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.
Arrangement for closing and interrupting an alternating current circuit. In the arrangement described in the main patent for closing and interrupting an alternating current circuit are used to facilitate the current interruption switching throttles, whose magnetic core consists of layers of iron tape wound flat over one another. The present invention is based on the knowledge that in the practical implementation of the chokes, impairments of the magnetization curve can occur, which are due to the design and prevent full utilization of the good magnetic properties of the core material and thus reduce the switching capacity of the overall arrangement .
In Fig. 1 one of the ideal shape is approached magnetization loop 1, 1 'provides Darge. B means induction, and J is the main current in the inductor winding, which is in series with a switching point and carries the current during operation that is to be interrupted or switched on. It was recognized by the inventor that this loop only applies provided that the radial extent of the magnetic core cross-section, which is to be referred to below as the "core width" for short, is very small.
With a larger core width, on the other hand, the force line paths in the cross-sectional parts located on the outside of the core are considerably longer than in the cross-sectional parts located on the inside of the core. If, for example, curve 1 is viewed as a characteristic of a cross-sectional part lying on the inside - this is only a question of scale - then curve 2 results for a cross-sectional part lying on the outside with, for example, twice the length of the mean force line path ,
whose current values for certain induction values are in each case twice as large as the current values of curve 1. If a current J flows through the throttle with falling instantaneous values, the parts of the core cross-section on the inside will first desaturate shortly after the current has passed zero; the rest of the parts follow later, and the entire magnetization process of the individual cross-sectional parts takes place one after the other from the inside out.
The mean induction in the entire core cross-section follows curve 1/2 shown in dashed lines. Conversely, the magnetization reversal of the individual cross-sectional parts also proceeds in the same order when the current increases. The value of the current change 4J required for saturation from one knee of the magnetization curve to another is decisive for the performance of the entire circuit arrangement.
The smaller dJ is, the longer, under otherwise identical conditions, is the time in which the current intensity can be kept below a certain absolute value, which is permissible with regard to switching beacons, burn-off and material migration on the contact surfaces. It is therefore primarily important to keep the amount dJ small.
The absolute values of the magnetizing current J, on the other hand, are not so important, since they can be changed as required in a simple manner by means of a premagnetization with a constant direct current.
It is true that to reduce the value dJ, the inclination of the magnetization curve related to the main current can be changed or changed by premagnetization with a variable current. be compensated, but this often requires complicated additional Liehe control devices to adapt the bias current to changes in the main current, z.
B. in the event of load fluctuations or changes in the degree of modulation of a switching arrangement used for conversion purposes.
It can be seen from FIG. 1 that dJ is smallest for the part lying on the inside of the cross-section and greater for the parts lying further outside. According to the assumptions made above, the change in current dJ-, which can be easily tapped in the drawing, for the outer cross-sectional part is twice as large as the current change d.71 required for the inner cross-sectional part, which is entered for curve 1 in the figure.
The resulting change in current dJip is even greater for the entire core cross-section according to curve 1/2; because this resulting curve begins at the upper saturation knee of curve 1 and ends at the lower saturation knee of the curve?
In contrast, according to the present invention, an improvement is achieved in that the mutual deviations in the course of the magnetic characteristics of the inner and outer core parts, which are related to the main current, due to the different lengths of the lines of force paths, by means of means that affect the l @ Tagnetisierung of the individual Core parts act differently, are reduced.
This can be done in different ways.
On a z. B. According to FIG. 5 of the main patent, a core which is divided in the radial direction can be fitted with more windings through which the main current flows on the outside than on the inside. The figure \? and 3 represent a Ausfüh approximately example for such a winding of a subdivided magnetic core schematically in section BEZW. in a partial view from above. 11 and 12 are two partial cores which were created by dividing the entire core in the radial direction, each of which may in turn be composed of, for example, six band rings arranged one above the other. The coils 13 comprise both partial cores.
Between them find 12 additional coils 14 conveniently placed on the outer partial core, which are connected to the coils 13 in series. As a result, the magnetization characteristic for the partial core 12, which is related to the main flow 7, can be practically coincided with that of the partial core 11, if
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is made.
Therein l means; the mean length of the force line path in the inner part of the core 11, l "the mean length of the force line path in the outer part of the core 12, W; the number of turns of the main winding formed from the coils 13 and W", the sum of the number of turns of the coils 13 and 14 formed main and additional winding. The additional windings 14 cause the outer ring 12 to begin to reverse magnetize with the same current as the inner ring 11.
Since the additional turns are not linked to the entire core cross-section, they must be reduced for the other calculations, for example for calculating the length of the flattened part of the current curve, in the ratio of the outer ring cross-section to the total cross-section. The additional turns can be given if in the gaps between the Hauptspu len 13 are placed; as a result, a significant increase in the middle winding length of the main coils 13 is avoided.
For a subdivision into more than two partial cores, the rule applies to ring-shaped cores to graduate the number of turns of the inductor winding so that the number of turns enclosing a partial cross-section of the toroidal core should be proportional to the mean diameter of this partial cross-section.
Another means with which the magnetization curves of the inner and outer cores cannot be achieved so perfectly, but which is easier to implement, is that the cores are premagnetized differently.
If, for example, curve 1 in FIG. 1 is viewed as the resulting characteristic curve of the inner partial core 11, and curve 2- as that of the outer partial core 12 ', the ordinate axis can be used for the outer partial core 12 with the aid of a pre-magnetization of the size dJv (J = 0) can be moved from position 0 to position a. Curve 2 then becomes curve 3 through a parallel shift. This now represents the magnetization characteristic of the outer partial core 12 related to the main current J. It shows significantly smaller deviations from curve 1 of the inner partial core 11.
The resulting magnetization curve 1/3 consequently has a more favorable shape than the magnetization characteristic curve 1/2; because 4J113 is only slightly larger than dJl. The additional pre-magnetization of the outer partial core therefore significantly increases the switching capacity and switching reliability of the overall arrangement.
The zero line of the current J can be shifted to point b by a further premagnetization which is the same for both partial cores, so that with falling current values the entire flattened part of the current curve is still positive. In connection with a preferably capacitive auxiliary current path connected in parallel with the interruption point, this results in a very favorable course of the recurring voltage at the opening interruption point.
The difference 4J ,, the premagnetization of the two partial cores as well as their common premagnetization can be obtained from the diagram of the magnetization characteristics, z. B. Fig. 1, the size can be tapped. The value obtained in this way is measured on the scale of the main flow J.
If the premagnetization is effected with the help of special windings, the number of turns <I> w </I> of which deviates from the number of turns <I> W </I> of the main winding, then the required additional premagnetization current is required
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If the same current iv, z.
For example, if the special bias windings are connected in series, the bias winding on the outer sub-core 12 has a larger number of turns w. and that on the inner partial core 11 has a smaller number of turns wi. To achieve the result shown in Fig..l (curve 1/3)
got to
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be or
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Since the premagnetization windings take up less space than the main winding, which has to be dimensioned for the main current, an additional number of turns of the premagnetization winding on the outer partial core can usually be accommodated more easily than an additional winding 14 through which the main current flows.
Of course, the overall core can again be subdivided into more than two sub-cores and the number of turns of the premagnetization windings can accordingly be graded several times.
Instead of using winding differences, the desired alignment of the magnetization curves of the outer and inner cross-sectional parts related to the main current can also be achieved through differences in the magnetic properties of the core metal. For example, different magnetic alloys can be used for the individual partial cores, so that the metal of the outer core parts requires a lower flow rate to achieve certain induction values than the metal from which the inner core parts are made.
When using the same type of metal for the whole core, the inner core parts can also be subjected to an additional mechanical tension. Either the individual tape layers are wound onto one another with mechanical pretension, or by an axial or radial pressure on the components used for support is exercised inside the band. Such additional mechanical stresses, however, worsen the magnetization curve of the inner partial core to a certain extent. According to FIG. 1, curve 2 is not adjusted to curve 1 but, conversely, curve 1 to curve 2.
As mentioned above, this alone also results in an improvement over the original resulting characteristic curve 1/2 of the overall core in that the amount of current dJ required for saturation is reduced. The described grading of the magnetic properties of the outer and inner core parts by using different types of iron or by applying different mechanical pretensioning has the advantage that no additional winding space is required.