Elektrische Sperreinrichtung mit an sich unbestimmter Stromrichtung, bei welcher in Vakuumsgefässen durch Magnete beeinflusste Lichtbogen erzeugt werden. Uni den Stromdlurchgang durch eine Zolle, welche ans einem mit Elektroden versehenen Valkuumgefäss besleht, in einer Richtung zu unterbinden, hat man bisher die eine der beiden Elektruden als Quecksilberelektrode leergestellt sund den Lichtbogen in Queck silberdampf erzeugt. Wird die Temperatur der andern Elektrode unterlhalb gewisser Werle gehalten, dann zeigt die Zelle die ge wünschte Ventilwirkung. Ein derartiger Gleichriehter ist neun aber nicht steuerbar, und man kann die Richlung füer den Strom durchgang nicht willkürlieb ändern.
Auch hängt die richtige Wirkung des Gleichriclh- ters von mancherlei Voraussetzungen ab, deren Vorhandensein nicht immer mit Sicher heit zu erreichen ist. So zum Beispiel darf die Temperatur der Anode weder zu huch, noch auch zu gering sein, und das Vakuum muss stets unterhallb des kritischen Druckes gehallen werden, da sonst die soggenannte Rückzündung eintritt, welche einen Kurz schluss für das Netz bedeutet. Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine eleklriscle Sperreinrichtung mit an sich unbestimmter Stromrichtung, hei welcher in Vakuumgelfässen durelh Magneite beeinflusste Lichtbogen erzeugt werden und die Sper rung für den Stromdurchgang von der Art der Erregung und der Bemessung des Ma gneten abhängig gemnacht ist.
Zu dieseln Zwecke erfolgt die periodische Unterbrechung des Stromes in der gewünsmiten Stromrich tung durclh periodische Erregung eines den Lichlbuogen drusselnden Magneten, wobei aber die Frequenz der die Sperreinrichtung durch fliessenden Stronmwellen von der Frequenz des Erregerstromes alhäingig ist. Durch diese Art der periodischen Stromunterbrechung ist auch die Steuerbarken der Sperreinrichtung erreieht, denne durclh die Grrösse und Phase des Erregerstromnes wird die Gr össe und Phase der Stromwellen gegebenenfalls auch ihre Riehtung beeinflusst.
Um nun eine bestimmte Wellenfreduenz zu erlhalten, kann man den Magneten finit eirein @Veehselstroin erregen, dessen Frequenz gleieb der halben Frequenz der erzeugten Wellen ist. Legt man nämlieli die Elektroden der Sperreinrichtung an eine Gleichstromspannung, dann wird der ent stehende Lichtbogen jedesmal dann unter brochen, wenn das magnetische Feld einen gewissen Wert überschreitet.
Bei genügender Bemessung des Magneten geschieht dies wäh ren einer Periode zweimal, so dass die Zahl der Unterbrechungen, also auch die Zahl der Stromwellen, gleich der Wechselzahl des Er regerstromes ist. Die Frequenz des Erreger stromes ist in diesem Fall also gleich der Hal- ben Zahl der Stromwellen pro Sekunde. Man kann jedoch die Zahl der Unterbrechungen sec. gleich der Periodenzahl des Erreger stromes machen, wenn man den Magneten ausser von Wechselstrom auch noch von Gleichstrom erregt. In diesem Falle hat das Magnetfeld während einer Periode nur ein Maximum, wenn die Gleichstromampere- w indungen gleich dem Amplitudenwert der Wechselstromampèrewindungen sind.
Der Lichtbogen wird also während einer Periode des Erregerstromes auch nur einmal unter brochen.
Es könnte nun möglich sein, dass das Zerreissen des Lichtbogens nicht immer mit Sicherheit eintritt, sondern dass unter gewis sen Umständen nur eine Dehnung des Licht bogens erzielt wird, wenn zum Beispiel die Erregung des Magneten nicht ausreichend ist. In diesem Falle wird zwar der Wider stand des Strnmkreises vergrössert, aber der erstrebte Zweck nicht vollkommen erreicht Um aber den Lichtbogen mit Sicherheit, zum Erlösehen zu bringen, kann man eine Schneide öder mehrere Schneiden gegebenenfalls aus nichtleitendem und unverbrennbarem Material übereinander und in zur Achse des Licht bogens senkrechter Lage versehen, in welcher der Lichtbogen durch den Blasmagneten hin eingeblasen wird. Diese Schneiden tragen zur sicheren Unterbrechung wesentlich bei.
Da der Lichtbogen von den Polen des Blasmnagne- ten möglichst umfasst werden muss, ist es vorteilhaft, den Magneten in der Nähe der Elektroden auf den Lichtbogen einwirken zu lassen, da hier die Ausdehnung des Licht bogens am geringsten ist. Man kann aber auch ein zwischen den Elektroden wvagreclht geführtes Valkuumgefäss in der Mitte ver engen und den Magneten an dieser Stelle auf den Lichtbogen wirken lasen. Setzt man an dieser Stelle den Kondensationsraum für den Quecksilberdampf auf, dann wird man den Lichtbogen vorteilhaft in diesem Raum, und zwar gegen entsprechend angebrachte Schnei den blasen.
Die innerhalb des Vakuumgefässes einer solchen Sperreinrichtung auftretenden Tem peraturen sind ausserordentlich hoch, und e wird sich daher empfehlen, nur die Pole des Magneten in den Hohlraum des Gefässes hineinragen zu lassen, während mnan das Joch und die Wicklung des Magneten ausser halb des Gefässes anordnet. Sehr zweclknmäissig dürfte auch eine Kiülhlung des Magneten seid. und diese kann mit der Kühlung des ganzen Gefässes kombiniert werden.
Die Erfindung sei anhand der durch die Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbei spiele näher erläutert, In Fig. 1 ist eine Sperrzelle als Sperr einrichtung im Schnitt dargestellt. G ist das Vakuumngefäss mit den beiden Quecksillber- elektroden El und E2. M ist der Blasmagnet, dessen Erregerwichlung W vom Wechsel- stromnretz a, b erregt wird. Sind die Elek troden E1 uand E2 mit einem Gleichstromnnetz verbunden, dann ist die Zahl der die Zelle cunrch fliessenden Stromwellen gleich der Wechselzahl des Netzes, n h.
Liegen die Elek troden E1 und E2 an einem Wechselstromn- rnetz, dann nuss die Frequenz des Erreger netzes a b in diesem Falle gleich der halben Frequenz des Hauptnetzes sein, um nur in einer Richtung den Stromdurchgang zu sperren.
In Fig. \? ist an dem mittleren, verengten Teil des Gefässes G der hondensationsrauni für das verdampfte Quecksilber angesetzt. In diesem befindet sich die Schneide L9, gegen welche der Lichtbogen durch den Magneten geblasen wird. Man kann den Magneten so erregen, dass er den Lichtbooo,en bei der An ordnung nach Fig. 2 nur löscht, wenn er ilm gegen die Schneide<B>8</B> drückt.
In diesem Fa ll.e ist die Zahl der durch die Sperreinrichtung fliessenden Stromwellen gleich der einfachen Frequenz des Erregerwechselstromes.
Dieses lässt sich aber in vorteilhafter Weise durch eine gemischte Erregung des Magneten M gemäss Fig. 3 erreichen.
In F ig. 3 bedeutet Sp die die Sperrein- ricAtung lüldende Sperrzelle, M den Magne ten mit den Erregerwiclkluugen TW, und W2. B ist eine Batterie, T ein Transformator, welcher das Gleichstromnetz Ng mit dem Wechselstromnetz NW induktiv verkettet. Die Erregerwicklung TV1 ist vomn Netz N, die Wicklung W'2 vorn Wechselstromnetz Ne aus erregt. hie durch periodische Unter brechung, des Gleichlstromes pro Sekunde er zeugte Aizalhl von Stromwellen ist gleich Gier Frequenz des Erregernetzes Ne, da in diesem Falle ,jeder Periode des Erreger- wecliselstromes nur ein Feldmaximum ent spricht.
Der durch den Transformator auf das letz Nw übertragene Wechselstrom hat in der gewählten Schaltung die gleiche Fre quenz, wie das Erregernetz Ne, und man kann daher die Erregerwicklung WZ auch vom Netz NW speisen. Umgekehrt ist nan durch diese Einrich tung auch in der Lage, eine Batterie aus einem Wechselstromnnetz gegebenenfalls über einen Transformator zu laden, wenn der Rlas- magnet von der gegebenen Wechselstrom spannung erregt wird. Auch in diesem Falle rmuss der Magnet M ausser der Wechselstrom erregung noch eine Gleichstromerregung er halten, damit jeder Periode des Wechststro- mes nur ein Feldmaximum entspricht. Damit nun aber das Feldmaximum stets, z.
R. mit denn positiven Strommaximum, zusammen fällt, ist dafür zu sorgen, dass der Magneti sierungsstrom des Magneten möglichst pha sengleich mit der Netzspannung ist. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass in den Erregerkreis des Blasnmagnetes ein relativ hoher Ohm'scher Widerstand ge schaltet wird, oder dadurch, dass man ihn von einer um 90 gegen den Netzstrom bezw. Netzspannung verschobenen Spannung er- regt. Diese Spannung kann eventuell in einem Phasenumnformer beliebiger Art er zeugt werden.
Während lei der Einrichtung nach Fig. 3 eine Halbwelle des Wechselstromes durch die Wirkung des Rlasmagnetes stets unterdriickt wird, kann bei Verwendung zweier derartiger Sperrzellen gemäss Fig. -4 auch diese Welle des Weclhselstromes zur Ladungg der Batterie herangezogen werden. Die Leiden Blasmagnete werden dann in der Weise erregt, dass ihre Feldmaxima unm 180 zeitlich verschoben sind. Schaltet man ihre Wechselstromerreger wicklung TV,' und W2' hintereinander und erregt ihre Gleichstromerregerwicklung IV, und W2 von Gleichstrom im entgegengesetz ten Sinne, dann erhäilt mnan für diese Magnet feldstärke das Bild der Fig. 6.
Ist Kurve I die Erregerstromnstiirke durch Weclhselsitrom für beide Blasmagneten, Kurve II die Er- regerstromstdirke durch Gleichstrom für den einen, Kurve III die Erregerstromstärke für den andern Magneten, dann resultiert im ersten Magneten eine Erregeramperewin dungszahl gemäss Kurve Il' und im andern Magneten die der Kurve V. Da die Stärke des Magnetfeldes (ohne Berücksichtigung der Säittigung) proportional der Erregung ge setzt werden kann, so stellen Kurven IV und V auch den zeitlichen Verlauf der Feldstärke dar, und man erkennt, dass die Maxima uni 180' verschoben sind.
In Fig 4- ist die Anordlnung für Um wandlung von Gleichstrom in Wecbselstrom und umgekehrt im Prinzip veranschaulicht. Es lbedeutet F die Ratterie (oder den Energie- speicber für Gleichstrom, z. R. Gleichstrom- nmaschine mit Schwvingrad). D ist ein Span- rnungsteiler, der als einspuliger oder zwei- spidiger Transformator ausgebildet sein kann.
Sp1 und Sp2 sind Sperrzellen, M1 und M2 die zugehörigen Blasmagneten. Die Wick lungen W1 und W2 der Magneten M1 und M2 werden vom Gleichstrom der Batterie erregt, während die Wicklungen TU( und W2' in Rei- liensebaltung von einer ge"-en die @etzspan- nung urn 90 verschobenen Spannung, z. B. des Netzes lN, erregt werden, so dass die Phase der Magnetfelder die richtige ist. Sind dann olle Maxima der Felder von MZ1 und M2 un 180 zeitlich gebeneinander verschoben, dann sperrt dir eine Zelle den Strom, wenn die anrdore ihn freigibt.
Die Richtung, nach Welc her im Hauptstromkreis der Strom fliesst, ob von der Batterie in den Transformator D oder vom Transformator in die Batterie, hängt davon ah, welche Spannung gerade ülberwiegt. Es kommt nur darauf an, dass stets der Stromdurchgang in demjenigen Kreis freigegelben ist, in welchem sich die Gleichstrom- und Wechselstromspannung entgegenwirken, während der Stromdurch gang in dem Kreis, in welchem sie hinter einandergeschaltet sind, gesperrt ist.
Bei Mehrphasenstrom, z. B. Dreiphasen strom, ist die Erregung der Blasmagneten von richtiger Spannung ohne weitere Hilfs mittel möglich, indem die Enden der Er regerwicklung der Magneten für Phase I an die Aussenleder der Phasen II und III an belegt werden. Die Anordnung zur Umwand lung von Dreiphasenstrom in Gleichstrom, oder umgekehrt, an sieh wäre folgende.
Die Batterie, bezw. das Gleichstromnetz N9 wird gemäss Fig. 5 mit einem Pol an den neutralen Punkt einer an das Dreiphasen netz Nw angeschlossenen, gegebenenfalls sechsphasigen Drosselspule D (oder der Se kundärwicklung eines Dreiphasentransforma tors) gelegt, während der andere Pol über sperrzellen Sp1 his Sp6 an die Aussenleiier des Dreiphasennetzes, bezw. an die Enden voll D angeschlossen ist. Die Blasmagnete werdlen in der oben beschilderten Art erregt und stets wird diejenige Zelle für den Strom durchgang freigegeben, in deren Stromkreis die Spannung der Batterie der Wechselstrom spannung entgegengerichtet ist.
Es war bisher angenommen worden, die Sperreinrichtung bestehe aus einer Sperr- d. h. aus einer beschlossenen horizon- @alen Röhre, an deren beiden Enden je ein Qu@@ksilbernapf vorgesehen ist, wobei diese beiden mit Quecksilber gefüllten Näpfe durch in das Glas eingeschmolzene Platindrähte mit den Klemmen des Apparates in leitender Verbindung stehen und die Elektroden der Zelle darstellen. Zur magnetischen Beeinflus sung ist am Kittelteil der horizontalen Röhre ein Magnet angebracht, dessen Feld das Rohr wirksam durchsetzt.
Solch ein Apparat be sitzt aber einen sehr erheblichen Nachteil, da bei längerem Betrieb das Quecksilber niveau der beiden Näpfe sich ändern kann. Die Elektroden können zwar jede Anode oder Kathode sein, je nach der augenblick lieben Spannungsrichtung an der Sperrzelle, sie Dönnen auch von Zeit zu Zeit ihre Rolle vertauschen, aber da die Anode erfahrungs gemäss mehr Quecksilber verdampft, als die Kathode, kann es nicht ausbleiben, dass das Niveau der einen Elektrode sich hebt, das andere sich senkt und dass schliesslich durch überlaufendes Quecksilber ein Kurzschluss im Apparat entsteht.
Es soll nunmehr eine elektrische Sperr einrichtung mit an sich unbestimmter Strom richtung beschrieben werden, bei welcher dieser Übelstand vermieden ist. Zu diesem Zwecke bestellt die Sperreinrichtung aus zwei parallel geschalteten Elementen, von denen jedes bereits ohne magnetische Sperrung den Strom in nur einer Richtung durchlässt, wo bei aber die Durchlassrichtungen der beulen Elemente einander entgegengesetzt sind. Durch die magnetische Beeinflussumg wird nun in beiden Elementen der Stomdurch- gang auch für die jeweils andere Richtung periodisch gesperrt, so dass während der hal ben Zeit einer vollen Periode des Erreger stromes die Sperreinrichtung für den Strom ganz undurchlässig ist, während sie ihn für die andere dalbperiocle für beide Stromrich tungen freigibt.
Diese Sperreinrichtung sei anhand des durch Fig. 7 dargest-ellten Aus- führnnm-sbeispieles näher erläutert.
In Fi-. 7 bedeuten .91 und die beiden derart parallel geschalteten Elemente, dass S, den Strom von -tja narb u, S. den Strom von n nach gn durchlä sst. Diese Elemente er halten also eincletiti";e Elektroden, und es i:
,t die Anode a, mit der Kathode k" und die Anode a2 mit der Kathode k1 verbunden. Die beiden Magnete M1 und M2 dienen dazu, den Stromdurchgang periodisch während einer Halbperiode des Erregerwechselstromes zu sperren, und zwar soll diese Sperrung in beiden Elementen gleichzeitig erfolgen. Nimmt man nun zum Beispiel an, zwischen w und nt herrsche eine Wechselspannung; es sollen aber nur die von m nach n gerich teten Stromwellen zustandekommen. Dann ist die Phase des Erregerwechselstromes so ztu wählen, dass für die Zeit derjenigen Halb periode, in welcher die Stromrichtung von n nach m vorhanden ist, das Feld der Steuer magnete ein Maximntum ist, so dass der Strom durchgang in beiden Elementen gehindert ist.
Im Element S1 findet auch an sich eine Sperruneg des Stromes statt, da der Strom nicht von k1 nach a1 fliessen kann. Hier un terstützt aber das Magnetfeld diese Wirkung der Zelle an sich und lässt sogenannte ,,Rück zündungen" nicht zu. Um den Strom in der Richtung von na nach n zu sperren, müsste die Phase des Erregerwechselstromes um 180 verschoben werden. Dies könnte zum Beispiel durch Umkehr des Erregerstromes der Erregermaschine W M geschehen. In den meisten Fällen wird aber eine Umschaltung des Erregergleichstromes, also der Batterie B, genügen. In Fig. 7 sind gemischt erregte Magnete Ml und M2 gezeichnet, deren Wick lungen W1 und W2 Gleichstrom, W1' und W2' Wechselstrom führen. Die Zellen kön nen aber auch in anderer zweckentsprechen der Art ausgebildet sein.
Bei der durch Fig. 7 dargestellten Anord nung ist das Niveau der Quecksilberelektro den k1 und k2 unveränderlich, da nur die Kathoden aus Quecksilber bestehen und die entwickelten Quecksilberdämpfe nach Kon densation zu ihren Näpfen zurückfliessen. In gewissen Fällen ist es nicht erforderlich, dass beide Elemente der Sperrzelle magnetisch steuerbar sind, es genügt unter Umständen, dass das eine Element ein gewöhnliches ,,Ven tilelement", das andere dagegen eine magne tisch gesteuerte Zelle ist. Dieser Fall tritt zum Beispiel ein, wenn es sich um ein Zu- rüclkarbeiten eines Gleichstromnetzes auf ein Weclhselstromnetz, und umgekehrt handelt.
Fig. 8 und 9 veranschaulichen diesen Fall für Einphasenwechselstrom. Die Anordnun gen sind aber ohne weiteres auf Mehrphasen systeme übertragbar, was um so leichter einzu sehen ist, als ja selbst bei Einphasenstrom, den Sekund < ärwiclklungen s1 und s2 des Trans formators T bereits zwei unm 180 in der Phase verschobene Spannungen entnommen werden. Bei Dreiphasenstrom wären es drei um 120 oder sechs um 6l verschobene Spannungen usw.
In Fig. 8 bedeutet T einen Wechselstrom transformator mit der Primärwicklung p und der Sekundärwicklung s1, s2 mit dem Null punkt 0. B ist die Batterie, an deren Stelle aber auch andere Gleichstromverbraucher bezw. Gleielhstromquellen gesetzt werden kön nen. Z1 und Z sind zwei der beschriebenen Sperreinrichtungen, welche aus zwei derart parallel geschalteten Ventilelementen S1 und S2 bezv. S3 und S4 bestehen, dass S1 bezwv. S4 ohne magnetische Beeinflussung den Strom durchgang in der entgegengesetzten Rich tung wie S bezw. S3 gestattet. Als Ganzes betrachtet, lässt also sowohl Z1 wie auch Z2 den Strom in beiden Richtungen durch.
Die Elemente S1 und S4 sind aber mit den Steuer magneten Ml und M4 ausgestattet, welche den Stromdurchgang jeweils für diejenige Halbperiode des )Vechselstromes sperren, in welcher in dem Stromkreis s. Z@ B bez,#v. s, Z, B die Wechselstrom- und Gleichstrom spannung<I>in Reihe</I> wirken, während sie den Stromdurchgang ganz frei geben, wenn die Wechselstrom- und Gleichstromspannung ein ander entgegeiagerichtet sind.
Sind die Span nun-en gleichgerichtet, dann genügt das Feld des einzig vorhandenen Steuermagneten gl, bezw. M" um den Strom völlig zu sper ren, da das Element S= bezw. S." bei dieser Spannungsrichtung ohnehin den Strom nicht durchlässt. Sind die Spannungen entgegen gerichtet. dann soll der Stromdurchgang nach beiden Richtungen möglich sein.
Nach welchen Richtungen der Strom dann fliesst, ist noch unbestimmt und hän -t davon ab, ob die Gleichstrom- oder Wechselstromspan nung überwiegt.
Die Sperreinrichtungen Z1, Z2....... der verschliedenen Phasen lassen sich auch teil weise zu einheitlichen Gebilden vereinigen, wie es Fig. 9 zeigt. Im Prinzip ist Fig. 9 identizsch mit Fig. 8, in der Abbildung der Zellen jedoch etwas verschieden. Die Fle- inente S2 Lund S2 der Fig. 8 sind in einem ein zigen Gefäss vereinigt und stellen einen Glchrichter gewöhnlicher Bauart mit melh- reren Anoden und gemeinsamer Kathode dar. In ähllicher Weise ist S1 und S, in einem einzi gen, aber mit der Trennungswand q ver- sehenen Gefäss vereinigt, welches mehrere Kathoden (1c1, und 7c4,) und eine gemeinsame An adle (a1) besitzt.
S1 und S, sind aber noch durch die Magnete M1 und M4 steuerbar. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, entspricht die Schal tung im übrigen genau der Schaltung der Fig. B. Auch bei dieser Ausführungsform der Sperreinrichtungen wird der oben erwähnte Nachteil eine, Kurzschliessers völlig ver mieden.
Die Anwendung der erläuterten Einrieb- tung ist eine ausserordentlich vielseitige. Ausser der bereits erwähnten Anwendung zum wechselseitigen Arbeiten eines Gleich- stem- und Wechselstromnetzes aufeinander kamn cdie Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom auieh für andere Zwecke, z. B. cbemische Zwecke, dienlich sein. Überall da, wo man sonn Wechselstrom-Gleichstrom umformer verwendete, oder wo periodische Widerstandsänderungen eines elektrischen Stromkreises erzeugt werden sollen, wird man Sperrzellen der beschriebenen Art vor teilhaft verwenden können.