Kontaktumformer mit Mitteln zur Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer. MeehanischeStromrichter (Kontaktumfor mer) eignen sich infolge ihres hohen W ir- kungsgrades besonders für grosse Verbraucher zum Beispiel für Stromstärken von 5 10 000 A pro Einheit, wobei die Spannung 50 bis 500 V oder sogar 'noch höher sein. kann.
Es ist bekanntgeworden, dass man der artig grosse Einheiten. bauen kann, wenn man die Kontakte durch vorgeschaltete Schalt drosseln oder Ventile auf der Primärseite des C mspanners (Primärventile) oder entspre ehend wirkende Mittel insbesondere beim Aus schalten von Strom und Spannung so weit- #1,-ehend entlastet, dass an den Kontakten keine Schaltentladungen auftreten.
Verwendet man Schaltdrosseln zur Entlastung der Kontakte, so besteht ihre Wirkung darin, dass sie in der zeitlichen Umgebung der Kontaktöffnung den an sich sinusförmigen Kommutierungsstrom bei seinem Nulldurchgang derart. abflachen, dass eine stromschwache Pause entsteht, wäh rend der der Kontakt öffnet. Während dieser stromschwachen Pause fliesst vom Gleichrich- ter-Umspanner her lediglich der Magnetisie- rungsstrom der vorgeschalteten Schaltdrosseln, die während dieser Zeitspanne ungesättigt sind, wohingegen sie während des Laststrom flusses sieh sättigen.
Auch wenn man für den Kern der Schaltdrosseln ein Material mit sehr hoher Permeabilitä.t verwendet, so lässt es sich doch nicht erreichen, und zwar insbesondere nicht bei Stromrichtern mit grosser Leistung, class der Strom während der stromschwachen Pause vollkommen Null ist; vielmehr ist er bei Einheiten der genannten Leistung und dem heute zur Verfügung stehenden Material für die Schaltdrosselkerne immerhin noch in der Grössenordnung von einigenAmpere. Derartige Ströme können zwar an den Kontakten keine grossen Lichtbögen hervorrufen;
infolge der grossen Schalthäufigkeit würden sie jedoch schon in kurzer Zeit zu Zerstörungen an den Kontakten führen.
Aus diesem Grunde hat man Nebenwege angewendet, die die Aufgabe haben, im Au genblick der Kontaktöffnung den über den Kontakt fliessenden Strom zu übernehmen, ohne dass dabei im Augenblick der Kontakt trennung eine Spannung am Kontakt ent steht, die die liehtbogenfreie Unterbrechung gefährden könnte. Die Nebenwege sind in ihrer einfachsten Form parallel zu den Kon takten angeordnet und durch eine Kapazität gebildet.
In diesem Falle wirken sie wie die auch sonst bei Kontakten üblichen Löschkon- densatoren. Diese einfachen kapazitiven Löschkreise führen jedoch in manchen prak tischen Fällen dadurch zu betrieblichen Schwierigkeiten, dass die Kapazitäten bei den verhältnismässig plötzlichen Strom- und Span nungsänderungen, wie sie im Stromrichter betrieb bei der Ablösung der einzelnen Phasen vorkommen, stossartige Stromspitzen aufneh men bzw. abgeben, welche das lichtbogenfreie Arbeiten der Kontakte gefährden. Insbeson dere entstehen beim Einschalten der Kontakte durch den Entladestoss der Kondensatoren Schwierigkeiten.
Man hat diese ,Schwierigkeiten dadurch zu mildern versucht, dass man die Nebenwege nicht direkt zu den Kontakten parallel, son dern über die Schaltdrosseln bzw. die Ein schaltdrosseln von ihnen getrennt angeschlos sen hat. Man hat auch versucht, statt der Kapazitäten Ohmsche Widerstände oder auch Ventile oder Gleichrichter im Nebenweg zu verwenden.
Die Erfindung bezieht sich auf die fue- staltung der Nebenwege von insbesondere mehrphasigen Umformern. Erfindungsgemäss sind in den Nebenwegen, die den Kontakt strom im Ausschaltzeitpunkt übernehmen, be- gTenzt stromdurchlässige Elemente angeord net und derart zwischen je einer Phase und der Folgephase angeschlossen, da.ss im Aus schaltzeitpunkt eines Kontaktes der Neben weg über den bereits geschlossenen Kontakt der Folgephase direkt parallel zu dem sich öffnenden Kontakt liegt.
Die Kennlinie der :Stromdurchlässigkeit dieser Nebenwege ist in Fig. 2 der Zeichnung angedeutet. Bis zu einem bestimmten Strom wert i" ist der Widerstand des Nebenweges Null oder zum mindesten sehr klein, nämlich r". Beim Strom i" springt der Widerstand fast plötzlich auf den grossen Wert r",. Eine solche Kennlinie kann man beispielsweise dadurch erreichen, dass man einen vorbelasteten Gleich richter vorsieht.
Wenn man nämlich eine ein phasig gespeiste Brückenschaltung gemäss Fig.3 vorsieht, so arbeitet der Gleichrichter auf die aus Drossel D, und Widerstand R" bestehende Belastung, die so gross gewählt ist, dass ein konstanter,GleiclLstrom i,1 <I>=</I> i" durch letztere fliesst. Je grösser die Drossel D, ist, um so geringere Welligkeit hat i,1 <I>=</I> i". An den Punkten c und d liegt die Wechselspan nung der Umformerschaltung, wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist.
Diese Wechselspannung treibt. den Gleichstrom -i,1.
Die Folge der in Fig. ? angedeuteten Kenn linie ist, dass in den Nebenwegen nur Ströme bis zur Grösse i. fliessen können; darüber hin- aus sperrt die Drossl D, den Anstieg des Stromes.
In Fig. 1 sind 1, 2 und 3 drei einander ablö sende Phasen eines Gleiehrichterumspanners, dessen Primärseite nicht gezeichnet ist. 4, :5 und 6 sind Schaltdrosseln, 7 bis 12 die syn chron arbeitenden Kontakte, die auf die Gleichstrom-Saminelschienen 13 und 1-1 arbei ten. Die in Fig.3 näher erläuterten Ventil kombinationen 15, 16 und 17 sind an die Punkte l8, 19 und ?0 angeschlossen. Zwischen den Punkten 19 und 20 herrscht die Wechsel- spannUng der Phasen 2 und 3, vermehrt bzw.
vermindert um den Spannungsabfall an den Schaltdrosseln 5 und 6. Diese Spannung treibt durch die Ventilkombination 16 einen Wechselstrom von im wesentlichen rechtecki ger Kurvenform, nämlich den gleichen Strom, den eine einphasig gespeiste Brückenschaltung bei Glättang im Gleichstromkreis aus dem Wechselstromnetz aufnimmt. Während der Kommutierungszeit der Phasen 2 und 3 sind die Kontakte 9 und<B>1.1</B> eine Zeitlang gleich zeitig geschlossen. Während dieser Zeit sinkt der Strom zwischen den Punkten 19 und 20 auf Null ab, da, ja die ihn treibende Span nung kurzgeschlossen ist.
Die Drossel D,. hält jedoch wegen der in ihr aufgespeicherten Energie in, jedem der beiden Zweige der Ven tilkombination je einen Gleichstrom
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auf recht.
Die Folge davon ist, dass beim Öffnen des Kontaktes 9 der in diesem Augenblick noeli über den Kontakt 9 fliessende Reststrom von der Ventilkombination 16 aufgenommen wer den kann, sofern er die Grösse i,.1 nicht über schreitet. Dabei entsteht au der Ventilkombi nation<B>16</B> und damit am sieh öffnenden Kon takt 9 praktisch keine 1,z#pannun-, da ja der Durchlasswiderstand der Ventile in Arbeits richtung ausserordentlich klein ist, insbeson dere wenn, wie im vorliegenden Fall, eine Vorbelastung der Ventile vorhanden ist und lediglich die Grösse des Stromes in Arbeits richtung variiert.
Würde man statt der er wähnten Selenplatten Gasentladungsventile benutzen, die bekanntlich eine von Strom un- abhängige Brennspannung benötigen, so würde im Augenblick der Öffnung des Kon taktes 9 an diesen überhaupt keine :Span nung auftreten. Mit Rücksicht auf die Sicher heit der Stromunterbrechung in den Kontak- i en 7 bis 12 ist letzteres erwünscht, wenn auch bei kleinen Strömen Spannungen von etwa 10 bis 20 V je metallischer Unterbre chungsstelle erforderlich sind, um eine Rück zündung entstehen zu lassen.
Der Reststrom., der im Augenblick der Kontaktöffnung in den Drosseln 4 bis 6 fliesst, hängt vom Magnetisierimgsstrom der unge sättigten Schaltdrosseln ab. Dieser Magneti- sierungsstrom kann durch eine Vorerregung 21, 22, 23, (in Fig.1 ist lediglich die Vorerre- gerwieklung auf den Drosseln, nicht aber der Vorerregerstromkreis gezeichnet) verringert werden.
Bei der in Fig. 1 gezeichneten Schal tung fliesst jedoch über die Kontakte ausser dein Magnetisierungsstrom der !Schaltdrossel auch noch der Strom der Ventilkombination 15 bis 17. Dieser Strom ist, wie sich bei ge nauer Prüfung der Schaltung herausstellt, derart gerichtet, da.ss er den Magnetisierungs- strom der @Sehaltdrosseln 4 bis @6 im Zeit punkt der Kontaktöffnung vergrössert.
Dies ist: unerwünscht und muss durch eine entspre chende Vergrösserung der Vorerregungen 21 bis 23 kompensiert werden. Anderseits hat der Strom in den Ventilkombinationen 1:5 bis 17 die Wirkung einer Grundlast, so dass mit der in Fig.1 angegebenen Schaltung Kontakt umformer ohne Grundlast G betrieben wer den können.
Wenn die Wechselspannung des Umspan ners veränderlich ist, so ändert sich der ("rlcielistrom in den Ventilkombinationen 15 bis 17 in entsprechender Weise mit. Dies ist unerwünscht, da ja der Gleichstrom i,.1 immer etwa so gross sein soll wie der Ma,gnetisie- rungsstrom der Schaltdrosseln (im", in Fig.4), damit die Ventilkombinationen den letztge nannten Strom bei der Kontaktöffnung auf zunehmen imstande sind.
Aus diesem Grunde kann man den Widerstand Ra im Gleichstrom kreis der Ventilkombination veränderlich ma chen und, derart an die Wechselspannung des Umspanners anpassen, dass der Gleichstrom igi angenähert konstant bleibt. Diese Anpassung lässt sich durch Kopplung der Verstellung des Widerstandes R" mit der Verstellung des Re gelumspanners bewerkstelligen. Man kann aber auch an iStelle von R" Eisenwasserstoff- widerstände oder ähnliche Elemente, die nur konstante Ströme durchlassen, benutzen.
Durch die beschriebene Erfindung ist es möglich, die Kontakte beim Ausschalten prak tisch vollständig von ,Spannung zu entlasten. Verwendet man für die Ventilkombinationen Trockengleichrichter, so muss die Zahl der in Reihe geschalteten Platten bei hohen Gleichspannungen so gross werden, dass an ihnen in Durchlassrichtung bereits eine Span nung von einigen Volt entsteht. Aus diesem und aus andern Gründen ist es erwünscht, den Strom der Kontakte im öffnungszeit- punkt so klein wie möglich zu halten. In Fig. 4 ist angedeutet, wie der von den Kontakten zu unterbrechende Strom von der Belastung des Umformers abhängt.
Beim Leerlaufstrom 1o öffnet der Kontakt angenähert in der Mitte der .Stromstufe <I>d t,</I> welche der Um inagnetisierungszeit der 'Schaltdrossel ent spricht. Bei entsprechender Vorerregung der Schaltdrossel ist in der Mitte dieser Stufe der Stufenstrom positiv und hat den Wert i.
Wird die Belastung von I, auf den grösst möglichen Wert I ",a, gesteigert, ohne dass der Ausschaltzeitpunkt t.6 verstellt wird, so hat der Kontakt statt des !Stromes i den Strom ima, zu unterbrechen, da ja während der Stufe der Strom eine gewisse Neigung auf weist und die Stufe sich mit zunehmender Belastung zu späteren Zeiten verschiebt. Die weitere Ausbildung des dargestellten Umfor mers betrifft ein Mittel, das Anwachsen des von den Kontakten zu schaltenden Reststro mes von dem Wert i auf den Wert in,a, zu verhindern.
Zu dem Zwecke wird mit Hilfe der :Stromwandler 2:4 bis 2.6 in den durch die punktierte Linie L (Fug. 1) angedeuteten Kreis des Nebenweges eine Spannung aufge drückt, nämlich der 'Spannungsabfall des Se kundärstromes i3 des Wandlers 26 an dem Widerstand o, der über den Kontakt 9 im Öffnungszeitpunkt einen Zusatzstrom fliessen lässt, der dem Strom i,"ay entgegengesetzt ist. Der Sekundärstrom i3 des Wandlers 26 hat die gleiche Phasenlage wie der Anodenstrom 13, das heisst, er hat im Zeitpunkt t"", (Fug. 4) bereits die Grösse In,", erreicht.
Durch Wahl des Widerstandes und richtige Polung lässt es sich erreichen, dass der durch den Spannungs abfall an o getriebene Zusatzstrom im Kreise L gerade die Grösse i",", oder auch die Grösse i.,"", <I>-- i</I> hat; im letzteren Fall würde der Gesamtstrom, den der Kontakt 9 bei Bela stung mit dem grössten !Strom I.a, zu Unter brechen hat, ebenso gross sein wie der Strom i bei Belastung mit dem Grimdlaststrom <B>1,</B> Die Widerstände müssen klein sein, damit die Kontakte weiterhin spannungslos öffnen. Die in ihnen verbrauchte Leistung bleibt jedoch auch bei grossen Umformern vernachlässigbar klein.
Wie beschrieben, ist sowohl der Vorerre- gerstrom in den Wicklungen 21 bis 23<B>,</B> als auch der Strom in den Ventilkombinationen 15 bis 17 darauf abgestimmt-, möglichst gen- stige Verhältnisse beim Ausschalten der Kon takte zu schaffen. Für den ordnungsmässigen Betrieb eines Kontaktumformers ist jedoch erforderlich, dass die Schaltdrosseln 4 bis 6 im Einschaltzeitpunkt möglichst weitgehend gesättigt sind, damit kein unnötiger induk tiver Spannungsabfall an ihnen entsteht.
Um diesen Spannungsabfall klein zu machen, das heisst die Magnetisierung der Schaltdrosseln im Einschaltzeitpunkt hochzutreiben, sind die in Fig. 1 angedeuteten Kapazitäten 27 bis 29 angebracht. Zum Beispiel bildet der Strom in der Kapazität 2,8 für die .Schaltdrossel 5 eine Vorerregung von solcher Richtung, dass bereits vor dem Einschaltzeitpunkt der Kon- 3 takte 9 bzw. 10 die Drossel '5 weitgehend in Arbeitsrichtung gesättigt ist.
Damit der Strom in den Kapazitäten 27 bis 29 anderseits auf- die Verhältnisse beim Ausschalten keinen nachteiligen Einfluss ausübt, sind die Kapazi- 5 täten gedämpft durch Widerstände 30 bis 302. 'Sowohl die zuletzt beschriebenen, den Lei stungsfaktor des Umformers erhöhenden Ka pazitäten wie auch die von den Stromwand- lern 2!4 bis 26 zur Erleichterung des Aussehal- tens über die Kontakte getriebenen Zusatz ströme sind unabhängig von der besonderen Anordnung der Ventilkombinationen 15 bis 1'7, wie sie in der vorliegenden Erfindung be schrieben sind.
Vielmehr können diese zusätz lichen Hilfsmittel auch bei andern 1\Teben- wegen, zum Beispiel Nebenwegen, die direkt parallel zu den Kontakten liegen, benutzt, wer den. Sie geben jedoch in Verbindung mit.
den in Fig. 1 angedeuteten Nebenwegen einen Umformer, der auch bei grössten Leistungen, zum Beispiel 10 000 A und 600 V in sechsphasigerBrückensehaltung, betriebssicher arbeitet und dabei praktiseh keine Zusatz verluste und - bei Verwendung von Trocken gleichrichtern - ausschliesslich statische Bau elemente ohne Wartung und mit hoher Le bensdauer benötigt.