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Frequenzumformer mit elektromagnetisch gesteuerten Schaltern Es ist
bekannt, Kontaktumformer mit elektromagnetisch gesteuerten Schaltern als Frequenzumformer
auszubilden. Der bekannte Umformer arbeitet nach dem Prinzip des Steuerumrichters,
bei dem aus den Spannungskurven der umzuformenden Wechselspannung Stücke so ausgewählt
werden, daß sie bei zeitlicher Aneinanderreihung eine umgeformte mittlere Spannungskurve
anderer Frequenz ergeben. Zur Durchführung dieses Prinzips bei einem Schaltumformer
sind die Schaltkontakte mit Einschaltmagneten versehen, die durch die Spannungen
der primären und der sekundären Frequenz erregt und so bemessen sind, daß sie den
Schalter in die Einschaltstellung bewegen, wenn die Gesamterregung einen bestimmten
Grenzwert überschreitet. Die Kontakte sind ferner mit stromabhängigen Haltevorrichtungen
versehen, die den einmal geschlossenen Kontakt so lange in der Schaltstellung festhalten,
bis der Strom in ihm einen vorgegebenen Mindestwert unterschritten hat.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzumformer mit elektromagnetisch
durch Ein- und Ausschaltimpulse gesteuerten Schaltern und besteht darin, daß der
Umformer jeweils während mehrerer aufeinanderfolgender Halbperioden der primären
Frequenz als Schaltgleichrichter arbeitet und daß Mittel vorgesehen sind, die die
Phasenlage der Einschaltimpulse periodisch um 180' ändern. Der Frequenzumformer
nach der Erfindung ist nur für die Speisung von passiven Verbrauchern, also Verbrauchern
ohne Gegenspannung, geeignet; für diesen Verwendungszweck wird durch die Erfindung
eine erhebliche Verringerung des Aufwandes gegenüber der bekannten Einrichtung erreicht.
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Der Frequenzumformer nach der Erfindung liefert Stromblöcke abwechselnder
Richtung, die jeweils aus mehreren Halbwellen eines gleichgerichteten Stromes bestehen;
die gelieferte Frequenz ist also stets kleiner als die Frequenz des speisenden Wechselstromes.
Eine entsprechende Phasenumkehr der Ausschaltimpulse wird mit Vorteil dadurch erreicht,
daß diese Impulse in bekannter Weise unmittelbar von der in dem betreffenden Gleichrichterzweig
vorhandenen Kommutierungsspannung abgeleitet werden. Die Phasenumkehr der Einschaltimpulse
kann durch eine Einrichtung gesteuert sein, die die Perioden der speisenden Wechselspannung
zählt; beispielsweise können die Welligkeitskuppen der gleichgerichteten Spannung
oder die Einschaltimpulse jedes Stromblockes gezählt werden. Als Zähleinrichtung
wird vorzugsweise eine Impuls-Zähldrosselspule an sich bekannter Ausbildung verwendet.
Man kann jedoch die Phasenumkehr der Einschaltimpulse auch durch eine Zeitmeßeinrichtung
steuern, beispielsweise durch ein Zeitrelais oder einen elektrischen Zeitkreis.
Man kann die Zähleinrichtung auch so ausbilden, daß die Stromblöcke verschiedener
Richtung unterschiedliche Dauer haben; ferner kann man die Erfindung auch so abwandeln,
daß nach jedem Stromblock gleicher Richtung eine stromlose Pause vorgegebener Länge
eintritt. Will man jedoch einen ununterbrochenen Stromfiuß erzielen, so kann man-
mit Vorteil Mittel vorsehen, durch die während der Phasenumkehr der Einschaltimpulse
der Ausschaltimpuls des zuletzt geschlossenen Schalters verriegelt wird. Zu diesem
Zweck kann beispielsweise die Ausschaltwicklung jedes Schalters an einen Öffnungskontakt
(Ruhekontakt) des Schalters der folgenden Phase angeschlossen sein, so daß sie kurzgeschlossen
ist, solange für die folgende Phase kein Einschaltimpuls eintrifft. Damit nach der
Phasenumkehr der Einschaltimpulse ein Kurzschluß zwischen zwei nicht aufeinanderfolgenden
Umformerphasen vermieden wird, sind Mittel vorzusehen, die bewirken, daß der dem
geschlossen gebliebenen Schalter folgende Schalter als erster schließt. Das läßt
sich z. B. dadurch erreichen, daß im Stromkreis der Einschaltwicklung jedes Schalters
Schließkontakte des Schalters der vorhergehenden Phase liegen. Zur Erzeugung der
Einschaltimpulse können Sättigungswandler vorgesehen sein, die primär in Abhängigkeit
von der umzuformenden Spannung
erregt sind und zwei Sekundärwicklungen
aufweisen, die über gegenphasig durchlässige Ventile und über ein Umschaltrelais
an die Einschaltwicklungen der Schalter angeschlossen sind.
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In Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbei spiels der Erfindung
wiedergegeben. Die Pig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der
Schaltung nach Fig. 1, Fig. 3 eine Abwandlung der Schaltung nach Fig: 1.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein vom Netz RST gespeister Transformator bezeichnet.
Die in Stern geschalteten Sekundärwicklungen 2 des Transformators sind jeweils über
eine Wicklung 4 einer Schaltdrosselspule 3, über einen Schalter 6 und eine Sammelschiene
12 mit einem Verbraucher 13 verbunden. Jeder Schalter 6 besitzt eine Einschaltwicklung
7 und eine Ausschaltwicklung 8; er weist Arbeitskontakte 9 und öffnungskontakte
10 auf, die mit einer Schaltbrücke 11 zusammenwirken. Die Ausschaltwicklung
8 jedes Schalters ist jeweils an die öffnungskontakte 10 des in der Phase folgenden
Schalters angeschlossen.
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Die Ausschaltwicklung 8 wird jeweils durch die Sekundärwicklung 16
eines Sättigungswandlers 15 gespeist, der mit Hilfe der Wicklung 17 in Abhängigkeit
von der an der Schaltdrossel 3 und am Schalter 6 liegenden Spannung, d. h. der Kommutierungsspannung,
erregt ist. Bei Annäherung des Phasenstromes an den Wert Null wird der Schalter
6 während der durch die Schaltdrossel 3 erzeugten stromschwachen Stufe durch einen
Ausschaltimpuls geöffnet. Die Rückstellung des Wandlers 15 erfolgt durch den Phasenstrom
(Leiter 18) beim Wiedereinschalten des Schalters 6. Der dabei entstehende Ausschaltimpuls
ist nicht wirksam, da beim Zuschalten z. B. der Phase U der Schalter 6 der Phase
V geöffnet und deshalb die Wicklung 8 der Phase U kurzgeschlossen ist.
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Die Einschaltwicklungen 7 der Schalter 6 werden durch Impulswandler
20 gespeist, die primär über einen Drehtransformator 25 in Abhängigkeit von
der Spannung des Netzes RST erregt sind. Jeder Wandler 20 besitzt zwei Sekundärwicklungen
21 und 22; in Reihe mit der Wicklung 21 liegt ein Ventil 23, in Reihe mit der Wicklung
22 ein Ventil 24. Der Wicklungssinn der Wicklungen 21 und 22 und die Durchlaßrichtungen
der Ventile 23 und 24 sind derart, daß die von den Ventilen durchgelassenen Impulse
einen Phasenunterschied von 180° aufweisen. Die freien Anschüsse der Wicklungen
21 sind mit einem Sammelleiter 26, die freien Enden der Wicklungen 22 mit einem
Sammelleiter 27 verbunden; die einzelnen Ventilpaare 23/24 sind jeweils über die
Einschaltwicklung 7 eines Schalters 6 mit der Kontaktbrücke 11 des Schalters der
jeweils vorhergehenden Phase verbunden. Die Sammelleiter 26 bzw. 27 sind über zwei
zweipolige Kipprelais 30 und 34 und den Leiter 28 an die Sammelschiene
12 des Hauptstromkreises angeschlossen. Will man die Stromkreise der Einschaltimpulse
potentialmäßig von dem Hauptstromkreis des Umformers trennen, so kann man die Schalter
6 mit besonderen Schließkontakten versehen, d. h. Hilfskontakten, die bei geschlossenem
Schalter ebenfalls geschlossen sind. Die Einschaltwicklungen 7 sind dann über die
Schließkontakte des Schalters der vorhergehenden Phase mit dem Sammelleiter 28 zu
verbinden. Das Relais 30 wird durch die Ausgangsimpulse einer Zähldrosselspule 38,
das Relais 34 durch einen Sättigungswandler 41 gesteuert, der im Zuge der
Sammelschiene 12 liegt. Die Zähldrosselspule 38 besitzt einen Kern mit möglichst
rechteckförmiger Hysteresisschleife. Sie wird über ihre Wicklungen 39 bzw. 40 mit
Impulsen gespeist, deren zeitliches Spannungsintegral klein ist gegen die Spannungszeitfläche,
die zur vollständigen Ummagnetisierung (von dem einen zum anderen Sättigungszustand)
des Drosselkerns erforderlich ist. Zur Erzeugung der Zählimpulse sind zwei Sättigungswandler
45 und 50 vorgesehen, die in Abhängigkeit von der zwischen dem Leiter 12 und dem
sekundären Sternpunkt 2 a des Transformators 1 bestehenden Spannung erregt sind.
Die Wandler 45 und 50 sind über ihre Wicklungen 46 bzw. 51 mit Gleichstrom
derart vormagnetisiert, daß der Wandler 45 beispielsweise beim Durchlaufen
der Welligkeitskuppen eines positiven Spannungsblockes (s. Fig.2), der Wandler 50
beim Durchlaufen der Welligkeitskuppen eines_ negativen Spannungsblockes ummagnetisiert
wird. Beim Durchlaufen jeder. Welligkeitskuppe entstehen an der Sekundärwicklung
47 des Wandlers 45 zwei Impulse entgegengesetzter Richtung, von denen
der eine durch das Ventil 48 gesperrt und der andere über das Relais 34, wenn dessen
Schaltbrücke 37 links steht, und über die Schaltwicklung 31 des Relais 30 der Wicklung
39 der Zähldrosselspule 38 zugeleitet wird. Entsprechend treten während eines negativen
Spannungsblockes an der Sekundärwicklung 52 des Wandlers 50 Impulse auf, von denen
jeweils einer durch das Ventil 53 gesperrt und der andere über das Relais 34, wenn
dessen Schaltbrücke 37 rechts steht, und die Schaltwicklung 32 des Relais 30 der
Wicklung 40 der Zähldrosselspule 38 zugeleitet wird.
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Die Wirkungsweise des Umformers nach der Erfindung ist folgende; Es
sei angenommen, daß die Schaltbrücke 33 des Relais 30 und die Schaltbrücke 37 des
Relais 34 sich in ihrer linken Stellung befinden. Der Umformer arbeitet zunächst
als Gleichrichter, wobei die Einschaltwicklungen 7 durch die Sekundärwicklungen
21 der Wandler 20 über die Ventile 23, den Sammelleiter 12, den Leiter
28 und den Sammelleiter 26 gespeist werden. Während des Gleichrichtungsvorganges
werden die Kuppen der welligen Gleichspannung zwischen dem sekundären Sternpunkt
2a und dem Sammelleiter 12 durch die Zähldrosselspule 38 gezählt. Diese Zählung
geht in der Weise vor sich, daß die Drosselspule 38 durch den Wandler
45 Impulse erhält, die ihren Kern stufenweise ummagnetisieren. Solange der
Kern der Drosselspule 38 ungesättigt ist, entspricht der Strom in der Wicklung 31
des Relais 30 dem geringen Magnetisierungsstrom der Drosselspule 38. Wenn jedoch
die Summe der Spannungszeitflächen der einzelnen Impulse des Wandlers 45 die zur
Ummagnetisierung der Drosselspule 38 erforderliche Spannungszeitfläche erreicht
hat (nach m Impulsen; Fig. 2), wird die Drosselspule 38 gesättigt; dadurch nimmt
der Impulsstrom einen erheblich größeren Wert an. Er reicht nunmehr aus, das Relais
30 durch Erregung seiner Wicklung 31 ansprechen zu lassen, so daß
die Schaltbrücke 33 des Relais in ihre rechte Stellung umschlägt. Dadurch werden
sämtliche Einschaltimpulse gesperrt.
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Es sei angenommen, daß der Schalter 6 der Phase U als letzter einen
Einschaltimpuls erhalten hat, so daß also der Schalter der Phase V nicht mehr geschlossen
wird. Da der Schalter der Phase V offenbleibt, ist die Ausschaltwicklung 8 des Schalters
der Phase U kurzgeschlossen, so daß dieser Schalter zunächst
geschlossen
bleibt. Der vom Umformer gelieferte Strom geht daher, der Spannung der Phase U folgend,
durch Null (s. Fig. 2).
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Beim Nulldurchgang des im Sammelleiter 12 fließenden Stromes
wird der Sättigungswandler 41 entsättigt; der dabei entstehende Sekundärimpuls dieses
Wandlers ist so gerichtet, daß er die in Reihe mit einem Ventil 35 a liegende
Wicklung 35 des Relais 34 erregt. Das hat zur Folge, daß die Schaltbrücke 37 des
Relais 34 in ihre rechte Stellung umschlägt. Dadurch wird der Leiter 28 mit
dem Sammelleiter 27 verbunden, so daß nunmehr die Schalter 6 wieder Einschaltimpulse
erhalten, die jetzt durch die Wicklungen 22 der Einschaltwandler 20 erzeugt werden
und in ihrer Phase gegenüber den Impulsen der Wicklungen 21 um 180° versetzt sind.
Da der Schalter 6 der Phase W keinen Einschaltimpuls erhalten kann, solange der
Schalter der Phase V geöffnet ist, ist gewährleistet, daß nach Änderung der Phasenlage
der Einschaltimpulse die einzelnen Umformerphasen sich sofort in der richtigen Reihenfolge
ablösen. Gleichzeitig beginnt eine Zählung der negativen Spannungskuppen durch Impulse,
die der Wandler 50 an die Zähldrosselspule 38 liefert. Die Ummagnetisierungsrichtung
der Zähldrosselspule 38 ist bezüglich der Zählung des zuerst betrachteten positiven
Stromblockes umgekehrt. Nach m Welligkeitskuppen des negativen Spannungsblockes
wird wieder zunächst das Relais 30 umgeschaltet, so daß die Einschaltimpulse
fortfallen, der Strom wieder durch Null geht und der Zyklus von neuem beginnt.
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Man kann die Wicklungen 39 und 40 der Zähldrosselspule 38 mit Anzapfungen
oder Gleitkontakten versehen, die es gestatten, die Windungszahl zu ändern. Dadurch
läßt sich die zur Ummagnetisierung des Kernes erforderliche Zahl der Impulse und
damit die Länge der Stromblöcke ändern, und zwar für beide Richtungen unabhängig
voneinander. Durch Verstellung des Drehtransformators 25 können die Einschaltzeitpunkte
der Schalter 6 gegenüber den Halbwellen der speisenden Wechselspannung verschoben
und damit die von der Anlage abgegebene Spannung geregelt werden.
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Wie bereits bemerkt, können statt der Spannungskuppen auch die Einschaltimpulse
gezählt werden. Zu diesem Zweck können die Einschaltwandler 20
gemäß Fig.
3 mit vier Sekundärwicklungen versehen sein, von denen die Wicklungen
21 und 22 wie bei der Schaltung nach Fig. 1 die Einschaltimpulse liefern.
Die weiteren Wicklungen 21 a und 22 a dienen zur Erzeugung von Zählimpulsen; sie
sind über Ventile an Sammelleiter 60, 61, 62 und 63 angeschlossen, die ihrerseits
mit den Punkten A, A', B, B' der Schaltung nach Fig. 1 verbunden sind. Die
Wandler 45 und 50 und die Ventile 48 und 53 fallen bei dieser Zählweise fort.
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Die Erfindung kann auch mit Hilfe solcher Schaltgleichrichter verwirklicht
werden, bei denen zwei oder mehr Sternschaltungen nach Fig. 1 zu Brücken-oder Saugdrosselschaltungen
kombiniert sind.