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Kontaktgleichrichter mit Schaltdrosseln und regelbarer Gleichspannung
Mechanische Gleichrichter mit Schaltdrosseln können bekanntlich auf drei verschiedene
Arten hinsichtlich ihrer Spannung gesteuert bzw. geregelt werden. Zunächst kann
@die speisende Drehspannung in ihrer Höhe durch einen Stufentransformator geändert
werden. Diese Steuerung bzw. Regelung hat den Vorteil, daß sie :den Leistungsfaktor
nur wenig beeinträchtigt, sie hat jedoch den N.achtei.l, daß bei großen Leistungen
Stufentransformatoren nur als Stufenregler ausgeführt werden, so daß eine Feinregelung
nicht möglich oder nur schwierig ist.
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Die zweite Möglichkeit darin, ähnlich wie bei der Gittersteuerung
von Quecksilberdampfgleichrichtern, den Einschaltpunkt einer Phase zeitlich zu verzögern.
Bei dieser Möglichkeit müssen mit abnehmender Gleichspannung die Kontaktschließzeiten
verkürzt werden, da mit abnehmenderGleichspannung die Kommutierung unter größeren
Augenblickswerten der hommutierungsspannung und -daher schneller erfolgt. Diese
Möglichkeit hat den allgemeinen Nachteil, daß mit abnehmender Gleichspannung der
Leistungsfaktor Mark verringert wird. Außerdem hat sie den besonderen Nachteil,
daß mit abnehmender Gleichspannung die Kontakte beim Einschalten nicht spannungsfrei
sind und,daß :diese daher :dazu neigen, .beim Einschalten zu feuern oder wenigstens
Stoffwanderung zu machen. Gegen diese Stoffwanderung hat man, ähnlich wie die Schaltdrosseln,
Einschaltdrosseln eingebaut, die im Einschaltaugenblick den Anstieg des Laststrotnes
eine Zeit von der Größenordnung 10-4 s verzögern, so,daß der Kontakt erst dann mit
Strom belastet wird, wenn er bereits unter vollem Druck geschlossen ist. Es hat
sich herausgestellt, daß diese Einschaltdrosseln in vielen Fällen nicht ganz einwandfrei
arbeiten, weil :es aus verschiedenen Gründen schwierig ist, den Anstieg des Stromes
durch eine Sättigungsdrossel so kurze Zeit wie 10-4 s zu verzögern.
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Aus diesem Grunde hat man eine dritte Möglichkeit benutzt, welche
darin besteht, daß die Kontaktschließzeiten stets mit dem Schnittpunkt der sich
ablösenden Phasenspannungen zusammenfallen, daß jedoch die Übernahme :des Stromes
auf die neue Phase dadurch verzögert wird"daß die Schaltdrosseln im Augenblick des
Einschaltens mehr oder weniger negativ vorerregt werden, so daß durch den Vorerregerstrom
der Anstieg des Laststromes verzögert ,und @damit-die Gleichspannung gesteuert b:zw.
geregelt werden kann. Diese letzte Möglichkeit gestattet es, je nach der Größe -der
Schaltdrosseln die Spannung bis zu 50 % oder :mehr zu regeln, ohne daß die Kontakte
beim Einschalten Spannung aufweisen, :d. h. ohne die Gefahr von Stoffwanderung.
Bei dieser Steuerung bzw. Regelung müssen :die Kontaktschließzeiten :mit abnehmender
Gleichspannung verlängert werden, im Gegensatz zu dem obenerwähnten mechanischen
Regelverfahren, bei dem die Kontaktschließzeiten mit abnehmender Gleichspannung
verkürzt werden müssen. Die Verlängerung der Kontaktschließzeiten hat im praktischen
Betrieb den Nachteil, daß bei Störungen der Netzspannung oder auch der Gegenspannung
auf der Gleichstromseite eine erhöhte Gefahr der Rückzündung auftritt, da bei verlängerter
Kontaktzeit die Überdeckung der Kontaktschließzeiten aufeinanderfolgender Kontakte,
d. h. also die Zeit, während deren zwei Phasen kurzgeschlossen sind, vergrößert
wird. Fällt beispielsweise der Vorerregerstrom ganz oder teilweise .aus, weil die
speisende Netzspannung ausfällt oder abgesenkt wird, so verschwindet die spannungssteuernde
Wirkung, d. h. diie Stromstufe kurz nach dem Einschalten einer Phase, und die für
.den normalen ungestörten Betrieb eingestellte verlängerte Kontakbschließzeit erweist
sich als zu groß, so daß die Gefahr von Rückzündungen besteht. Das magnetische Steuerverfahren
hat außerdem den Nachteil, - daß es die Gleichspannung nicht beliebig weit heruntersteuern
kann, sondern je nach der Größe der Schaltdrosseln praktisch nur um etwa 30 bis
50%. Soll die Gleichspannung weiterverringert werden, so muß das mechanische Steuerverfahren,
d. h. .die zeitliche Verzögerung der Einschaltzeitpunkte .angewendet werden, da
auch der Spannungsregelung mit dem Regelumspanner nach unten hin Grenzen -gesetzt
sind, die damit zusammenhängen, daß mit verringerter zugeführter Wechselspannung
die Stufender Schaltdrossel unter Umständen :so groß werden, daß kein einwandfreier
Betrieb mehr möglich ist. Wendet man also neben :dem Regelumspanner das magnetische
Regelverfahren an, so muß bei Spannungsregelung auf sehr kleine Werte der Gleichspannung
herab das magnetische Regelverfahren aufgegeben und statt dessen die zeitliche Verzögerung
der Schließzeitpunkte herangezogen werden.
Die Erfindung ermöglicht
nun eine Regelbarkeit-des Kontaktgleichrichter ohne die obererwähnten Nachteile.
Zunächst sei noch bemerkt, daß es bereits bekannt ist, bei Kontaktgleichrichtern
mit Schaltdrosseln und regelbarer Gleichspannung gleichzeitig mit der Änderung der
Vormägnetisierungder Schaltdrosseln eine Änderung der Zeitpunkte der Kontaktschließung
und -öffnung vorzunehmen. Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktgleichrichter
mit Schaltdrosseln und regelbarer Gleichspannung, bei denen die Steuerung bzw. Regelung
-der Gleichspannung durch einen Stufentransformator, eine dem Anschnitt entsprechende
zeitliche Verzögerung der Kontaktschließzeiten und durch eine magnetische Beeinflussung
der Schaltdrosseln erfolgt. Erfindungsgemäß sind die zeitlicheVerzögerung derEinschaltzeitpunkte
d erKontakte und die magnetische Beeinflussung der Schaltdrosseln derart miteinander
gekuppelt, daß die Kontaktschließzeiten innerhalb einer Stufe des Stufentransformators
konstant bleiben können. Diese Kombination der beiden Steuerverfahren hat den Vorteil,
daß keine so große bzw. gar keine Verlängerung der Kontaktsehließ,zeiten mit abnehmender
Gleichspannung erforderlich ist. Sie hat außerdem .den Vorteil, daß durch die magnetische
Beeinflussung der Schaltdrossel sich eine Einschaltstufe erzeugen läßt, welche sicher
ausreicht, um die mit zunehmender mechanischer Verzögerung der Kontaktschließzeiten
zunehmende Einschaltspannung an den Kontakten ohne Gefährdung der Kontakte :durch
Stoffwanderung zu beherrschen. Es wäre an sich möglich, auf den Stufentransformator
.ganz zu verzichten und mit der Kombination der mechanischen und magnetischen Regelung
den ganzen Spannungsbereich zu überstreichen- Dies hat jedoch den Nachteil, daß
der Leistungsfaktor der Anlage bei kleinen Spannungen zu klein wird. Es hat außerdem
Iden Nachteil, daß Gl.eichsp.annung und Gleichstrom verhältnismäßig viele Oberwellen
enthalten würden und @daß bei kleiner Gegenspannung die Kontakte verhältnismäßig
große Spannungen einzuschalten haben. Beschränkt man sich jedoch mit der Kombination,der
mechanischen und der magnetischen Regelung im wesentlichen auf- den Stufenbereich:
eines Regelumspanners, also beispielsweise auf 10 '/a, so bleibt der Leistungsfaktor
noch erträglich,. die Oberwellen noch klein und die Einschaltspannung an. den Kontakten
auch bei großen Gleichspannungen noch so klein, @daß sie sicher beherrscht wird:
Die Erfindung eignet sich besonders . gut für sechsphasige Brückenschaltungen, !bei
denen die Einschaltspannung an den Kontakten bei mechanischer Verzögerung der Kontaktschließzeiten
an sich bereits. recht. klein ist. Bei dieser Schaltung lassen sich unter Benutzung,der
Erfindung auch Gleichrichter für Spannungen oberhalb von 40.0 V bauen. Die .magnetische
Beeinflussung der Schaltdrosseln erfolgt- am einfachsten: durch einen Vorerregerstrom.
Damit dieser ,Strom im Augenblick der Kontaktöffnung keine unerwünschten Wirkungen
ausübt, muß_ er zu diesem. Zeitpunkt möglichst Null sein. Dies bedeutet, daß der
Vorerregerstrom von,der Sinusform aibweichen, nämlich selbst stromlose Stufen aufweisenmuß.
Einen solchenSt.rom -kann man erzeugen, indem man in denVorerregerkreis Sättigungsdrosseln
einführt. Die magnetische Beeinflussung der Schaltdrosseln, d.-h. die Beeinflussung
ihrer Magnetisierung im Einschaltzeitpunkt derHauptkontakte kann dann dadurch erfolgen,
daß die Größe des mit- Stufen versehenen Vorerregerstromes z. B. durch eine regelbare
Induktivität verändert wird. Gegenüber der Regelung des Stromes durch Widerstände
hat:,dies#den Vorteil, daß weniger Verluste auftreten .und,daß die Regelung einer
Induktivität ohne mechanisch aufeinander gleitende Teile (wie bei Schiebewiderständen
oder Kollektoren) erfolgen kann beispielsweise durch zwei Spulen, die räumlich gegeneinander
verdreht werden. Man kann die Verstellung -dieser regelbaren Induktivität mechanisch
mit der Verstellung der Phasenlage des Antriebs für die Kontakt, beispielsweise
des Antriebsmotors selbst oder eines vor ihn geschalteten Phasendrehers kuppeln.
Diese Kupplung erfolgt in der Weise, daß innerhalb der Stufe des Regelumspanners
die Kontaktschließzeit urgeändert bleiben kann. Man erreicht :dies durch eine zweckmäßige
Kupplung der beiden Regelverfahren derart, daß die Verlängerung ,der Kontaktschließzeit,
die die magnetische Regelung mit sich bringt, .gerade aufgehoben wird durch die
Verkürzung der Kontaktschließzeit, welche die magnetische Regelung erfordert. Man
kann die drei Steuerverfahren so miteinander verbinden, daß die Umschaltung der
Stufen des RegeIumspanners selbsttätig dann erfolgt, wenn die miteinander gekuppelten
beiden anderen Regelverfahren eine gewisse Grenze der Spannungsregelung überschreiten.
Auf diese Weise erhält .man einen Gleichrichter, der in der Spannung bis auf Null
herunterzuregeln ist und der dabei je nach den Umständen etwa die Hälfte dieser
Regelung durch denRegelumspannerselbsttätig ausführt, während die andere Hälfte
durch die Kombination der beiden anderen Regelverfahren stattfindet, wobei ein Maximum
an Betriebssicherheit bezüglich kurzer überdeckung der Kontaktschließzeiten und
kleiner Einschaltspannung der Kontakte erreicht ist.
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Verwendet man einen Regler, so kann dieser statt zur Regelung der
Kontaktschließzeiten auch dazu dienen, entweder die magnetische oder auch die mechanische
Verstellung des Antriebs der Kontakte selbsttätig vorzunehmen, wenn die andere Steuermöglichkeit
von Hand: oder durch einen Las=tregler vorgenommen wird. Die Erfindung hat noch
einen besonderen Vorteil für solche Schaltungen; bei denen die Schaltdrosseln. von
Wechselstrom durchflossen werden, bei denen der Aufwand für die Schaltdrosseln verhältnismäßig
klein ist. Diese Sehartungen haben den Nachteil, daß sich unter Umständen die magnetische
Regelung allein nicht ohne weiteres in weiten Grenzelf anwenden läßt, da die Zeit
zur Beeinflussung des Magnetisierungszustandes- der Schaltdrosseln zu knapp ist
In niesen Fällen bringt die Kombination der verschiedenen Regelverfahren nach der
Erfihdxng den Vorteil, daß die magnetische Regelung der Schaltdrosseln voll ausgenutzt
werden kann, da mit der zeitlichen Verspätung der Einschaltzeitpunkte, wie sie das
mechanische Regelverfahren mit sich bringt; die Zeit zur Beeinflussung,des. Magnetisierun@gszustandes
derSchaltdrosseln zunimmt.
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Die Erfindung beruht letzten Endes darauf, daß -die Hauptschaltdrossel
bei Verringerung der Gleichspannung als Einschaltdrossel benutzt wind, jedoch kann
dabei die Einschaltstufe zehnmal oder noch größer werden als bei den früher üblichen
Einschaltdrosseln. Die Einschaltstufe nimmt nämlich bei denn Regelverfahren nach
der Erfindung mit abnehmender Gleichspannung zu; während- sie bei-den früher üblichen
Einschaltdrosseln mit abnehmender Gleichspannung abnahm und daher so kurz wunde;
daß sie nicht mehr ausreichend war.
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Man kann --die Kupplung des magnetischen und mechanischen Regelverfahrens
so auf mittlere Verhältnisse festlegen, daß sie bei Änderung der Spannung des Regelumspanners.
mngeämdert beibehalten
werden kann. Dies ist besonders dann zulässig,
wenn die Stufen der Schaltdrosseln verhältnismäßig groß gewählt werden, so daß kleine
Abweichungen von der idealen Kupplung der beiden Regelverfahren zugelassen werden
können. Die bei Herabregelung der Spannung mit dem Regelumspanner an sich notwendige
Verlängerung der Kontaktschließzeiten kann dann durch einen besonderen Eingriff
von Hand oder automatisch erfolgen, ohne d.aß an der Kupplung der beiden anderen
Regelverfahren miteinander etwas geändert würde. Dies führt zu besonders einfachen
Regelgetrieben.
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In manchen Fällen wird es möglich sein, bei Verwendung des Regelverfahrens
nach der Erfindung mit Kontaktgeräten auszukommen, deren Kontaktschließzeiten überhaupt
nicht veränderlich sind. Derarti.gc Kontaktgeräte zeichnen sich durch besondere
Einfachheit .aus. Verwendet man sie, so wird man nach der Erfindung die drei Steuerverfahren
derart miteinander kombinieren, daß in allen Betriebszuständen und bei allen Gleichspannungen
mit ein und derselben Kontaktschließzeit ausgekommen werden kann.
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Inder Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
1, 2, 3 sind die se!icundären Wicklungen eines Gleichrichterumspanners in sechsphasiger
Brückenschaltung, 4, 5, 6 sind die Schaltdrosseln, 7, 8, 9, 10, 11, 12 die Kontakte,
13 der Antriebsmotor für die Kontakte. 14 ist die Primärwicklung,des Gleichrichterumspanners,
die über einen Stufentransformator 15 an ein Drehstromnetz L', I', W angeschlossen
ist. Der Synchronmotor 13 wird über einenDrehtransformator 14' gespeist. Die Schaltdrossel
4 hat eine Vorerregerwicklung 15', deren Speisestromkreises nicht .gezeichnet ist,
und eine Vorerregerwicklung 16, die zur Regelung dient. DieWicklung 16 wird über
eine Sättigungsdrossel 17 und eine regelbare Induktivität 18 aus dem Netz gespeist.
19, 20 und 21 sind Nebenwege, welche im Zusammenwirken mit .den Schaltdrosseln das
lichtbogenfreie Öffnen der Kontakte ermöglichen.
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Nach der Erfindung werden zur Steuerung bzw. Regelung .der Gleichspannung
in erster Linie gleichzeitig der Drehtransformator 14' und die regelbare Induktivität
18 herangezogen. Die Verstellung dieser beiden Geräte kann durch einen Regler erfolgen,
wobei sie untereinander mechanisch gekuppelt sein können. Ist ein Stufentransformator
15 zur Steigerung des Leistungsfaktors vorgesehen, so wird tdie Verstellung dieses
Stufentransformators mit der Verstellung von 14' und 18 entweder von Hand oder zwangläufig
so gekuppelt, wie es vorstehend beschrieben wurde. Der Stufentransformator 15 wächst
mit der Leistung dies Gleichrichters. Er ist also kostspielig, während,dieRegelorgane
14' und 18 nur für die kleine Antriebsleistung des Synchronmotors 13 bzw. zur Speisung
der Vorerregerwicklung 16 ausgelegt zu werden brauchen. Der Grundgedanke der Erfindung,
nämlich die .drei Möglichkeiten der Spannungsregelung mit dem Drehtransformator
14', mit der Regelinduktiv ität 18 und mit dem Stufentransformator 15 gleichzeitig
in bestimmter Weise miteinander zu kuppeln, ist in der Zeichnung durch die punktierte
Linie 22 schematisch angedeutet. Statt des Drehtransformators 14' kann auch der
Stator des Antriebsmotors 13 oder eine andere mechanische oder elektrische Einrichtung,
welche die Schaltzeitpunkte zeitlich verschiebt, benutzt werden.