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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.
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Switching chokes designed as rod chokes for contact converters For mechanical converters, especially rectifiers, switching chokes are required which cause the current curve to flatten when the current passes through zero and thus enable the mechanical contacts to be switched without arcing. As with transformer substations, the calculation of such chokes shows that there is a natural, most favorable distribution of iron and conductor material for every voltage or current strength, i.e. a natural, most favorable number of turns or voltage per turn.
In the case of high-current rectifiers, this most favorable number of turns is significantly greater than one for commutation voltages above 50 V. Rectifiers with an operating voltage of a few 100 V have numbers of turns between 5 and 20.
It has already become known to design switching throttles as rod throttles (so-called single-winding throttles). The shape described is unlikely to be used in practice because it has various shortcomings, in particular high air inductance and an unfavorable ratio of the axial length of the iron core to the radial width.
The subject matter of the invention is an improvement of this switching choke, which is designed as a rod choke, and is of particular importance for high-current rectifiers. According to the invention, the axial length of the iron package surrounding the conductor is at least ten times as great as the greatest width of the iron package.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. Fig. 1 shows a tubular conductor with ring-shaped iron cores pushed directly on. A section 1 of this arrangement is shown in FIG. A six-phase rectifier in a bridge circuit is shown in FIG. A section 11 explaining this drawing is shown in FIG. 2a. FIG. 3 schematically indicates a conductor folded in a meander shape.
FIG. 4 shows the direction of current in conductors with triple folds using a sectional diagram, while FIG. 5 shows a special spatial arrangement of these conductors. FIG. 6 shows conductors whose circular cross-sections are flattened to form an approximate rectangle.
In Fig. 1, 1 is a tubular conductor through the bore 2 of which the coolant, e.g. B. air, hydrogen, water or oil flows. Such cooling is advantageous because it is desirable to keep the single conductor as small as possible in size. It will be cooled intensively to dissipate the heat of the current so that the mean diameter of the iron core surrounding the conductor remains as small as possible. The design of rod chokes with a practically straight conductor actually has the consequence that the iron weight increases considerably compared to the design with several turns.
In order to keep this growth within economically acceptable limits, the mean diameter of the iron core must be kept as small as possible. This can be achieved particularly well with a circularly limited cross-section of the single conductor and the iron cores. In addition, the circular cross section of the conductor must have a hole or holes through which the coolant has access.
In addition, the wall thickness of the conductor must be kept so small that the additional losses due to eddy currents remain within economic limits at the frequency in question, that is, for example, less than 5011 °. On the tubular conductor are ring-shaped iron cores 3 to 13 with a total
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length l postponed immediately. As is known, the iron cores of switching chokes are preferably made of wound tape cores of about 0.1 mm tape thickness and an iron nickel alloy with a right corner loop. This material is expensive.
For this reason, it would make sense to build switching reactors with the largest possible number of turns, since the iron cross-section and thus the price for the high-quality iron would then be low. The choice of the design according to FIG. 1 is based on the knowledge that the increase in the weight of the high-quality iron associated with the use of a rod throttle can be accepted compared to the advantages that are achieved with this design.
These advantages are: savings on the conductor material, savings on the structural design, reduction in the air inductance of the chokes, small diameter of the iron cores and thus reliable achievement of the best magnetic properties, low operating temperature of the iron cores. It is of considerable importance to keep the diameter ratio Dz: Di of the iron core as small as possible, for example less than 3 or even better equal to or less than about 2. Since the total cross-section of the iron is determined by the required step length for a single turn, means small winding height b [0.5 (Da Das]) a large length l of the throttle. The length l is at least ten times as large as the width b.
A large length of the choke results in a large length of the single conductor and thus increased copper losses and increased air inductance. Air inductance is understood to mean the inductivity of the only conductor of the choke with the iron core removed. This air inductance is undesirable in mechanical power converters. You try to keep it as small as possible. This works particularly well with the choke shown, if one uses rectifiers with an even number of phases, in which the chokes of simultaneously commutating phases are arranged directly next to one another so that the loop formed by them has a small inductance.
Single-phase circuits or multi-phase bridge circuits composed of single-phase circuits, in which the forward and return lines of a phase can be arranged next to one another, are particularly suitable. The inductance of such a double loop is calculated according to the formula (for designations see Fig. 1, l a, 2a):
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If the length L of the throttle is too large, the single conductor can be folded in a meandering manner and the length can thereby be reduced by half, a third, etc. At the same time, this folding offers a possibility of further reducing the air inductance of the choke.
If the chokes are placed in the connection line between transformer and contact (Terät), their air inductivity is to be compared with the air inductivity of the switching chokes including the connection lines in the event that the switching chokes, as has been customary up to now, are designed with several turns and with rails on the transformer and contact device have been connected.
Finally, with higher-phase rectifiers, the commutation voltage is small, which means that the natural number of turns is also small, so that going back to a rod choke (i.e. a single turn) does not mean too great a deviation therefrom. The result is that the design of the choke shown offers greater economic and electrical advantages the higher the phase the rectifiers are designed.
In particular, they are suitable for six-phase bridge circuits, in which the type rating of the switching chokes is considerably smaller than that of three-phase bridge circuits, so that this choke could be designed with regard to its low air inductance even if the material costs for it were greater than for one Construction with more than one turn.
A six-phase rectifier in a bridge circuit is drawn in FIG. In this circuit, the currents in the conductors 10 ', 20' and 30 ', 40' and 50 ', 60', respectively, indicated schematically by lines, are exactly the same and opposite, so that they form double loops. As a result, conductors 10 'and 20' or 30 'and 40' and 50 'and 60' can be arranged directly next to one another, so that their iron cores are only separated from one another by a thin insulating wall W (FIG. 2a). In this way, relatively small air inductances are obtained, since the center-to-center distance A of the conductor loop becomes small.
If the length of the choke becomes too long when the commutation voltage is high, the single conductor can be folded in a meandering manner, as is indicated schematically in FIG. With three folds, the length goes back to 1 /, and you can arrange the six conductors of the switching throttle 10 'and 20' as in Fig. 4. Compared to the simple double loop in FIG. 2, this arrangement of the conductors still has reduced air inductance, which is particularly desirable.
The air inductance can be reduced even further by moving the middle pair of the six conductors apart, as in FIG. 5, so that the six conductors are approximately on a circle. Instead of circular cross-sections for conductors and iron cores, the circular shape can also be flattened into an approximate rectangle (FIG. 6) so that the long sides of the rectangle for the outgoing and return lines are only separated by an insulating wall W against one another. The cross-section of the conductor is then also given an elongated rectangular shape, as is the cooling slot in the interior of the conductor.
In this case, too, the axial length of the iron packet surrounding the conductor is at least ten times as large as the greatest width b of the iron packet according to FIG. 6. The wall thickness (0.5 D / d) in FIG. 1 should be for copper and 50 Hz not much bigger than
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10 mm, otherwise the eddy current increase in the resistance will be too great. It may be useful to reduce the wall thickness to 5 mm. The outer diameter D of the single conductor is not greater than about 40 mm in rectifiers of 10,000 A, for example. The smaller it is made, the smaller the iron weight, but the greater the copper losses of the throttle.
In addition to copper, aluminum can also be used as conductor material, as the latter has a smaller eddy current increase. Because of its high conductivity, pure silver can also be economically viable in special cases. Since the saturation induction of iron decreases with temperature, it is advisable to carry out the cooling in such a way that not only the conductor but also the iron cores remain at the lowest possible temperature, for example no more than 20 to 30 above room temperature.
For this, the required iron weight is reduced by 5-10% compared to constructions with a hot iron core. If the rectifier transformer has artificial circulating cooling, this cooling oil can flow through the bore in the single conductor of the switching throttle. The arrangement is particularly simple and space-saving if the throttle is built into the transformer boiler in the meandering design shown in FIGS. 3 to 5.
If necessary, it can also be useful to cool the conductor with water, since the cooling coefficient of water is particularly high, and since small conductors and iron temperatures enable high utilization of these materials and therefore with the peculiarity of the ones shown. Constructions the iron weight, which is relatively large, is reduced.
In the case of small commutation voltages, it can be useful to also design the rectifier converter on the secondary side with only one turn. If necessary, the iron-nickel tape for the switching chokes can be wound directly onto the conductor, similar to how iron wrapping is done with cables. The magnetic material can then be annealed together with the conductor in a suitable furnace.
As already mentioned, the ratio D ": Di should be as small as possible, since the iron weight then becomes small. Da: Di must also be small for another reason, namely in order to have approximately the same magnetic field strength on the inner diameter Di as on the Outside diameter Da. If this is not the case, with a given field strength, i.e. given current, first the inner parts of the iron core in the single conductor are remagnetized and only when the field strength increases, the outer parts. This results in the magnetization loop the iron has a greater tendency, which is undesirable for switching reactors, since it requires larger pre-excitation currents.
For this reason, it can be useful to make the ratio Da: Di smaller than 2. If the ratio Da: Di is greater, a poorer, cheaper material is advantageously used for the inner parts of the iron ring core than for the outer parts, in such a way that the field strengths required for remagnetization are approximately the same for both parts, taking into account the different iron path lengths.
Silicon iron or iron with a low nickel content can be used for the inner parts, while a high-quality iron-nickel alloy, for example with 50%, can be used for the outer parts.
Nickel content and rectangular loop. A small slot can also be left between the inner and outer part of the iron core and additional pre-excitation windings for the outer iron core can be passed through this slot, thereby reversing the flattening of the magnetization loop.
The pre-excitation of the choke can be provided with a single turn, whereby the only main conductor of the choke is used for the pre-excitation current at the same time. In this case, the pre-excitation is expediently fed via an insulating transformer.
To further increase the utilization of the materials, the cooling of the single conductor and thus also the cooling of the iron core can be brought to temperatures that are well below the usual room temperature. For this purpose, cooling devices such as are known, for example, in refrigerators or industrial cooling systems, are required. Naturally, in such cases, the choke is surrounded by thermal insulation so that the higher room temperature does not heat the iron core and the conductor from outside. It can be useful to cool the throttle down to minus 100 ° C or below during operation.
In this case, the single conductor can be made so small that the weight of the iron core, which is already reduced as a result of the reduced temperature, is reduced even further as a result of the reduced mean diameter.
The reduction in price achieved by the design of the switching throttle shown makes it possible to use it for purposes for which it was previously too expensive. For example, it can be used in the direct current line to stop reverse current from the direct current network in the contact rectifier during its step time in the event of a fault. During this step time, a switch can interrupt the current in a known manner without causing any noticeable reverse current. A synchronous switch controlled by the voltage at the choke or a known high-speed switch can be used as the switch. In some cases it is sufficient to limit the return current from the direct current network to certain safe values.
A corresponding resistor can then be placed in parallel with the switch, which considerably simplifies the switching functions of the switch. In the event of such a switching reactor in the direct current
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line, no rectangular loop is required for the magnetic material of the switching choke, rather the induction above the knee can increase further as desired. On the contrary, this increase even results in additional smoothing of the direct current. You can therefore use cheap magnetic material, for example silicon iron with a preferred direction.
Under certain circumstances it can be useful to provide the choke in the DC circuit with a pre-excitation so that the stage is raised above the zero line. The choke described in the direct current circuit can be used at the same time as a smoothing choke by arranging another iron core with an air gap made of normal sheet metal around the switching choke iron core. In some cases you can do without smoothing the direct current if you only prevent the direct current from temporarily assuming negative values when rectifiers with different harmonic content are working in parallel, as the latter impairs the safety of the operation of contact rectifiers.
The direct current switching reactor described can be used for this purpose. All that is required is to design the triggering device for the switch in such a way that it does not yet respond to low voltages at the switching choke, but only when high voltages suddenly occur at the DC switching choke in the event of a fault.
The low price of the switching chokes shown makes it possible to make the step lengths of the switching choke greater than was previously the case, which increases the operational reliability of the mechanical rectifier. In addition, the design of this switching choke also increases the importance of those circuits in which the type output of the switching choke is relatively high, such as the double star circuit or the three-phase bridge circuits compared to the six-phase circuits.
A disadvantage of the chokes described is that their step current, that is to say their magnetizing current in the case of unsaturated iron, is relatively large as a result of the low number of turns. For this reason, the throttle with a single turn would not have been possible a few years ago. In the meantime, however, progress has been made in controlling the step currents through effective bypass routes and through improvement of the pre-excitations.
The combination of the new choke with effective secondary paths and well-balanced pre-excitations is therefore important for practical application. Pre-loaded junction rectifiers or gas discharge rectifiers, for example, can be used as a bypass. In three-phase circuits, the lines of the individual phases that commutate with one another cannot be arranged with low inductance as easily as in single-phase, four-phase or six-phase circuits. In three-phase circuits, to reduce the inductance, the lines of the individual phases must be arranged on a circle if possible.
In the case of three-phase circuits, on the other hand, reducing the air inductance of the switching reactors is not so important, since the three-phase circuits per se have smaller inductive voltage drops than, for example, the six-phase ones.