zu den gesättigten Gebieten einen möglichst schar fen Sättigungsknick aufweisen und in den gesättigten Gebieten bei möglichst hoher In duktion nahezu parallel zur Erregerachse ver laufen. Dieser Idealgestalt kommt die 31agne- tisierungskurve ausgeführter Kerne mehr oder weniger nahe.
Insbesondere lässt sich eine geringe Neigung gegen die Induktions achse im ungesättigten Gebiet nicht vermei den, wie dies beispielsweise die Magnetisie- rungskennlinie eines untersuchten Ringband kernes zeigt, deren einer Ast in Fig. 1 als ausgezogene Linie dargestellt ist. Hieraus ergibt sich bei sinusförmiger, treibender Spannung etwa ein Verlauf des zu unter brechenden Wechselstromes gemäss Kurve J in Fig. 2.
Ein Teil dieser Kurve, die strom schwache Pause nämlich, ist in Fig. 5 in ver grössertem Massstabe herausgezeiehnet. Diese nimmt ohne jede Vormagnetisierung den mit J' bezeichneten und durch eine gestrichelte Linie dargestellten Verlauf, wobei die sprunghafte Entsättigung erst nach dein Stromnulldurchgang stattfindet. Mit Hilfe einer zusätzlichen Vormagnetisierung mit Gleich- oder Wechselstrom gelingt es in an sich bekannter Weise,
den Eintritt der Errt- sättigung zu verlagern, so dass der Strom etwa nach der in Fig. 5 mit J bezeichneten ausgezogenen Kurve verläuft. Wird hierbei zur Vormagnetisierung ein Wechselstrom verwendet, so bleibt de Stromkurve symme trisch zur Nullinie, indem die stromschwache Pause am Ende beider Halbwellen dem Stromnulldurchgang vorausgeht. Jedenfalls hat aber der abgeflachte Kurventeil in der Nähe des Stromnulldurchgangeseine gewisse Neigung gegenüber der Nullinie. Daraus folgt, dass der Strom je nach der Lage des Augenblickes, in welchem er unterbrochen wird, einen grösseren oder kleineren Wert hat..
So betrage beispielsweise in Fig. 5 der Augen- blickswert des Stromes J, wenn die Unter brechung zur Zeit t1 stattfindet, 0,5 Amp., während er zur Zeit t. nur 0,2 Amp. betragen möge.
Es handelt sich hier zwar, wie man sieht, gegenüber dem Nennstrom um sehr kleine Werte, die grössenordnungsmässig nur einen geringen Bruchteil von 1%11,o oder 1;'l0"0 des Effektivwertes betragen, allein für eine funkenfreie Unterbrechung kommt es auf den Absolutwert des Stromes, der unterbrochen werden soll, genau an. Wenn unter gegebe nen äussern Umständen, z.
B. in Luft von atmosphärischem Druck und bei metallischer Beschaffenheit der Kontakte, deren Berüh rungsflächen insbesondere aus Silber oder Kupfer bestehen mögen, ein Strom von 0,2 Amp. ohne weiteres funkenfrei unter brochen werden kann, so können sich bei 0,5 Amp. schon kleine Fünkchen einstellen, die die Dauerbetriebsfähigkeit einer Schalt einrichtung, die beispielsweise als Umformer mehrere Millionen Schaltungen täglich aus zuführen hat, merklich beeinträchtigen kön nen;
oder wenn beispielsweise 0,5 Amp. mit Hilfe eines zur Unterbrechungsstelle parallel geschalteten, vorzugsweise kapazitiven Strom pfades noch einwandfrei beherrscht werden, so braucht das bereits nicht mehr der Fall zrt sein bei 1 Amp., es sei denn, dass für den Parallelpfad ein grösserer Aufwand gemacht werde. Vor allen Dingen ist aber die Sicher heit für eine funkenfreie Unterbrechung ver schieden, je nachdem, an welcher Stelle der stromschwachen Pause die Kontakte sich voneinander zu entfernen beginnen.
Da nun dieser Augenblick mit der Belastung ver änderlich ist, so würden sich während des Be triebes verschiedene Unterbrechungsbedin gungen einstellen können, und es würde somit kein fest bestimmter Sicherheitsgrad gegen schädlichen Kontaktabbrand gegeben sein.
Dieser Nachteil wird nun bei der Aus führungsform nach Fig. 3 dadurch vermie den, dass mindestens ein Teil des Vorma.gneti- sierungsstromes aus einem Kondensator 1.6 entnommen wird. Der Kondensator 16 kann entweder gemäss Fig. 3 zur Schaltdrossel 14 parallel liegen oder an eine in der Zeichnung nicht dargestellte besondere Wicklung auf dem Drosselkern 13 angeschlossen sein.
Bei passender Wahl der Kondensatorgrösse, die sich auch nach der von der treibenden Span- nung abhängigen Geschwindigkeit der Um- maguetisierung des Schaltdrosselkernes 13 zu richten hat, kann dessen Magnetisierungs- kurve beispielsweise den in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Verlauf nehmen, bei welchem der in Amperewindungen gemessene Erreger wert um einen Mittelwert ff, in geringem Masse schwankt.
Die Schwankungen bezw. Schwingungen können mit Hilfe eines Ohm- sehen Widerstandes 17 im Parallelkreis ge dämpft -werden. Wird der Dämpfungswider- stand so gross bemessen, dass der Parallelkreis aperiodisch ist, so kann z.
B. ein Verlauf der Magnetisierungskurve nach der in Fig. 1 strichpunktiert eingezeichneten Linie erzielt werden, bei dem ein Mittelwert 1. der Er regung fast während der ganzen strom- c hen Pause konstant eingehalten wird, <I>s</I> 'hwae so dass die Schaltstelle 12 während der strom schwachen Pause in jedem Zeitpunkt unter annähernd gleich günstigen Bedingungen ge öffnet werden kann.
Es ist grundsätzlich möglich, für eine be stimmte Form des Spannungsverlaufes an der Spule 14 den Parallelpfad so auszubilden, dass der von diesem aufgenommene Strom den Erregerstrom des Magnetkernes 13 beim Durchlaufen des ungesättigten Gebietes zu einem konstanten Wert ergänzt. Zu diesem Zwecke ist durch Kombination von Wider ständen, Kondensatoren und Induktivitäten die Frequenzabhängigkeit des Parallelpfades geeignet auszubilden. So können z. B. die sich aus der Fourier-Zerlegung des erforderlichen Zusatzstromes ergebenden Teilströme ver schiedener Frequenz durch je einen geeigne ten Schwingungskreis erzeugt werden.
Die Überlagerung aller Einzelschwingungen er gibt den gewünschten Zusatzstrom. Für einen > beliebigen andern Betriebsfall, d. h. andern Verlauf der Spannung an der Schaltdrossel ist dann der Ausgleich nicht vollkommen, je doch, wie schon aus den einfachen Beispielen der Fig. 1 geschlossen werden kann, in wei ten Grenzen praktisch ausreichend.
Eine andere Möglichkeit, die Neigung des abgeflachten Teils der Stromkurve während der stromschwachen Pause auszugleichen, sei an -Hand eines einphasigen Schaltschemas einer Umformungsanordnung gemäss Fig. 4 näher erläutert. Hier besteht die Schaltstelle 12 aus zwei ruhenden Kontakten und einer beweglichen Schaltbrücke, die von einem Synchronmotor 21 über eine Nocken- oder Exzenterwelle 22 oder dergl. über Zwischen stössel 23 angetrieben wird, wobei die Phasen lage z. B. mittels eines Drehtransformators 24 so eingestellt werden kann, dass die Unter brechung des Stromes bei verschiedenen Be lastungszuständen innerhalb der strom schwachen Pause stattfindet.
Parallel zur Schaltstelle 12 liegt zur Verzögerung des An stieges der wiederkehrenden Spannung an den Kontakten ein Kondensator 26 und ein Dämpfungswiderstand 25. Die Schaltstelle ist einerseits über die Schaltdrossel 14 und einen Transformator 11 an ein Wechselstromnetz <B>1-0-</B> angeschlossen, anderseits an ein anderes Stromsystem 30. Falls letzteres ein Gleich stromnetz ist, kann eine Glättungsdrossel 27 vorgesehen sein, die bei mehrphasigen An ordnungen hinter den Vereinigungspunkt der von den Kontakteinrichtungen der verschie denen Phasen kommenden Leitungen in die gemeinsame Gleichstromleitung zu legen ist.
Zur Vormagnetisierung des Drosselkernes 1:3 ist hier eine besondere Wicklung 18 vor gesehen. Es ist ratsam, zur Speisung der Wicklung 18 eine überhöhte Spannung anzu legen und den Vormagnetisierungsstrom durch zusätzliche Induktivität 1.9 zu begrenzen bezw. einzustellen. Der Vormagnetisierungs- strom werde in an sich bekannter Weise aus dem speisenden Netz 10 bezw. Transforma tor 11 über einen Phasenregler 20 entnom men.
Eine Grobeinstellung des erforderlichen Phasenwinkels kann gegebenenfalls durch Phasenkombination mittels auf verschiedenen Schenkeln des Speisetransformators sitzenden Hilfswicklungen vorgenommen werden. Wird für die Vormagnetisierung eine besondere Spannungsquelle benutzt, die nicht mit dem Netz 10 gekoppelt ist, so kann der zusätzliche Vormagnetisierungsstrom ähnlich wie in Fig. 3 durch die Hauptwicklung 14 der Schaltdrossel selbst geschickt werden, so dass die zusätzliche Wicklung 18 nicht erforder lich ist. Amplitude und Phasenwinkel des Vormagnetisierungsstromes gegenüber dem zu unterbrechenden Strom können so einge stellt werden,
dass der Vormagnetisiertxngs- strom während der stromschwachen Pause gerade die gleiche Neigung hat wie der Er regerstrom der Schaltdrossel. Fig. 6 zeigt ein Beispiel hierfür unter Annahme eines sinus- förmig verlaufenden Vormagnetisierungsstro- mes i, Hier stimmt nicht nur die Neigung, sondern auch die Grösse der Augenblickswerte des Vormagnetisierungsstromes i";
mit dem erforderlichen Erregerstrom J' überein, so dass der zu unterbrechende Strom J zur Er regung der Schaltdrossel während der strom schwachen Pause nichts beizutragen braucht und deshalb Null wird.
Soll das gleiche Ergebnis mit einem Par allelpfad gemäss Fig. 8 erzielt werden, so kann dazu noch eine weitere Vormagnetisie- rung mittels einer Hilfswicklung 28 verwen det werden, deren Stromwerte während der stromschwachen Pause annähernd konstant sind, einerlei ob der zusätzliche Vormagneti- sierungsstrom für die Hilfswicklung 28 einer Gleichstromquelle oder Wechselstromquelle entnommen wird. Es empfiehlt sich hierbei, zwecks Stabilisierung der Zusatzerregung eine Drossel 29 in dem gegebenenfalls regel baren Vormagnetisierungskreis der Spule 28 vorzusehen.
Das Ideal eines völligen Ausgleiches der art, dass der zu unterbrechende Strom wäh rend der ganzen stromschwachen Pause genau den Wert Null hat, ist praktisch nicht ohne grossen Aufwand erreichbar, meist werden daher geringe Schwankungen in Kauf ge nommen.
Es ist nun aber zur Erzielung eines günstigen Verlaufes der wiederkehrenden Spannung an der Unterbrechungsstrecke er wünscht, da,ss die Stromkurve am Schluss der stromschwachen Pause einen Nulldurchgang aufweist, der dem erneuten steilen Anstieg nach der entgegengesetzten Richtung hin un mittelbar vorausgeht, da mit einem solchen Stromnulldurehgang eine Richtungsumkehr der wiederkehrenden Spannung und infolge- dessen eine Verzögerung ihres Anstieges auf gefährlich hohe \@ erte verbunden ist.
Gegen über dem Bestreben, den zu unterbrechenden Strom während der stromschwachen Pause zu Null werden zu lassen, kann es daher vorteil hafter sein, ihm einen kleinen endlichen posi tiven Wert zu geben, wobei als positiv die Richtung des Stromes während des voran gegangenen Übertragungsabschnittes bezeich net sei. Zu diesem Zwecke kann z.
B. in der Schaltanordnung nach Fig. 4 die Phasenlage des Vormagnetisierungsstromes gegenüber Fig. 6 so verändert werden, dass, wie Fig. 7 zeigt, durch die Differenz aus dem zugeführ ten Erregerstrom z1., und dem Gesamtmagne- tisierungsstrom J' eine endliche Grösse des zu unterbrechenden Stromes .7 während der stromschwachen Pause bedingt ist. Die voll ständige Kurve des hier zugeführten Erreger stromes ;V.; ist in Fig. 2 mit. eingezeichnet.
In Verbindung mit einem Parallelpfad, etwa wie er in Fig. 8 dargestellt ist, kann ein endlicher positiver Wert des zu unterbrechen den Stromes während der stromschwachen Pause in der Weise erzielt werden, dass eine zusätzliche Vormagnetisierung mit Gleich- oder Wechselstrom angewendet wird, die während der stromschwachen Pause an nähernd konstant und um einen geringen Be trag grösser ist als der erforderliche Wert des Erregerstromes, also grösser als beispielsweise Hl oder H" in Fig. 1.
Eine zusätzliche Wech- selstromvormagnetisierung, die diese Bedin gungen erfüllt, ist beispielsweise durch die schon erwähnte Kurve z, in Fig. 2 gegeben.
Die Kurven des zu unterbrechenden Stro mes gemäss den Fig. 2 und Fig. 5 bis 7 wei sen in Übereinstimmung mit der 1llagnetisie- rungskurve gemäss Fig. 1 die Eigentümlich keit auf, dass zwar der Beginn der strom schwachen Pause durch einen ziemlich schar fen Knick deutlich festgelegt ist, dass jedoch die Kurven am Ende der stromschwachen Pause in einem verhältnismässig flachen Bo gen verlaufen, so dass hier verschwommene Verhältnisse herrschen.
Die stromschwache Pause ist daher nur bis zum Beginn der er wähnten flachen Krümmung für den Unter- brechungsvörgäng ausnutzbar. Dies bedingt aber, wenn eine bestimmte Länge der strom schwachen Pause verlangt wird, einen erhöh ten Materialaufwand, der vermieden werden könnte, wenn es gelänge, den Magnetisie- rungsstrom so auszugleichen, dass der zu unterbrechende Strom auch am Ende der stromschwachen Pause einen scharfen Knick aufweist.
Das ist tatsächlich möglich, und zwar bei der Schaltung mit Parallelpfad ge mäss Fig. 3 durch geeignet abgestimmte Schwingungskreise oder bei der :Schaltung gemäss Fig. 4 durch Speisung der Vormagne- tisierung durch eine gegenüber der Sinusform verzerrte Spannung derart, dass der Vor magnetisierungsstrom einen von der Sinus form abweichenden und mit dem Verlauf des erforderlichen Erregerstromes des Magnet kernes während der ganzen stromschwachen Pause, und zwar insbesondere an deren Ende,
möglichst vollkommen übereinstimmenden Verlauf zeigt.
In jeder der beschriebenen Schaltanord nungen kann z. B. die Spannung durch Ande- rung der Speisespannung geregelt werden. Bei Umformungsanordnungen im besonderen kann die Spannung auch durch Verschiebung der Phasenlage der Schaltzeitpunkte gegen über der Phasenlage der Wechselspannung geregelt werden.
Ist eine derartige oder eine andere Regelung vorgesehen, so kann der Vormagnetisierungsstrom in einem gewissen Regelbereich unverändert bleiben, voraus gesetzt, dass seine Amplitude und Phasenlage so eingestellt sind, dass er über den erwähn ten Regelbereich den zu unterbrechenden Strom während der stromschwachen Pause ilo,enä, -,onstant hält.
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