DE1087254B

DE1087254B - Anordnung zum schnellen Entregen bzw. zur schnellen Erregungsumkehr von induktiven Gleichstromkreisen, insbesondere zum Umerregen des Feldes von Gleichstrommaschinen

Info

Publication number: DE1087254B
Application number: DEP11727A
Authority: DE
Inventors: Otto Beholz
Original assignee: Pintsch Bamag AG
Current assignee: Pintsch Bamag AG
Priority date: 1954-04-09
Filing date: 1954-04-09
Publication date: 1960-08-18

Description

DEUTSCHES

Die bei der Ab- und Umschaltung von Gleichstromkreisen, welche große Selbstinduktivität enthalten, auftretenden Überspannungen bringen technisch erhebliche Schwierigkeiten, da sie an den Schaltern zu Funken- und Lichtbogenbildung und in den Wicklungen selbst zu Zerstörungen führen können.

Diese Schaltprobleme treten beispielsweise bei der Abschaltung von Magnetkupplungen und Hubmagneten auf, sind aber ganz besonders wichtig bei allen Maschinen mit gleichstromerregten Feldwicklungen.

Es sind eine ganze Reihe von Schaltungen bekannt, die dazu dienen sollen, die Ableitung der in der Spule gespeicherten Energie in unschädlicher Weise zu bewirken. Eine der bekanntesten Maßnahmen ist die Parallelschaltung eines Widerstandes zur Selbsinduktionsspule.

Weiter ist ein Verfahren zur Schnellentregung bekannt, bei welchem die in der Induktivität gespeicherte Energie abwechselnd von einem Gegenspannungserzeuger, wie beispielsweise einem Kondensator oder einer leer laufenden, eventuell mit einer Schwungmasse gekuppelten Gleichstrommaschine aufgenommen und wieder in die Induktivität zurückgespeist wird. Bei diesen mit beliebig geringer Frequenz erfolgenden Energiependelungen wird ein Nulldurchgang der Spannung für den eigentlichen Schaltzeitpunkt ausgenutzt, um leistungslos schalten zu können.

Bei den folgenden Erläuterungen sei von der Umerregung der Feldwicklungen von Gleichstrommaschinen, die über gesteuerte Gleichrichter betrieben werden, ausgegangen, da dies eine der wichtigsten technischen Aufgaben ist. Jedoch ist die Anwendung der Anordnung nach der Erfindung, wie bereits erwähnt, nicht hierauf beschränkt.

Um die Drehrichtung einer Gleichstrommaschine umzukehren, wird die Spannung entweder am Anker oder an der Feldwicklung umgepolt. Bei Umkehrantrieben mit elektronisch geregelter Motorsteuerung macht man meist von der Ankerumpolung Gebrauch, weil sich damit verhältnismäßig kurze Umsteuerzeiten erzielen lassen, aber die zu schaltende Leistung und damit die Belastung für die Schalter bzw. Wendeschütze ist höher als für Feldumkehrbetrieb und so die Schalthäufigkeit beschränkt.

Bei Umpolung des Feldes ist zwar die zu schaltende Leistung geringer, aber die Beherrschung der auftretenden Überspannungen verlangt Schaltmaßnahmen, welche die Umsteuerzeit verlängern. Wechselt man nämlich die Polarität des Erregerfeldes zu schnell, so treten infolge der Selbstinduktion an der Feldwicklung derart hohe Spannungsspitzen auf, daß sie zur Zerstörung der Wicklung führen können. Dabei ist außer der absoluten Höhe auch die Stirnflankensteilheit der Überspannung des Ausgleichsvorganges maß-

Anordnung

zum schnellen Entregen bzw. zur schnellen Erregungsumkehr von induktiven

Gleichstromkreisen,

insbesondere zum Umerregen des Feldes von Gleichstrommaschinen

Anmelder:

Pintsch Bamag Aktiengesellschaft,
Berlin NW 87, Reuchlinstr. 10-17

Otto Beholz, Hegne (Kr. Konstanz),
ist als Erfinder genannt worden

gebend, da der kapazitive Verschiebungsstrom zwischen den Wicklungslagen zu Stoßionisation führen kann und damit den Durchschlag einleitet. Zur Begrenzung dieser Überspannungen wird in bekannten Feldumkehrschaltungen meist parallel zur Feldwicklung ein Schutzwiderstand geschaltet. Dieser Widerstand verbraucht jedoch während des Normalbetriebes nutzlos Leistung und vergrößert beim Umschalten die Zeitkonstante des Ausgleichsvorganges.

Bei dem bekannten Verfahren zur Schnellentregung mittels Kondensator bzw. Energiespeicherung in rotierenden Massen muß ein Nulldurchgang der oszillierenden Spannung für den Schaltzeitpunkt abgewartet werden. Die Höhe der auftretenden Überspannung ist dabei nicht durch Schaltmaßnahmen festgelegt.

Es ist weiter bekannt, durch Gegenspannungen die Entregung bzw. Umerregung zu beschleunigen. Beispielsweise wird bei einem fremderregten Generator die Gegenspannung durch Umpolen der Feldspannungsquelle erhalten, und man kann sie durch Umgehen des S teil Widerstandes im Feldkreis höher als im Normalbetriebe wählen. Jedoch hat man bei dieser bekannten Anordnung keine Vorsorge getroffen, Überspannungen abzuleiten, welche die Schalteinrichtungen gefährden könnten. Eine andere bekannte Einrichtung schaltet die Spannungen zweier Erregermaschinen in der Weise gegeneinander, daß die Differenzspannung eine zur Entregung dienende Gegenspannung ergibt, welche jedoch unterhalb der normalen Netzspannung

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liegt. Auch ist es bekannt, die Induktivität zur Entregung parallel zu einem ungeladenen Kondensator zu schalten.

Die vorgeschlagene Anordnung ist jedoch besonders vorteilhaft, weil die gewählte, Gegenspannung in Höhe der für die Schalteinrichtungen maximal zulässigen Überspannung und somit höher als üblich gewählt wird. Den ersten Teil des Ausgleichvorganges übernimmt ein Schaltgleichrichter, der einen teilweisen Ladungsausgleich der Feldenergie über den Kondensator ermöglicht, solange dieSelbsinduktionsspannung die in Höhe der zulässigen Überspannung eingestellte Gegenspannung überschreitet. Nach Absinken der Selbstinduktionsspannung auf den Wert der (umgepolten) Netzspannung sperrt der Schaltgleichrichter, und die weitere Umerregung erfolgt mit konstanter Netzspannung.

Gemäß der Erfindung ist die neue Anordnung zum schnellen Entregen bzw. zur schnellen Erregungsumkehr von induktiven Gleichstromkreisen, insbesondere zum Umerregen des Feldes von Gleichstrommaschinen, unter Verwendung einer Gegenspannungsquelle dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator mit parallel geschaltetem hochohmigem Widerstand vorzugsweise über einen Gleichrichter auf einer der zulässigen Überspannung gleichen Gegenspannung gehalten und über einen Schaltgleichrichter, der die Gegenspannung vom induktiven Gleichstromkreis fernhält, beim Entregen bzw. Umerregen des induktiven Gleichstromkreises derart parallel zur Induktivität des Gleichstromkreises geschaltet wird, daß die an der Induktivität auftretende Selbstinduktionsspannung beim Überschreiten der die zulässige Überspannung festlegenden Gegenspannung über den Schaltgleichrichter und die mit ihm in Reihe liegende: Parallelschaltung aus dem Kondensator und dem hochohmigen Widerstand abgeleitet wird.

Ein Teil des beim Schaltvorgang frei werdenden Energieinhaltes der Induktivität der Feldwicklung wird mit definierter zulässiger Überspannung von einer Kapazität aufgenommen. Dieser Kondensator wird auf einer der Öffnungsspannung der Selbstinduktion entgegengerichteten Gleichspannung gehalten, die praktisch der gewählten zulässigen Überspannung entspricht. Ein hochohmiger Widerstand überbrückt den Kondensator, um diese Gegenspannung definiert zu erhalten und nach Schaltvorgängen die Ladungen auszugleichen und höhere als die zulässigen Überspannungen abzuleiten. Zwischen dem Kondensator und dem induktiven Gleichstromkreis liegt ein Schaltgleichrichter, der im Normalbetrieb die der zulässigen Überspannung entsprechende Gegenspannung vom induktiven Gleichstromkreis fernhält, aber beim Umsteuern die entgegengerichtete Selbstinduktionsspannung der Schaltvorgänge zum Kondensator durchläßt, solange sie die zulässige Spannung überschreitet. Die Umsteuerzeiten werden gegenüber bekannten Anordnungen, beispielsweise mit Schutzwiderstand, wesentlich verkürzt, und der zusätzliche Leistungsaufwand ist für die Kondensatorschaltung viel geringer.

Bei Betrieb von Gleichstrommaschinen aus dem Wechselstromnetz über gesteuerte Gleichrichter ist eine Nutzbremsung der Maschine im Wechselrichterbetrieb mit Energierücklieferung ins speisende Netz bei der vorgeschlagenen Feldumkehrsteuerung sehr leicht möglich, da für diesen Fall lediglich der Zündwinkel der Ankerstromrichtergefäße über 180° hinaus verstellt zu werden braucht und im übrigen keine Änderungen, insbesondere Unterbrechungen und Umschaltungen, im Ankerkreis notwendig sind.

Ein Ausführungsbeispiel erläutert die Vorteile der Erfindung. Die Zeichnung zeigt das Prinzipschaltbild der vorgeschlagenen Anordnung.

Es sei -beispielsweise eine Überspannung Ü vom doppelten Betrag der Nennspannung U_n zugelassen. In der Abbildung wird die Feldwicklung der Maschine, dargestellt durch die Reaktanz L_P und den ohmschen Widerstand R_P der Wicklung, vom Transformator Tr über den Gleichrichter Gl₁ mit der Nenn-

spannung U_n versorgt. Der durch die Feldspulen fließende Nennstrom sei I_F. Mit dem Wendeschütz FW kann die Erregerspannung der Maschine umgepolt werden. Parallel zur Wicklung liegt der Kondensator Cp, der zur Funkenlöschung am Wendeschütz dient, aber in dieser Schaltung auch die Aufgabe hat, die Steilheit der Stirnflanke der durch die Feldumkehr bedingten Ausgleichspannungen zu verringern. Der reichlich bemessene Ausgleichkondensator C wird vom Transformator Tr über den kleinen Gleichrichter GZ₂

so auf eine Gleichspannung Ü in Höhe der zulässigen Überspannung aufgeladen. Um diese Spannung bei allen Ausgleichvorgängen definiert zu halten, ist der Kondensator C mit einem Hochohmwiderstand R überbrückt. Zwischen Kondensator und Feldkreis liegt ein Schaltgleichrichter Gl₃, der so angeordnet ist, daß er die Ausgleichspannung durchläßt, solange sie die Gegenspannung Ü übersteigt. Die normale Betriebsspannung U_n kann wegen der am Kondensator C liegenden höheren Gegenspannung Ü über den Schaltgleichrichter Gl₃ keinen Strom fließen lassen.

Wird nun die Feldwicklung durch Betätigen des Wendeschützes FW umgepolt, so fließt in der Wicklung beim Abbau des Feldes zunächst der Strom in ursprünglicher Richtung weiter, und die Spannung an den Klemmen der Wicklung steigt infolge der Selbstinduktion steil an. Erfindungsgemäß kann die Überspannung nur bis zu dem zulässigen vorgewählten Wert Ü der Gegenspannung ansteigen, welche am Ausgleichkondensator C liegt. Für den Ausgleichstrom/_fz=0 ist der Weg zum speisenden Netz durch den Gleichrichter Gl₁ gesperrt, der Durchgang über den Schaltgleichrichter Gl₃ zum Kondensator C aber frei. Die Kapazität C wird so groß bemessen, daß die sich entladende Induktivität die Spannung Ü an C nicht wesentlich erhöhen kann. Der hochohmige Widerstand R sorgt dafür, daß die Spannung an C den Wert Ü auch bei mehrmaligem Umsteuern in kurzen Zeitabständen wieder erreicht. Ein Teil des Energieinhaltes der Induktivität wird bei der konstanten Spannung C in den Kondensator C übertragen. Dies bewirkt eine schnellere Entladung der Induktivität als z. B. bei Verwendung eines Schutzwiderstandes, da in diesem Fall die Klemmenspannung während des Entladevoroanges proportional mit dem Strom sinken würde und der Ausgleichstrom allmählich verschwindet.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum schnellen Entregen bzw. zur schnellen Erregungsumkehr von induktiven Gleichstromkreisen, insbesondere zum Umerregen des Feldes von Gleichstrommaschinen, unter Verwendung einer Gegenspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (C) mit parallel geschalteten! hochohmigem Widerstand (R) vorzugsweise über einen Gleichrichter (Gl₂) auf einer der zulässigen Überspannung gleichen Gegenspannung (Ü) gehalten und über einen Schaltgleichrichter (Gl₃), der die Gegenspannung vom induktiven Gleichstromkreis fernhält, beim Entregen bzw.

Umerregen des induktiven Gleichstromkreises derart parallel zur Induktivität des Gleichstromkreises geschaltet wird, daß die an der Induktivität auftretende Selbstinduktionsspannung beim Überschreiten der die zulässige Überspannung festlegenden Gegenspannung über den Schaltgleichrichter (Gl₃) und die mit ihm in Reihe liegende Parallelschaltung aus dem Kondensator (C) und dem hochohmigen Widerstand (R) abgeleitet wird. 2. Anordnung nach Anspruch]., dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (C) und der Widerstand (R) so bemessen sind, daß beim Entregungsvorgang bzw. bei der Umkehr der Erregung die am Kondensator liegende Spannung (O) nur unwesentlich und kurzzeitig überschritten wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Induktivität des Gleichstromkreises ein Funkenlöschkondensator (Cp) geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
ίο Deutsche Patentschriften Nr. 269 149, 304 323,
851, 394 441, 418 038;
ETZ., 1927, S. 1719.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen