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Als Stabdrossel ausgebildete Schaltdrossel für Kontaktstromrichter Für mechanische Stromrichter, insbesondere Gleichrichter, werden Schaltdrosseln benötigt, welche im Nulldurchgang des Stromes eine Abflachung der Stromkurve hervorrufen und dadurch lichtbogen- freies Schalten der mechanischen Kontakte ermöglichen. Wie bei Umspannern ergibt die Berechnung solcher Drosseln, dass es für jede Spannung bzw. Stromstärke eine natürliche, günstigste Verteilung von Eisen- und Leitermaterial, das heisst eine natürliche, günstigste Windungszahl oder Spannung pro Windung gibt.
Bei Hochstromgleichrichtern ist diese günstigste Windungszahl bei Kommutierungsspan- nungen oberhalb von 50 V wesentlich grösser als eins. Bei Gleichrichtern von einigen 100 V Betriebsspannung werden Windungszahlen zwischen 5 und 20 ausgeführt.
Es ist nun bereits bekanntgeworden, Schaltdrosseln als Stabdrosseln (sogenannte Einwindungsdros- seln) auszubilden. Die beschriebene Form dürfte kaum praktisch verwendet sein, weil sie verschiedene Mängel aufweist, insbesondere hohe Luftinduktivität und ein ungünstiges Verhältnis von axialer Länge des Eisenpaketes zu radialer Breite.
Gegenstand der Erfindung ist eine Verbesserung dieser als Stabdrossel ausgebildeten Schaltdrossel und hat besondere Bedeutung für Hochstromgleich- richter. Erfindungsgemäss ist die axiale Länge des den Leiter umgebenden Eisenpaketes mindestens zehnmal so gross wie die grösste Breite des Eisenpaketes.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Fig. 1 zeigt einen rohr- förmigen Leiter mit ringförmigen unmittelbar aufgeschobenen Eisenkernen. Einen Schnitt 1 dieser Anordnung zeigt die Fig. la. In Fig. 2 ist ein sechs- phasiger Gleichrichter in Brückenschaltung gezeich- net. Einen diese Zeichnung erläuternden Schnitt 11 stellt die Fig. 2a dar. Die Fig. 3 deutet schematisch einen mäanderförmig gefalteten Leiter an.
Die Fig. 4 zeigt an Hand eines Schnittbildes die Stromrichtung in Leitern mit dreifacher Faltung, während die Fig. 5 eine besondere räumliche Anordnung dieser Leiter darstellt. Leiter, deren kreisförmige Querschnitte zu einem ungefähren Rechteck flachgedrückt sind, lässt die Fig. 6 erkennen.
In Fig. 1 ist 1 ein rohrförmiger Leiter, durch dessen Bohrung 2 das Kühlmittel, z. B. Luft, Wasserstoff, Wasser oder Öl, fliesst. Eine solche Kühlung ist vorteilhaft, weil es wünschenswert ist, den einzigen Leiter in seinen Abmessungen so klein wie möglich zu halten. Man wird ihn intensiv zur Abführung der Stromwärme kühlen, damit der mittlere Durchmesser des den Leiter umgebenden Eisenkerns möglichst klein bleibt. Die Ausführung von Stabdrosseln mit einem praktisch geradlinigen Leiter hat nämlich an sich zur Folge, dass das Eisengewicht gegenüber der Ausführung mit mehreren Windungen erheblich anwächst.
Um dieses Anwachsen in wirtschaftlich tragbaren Grenzen zu halten, muss der mittlere Durchmesser des Eisenkerns so klein wie irgend möglich gehalten werden. Dies ist besonders gut zu erreichen bei kreisförmig begrenztem Querschnitt des einzigen Leiters und der Eisenkerne. Ausserdem muss der kreisförmige Querschnitt des Leiters eine Bohrung bzw. Bohrungen besitzen, durch welche das Kühlmittel Zutritt hat.
Ausserdem muss die Wandstärke des Leiters so klein gehalten werden, dass bei der betreffenden Frequenz die Zusatzverluste durch Wirbelströme in wirtschaftlichen Grenzen bleiben, das heisst beispielsweise kleiner als 5011o. Auf den rohrförmigen Leiter sind ringförmige Eisenkerne 3 bis 13 mit einer Gesamt-
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länge l unmittelbar aufgeschoben. Bekanntlich bestehen die Eisenkerne von Schaltdrosseln vorzugsweise aus gewickelten Bandkernen von etwa 0,1 mm Banddicke und einer Eisennickellegierung mit Recht eckschleife. Dieses Material ist kostspielig.
Aus diesem Grunde würde es an sich nahe liegen, Schaltdrosseln mit möglichst grosser Windungszahl zu bauen, da dann der Eisenquerschnitt und damit der Preis für das hochwertige Eisen gering wird. Die Wahl der Bauart nach Fig. 1 beruht auf der Erkenntnis, dass die mit Anwendung einer Stabdrossel verbundene Erhöhung des Gewichts des hochwertigen Eisens in Kauf genommen werden kann gegenüber den Vorteilen, die bei dieser Bauart erzielt werden.
Diese Vorteile sind: Einsparung am Leitermaterial, Einsparung am konstruktiven Aufbau, Verringerung der Luftinduktivität der Drosseln, kleine Durchmesser der Eisenkerne und damit sichere Erzielung bester magnetischer Eigenschaften, kleine Betriebstemperatur der Eisenkerne. Dabei ist es von erheblicher Bedeutung, das Durchmesserverhältnis Dz,: Di des Eisenkerns möglichst klein zu halten, beispielsweise kleiner als 3 oder noch besser gleich oder kleiner als etwa 2. Da bei einer einzigen Windung der Gesamtquerschnitt des Eisens durch die geforderte Stufenlänge festgelegt wird, bedeutet kleine Wickelhöhe b [0,5 (Da Das] eine grosse Länge l der Drossel. Die Länge l ist mindestens zehnmal so gross wie die Breite b.
Grosse Länge der Drossel hat grosse Länge des einzigen Leiters und damit erhöhte Kupferverluste und erhöhte Luftinduktivität zur Folge. Unter Luftinduktivität wird dabei die Induk- tivität des einzigen Leiters der Drossel bei entferntem Eisenkern verstanden. Diese Luftinduktivität ist bei mechanischen Stromrichtern unerwünscht. Man versucht, sie so klein wie möglich zu halten. Dies gelingt bei der gezeigten Drossel besonders gut,, wenn man Gleichrichter mit gerader Phasenzahl anwendet, bei der die Drosseln von gleichzeitig kommutierenden Phasen unmittelbar nebeneinander angeordnet werden, so dass die durch sie gebildete Schleife kleine Induktivität hat.
Besonders geeignet sind einphasige Schaltungen oder aus einphasigen Schaltungen zusammengesetzte mehrphasige Brückenschaltungen, bei denen Hin- und Rückleitung einer Phase nebeneinander angeordnet werden können. Die Induktivität einer solchen Doppelschleife berechnet sich nach der Formel (Bezeichnungen vgl. Fig. 1, l a, 2a):
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Wenn die Länge L der Drossel zu gross ist, kann man den einzigen Leiter mäanderartig falten und dadurch die Länge auf die Hälfte, einen Drittel usw. verringern. Diese Faltung bietet gleichzeitig eine :Möglichkeit, die Luftinduktivität der Drossel weiter zu verringern.
Legt man die Drosseln in die Verbindungsleitung zwischen Umspanner und Kontakt- (Terät, so ist ihre Luftinduktivität zu vergleichen mit der Luftinduktivität der Schaltdrosseln einschliesslich der Verbindungsleitungen für den Fall, dass die Schaltdrosseln, wie bislang üblich, mit mehreren Windungen ausgeführt und mit Schienen an Umspanner und Kontaktgerät angeschlossen wurden.
Schliesslich ist bei höherphasigen Gleichrichtern die Kommutierungsspannung klein, das heisst auch die natürliche Windungszahl klein, so dass das Zurückgehen auf eine Stabdrossel (also eine einzige Windung) keine allzugrosse Abweichung davon bedeutet. So ergibt sich, dass die Ausführung der gezeigten Drossel um so grössere wirtschaftliche und elektrische Vorteile bietet, je höherphasig die Gleichrichter ausgeführt werden.
Insbesondere eignen sie sich für sechsphasige Brückenschaltungen, bei denen die Typenleistung der Schaltdrosseln gegenüber drei- phasigen Brückenschaltungen erheblich verkleinert ist, so dass man diese Drossel mit Rücksicht auf ihre kleine Luftinduktivität selbst dann ausführen könnte, wenn der Materialaufwand für sie grösser ausfallen würde als bei einer Konstruktion mit mehr als einer Windung.
In Fig.2 ist ein sechsphasiger Gleichrichter in Brückenschaltung gezeichnet. Bei dieser Schaltung sind die Ströme in den schematisch durch Linien angedeuteten Leitern 10', 20' bzw. 30', 40' bzw. 50', 60' genau gleich und entgegengesetzt, so dass sie Doppelschleifen bilden. Man kann infolgedessen die Leiter 10' und 20' bzw. 30' und 40' sowie 50' und 60' unmittelbar nebeneinander anordnen, so dass ihre Eisenkerne nur durch eine dünne Isolierwand W (Fig.2a) voneinander getrennt sind. Auf diese Weise erhält man verhältnismässig kleine Luftinduk- tivitäten, da der Mittenabstand A der Leiterschleife klein wird.
Wenn bei grosser Kommutierungsspan- nung die Länge der Drossel zu gross wird, kann man den einzigen Leiter, wie in Fig.3 schematisch angedeutet ist, mäanderartig falten. Bei dreifacher Faltung geht die Länge auf 1/zurück, und man kann die sechs Leiter der Schaltdrossel 10' und 20' wie in Fig.4 anordnen. Diese Anordnung der Leiter hat gegenüber der einfachen Doppelschleife in Fig.2 noch verringerte Luftinduktivität, was besonders erwünscht ist.
Man kann die Luftinduktivität noch weiter verringern, wenn man das mittlere Paar der sechs Leiter wie in Fig. 5 auseinanderrückt, so dass die sechs Leiter angenähert auf einem Kreis liegen. Statt kreisförmiger Querschnitte für Leiter und Eisenkerne kann man auch die Kreisform derart zu einem ungefähren Rechteck (Fig. 6) flachdrücken, dass die langen Seiten des Rechtecks für Hin- und Rückleitung nur durch eine Isolierwand W getrennt aneinan- derliegen. Der Querschnitt des Leiters erhält dann ebenfalls eine gestreckte rechteckartige Form, ebenso der Kühlschlitz im Innern des Leiters.
Auch in diesem Falle ist die axiale Länge des den Leiter umgebenden Eisenpaketes mindestens zehnmal so gross wie die grösste Breite b des Eisenpaketes entsprechend der Fig. 6. Die Wandstärke (0,5 D/d) in Fig. 1 soll bei Kupfer und 50 Hz nicht viel grösser als
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10 mm sein, da sonst die Wirbelstromerhöhung des Widerstandes zu gross wird. Unter Umständen ist es zweckmässig, mit der Wandstärke auf 5 mm herunterzugehen. Die Aussendurchmesser D des einzigen Leiters wird bei Gleichrichtern von beispielsweise 10 000 A nicht grösser als etwa 40 mm. Je kleiner man ihn macht, um so kleiner wird das Eisengewicht, um so grösser werden jedoch die Kupferverluste der Drossel.
Als Leitermaterial kommt neben Kupfer auch Aluminium in Frage, da letzteres eine kleinere Wirbelstromerhöhung hat. Wegen der grossen Leitfähigkeit kann aber auch in besonderen Fällen reines Silber wirtschaftlich tragbar sein. Da die SättiguDgs- induktion des Eisens mit der Temperatur abnimmt, ist es zweckmässig, die Kühlung so vorzunehmen, dass nicht nur der Leiter, sondern auch die Eisenkerne auf möglichst kleiner Temperatur, beispielsweise nicht mehr als 20 bis 30 über Raumtemperatur, bleiben.
Dafür wird das erforderliche Eisengewicht gegenüber Konstruktionen mit heissem Eisenkern um 5-10% vermindert. Hat der Gleich- richterumspanner künstliche Umlaufkühlung, so kann man die Bohrung in dem einzigen Leiter der Schaltdrossel von diesem Kühlöl durchströmen lassen. Besonders einfach und raumsparend wird die Anordnung, wenn man die Drossel in der mäander- artigen Ausführung von Fig.3 bis 5 in den Umspannerkessel einbaut.
Gegebenenfalls kann es auch zweckmässig sein, die Kühlung des Leiters mit Wasser vorzunehmen, da die Kühlziffer von Wasser besonders hoch ist, und da kleine Leiter und Eisentemperaturen hohe Ausnutzung dieser Materialien ermöglichen und daher bei der Eigenart der gezeigten. Konstruktionen das Eisengewicht, das verhältnismässig gross ist, herabgesetzt wird.
Bei kleinen Kommutierungsspannungen kann es zweckmässig sein, auch den Gleichrichterumspanner sekundärseitig mit nur einer Windung auszuführen. Gegebenenfalls kann man das Eisennickelband für die Schaltdrosseln auf den Leiter direkt aufwickeln, ähnlich wie man bei Kabeln eine Eisenumwicklung vornimmt. Eine Glühung des magnetischen Materials kann dann zusammen mit dem Leiter in einem geeigneten Ofen erfolgen.
Wie schon erwähnt, soll das Verhältnis D" : Di möglichst klein sein, da dann das Eisengewicht klein wird. Da: Di muss auch noch aus einem andern Grunde klein sein, nämlich um auf dem Innendurchmesser Di angenähert gleiche magnetische Feldstärke zu haben wie auf dem Aussendurchmesser Da. Wenn dies nicht der Fall ist, so werden bei gegebener Feldstärke, das heisst gegebenem Strom, im einzigen Leiter zunächst die innern Teile des Eisenkerns ummagnetisiert und erst bei wachsender Feldstärke die äussern Teile. Dies hat zur Folge, dass die Magne- tisierungsschleife des Eisens eine grössere Neigung erhält, was für Schaltdrosseln unerwünscht ist, da es grössere Vorerregerströme erfordert.
Aus diesem Grunde kann es zweckmässig sein, das Verhältnis Da: Di kleiner als 2 zu machen. Bei grösserem Verhältnis Da: Di wird mit Vorteil für die innern Teile des Eisenringkernes ein schlechteres, billigeres Material benutzt wie für die äussern Teile, und zwar derart, dass die zur Ummagnetisierung erforderlichen Feldstärken für beide Teile unter Berücksichtigung der verschiedenen Eisenweglängen etwa gleich sind.
So kann man für die innern Teile Siliziumeisen oder Eisen mit geringem Nickelgehalt verwenden, für die äussern Teile dagegen eine hochwertige Eisennickel- legierung, beispielsweise mit 50 %,
Nickelgehalt und Rechteckschleife. Man kann auch zwischen dem innern und dem äussern Teil des Eisenkerns einen kleinen Schlitz lassen und durch diesen Schlitz zusätzliche Vorerregerwindungen für den äussern Eisenkern hindurchführen und dadurch die Abflachung der Magnetisierungsschleife rückgängig machen.
Die Vorerregung der Drossel kann man mit einer einzigen Windung vorsehen, wobei der einzige Hauptleiter der Drossel gleichzeitig für den Vorerreger- strom benutzt wird. In diesem Fall wird die Vorerregung zweckmässigerweise über einen Isolier- umspanner gespeist.
Zur weiteren Erhöhung der Ausnutzung der Materialien kann man die Kühlung des einzigen Leiters und damit auch die Kühlung des Eisenkerns auf Temperaturen bringen, die weit unter der üblichen Zimmertemperatur liegen. Dazu sind Kühleinrichtungen, wie sie beispielsweise in Kühlschränken oder industriellen Kühlanlagen bekannt sind, erforderlich. Natürlicherweise wird man in solchen Fällen die Drossel mit einer Wärmeisolation umgeben, damit nicht die höhere Raumtemperatur von aussen den Eisenkern und den Leiter erwärmt. Es kann zweckmässig sein, die Drossel im Betriebe bis auf minus 100 C oder darunter abzukühlen.
In diesem Fall kann der einzige Leiter mit so kleinen Abmessungen ausgeführt werden, dass das Gewicht des Eisenkerns, welches infolge der verringerten Temperatur an sich bereits verringert ist, infolge des verringerten mittleren Durchmessers noch weiter vermindert wird.
Die Verbilligung, die durch die gezeigte Ausführung der Schaltdrossel erzielt wird, macht es möglich, sie auch für Zwecke zu benutzen, für die sie bislang zu teuer war. So kann sie beispielsweise in der Gleichstromleitung benutzt werden, um in Störungsfällen Rückstrom aus dem Gleichstromnetz in den Kontaktgleichrichter während ihrer Stufenzeit aufzuhalten. Während dieser Stufenzeit kann dann in bekannter Weise ein Schalter den Strom unterbrechen, ohne dass nennenswerter Rückstrom zustande kommt. Als Schalter kann beispielsweise ein von der Spannung an der Drossel gesteuerter Synchronschalter oder auch ein bekannter Schnellschalter benutzt werden. In manchen Fällen genügt es, den Rückstrom aus dem Gleichstromnetz auf bestimmte ungefährliche Werte zu begrenzen.
Man kann dann parallel zu dem Schalter einen entsprechenden Widerstand legen, was die Schaltfunktionen des Schalters erheblich erleichtert. Für den Fall einer solchen Schaltdrossel in der Gleichstrom-
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leitung ist für das magnetische Material der Schaltdrossel keine Rechteckschleife erforderlich, vielmehr kann die Induktion oberhalb des Knies beliebig weiter ansteigen. Dieser Anstieg hat im Gegenteil sogar noch eine zusätzliche Glättung des Gleichstroms zur Folge. Man kann daher billiges magnetisches Material, beispielsweise Siliziumeisen mit Vorzugsrichtung, benutzen.
Unter Umständen kann es zweckmässig sein, auch die Drossel im Gleichstromkreis mit einer Vorerregung zu versehen, so dass die Stufe über die Nullinie gehoben wird. Die beschriebene Drossel im Gleichstromkreis kann gleichzeitig als Glättungsdrossel benutzt werden, indem um den Schaltdrossel-Eisenkern noch ein weiterer Eisenkern mit Luftspalt aus normalem Blech angeordnet wird. Man kann in manchen Fällen auf die Glättung des Gleichstromes verzichten, wenn man nur verhindert, dass bei Parallelarbeit von Gleichrichtern mit verschiedenem Oberwellengehalt der Gleichstrom zeitweise negative Werte annimmt, da letzteres die Sicherheit des Betriebes von Kontaktgleichrichtern beeinträchtigt.
Zu diesem Zweck kann die beschriebene Gleichstromschaltdrossel benutzt werden. Man hat dazu lediglich die Auslöseeinrichtung für den Schalter derart auszulegen, dass sie bei kleinen Spannungen an der Schaltdrossel noch nicht anspricht, sondern erst dann, wenn in Störungsfällen plötzlich grosse Spannungen an der Gleichstromschaltdrossel auftreten.
Der geringe Preis der dargelegten Schaltdrosseln ermöglicht es, die Stufenlängen der Schaltdrossel grösser zu machen, als es bislang üblich war, wodurch die Betriebssicherheit der mechanischen Gleichrichter gesteigert wird. Ausserdem gewinnen durch die Konstruktion dieser Schaltdrossel auch diejenigen Schaltungen an Bedeutung, bei denen die Typenleistung der Schaltdrossel verhältnismässig gross ist, wie beispielsweise bei der Doppelsternschaltung oder bei den dreiphasigen Brückenschaltungen gegenüber den sechsphasigen Schaltungen.
Ein Nachteil der beschriebenen Drosseln ist, dass ihr Stufenstrom, das heisst ihr Magnetisierungsstrom bei ungesättigtem Eisen, infolge der geringen Win- dungszahl verhältnismässig gross ist. Aus diesem Grunde wäre die Drossel mit einer einzigen Windung noch vor einigen Jahren nicht ausführbar gewesen. Inzwischen sind jedoch Fortschritte gemacht worden in der Beherrschung der Stufenströme durch wirksame Nebenwege und durch Verbesserung der Vorerregungen.
Für die praktische Anwendung ist daher die Kombination der neuen Drossel mit wirksamen Nebenwegen und gut abgeglichenen Vorerregungen wichtig. Als Nebenweg kommen beispielsweise vorbelastete Sperrschichtgleichrichter oder auch Gasentladungsgleichrichter in Frage. Bei dreiphasigen Schaltungen lassen sich die Leitungen der einzelnen Phasen, die miteinander kommutieren, nicht so einfach induktivitätsarm anordnen wie bei einphasigen, vierphasigen oder sechs- phasigen Schaltungen. Man muss bei dreiphasigen Schaltungen zur Verringerung der Induktivität die Leitungen der einzelnen Phasen möglichst auf einen Kreisumfang anordnen.
Bei dreiphasigen Schaltungen ist jedoch anderseits die Verringerung der Luftinduktivität der Schaltdrosseln nicht so wichtig, da die dreiphasigen Schaltungen an sich kleinere induktive Spannungsabfälle haben als beispielsweise die sechsphasigen.