Anordnung zur Schliessung und Unterbrechung eines Wechselstromkreises. Bei der im Hauptpatent beschriebenen Anordnung zur Schliessung und Unterbre chung eines Wechselstromkreises dienen zur Erleichterung der Stromunterbrechung Schalt drosseln, deren Magnetkern aus flach über einander gewickelten Lagen von Eisenband besteht. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der praktischen Ausführung der Drosseln Beeinträchtigun gen der Magnetisierungskurve eintreten kön nen, die durch die Bauform bedingt sind und eine volle Ausnutzung der an sich guten Magneteigenschaften des Kernwerkstoffes verhindern und so die Schaltleistung der Ge samtanordnung herabsetzen können.
In Fig. 1 ist eine der Idealform ange näherte Magnetisierungsschleife 1, 1' darge stellt. B bedeutet die Induktion, und J ist der Hauptstrom in der Drosselwicklung, die mit einer Schaltstelle in Reihe liegt und im Betriebe den Strom führt, der unterbrochen oder eingeschaltet werden soll. Vom Erfin der wurde erkannt, dass diese Schleife nur unter der Voraussetzung gilt, dass die radiale Ausdehnung des Magnetkernquerschnittes, die im folgenden kurz als "Kernbreite" be zeichnet werden soll, sehr klein ist.
Bei grö sserer Kernbreite sind dagegen die Kraft- linienwege in den an der Aussenseite des Kernes liegenden Querschnittsteilen erheb lich länger als in den an der Innenseite des Kernes liegenden Querschnittsteilen. Wird beispielsweise die Kurve 1 als Kennlinie eines an der Innenseite liegenden Quer- schnittsteil.s angesehen - es handelt sich dabei lediglich um eine Massstabsfrage - so ergibt sich für einen an der Aussenseite lie genden Querschnittsteil mit beispielsweise doppelter Länge des mittleren Kraftlinien weges die Kurve 2,
deren Stromwerte für bestimmte Induktionswerte jeweils doppelt so gross sind wie die Stromwerte der Kurve 1. Durchfliesst ein Strom J mit fallenden Au genblickswerten die Drossel, so werden sich kurz nach dem Nulldurchgang des Stromes zuerst die auf der Innenseite liegenden Teile des Kernquerschnittes entsättigen; die üb rigen Teile folgen später nach, ebenso spielt sich der ganze Ummagnetisierungs'vorgang der einzelnen Querschnittsteile nacheinander von innen nach aussen ab.
Die mittlere In duktion im gesamten Kernquerschnitt folgt der gestrichelt gezeichneten Kurve 1/2. Um gekehrt verläuft auch die Ummagnetisierung der einzelnen Querschnittsteile bei steigen dem Strom in derselben Reihenfolge. Für die Leistungsfähigkeit der gesamten Schalt anordnung ist der Wert der zur Umsättigung von einem Knie der Magnetisierungskurve zu andern erforderlichen Stromänderung 4J massgebend.
Je kleiner dJ ist, um so länger ist unter sonst gleichen Bedingungen die Zeit, in der die Stromstärke unterhalb eines bestimmten Absolutwertes gehalten werden kann, der mit Rücksicht auf Schaltfeuer, Abbrand und Materialwanderung an den Kontaktflächen zulässig ist. Daher ist es in erster Linie wichtig, den Betrag dJ klein zu halten.
Auf die Absolutwerte des Magnetisie- rungsstromes J kommt es dagegen nicht so sehr an, da diese in einfacher Weise durch eine Vormagnetisierung mit konstantem Gleichstrom beliebig verändert werden kön nen.
Zwar kann zur Verringerung des Wertes dJ auch die Neigung der auf den Haupt strom bezogenen Magnetisierungskurve durch Vormagnetisierung mit veränderlichem Strom verändert bezw. kompensiert werden, dies erfordert jedoch häufig komplizierte zusätz- liehe Regeleinrichtungen zur Anpassung des Vormagnetisierungsstromes an Veränderun gen des Hauptstromes, z.
B. bei Belastungs schwankungen oder bei Änderungen des Aus- steuerungsgrades einer zu Umformungs zwecken dienenden Schaltanordnung.
An Fig. 1 erkennt man, dass dJ für den an der Innenseite des Querschnittes liegenden Teil am kleinsten ist, für die weiter aussen liegenden Teile grösser. Nach den oben ge troffenen Annahmen ist die in der Zeich nung leicht abgreifbare Stromänderung dJ- für den aussen liegenden Querschnittsteil doppelt so gross wie die für den innern Quer schnittsteil erforderliche Stromänderung d.71, die für die Kurve 1 in der Figur eingetragen ist.
Noch grösser ist die resultierende Strom änderung dJip für den ganzen Kernquer schnitt entsprechend der Kurve 1/2; denn diese resultierende Kurve beginnt am obern Sättigungsknie der Kurve 1 und endet am untern Sättigungsknie der Kurve ?.
Demgegenüber wird nach der vorliegen den Erfindung eine Verbesserung dadurch erzielt, dass die durch verschiedene Länge der Kraftlinienwege bedingten gegenseitigen Ab weichungen des Verlaufes der auf den Haupt strom bezogenen magnetischen Kennlinien der innern und äussern Kernteile durch Mit tel, die auf die l@Tagnetisierung der einzelnen Kernteile verschieden wirken, verringert werden.
Das kann im einzelnen auf verschiedene Weise geschehen.
Auf einem z. B. gemäss Fig. 5 des Haupt patentes in radialer Richtung unterteilten Kern können aussen mehr hauptstromdurch- flossene ,Windungen angebracht werden als innen. Die Fig. \? und 3 stellen ein Ausfüh rungsbeispiel für eine derartige Wicklung eines unterteilten Magnetkernes schematisch im Schnitt bezw. in einer Teilansicht von oben dar. 11 und 12 sind zwei durch Teilung des Gesamtkernes in radialer Richtung ent standene Teilkerne, von denen wiederum jeder aus beispielsweise sechs übereinander angeordneten Bandringen zusammengesetzt sein möge. Die Spulen 13 umfassen beide Teilkerne.
Zwischen ihnen finden auf dem äussern Teilkern 12 Zusatzspulen 14 bequem Platz, die mit den Spulen 13 in Reihe ge schaltet werden. Dadurch kann die auf den Hauptstrom .7 bezogene Ma.gnetisierungs- kennlinie für den Teilkern 12 mit derjenigen des Teilkernes 11. praktisch zur Deelkung ge bracht werden, wenn
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gemacht wird.
Darin bedeutet l; die mittlere Länge des Kraftlinienweges im innern Teil kern 11, l" die mittlere Länge des Kraft linienweges im äussern Teilkern 12, W; die Windungszahl der aus den Spulen 13 gebil- Beten lIauptwicklung und W", die Summe der Windungszahlen der aus den Spulen 13 und 14 gebildeten Haupt- und Zusatzwick lung. Die Zusatzwindungen 14 bewirken, dass sich der äussere Ring 12 bei gleichem Strom umzumagnetisieren beginnt wie der innere Ring 11.
Da die Zusatzwindungen nicht mit dem ganzen Kernquerschnitt ver kettet sind, so sind sie für die übrigen Rech nungen, beispielsweise für die Berechnung der Länge des abgeflachten Teils der Strom kurve, im Verhältnis des Aussenringquer- schnittes zum Gesamtquerschnitt zu reduzie ren. Die Zusatzwindungen können gegebenen falls in die Lücken zwischen den Hauptspu len 13 gelegt werden; dadurch wird eine ins Gewicht fallende Vergrösserung der mitt leren Windungslänge der Hauptspulen 13 vermieden.
Für eine Unterteilung in mehr als zwei Teilkerne gilt bei ringförmigen Kernen die Regel, die Drosselwicklung in ihrer Win- dungszahl so abzustufen, dass die Zahl der einen Teilquerschnitt des Ringkernes um schliessenden Windungen proportional dem mittleren Durchmesser dieses Teilquer schnittes sein soll.
Ein weiteres Mittel, mit dem zwar nicht eine so vollkommene Deckung der Magneti- sierungskurven der innern und äussern Teil kerne erzielt werden kann, das dafür jedoch einfacher zu verwirklichen ist, besteht darin, dass. die Teilkerne verschieden vormagnetisiert werden.
Wird beispielsweise die Kurve 1 in Fig. 1 als resultierende Kennlinie des innern Teilkernes 11, die Kurve 2- als diejenige des äussern Teilkernes 12' angesehen, so kann für den äussern Teilkern 12 mit Hilfe einer Vor magnetisierung von der Grösse dJv die Ordi- natenachse (J = 0) von der Stelle 0 an die Stelle a verlegt werden. Aus Kurve 2 wird dann durch Parallelverschiebung die Kurve 3. Diese stellt nunmehr die auf den Hauptstrom J bezogene Magnetisierungskennlinie des äussern Teilkernes 12 dar. Sie zeigt wesent lich geringere Abweichungen von der Kurve 1 des innern Teilkernes 11.
Die resultierende Magnetisierungskurve 1/3 hat infolgedessen eine günstigere Form als die Magnetisierungs- kennlinie 1/2,; denn 4J113 ist nur unwesentlich grösser als dJl. Durch die zusätzliche Vor- magnetisierung des äussern Teilkernes wird also die Schaltleistung und Schaltsicherheit der Gesamtanordnung wesentlich erhöht.
Durch eine weitere für beide Teilkerne gleiche Vormagnetisierung kann die Nullinie des Stromes J an die Stelle b verschoben werden, so dass bei fallenden Stromwerten der gesamte abgeflachte Teil der Stromkurve noch positiv ist. Dies hat insbesondere in Verbindung mit einem zur Unterbrechungs stelle parallel geschalteten, vorzugsweise kapazitiven Nebenstrompfad einen sehr gün stigen Verlauf der wiederkehrenden Span nung an der sich öffnenden Unterbrechungs stelle zur Folge.
Der Unterschiedsbetrag 4J,, der Vormagnetisierung der beiden Teilkerne sowie ihre gemeinsame Vormagnetisierung kann aus dem Diagramm der Magnetisie- rungskennlinien, z. B. Fig. 1, der Grösse nach abgegriffen werden. Der so gewonnene Wert ist im Massstabe des Hauptstromes J gemessen.
Wird die Vormagnetisierung mit Hilfe besonderer Wicklungen bewirkt, deren Windungszahl <I>w</I> von der Windungszahl <I>W</I> der Hauptwicklung abweicht, so ist der er forderliche zusätzliche Vormagnetisierungs- strom
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Soll zur Vormagnetisierung beider Teilkerne der gleiche Strom iv, z.
B. durch Hinterein- anderschaltung der besonderen Vormagneti- sierungswicklungen, verwendet werden, so erhält die Vormagnetisierungswicklung auf dem äussern Teilkern 12 eine grössere Win- dungszahl w. und diejenige auf dem innern Teilkern 11 eine kleinere Windungszahl wi. Zur Erzielung des in Fig..l dargestellten Ergebnisses (Kurve 1/3)
muss
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sein oder
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Da die Vormagnetisierungswicklungen weni ger Platz beanspruchen als die Hauptwick lung, die für den Hauptstrom bemessen sein muss, so lässt sich eine zusätzliche Windungs- zahl der Vormagnetisierungswicklung auf dem äussern Teilkern meist leichter unter bringen als eine zusätzliche hauptstrom- durchflossene Wicklung 14.
Natürlich kann auch hier wiederum der Gesamtkern in mehr als zwei Teilkerne unterteilt und die Win- dungszahl der Vormagnetisierungswicklun- gen dementsprechend mehrfach abgestuft werden.
Statt mit Hilfe von Wicklungsverschie denheiten kann die erwünschte Angleichung der auf den Hauptstrom bezogenen Magneti sierungskurven der äussern und innern Quer schnittsteile auch durch Unterschiede in den magnetischen Eigenschaften des Kernmetalles erzielt werden. So können beispielsweise für die einzelnen Teilkerne verschiedene Magnet legierungen 'verwendet werden, derart, dass das Metall .der äussern Kernteile zur Erzie lung bestimmter Induktionswerte eine gerin gere Durchflutung erfordert als dasjenige Metall, aus dem die innern Kernteile be stehen.
Bei Verwendung der gleichen Metall sorte für den ganzen Kern können ferner die innern Kernteile einer zusätzlichen mechani schen Spannung ausgesetzt werden., indem entweder die einzelnen Bandlagen mit mecha nischer Vorspannung aufeinandergewickelt werden, oder indem durch zur Abstützung dienende Bauteile ein axialer oder radialer Druck auf die innern Bandlagen ausgeübt wird. Durch solche zusätzlichen mecha nischen Spannungen wird allerdings die Magnetisierungskurve des innern Teilkernes gewissermassen verschlechtert. Nach Fig. 1. wird also nicht die Kurve 2- der Kurve 1, sondern umgekehrt die Kurve 1 der Kurve 2 angeglichen.
Allein auch dadurch wird, wie oben erwähnt, gegenüber der ursprünglichen resultierenden Kennlinie 1/2 des Gesamt kernes eine Verbesserung erzielt, indem der zur Umsättigung erforderliche Strombetrag dJ verkleinert wird. Die beschriebene Ab- stufung der magnetischen Eigenschaften der aussen und innen liegenden Kernteile durch Verwendung verschiedener Eisensorten oder durch Anwendung verschiedener mecha nischer Vorspannungen hat den Vorzug, dass keinerlei zusätzlicher ,Wickelraum benötigt wird.