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Kontaktumformer mit Schaltdrosseln Die Erfindung bezieht sich auf Kontaktumformer mit Schaltdrosseln, die zur mechanischen Gleichrichtung von Wechselströmen dienen.
Ein mechanischer Gleichrichter liefert eine Gleichspannung, indem er einen metallischen Kontakt zwischen einer passenden Phase eines Wechselstromsystems und dem zugehörigen Gleichstromsystem während der Zeitdauer herstellt, in welcher die betreffende Phase de Wechselstromsystems Energie in der ge- wünschten Richtung liefern kann, und den metallischen Kontakt unterbricht, wenn die Wechselstromphase ihre Spannung in bezog auf die Gleichspannung umkehrt. Diese Arbeitsweise wird in Synchronismus mit der Wechselstromfrequenz durchgeführt.
Dabei werden, um eine Beschädigung der Metallkontakte bei der hohen Beanspruchung von beispielsweise 60 Betätigungen pro Sekunde bei einer mit 60 Hz betriebenen Anlage zu vermeiden, in bekannter Weise sättigbare Schaltdrosseln in Reihe mit den Kontakten geschaltet. Diese Schaltdrosseln haben eine etwa rechteckige Magnetisierungskurve, welche bei kleinem Strom einen hohen Widerstand ergibt und dadurch den Einschaltstrom nach dem Schliessen und den Reststrom vordem Öffnen auf einen so niedrigen Wert begrenzt, dass ein befriedigendes Funktionieren der Schaltkontakte für viele Milliarden von Kontaktbetätigungen gewährleistet ist. Die Gleichrichter- kontakte öffnen während des Zeitraumes nach dem Nulldurchgang des Stromes.
In diesem Zeitpunkt ist die Magnetisierungskurve sehr steil, das Änderungsverhältnis des Flusses sehr gross und demgemäss die Reaktanz der sättig- baren Schaltdrossel im Vergleich zu einer normalen Belastung sehr hoch. Die Amplitude des in dem System fliessenden Stromes ändert sich daher nicht nach der normalen Sinuskurve, sondern wird während der Schaltzeit auf einem verhältnismässig kleinen Wert gehalten. Die Hauptwicklung der Schaltdrossel muss so ausgelegt sein, dass sie. den Vollaststrom des mechanischen Gleichrichters aushält.
Bei gebräuchlichen technischen Anlagen muss also der Querschnitt dieser Wicklung ausreichend sein, -um gleichgerichtete Belastungsströme in der Grössenordnung von 5000 und 10000 Ampere auszuhalten. Diese Wicklungen werden auf einen hohlen zylindrischen Kern parallel zu dessen Achse gewickelt, wobei jede vollständige Windung des Leiterteils an der Aussenfläche und teils an der Innenfläche des hohlen Zylinders verläuft.
Wenn für die Wicklungen ein Leiter mit einheitlichem Querschnitt benutzt wird, würde der kleinere Innenumfang des zylindrischen Hohlraumes dieselbe Menge von Leitern mit grossem Querschnitt aufnehmen müssen wie der grössere Aussenumfang, und somit würde ein relativ grosser, sperriger, zylindrischer
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Kern benötigt.
Es hat sich praktisch gezeigt, dass der auf diese Weise erforderliche Kern unwirtschaftlich ist, zuviel Raum. beansprucht und dass er ausserdem praktisch nicht mit dem Transformator in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengebaut werden kann, wie dies unten näher erläutert wird.
Dazu kommt, dass der durch Leiter von einheitlichem Querschnitt bedingte grosse Kern einen grundlegenden magnetischen Mangel besitzt. Es wird nämlich die mittlere Länge des magnetischen Pfades in dem Kernmaterial zu gross, woraus sich ein übermässiger Magneti- sierungsstrom ergibt, welcher seinerseits wieder einen übermässigen Kontaktstrom zur Folge hat. Durch die vorliegende Erfindung kann jedoch die mittlere Länge des magnetischen Pfades in der Grössenordnung von 50% herabgesetzt werden.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der angeführten Nachteile, welche sich aus der Notwendigkeit der Verwendung eines grossen zylindrischen Kernes ergeben, um genügend Raum an dem Innenumfang für Leiter von einheitlichem. Querschnitt zu schaffen.
Bei dem erfindungsgemässen Kontakt- umformer können Schaltdrosselwicklungen, deren Querschnitt genügend gross ist, um den Belastungsstrom auszuhalten und die erzeugte Wärme abzuführen, in Verbindung mit einem verhältnismässig kleinen und gedrungenen zylindrischen Hohlkern verwendet werden.
Zu diesem Zweck ist der Kontaktumformer mit Schaltdrosseln, die je einen als Hohlzylinder ausgebildeten Kern und eine auf diesem parallel zu seiner Achse gewickelte Hauptwicklung mit uneinheitlichem Querschnitt aufweisen, gemäss der Erfindung in der Weise ausgebildet, dass die an dem Innenumfang des Kernes gelegenen Leiterteile der Wicklung einen kleineren Querschnitt haben als die an seinem Aussenumfang gelegenen Leiterteile. Bei einer solchen Ausführung der Wicklung können die an dem Innenumfang des Kernes gelegenen Leiterteile die Wärme durch Leitung an die an dem Aussenumfang des Kernes gelegenen Leiterteile abführen, die ihrerseits die Wärme durch Konvektion und Strahlung abgeben.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die aussen gelegenen Leiterteile einen für Vollaststrom bemessenen Querschnitt besitzen, während die innen gelegenen Leiterteile abgeschrägt sind und dadurch einen kleineren Querschnitt aufweisen als die äussern Leiterteile.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Hauptwicklung aus mehreren, mindestens aus zwei elektrisch parallel geschalteten Wicklungen.
Die Erfindung ermöglicht eine solche Ausbildung eines Kontaktumformers mit mehreren Schaltdrosseln und einen Mehrphasen-Lei- stungstransformator, dass die- Schaltdrosseln sowie der Leistungstransformator in einem einzigen Behälter eingebaut werden können, wobei die Sekundärwicklungen des Transformators an die entsprechenden Hauptwicklungen der Schaltdrosseln unmittelbar,
das heisst ohne Zwischenschaltungen von Durchführungen angeschlossen sind und die Schaltdrosseln sowie der Leistungstransformator durch ein in dem Behälter eingebautes Kühlsystem ge- kühlt werden.
Im folgenden werden zwei Ausführungs- beispiele der erfindungsgemässen Anordnung beschrieben. Bei der ersten Ausführungsform werden die Stapel der Schaltdrosseln seitlichvom Leistungstransformator eingebaut und daher durch Öl gekühlt, welches nicht durch den Transformator gegangen ist.
Bei der zweiten Ausführungsform ist jede einzelne Schaltdrossel oben auf ihrem zugehörigen Phasenteil des Leistungstransformators eingebaut. Obwohl diese letztere Ausführungsform den Nachteil hat, dass die Drosseln von Öl gekühlt werden, welches durch den Transformator gegangen ist, hat sie den zusätzlichen Vorteil, dass sie einen gedrungeneren Aufbau mit einer kürzeren Leitungslänge zwischen Transformatoren und Drosseln ergibt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile dieser Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
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Fig.1 ein Schaltungsschema eines Kontaktumformers mit Schaltdrosseln gemäss der Erfindung, Fig.2 einen Schnitt der innern und der äussern Leiter der Wicklung einer Schaltdrossel eines Kontaktumformers gemäss der Erfindung, Fig. 3 eine Magnetisierungsschleife für den Kern einer Schaltdrossel für einen Kontaktumformer gemäss der Erfindung,
Fig.4 eine perspektivische Ansicht des zylindrischen Hohlkernes einer derartigen Schaltdrossel, Fig.5 ein Schaltungsschema. der Schaltdrossel, Fig. 6 eine Seitenansicht eines Abschnittes der Schaltdrossel, Fig. 7 eine Draufsicht nach der Linie 7-7 der Fig.6, welche den verkleinerten Querschnitt der Innenleiter der Schaltdrossel zeigt, Fig. 7.4 eine Draufsicht ähnlich der Fig. 7, welche die erforderliche Kerngrösse bei nicht gestuften Leitern zeigt,:
Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie 8-8 der Fig. 7, Fig. 9 eine Seitenansicht von übereinander angeordneten Drosselabschnitten nach Fig. 7, Fig.10 eine perspektivische Ansicht des Aufbaues für einen einzigen Behälter zur Aufnahme des Transformators und Schaltdrosseln, Fig.11 eine schematische Schnittdarstellung eines Kontaktumformers gemäss der Erfindung mit vereinigten Transformatoren und Drosseln in Verbindung mit dem ganzen Gleiehrichterkreis, Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform mit zusammengebautem Transformator und Drosseln in einem gemeinsamen Behälter.
Fig. 1 und 11 zeigen das Schaltungsschema der Stromkreise zwischen der Wechselstromquelle 1 und der Gleichstromleitungen 10 über den Schalter 11 an den Abwärtstransformator 12 geführt und dann durch die Schaltdrosseln 13 geschickt, um den Strom zum Zwecke des Sehaltens zu stufen.
In Reihe mit den Wechselstromleitungen liegen Stromwandler 130a, 130b, 130c, welche beim Auftreten eines Fehlerstromes den Kurzschlussschalter 131 betätigen. Diese Schutzeinrichtung schützt die Kontakteinrichtung 15 beim Auftreten eines Überstromes.
Das Gehäuse 12' ist in Fig.10 näher dargestellt, während der Aufbau der Schaltdrossel 13 in Fig. 6, 7 und 9 gezeigt ist.
Der Strom geht über Schalter 14 zu dem Kontaktumformer 15. Der Kontaktumformer 15 verbindet folgeweise und wiederholt in Synchronismus mit der Wechselstromfrequenz die Wechselstromleitungen 10a,10b,10c mit den Gleichstromverbraucherleitungen 20, 21 und der Belastung 5 über die Gleichstromschutzeinrichtung 132. Der Kontaktumformer 15 ist in Brücke geschaltet, um eine bessere Ausnutzung des Leistungstransformators 12 durch Verdoppelung der wirksamen Phasen zu ermöglichen und dadurch einen mehr geglätteten Gleichstrom sowie weniger Störungen durch erleichterte Umschaltung zu erhalten.
Die Energie aus dem Generator 1 wird über den Mehrphasen-Leistungstransformator 12 den Hauptwicklungen 3 der Schaltdrosseln 13 und der Belastung 5 über die geschlossenen Kontakte in dem Kontaktumformer 15 zugeführt. Die Schaltdrosseln 13 bestehen je aus einer Wicklung 3 aus leitendem Material und aus einem Kern 33, welcher bei verhältnismässig kleinen Stromwerten sättigbar ist.
Der Kern besteht, wie in Fig.4 gezeigt; aus einem gewickelten Band und besitzt daher keinen Luftspalt. Infolge der Verwendung eines Bandes verläuft der magnetische Fluss in der Umfangsrichtung des gewickelten. Bandes, so dass der Fluss keine Luftspalte durchsetzt. Zur Verminderung von Wirbelströmen ist das Band äusserst dünn, gewöhnlich in der Grössenordnung von 0,0245 bis 0,051 mm Stärke.
Die den Kern umgebende Wicklung soll möglichst dicht gewickelt sein. Dadurch kann für eine vorbestimmte Drahtmenge, die verwendet werden muss, ein kleiner Kern benutzt werden, und es wird ferner die Reaktanz der Drosselspule herabgesetzt, wenn deren Kern gesättigt ist und die Wicklung die Eigenschaf-
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ten einer Luftdrossel derselben Abmessungen annimmt.
Das beste bisher bekannte Kernmaterial für Schaltdrosseln. ist eine im Vakuum geschmolzene Legierung mit 50% Eisen und 50% Nickel, welche keine Verunreinigung wie Sauerstoff, Kohlenstoff, andere Metalle und dergleichen enthalten soll. Sie soll ferner nach dem Glühen nicht verformt werden, um ihre kristallinische' Struktur zu erhalten. Zwischen den Lagen des Bandes ist eine Isolie- rung wie z.
B. Magnesiumogyd vorgesehen, welche die Glühtemperaturen aushalten muss. Das Band wird bis auf die endgültige Stärke kalt ausgewalzt und bei 1065 C in elektro- lytischem Wasserstoff bei Abwesenheit von Wasserdampf geglüht.
Die hervorstechende Eigenschaft einer Schaltdrossel ist die grosse Änderung ihres physikalischen Verhaltens bei verschiedenen Strömen. Sobald die den Drosselkern umgebenden gesamten Amperewindungen einen vorbestimmten kleinsten Wert überschreiten, verhält sich die Drossel genau wie eine um einen unmagnetischen Kern gewickelte Kupferspule. Sie hat einen vorbestimmten Widerstand und eine Reaktanz von verhältnismässig kleinem Wert.
Sobald die gesamten Amperewindungen auf Null vermindert und in der entgegengesetzten Richtung geändert werden, nimmt die Drossel plötzlich eine Reaktanz an, welche 50 000 oder 100 000 mal grösser ist als bei den höheren Strömen. Dieser Übergang tritt immer bei demselben Stromwert ein und verläuft momentan.
Es muss dann der Wicklung, welche nur einen sehr kleinen Strom, nämlich den Magne- tisierungsstrom führt, eine hohe Spannung zu- geführt werden. Dieser Strom ist annähernd konstant und fast unabhängig von der angelegten Spannung. Diese Periode mit hoher Reaktanz dauert in jedem Zyklus eine verhältnismässig kurze Zeitspanne.
Nach dieser Zeit: spanne hat die Wicklung wieder die Eigenschaften einer Luftkerndrossel, wobei deren Reaktanz vernachlässigbar klein wird und der Strom plötzlich auf einen Wert ansteigt, welcher nur durch äussere Mittel, z. B. eine Belastung, begrenzt wird.
Das charakteristische Verhalten der Schaltdrossel wird durch ihre in Fig.3 gezeigte Magnetisierungskurve veranschaulicht, welche auch als Hystereseschleife bezeichnet wird. Diese in Fig. 3 gezeigte Kurve ähnelt einem Rechteck, wobei die nach unendlich verlaufenden horizontalen Teile das normale Verhalten mit geringer Reaktanz und die fast senkrechten Teile das Verhalten mit hoher Reaktanz\ angeben.
Dieser letztere Teil kennzeichnet sich durch den niedrigen Strom, welcher während der oben erwähnten Zeitspanne nicht ansteigen darf. Dieser Strom wird als Ma.gnetisierungs- strom oder Stufenstrom bezeichnet und die Zeitspanne als Stufenlänge, das heisst die Zeit, während welcher der Strom tatsächlich auf den niedrigen Wert des Stufenstromes gedrosselt ist. Der Stufenstrom der praktisch verwendeten Schaltdrosseln ist geringer als 1100o des Spitzenstromes, die Stufenlänge etwa 1/100o Sekunde und der Anstieg des Flusses nach der Stufe ist weniger als 4% der Stufenlänge.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass die Drossel während des grössten Teils des Stromzyklus, z. B. während der Stromwerte von 25 (Fug. 3) und darüber, gesättigt ist. Demgemäss findet, wie dargestellt, keine Flussänderung statt, so dass die Drossel in 'dem Kreis annähernd keine Impedanz bildet. @Vährend dieses Teils des Zyklus tritt somit die ganze oder fast die ganze Spannung des Generators 1 an der Belastung 5 auf.
Hingegen ist die Schaltdrossel 13 während eines verhältnismässig kleinen Teils des Zyklus, wenn der Strom gerade durch Null gegangen ist und seine Polarität wie bei 21 (Fig.3) von positiv nach negativ -umkehrt und bis 22 ansteigt, nicht gesättigt.
Bei diesem kleinen Stromwert bildet infolge der schnellen Flussänderung von 21 nach 22 (Fig.3) die Drossel eine sehr viel höhere Reaktanz als die Belastung. Auf Grind dieser hohen Impedanz wird der Strom niedrig gehalten, so dass die
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ganze oder fast die ganze Spannung des Ge- nerators an der Drossel aufgenommen wird.
'Während dieses Teils des Zyklus ist der Strom sehr klein. Der Gleichrichterschalter öffnet und muss nur diesen kleinen Strom unterbrechen.
Die gemäss der Erfindung ausgebildete Schaltdrossel 13 ist aus Fig. 4 bis 7, 9 und 10 ersichtlich. Sie besitzt zwei zylindrische Hohlkerne 33a und 33b (vgl. Fig. 8). Diese Kerne 33a und 33b bestehen aus Permeron, welches beschrieben ist in der Zeitschrift AIEE Transactions Vol. 70, 1951, Seiten 1 bis 4. Jeder der beiden Kerne 33a und 33b ist als zylindrischer Hohlkern in der aus Fig. 4 ersichtlichen Art ausgebildet. Die Schaltdrossel 13 besitzt drei Wicklungen, nämlich eine Hauptwicklung 3, eine Unterbrechungswicklung 30 und eine Schliesswicklung 31.
Die Unterbrechungswicklung 30 ist um den grossen untern Kern 33a und die Schliesswicklung 31 um den kleinen obern Kern 33b gewickelt (vgl. Fig.6). Die Hauptwicklung 3 ist um beide Kerne 33a und 33b, die im folgenden als Kern 33 angeführt werden, parallel zu ihrer Längsachse gewickelt.
Die als Unterbrechungs- und Schliesswicklung bezeichneten Hilfswicklungen der Schaltdrossel dienen dabei zur Steuerung der in dem Kontaktumformer vorgesehenen Regler, beispielsweise des Überlappungsdauerreglers. Im ungesättigten Zustand des Kernes, wenn dieser eine hohe Permeabilität aufweist, wirkt die wie oben beschrieben mit drei Wicklungen versehene Schaltdrossel nämlich als Transformator, wobei die Hauptwicklung die Primärseite, die Unterbrechungs- und die Schliesswicklung die Sekundärseite bilden, in der während der Stromstufe die entsprechenden induzierten Spannungen auftreten, die zu Regelzwecken in den hier nicht gezeigten Regelvorrichtungen dienen.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besitzt die Hauptwicklung 3 im Querschnitt verschieden dimensionierte Leiterteile 41 und 51. Die Leiterteile 51 haben eine Breite von etwa 19 mm und sind an dem äussern Umfang 50 des Hohl- kernes 33 angeordnet, während die Leiterteile 41 an dem Innenumfang 40 des zylindrischen Hohlkernes 33 liegen. Die Leiterteile 51 haben den entsprechenden Querschnitt, um den vollen Belastungsstrom führen zu können, ohne heiss zu werden oder einen übermässigen Widerstand hervorzurufen.
Wenn die Wicklung 3 den einheitlichen Querschnitt der Leiterteile 51 hätte, müsste ein verhältnismässig grosser Kern benutzt werden, um die Gesamtlänge der Leiterdurchmesser an dem kleinen Innenumfang 40 des Kernes 33 aufnehmen zu können. Fig. 7A zeigt mit denselben Bezugszeichen wie Fig. 7 die bekannte A-tsführung einer Schaltdrossel und veranschaulicht die Grösse des Kernes 33', die erforderlich wäre, wenn die Hauptwicklung 13' den einheitlichen- Querschnitt des Leiters 51', hätte.
Bei dieser Ausführung muss ein grosser Innenumfang 40' vorgesehen werden, um die Gesamtlänge aller Durchmesser der Leiterteile 41' aufnehmen zu können, welche an diesen Innenumfang zu liegen kommen.
Dieser sich ergebende grosse Kern, führt, zu einem unwirtschaftlichen Aufbau und gro- sser Raumbedarf, und er hat sich sowohl für die Herstellung als auch für die Installation als unzweckmässig erwiesen. Bei der darge-, stellten Ausführung gemäss der Erfindung werden mehrere parallele Wicklungen, die aus je einem Leiter mit gestuftem Querschnitt bestehen, verwendet, so dass die Leiterteile 41 an dem Innenumfang kleineren Querschnitt haben als die Leiterteile 51 an dem Aussenumfang 50.
Bei" dieser Anordnung braucht der Innenumfang 40' 'des Kernes 33' nicht besonders gross zu sein, und es kann daher ein verhältnismässig kleiner zylindrischer Kern 33 (Fug. 6, 7 und 8) mit kleinerem Innenumfang 40 und Aussenumfang 50 verwendet werden, woraus. sich eine erhebliche Ersparnis an Kernmaterial und Raumbedarf ergibt.
Wie.aus Fig. 2 und 7 ersichtlich, sind die, Leiterteile 41, welche den an dem Innenumfang 40 des Kernes 33 angeordneten Teil der Hauptwicklung 3 bilden, abgeschrägt, so dass der Querschnitt des sich ergebenden Lei-
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ters erheblich geringer ist als der Querschnitt der am Aussenumfang 50 des Kernes 33 angeordneten Leiterteile 51. Wie aus Fig.7 ersichtlich, können dann die Innenleiterteile 41 an einem Umfang 40 angeordnet werden, welcher nicht ausreichen würde, um die gesamte Länge der Breiten der Leiterteile 51 oder 41' (Fug. 7A) aufzunehmen.
Die einzelnen Leiterteile 41 sind an den Innenumfang 40 des Kernes 33 durch Fiberteile 43 voneinander getrennt, um die Kriechstrecke und Isolierung zwischen ihnen zu vergrössern.
Im dargestellten Beispiel besteht die Haupt- wicklung 3 aus vier parallel geschalteten Wicklungen. Durch Anordnung von vier parallel geschalteten Wicklungen kann der Querschnitt der Leiter auf 1/4 vermindert werden, wodurch übermässige Wirbelströme vermieden werden und sich grössere freie Leiterflächen ergeben, um die Wärme schnell durch Konvektion ab- zuführen. Die Schaltung ist wie folgt ausgebildet:
die Anschlüsse 60 -Lind 160 sind die Eingangsklemmen, die Anschlüsse 61, 161 sind die Ausgangsklemmen. Die Eingangsklemme 60 ist durch die Stromschiene 105 bei 101 und 102 mit den Wicklungsleitern verbunden. Die links von der Verbindung 101 gelegenen Wicklungen sind Zinks gewickelt und endigen bei 103, wo sie durch die Stromschiene 106 an die Ausgangsklemme 61 angeschlossen sind. Die rechts von der Verbindiing 102 gelegenen Wicklungen sind rechts gewickelt und endigen bei 110, wo der Strom durch eine Stromschiene 108 an die Ausgangsklemme 161 geführt wird.
In entsprechender Weise ist die Eingangsklemme 160 durch die Stromschiene 10i an die Verbindungen 112 und 113 angeschlossen. Die links von der Verbindung 112 gelegenen Leiter sind rechtsgängige Wicklungen, welche bei 104 endigen, wobei der Strom durch die Stromschiene 106 an die Ausgangsklemme 61 geführt wird.
Die rechts von der Verbindung 113 gelegenen Wicklungen sind rechts gewik- kelt und endigen bei 111, von wo der Strom durch die Stromschiene 108 zu der Ausgangsklemme 161 geführt. wird. Die Hauptwicklung 3 besteht daher aus vier parallelen Wicklungen von je sieben Windungen zwischen den Anschlüssen 102-110, 111-113, 112-104 und 103-101.
Die Drossel 13 ist mit einem Kunstharzsockel 62-63 ausgestattet, welcher, wie unten näher beschrieben, als Träger lind Isolator verwendet wird.
In einem Halbwellen-Gleichriehtersystem nach Fig. 10 wird für jede Phase eine Schaltdrossel 13a, 13b, 13c verwendet, während bei einem Vollweg -Gleichrichtersystem nach Fig. 12 für jede Phase zwei solche Einheiten vorgesehen werden.
In der Fig.10 ist die Anordnung der Bestandteile für ein Halbwellen-Gleichrichter- system in einem Behälter gezeigt. Für eine Halbwellen-Umformung aus einer dreiphasi- gen Wechselstromquelle muss der mechanische Umformer mit drei Schaltdrosseln., nämlich einer für jede Phase, ausgerüstet werden (vgl. Fig.1). Um eine gedrungene Anordnung zu erhalten, werden die Drosseln 13 nach Fig. 6 lind 7 übereinander angeordnet, so dass sich ein Stapel von drei Drosseln (vgl.
Fig. 9 -Lind 10) ergibt, die gegeneinander durch die Kimstharzsockel 62-63 isoliert sind.
Die Anschlussklemmen 60-160 und 61-161 der Drosseln 13 werden mit Hilfe von mehreren senkrechten Eingangs- bzw. Ausgaugs- stromschienen 64 bzw. 65 verbunden. Der Stapelaufbau nach Fig.9 wird durch die Kunstharzsockel 62--63 getragen, welche auf Armsternen 80 aus Aliim.iniitm ruhen, welche ihrerseits von der mittleren -Säule getragen werden (vgl. Fig.10) .
Die Leistungstrausforrnatoren 12a, 12b und 12e für die Phasen a, b und c der Kraftleitung 10 sind links von dem Stapel der Schaltdrosseln 13a, 13b, 13c angeordnet -Lind werden von einem gemeinsamen Grundgestell getragen. Die Primärwicklungen 70a, 70b, 70c der Transformatoren 12a, 12b, 12c werden von den (nicht dargestellten) primären Leitungen erregt, die mit der Einheit an der links oben gelegenen Ecke verbunden werden.
Die Energie aus den Sekundärwicklungen der Transformatoren 12 wird den Wicklungen 3 der Schaltdrosseln durch sekundäre Strom-
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schienen 90-91 zugeführt. Der Transformator 12 und die Drossel 13 sind mit Einhängevorrichtungen 92-93 versehen, um sie, wie in Fig.12 gezeigt, leicht aus dem Behälter nehmen zu können.
Eine weitere Ausführungsform für eine gedrungene Anordnung der Schaltdrosseln 13a, 13b, 13e und der Leistungstransformatoren 12a, 12b und 12c ist in Fig. 12 gezeigt. Bei dieser Ausführung sind die Schaltdrosseln 13a, 13b, 13c oben auf den Leistungstransformatoren 12 angeordnet.
Wie ersichtlich, können die Leitungen 90 und 91 von den Sekundärwicklungen des Transformators 12 zu den Hauptwicklungen 3 der Drossel 13 nach Fig. 10 weggelassen werden,' und man kann die Sekundärwicklungen des Transformators mit den Drosseln 13 durch kurze Stromschienen 64 verbinden.
Der Transformator 12 ist mit Einrichtungen 140 für den Wechsel der Abgriffe versehen, welche bei der Ausführung nach Fig. 10 über dem Transformator und bei der Ausführung nach Fig.12 über den Drosseln 13 angeordnet sind. .
Wie aus Fig. 12 ersichtlich, ist die ganze Kombination der Leistungstransformatoren und der Schaltdrosseln in einem Behälter 150 angeordnet. Dieser Behälter ist mit mehreren Strahlungskühlrippen ausgestattet, die an ihrem obern Ende durch Rohrleitungen 152 (und ebenso an ihrem untern nicht dargestellten Ende) mit dem Behälter 150 verbunden sind. Nachdem die kombinierte Einheit der Transformatoren 12 und der Drosseln 13 in dem Behälter 150 eingesetzt wurde, wird die ganze Einheit mit einem isolierenden und kühlenden Öl wie z. B. Pyronol gefüllt. Die ganze Einheit wird dann, wie in Fig. 11 gezeigt, durch einen Deckel 154 dicht verschlossen. Wenn die Teile in dem Behälter 150 sich erwärmen, wird die Wärme an das Öl durch Konvektion abgegeben.
Da das warme Öl geringere Dichte hat als das kalte Öl, steigt es in dem Behälter 150 hoch und geht durch öff- nungen 152 in die Strahlungskühlrippen 151. Die grossen freien Flächen der Radiatoren 151 ergeben eine schnelle Kühlung des in ihnen befindlichen Öls und führen das Ö1 in den Behälter durch die untern (nicht dargestellten) Öffnungen zurück, welche ähnlich wie die Öffnungen 152 ausgebildet sind. Es ist daher ein einziges fortlaufendes und geschlossenes Ölkühlsystem vorhanden, um die von den Transformatoren 12 und den Schaltdrosseln 13 erzeugte Wärme abzuführen.
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Contact converter with switching chokes The invention relates to contact converters with switching chokes which are used for the mechanical rectification of alternating currents.
A mechanical rectifier supplies a direct voltage by establishing a metallic contact between a suitable phase of an alternating current system and the associated direct current system during the period in which the respective phase of the alternating current system can supply energy in the desired direction, and by breaking the metallic contact, when the AC phase reverses its voltage with respect to the DC voltage. This operation is carried out in synchronism with the AC frequency.
In order to avoid damage to the metal contacts under the high stress of, for example, 60 actuations per second in a system operated at 60 Hz, saturable switching chokes are connected in series with the contacts in a known manner. These switching reactors have an approximately rectangular magnetization curve, which results in a high resistance when the current is low and thus limits the inrush current after closing and the residual current before opening to such a low value that a satisfactory function of the switching contacts is guaranteed for many billions of contact operations. The rectifier contacts open during the period after the current has passed zero.
At this point in time the magnetization curve is very steep, the change ratio of the flux is very large and accordingly the reactance of the saturable switching reactor is very high compared to a normal load. The amplitude of the current flowing in the system therefore does not change according to the normal sinusoidal curve, but is kept at a relatively small value during the switching time. The main winding of the switching reactor must be designed so that it. withstands the full load current of the mechanical rectifier.
In conventional technical systems, the cross-section of this winding must be sufficient to withstand rectified load currents of the order of magnitude of 5000 and 10000 amperes. These windings are wound on a hollow cylindrical core parallel to its axis, with each complete turn of the conductor part running on the outer surface and partly on the inner surface of the hollow cylinder.
If a conductor with a uniform cross section is used for the windings, the smaller inner circumference of the cylindrical cavity would have to accommodate the same number of conductors with a large cross section as the larger outer circumference, and thus a relatively large, bulky, cylindrical one would be
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Core needed.
It has been shown in practice that the core required in this way is uneconomical, too much space. claimed and that it can also practically not be assembled with the transformer in a common housing, as will be explained in more detail below.
In addition, the large core resulting from conductors of uniform cross-section has a fundamental magnetic defect. This is because the mean length of the magnetic path in the core material becomes too great, which results in an excessive magnetization current, which in turn results in an excessive contact current. However, the present invention can reduce the mean length of the magnetic path on the order of 50%.
The invention aims to avoid the stated disadvantages, which result from the need to use a large cylindrical core in order to leave enough space on the inner circumference for conductors of uniformity. To create cross-section.
In the contact converter according to the invention, switching inductor windings whose cross-section is large enough to withstand the load current and dissipate the generated heat can be used in conjunction with a relatively small and compact cylindrical hollow core.
For this purpose, the contact converter with switching chokes, each having a core designed as a hollow cylinder and a main winding wound on this parallel to its axis with a non-uniform cross section, is designed according to the invention in such a way that the conductor parts of the winding located on the inner circumference of the core have a smaller cross-section than the conductor parts located on its outer circumference. With such a design of the winding, the conductor parts located on the inner circumference of the core can dissipate the heat by conduction to the conductor parts located on the outer circumference of the core, which in turn give off the heat by convection and radiation.
An advantageous embodiment of the invention consists in that the outer conductor parts have a cross section dimensioned for full load current, while the inner conductor parts are beveled and thus have a smaller cross section than the outer conductor parts.
In a further advantageous embodiment, the main winding consists of several, at least two windings connected electrically in parallel.
The invention enables such a design of a contact converter with several switching reactors and a multi-phase power transformer that the switching reactors and the power transformer can be installed in a single container, the secondary windings of the transformer being directly connected to the corresponding main windings of the switching reactors.
that is, they are connected without the interposition of bushings and the switching reactors and the power transformer are cooled by a cooling system built into the container.
Two exemplary embodiments of the arrangement according to the invention are described below. In the first embodiment, the stacks of switching reactors are installed on the side of the power transformer and are therefore cooled by oil which has not passed through the transformer.
In the second embodiment, each individual switching reactor is installed on top of its associated phase part of the power transformer. Although this latter embodiment has the disadvantage that the chokes are cooled by oil which has passed through the transformer, it has the additional advantage that it results in a compact structure with a shorter line length between the transformers and the chokes.
Further details and advantages of these embodiments of the invention emerge from the following description with reference to the drawing. In the drawing show:
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1 shows a circuit diagram of a contact converter with switching reactors according to the invention, FIG. 2 shows a section of the inner and outer conductors of the winding of a switching reactor of a contact converter according to the invention, FIG. 3 shows a magnetization loop for the core of a switching reactor for a contact converter according to the invention ,
4 shows a perspective view of the cylindrical hollow core of such a switching inductor, FIG. 5 shows a circuit diagram. 6 is a side view of a section of the switching choke, FIG. 7 is a top view along line 7-7 of FIG. 6, which shows the reduced cross section of the inner conductor of the switching choke, FIG. 7.4 is a top view similar to FIG. 7, which shows the required core size for non-stepped ladders:
8 shows a section along the line 8-8 in FIG. 7, FIG. 9 shows a side view of throttle sections according to FIG. 7 arranged one above the other, FIG. 10 shows a perspective view of the structure for a single container for receiving the transformer and switching chokes, .11 a schematic sectional view of a contact converter according to the invention with combined transformers and chokes in connection with the entire equilibrium circuit, FIG. 12 a perspective view of a second embodiment with an assembled transformer and chokes in a common container.
1 and 11 show the circuit diagram of the circuits between the alternating current source 1 and the direct current lines 10 routed via the switch 11 to the step-down transformer 12 and then sent through the switching reactors 13 in order to step the current for the purpose of holding.
In series with the AC lines are current transformers 130a, 130b, 130c which actuate the short-circuit switch 131 when a fault current occurs. This protective device protects the contact device 15 in the event of an overcurrent.
The housing 12 'is shown in more detail in FIG. 10, while the structure of the switching throttle 13 is shown in FIGS. 6, 7 and 9.
The current goes via switch 14 to the contact converter 15. The contact converter 15 connects sequentially and repeatedly in synchronism with the alternating current frequency, the alternating current lines 10a, 10b, 10c with the direct current consumer lines 20, 21 and the load 5 via the direct current protection device 132. The contact converter 15 is in Bridge connected in order to enable better utilization of the power transformer 12 by doubling the effective phases and thereby to obtain a more smoothed direct current as well as fewer disturbances through easier switching.
The energy from the generator 1 is fed via the polyphase power transformer 12 to the main windings 3 of the switching reactors 13 and to the load 5 via the closed contacts in the contact converter 15. The switching reactors 13 each consist of a winding 3 made of conductive material and a core 33 which can be saturated at relatively low current values.
The core is as shown in Figure 4; from a wound tape and therefore has no air gap. As a result of the use of a tape, the magnetic flux runs in the circumferential direction of the wound. So that the flow does not penetrate any air gaps. To reduce eddy currents, the tape is extremely thin, usually on the order of 0.0245 to 0.051 mm thick.
The winding surrounding the core should be wound as tightly as possible. This allows a small core to be used for a predetermined amount of wire that must be used, and also reduces the reactance of the choke coil when its core is saturated and the winding has the properties.
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th of an air throttle assumes the same dimensions.
The best known core material for switching chokes. is an alloy with 50% iron and 50% nickel melted in a vacuum, which should not contain any impurities such as oxygen, carbon, other metals and the like. Furthermore, it should not be deformed after annealing in order to maintain its crystalline structure. There is insulation between the layers of the tape, e.g.
B. Magnesiumogyd provided, which must withstand the annealing temperatures. The strip is cold rolled to its final thickness and annealed at 1065 C in electrolytic hydrogen in the absence of water vapor.
The most striking property of a switching reactor is the great change in its physical behavior with different currents. As soon as the total ampere turns surrounding the choke core exceed a predetermined minimum value, the choke behaves exactly like a copper coil wound around a non-magnetic core. It has a predetermined resistance and reactance of a relatively small value.
As soon as the total ampere-turns are reduced to zero and changed in the opposite direction, the choke suddenly assumes a reactance which is 50,000 or 100,000 times greater than with the higher currents. This transition always occurs at the same current value and is momentary.
A high voltage then has to be fed to the winding, which carries only a very small current, namely the magnetizing current. This current is almost constant and almost independent of the applied voltage. This high reactance period lasts a relatively short period of time in each cycle.
After this time: span the winding has the properties of an air-core choke again, whereby its reactance becomes negligibly small and the current suddenly rises to a value that can only be achieved by external means, e.g. B. a load is limited.
The characteristic behavior of the switching inductor is illustrated by its magnetization curve shown in FIG. 3, which is also referred to as the hysteresis loop. This curve shown in FIG. 3 resembles a rectangle, with the horizontal parts running towards infinity indicating the normal behavior with low reactance and the almost vertical parts indicating the behavior with high reactance.
This latter part is characterized by the low current, which must not increase during the period mentioned above. This current is called magnetization current or step current and the time span is called step length, i.e. the time during which the current is actually throttled to the low value of the step current. The step current of the switching chokes used in practice is less than 1100o of the peak current, the step length about 1 / 100o second and the increase in the flow after the step is less than 4% of the step length.
From the above description it can be seen that the choke is operated during most of the current cycle, e.g. B. is saturated during the current values of 25 (Fig. 3) and above. Accordingly, as shown, there is no change in flow, so that the throttle in the circuit forms almost no impedance. During this part of the cycle, all or almost all of the voltage of generator 1 occurs at load 5.
In contrast, the switching inductor 13 is not saturated during a relatively small part of the cycle when the current has just passed through zero and its polarity, as at 21 (FIG. 3), reverses from positive to negative and rises to 22.
At this small current value, due to the rapid flux change from 21 to 22 (Fig. 3), the throttle forms a much higher reactance than the load. On the grind of this high impedance, the current is kept low so that the
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all or almost all of the voltage of the generator is absorbed at the choke.
'During this part of the cycle the current is very small. The rectifier switch opens and only needs to interrupt this small current.
The switching throttle 13 designed according to the invention can be seen from FIGS. 4 to 7, 9 and 10. It has two cylindrical hollow cores 33a and 33b (see. Fig. 8). These cores 33a and 33b consist of permon, which is described in the journal AIEE Transactions Vol. 70, 1951, pages 1 to 4. Each of the two cores 33a and 33b is designed as a cylindrical hollow core of the type shown in FIG. The switching inductor 13 has three windings, namely a main winding 3, an interruption winding 30 and a closing winding 31.
The interruption winding 30 is wound around the large lower core 33a and the closing winding 31 around the small upper core 33b (see FIG. 6). The main winding 3 is wound around both cores 33a and 33b, which are referred to below as core 33, parallel to its longitudinal axis.
The auxiliary windings of the switching inductor, referred to as interruption and closing winding, serve to control the regulator provided in the contact converter, for example the overlap duration regulator. In the unsaturated state of the core, if it has a high permeability, the switching inductor, which is provided with three windings as described above, acts as a transformer, with the main winding forming the primary side, the interruption and closing winding the secondary side, and the corresponding during the current stage induced voltages occur, which are used for control purposes in the control devices not shown here.
As can be seen from FIG. 2, the main winding 3 has conductor parts 41 and 51 of different dimensions in cross section. The conductor parts 51 are approximately 19 mm wide and are arranged on the outer circumference 50 of the hollow core 33, while the conductor parts 41 are arranged on the Inner circumference 40 of the cylindrical hollow core 33 lie. The conductor parts 51 have the appropriate cross-section in order to be able to carry the full load current without becoming hot or causing excessive resistance.
If the winding 3 had the uniform cross section of the conductor parts 51, a relatively large core would have to be used in order to be able to accommodate the entire length of the conductor diameter on the small inner circumference 40 of the core 33. 7A shows, with the same reference numerals as FIG. 7, the known routing of a switching reactor and illustrates the size of the core 33 'which would be required if the main winding 13' had the uniform cross-section of the conductor 51 '.
In this embodiment, a large inner circumference 40 'must be provided in order to be able to accommodate the total length of all the diameters of the conductor parts 41' which come to lie on this inner circumference.
This resulting large core leads to an uneconomical structure and a large space requirement, and it has proven to be inexpedient both for manufacture and for installation. In the illustrated embodiment according to the invention, several parallel windings, each consisting of a conductor with a stepped cross-section, are used, so that the conductor parts 41 on the inner circumference have a smaller cross-section than the conductor parts 51 on the outer circumference 50.
With this arrangement, the inner circumference 40 ″ of the core 33 'does not need to be particularly large, and a relatively small cylindrical core 33 (Fug. 6, 7 and 8) with a smaller inner circumference 40 and outer circumference 50 can therefore be used . there is a considerable saving in terms of core material and space requirements.
As can be seen from FIGS. 2 and 7, the conductor parts 41, which form the part of the main winding 3 arranged on the inner circumference 40 of the core 33, are bevelled so that the cross section of the resulting cable
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ters is considerably smaller than the cross section of the conductor parts 51 arranged on the outer circumference 50 of the core 33. As can be seen from FIG. 7, the inner conductor parts 41 can then be arranged on a circumference 40 which would not be sufficient to cover the entire length of the widths of the conductor parts 51 or 41 '(Fig. 7A).
The individual conductor parts 41 are separated from one another on the inner circumference 40 of the core 33 by fiber parts 43 in order to increase the creepage distance and insulation between them.
In the example shown, the main winding 3 consists of four windings connected in parallel. By arranging four windings connected in parallel, the cross-section of the conductor can be reduced to 1/4, which avoids excessive eddy currents and results in larger free conductor surfaces in order to dissipate the heat quickly through convection. The circuit is designed as follows:
the connections 60-Lind 160 are the input terminals, the connections 61, 161 are the output terminals. The input terminal 60 is connected to the winding conductors by busbar 105 at 101 and 102. The windings to the left of connection 101 are zinc-wound and end at 103, where they are connected to output terminal 61 by busbar 106. The windings to the right of connector 102 are right-wound and terminate at 110 where current is passed through a bus bar 108 to output terminal 161.
In a corresponding manner, the input terminal 160 is connected to the connections 112 and 113 by the busbar 10i. The conductors to the left of connection 112 are right-hand windings ending at 104, the current being conducted through busbar 106 to output terminal 61.
The windings to the right of connection 113 are wound on the right and end at 111, from where the current is passed through busbar 108 to output terminal 161. becomes. The main winding 3 therefore consists of four parallel windings of seven turns each between the terminals 102-110, 111-113, 112-104 and 103-101.
The choke 13 is equipped with a synthetic resin base 62-63, which, as described in more detail below, is used as a carrier and an insulator.
In a half-wave rectifier system according to FIG. 10, a switching inductor 13a, 13b, 13c is used for each phase, while in a full-wave rectifier system according to FIG. 12, two such units are provided for each phase.
The arrangement of the components for a half-wave rectifier system in a container is shown in FIG. For half-wave conversion from a three-phase alternating current source, the mechanical converter must be equipped with three switching reactors, namely one for each phase (see Fig. 1). In order to obtain a compact arrangement, the throttles 13 according to FIGS. 6 and 7 are arranged one above the other so that a stack of three throttles (cf.
Fig. 9-Lind 10), which are isolated from one another by the Kimst resin base 62-63.
The connection terminals 60-160 and 61-161 of the chokes 13 are connected with the aid of several vertical input and output busbars 64 and 65, respectively. The stack structure according to Fig. 9 is supported by the synthetic resin bases 62-63, which rest on arm stars 80 made of Aliim.iniitm, which in turn are supported by the central column (see Fig. 10).
The power supply formers 12a, 12b and 12e for phases a, b and c of the power line 10 are arranged to the left of the stack of switching throttles 13a, 13b, 13c - Lind are carried by a common base frame. The primary windings 70a, 70b, 70c of the transformers 12a, 12b, 12c are energized by the primary lines (not shown) which are connected to the unit at the upper left corner.
The energy from the secondary windings of the transformers 12 is transferred to the windings 3 of the switching reactors by secondary current
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rails 90-91 fed. The transformer 12 and the choke 13 are provided with suspension devices 92-93 so that they can be easily removed from the container, as shown in FIG.
Another embodiment for a compact arrangement of the switching reactors 13a, 13b, 13e and the power transformers 12a, 12b and 12c is shown in FIG. In this embodiment, the switching reactors 13a, 13b, 13c are arranged on top of the power transformers 12.
As can be seen, the lines 90 and 91 from the secondary windings of the transformer 12 to the main windings 3 of the choke 13 according to FIG. 10 can be omitted, and the secondary windings of the transformer can be connected to the chokes 13 by short busbars 64.
The transformer 12 is provided with devices 140 for changing the taps, which are arranged above the transformer in the embodiment according to FIG. 10 and above the chokes 13 in the embodiment according to FIG. .
As can be seen from FIG. 12, the entire combination of the power transformers and the switching reactors is arranged in a container 150. This container is equipped with a plurality of radiation cooling fins which are connected to the container 150 at their upper end by pipes 152 (and also at their lower end, not shown). After the combined unit of the transformers 12 and the chokes 13 has been inserted in the container 150, the whole unit is coated with an insulating and cooling oil such as e.g. B. Pyronol filled. The whole unit is then, as shown in FIG. 11, sealed by a lid 154. As the parts in the container 150 heat up, the heat is transferred to the oil by convection.
Since the warm oil has a lower density than the cold oil, it rises in the container 150 and goes through openings 152 into the radiation cooling fins 151. The large free areas of the radiators 151 result in rapid cooling of the oil in them and guide this Oil back into the container through the lower openings (not shown), which are designed similar to the openings 152. There is therefore a single continuous and closed oil cooling system in order to dissipate the heat generated by the transformers 12 and the switching reactors 13.