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Anodendrossel mit nichtlinearer Magnetisierungsschleife für Gasentladungs-Stromrichter
Die Belastbarkeit eines Stromrichters mittlerer und größerer Leistung ist bekanntlich
in erster Linie durch die noch als zulässig erachtete Rückzündungshäufigkeit bestimmt.
Die Rückzündung ist ein statistischen Gesetzen folgender Störungsvorgang, der einerseits
von den Gefäßabmessungen und der Gestaltung der Entladungsstrecken abhängt und andererseits
durch die Strom- und Spannungsverläufe an den Entladungsstrecken des Stromrichtergefäßes
bedingt ist.
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Die Maßzahl für die Strom- und Spannungsverläufe der Entspannungsstrecken
ist die sogenannte Anoden-Sperrbeanspruchung. Sie trägt dem Umstand Rechnung, daß
die Rückzündung durch die Verhältnisse der Entladungsstrecken am Ende einer jeweiligen
Kommutierung der Anodenströme bedingt ist. Ihr Wert ist das Produkt der beiden Größen
(dialdt)tu und 4 Usp, worin 1a der Augenblickswert des Anodenstromes, (dialdt)tu
seine Steilheit am Ende der Kommutierung von der Zeitdauer tu im Löschaugenblick
und d Usp die sogenannte Sprungspannung, d. h. der Betrag der negativen Sperrspannung
im Löschaugenblick des Anodenstromes ist.
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Es ist ferner bekannt, daß der durch die Streuinduktivitäten des Stromrichtertransformators
und gegebenenfalls durch die als Anodendrosseln bezeichneten lnduktivitäten in den
Anodenzuleitungen des Stromrichtergefäßes hervorgerufene induktive Abfall der Gleichspannung,
der durch die Spannungszeitfläche der Differenz der an einer Kommutierung beteiligten
Transformatorspannungbestimmtist, bei sonst gleichen Verhältnissen eine Funktion
der in den Induktivitäten auftretenden maximalen Änderung der magnetischen Induktion
B ist. Der Spannungsabfall und ebenso die Kommutierungsdauer sind damit nur eine
Funktion des diese Induktion B hervorrufenden, am Ende der Kommutierung auf seinen
maximalen Wert angestiegenen Anodenstromes I" und damit eine Funktion des Gleichstromes
Ig unabhängig von der Art des Verlaufes der Anodenströme vom Zündaugenblick des
',entstehenden Anodenstromes bis zum Löschaugenblick des verlöschenden, abgelösten
Anodenstromes.
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Da, wie erwähnt, die Rückzündungsanfälligkeit des Stromrichters abgesehen
von der Sprungspannung von der Steilheit des verlöschenden Anodenstromes am Ende
der Kommutierung abhängt, ist deshalb verschiedentlich versucht worden, den Verlauf
der Anodenströme während der Kommutierung so zu beeinflussen, daß ein Verlöschen
am Ende der Kommutierung mit möglichst geringer Steilheit vor sich geht. Eine solche
Veränderung des zeitlichen Verlaufes der Anodenströme ist nach dem Gesagten grundsätzlich
möglich, ohne die Kommutierungsdauer und den induktiven Gleichspannungsabfall zu
vergrößern.
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Es ist bekannt, daß eine Veränderung des zeitlichen Verlaufes der
Anodenströme durch den Einbau von Anodendrosseln in die Anodenleitungen des Stromrichters
möglich ist. Der Einfluß derartiger Anodendrosseln auf den Verlauf der Anodenströme
ist durch die Induktivität dieser Drosseln bestimmt. Diese kann bei Ausführung der
Drosseln mit einem Eisenkern auf sehr verschiedene Weise von dem jeweiligen Augenblickswert
des durch die Drosselwicklung fließenden Stromes abhängen. Maßgebend für diese Abhängigkeit
ist bekanntlich die Kennlinie der Drossel, welche die magnetische Induktion bzw.
den magnetischen Fluß als Funktion des Stromes in der Drosselwicklung beschreibt.
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Es sind zahlreiche Wege bekannt, dieser Kennlinie einen gewünschten
Verlauf zu geben; hierzu hat man besondere Ausbildungsformen des Eisenkernes oder
bestimmte Kernmaterialien gewählt.
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Zur Herabsetzung von Überströmen bei der Ersteinschaltung von elektrischen
Maschinen ist eine Drosselspule mit einem geschlossenen ferromagnetischen Kern,
die in die Netzzuleitung der Maschine einzuschalten ist, angegeben worden, bei welcher
die maximale Permeabilität des Kernmaterials erst bei relativ hohen Strömen eintritt,
was beispielsweise bei Ausbildung des Kernes aus Dauermagnetstahl der Fall ist.
Ferner
ist es bekannt, Anodendrosseln mit einem geschlossenen Eisenkern aus einem Kernmaterial
mit rechteckförmiger Magnetisierungsschleife auszuführen. Derartige Anordnungen
sind beispielsweise als Schaltdrosseln von Kontaktumformern zur Erzeugung einer
stromschwachen Pause bei der Kontaktablösung in Anwendung.
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Bei einer bekannten Schaltdrossel für Schalter oder Stromrichter,
die als Kontaktumformer oder als Gasentladungs-Stromrichter ausgebildet sein können,
ist ein Hauptkern aus normalem Blech vorgesehen, welcher außer der Hauptwicklung
nach Art eines Stromwandlers eine oder mehrere widerstandsarme, in sich geschlossene
Zusatzwicklungen trägt, die außer dem Hauptkern noch je einen Zusatzkern aus magnetisch
hochwertigem Material mit möglichst rechteckiger Magnetisierungskennlinie umschließen.
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Es ist ferner bekannt, zur Erzielung eines besonderen Verlaufes der
Strom-Spannungs-Kennlinie, beispielsweise einer im oberen Teil stark abgeflachten
Strom-Spannungs-Kennlinie der Drossel den zum Teil aus üblichem Transformatorblech,
zum Teil aus Sonderwerkstoffen mit hoher Anfangspermeabilität und scharfem Sättigungsknick
ausgeführten Kern so auszubilden, daß nur geringe, innerhalb der Wicklungen angeordnete
Teile des Kernes in der Form kleiner Einsatzstücke aus Sonderwerkstoffen bestehen.
Hierbei kann der aus üblichem Transformatorblech bestehende Hauptteil des Kernes
innerhalb der Wicklungen in unmittelbarer Nähe der Einsatzstücke Querschnittsverengungen
besitzen. Die Einsatzstücke können auch aus mindestens zwei Sonderwerkstoffen mit
verschieden hohen Sättigungspunkten bestehen. Außerdem können zwischen dem Hauptteil
des Kernes und den Einsatzstücken Luftspalte eingeschaltet sein.
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Bei einer anderen bekannten Drosselanordnung ist der Eisenkern aus
zwei magnetisch parallel geschalteten Teilkernen zusammengesetzt, von denen der
eine ohne Luftspalt ausgeführt wird und eine annähernd rechteckige Magnetisierungskennlinie
aufweist, während der zweite Teilkern einen Luftspalt aufweist, derart, daß die
Magnetisierungskennlinie der ganzen Anordnung sich aus zwei angenähert geradlinigen
Stücken verschiedener Neigung zusammensetzt.
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Zur Erreichung des vorgenannten Zieles, nämlich der zweckdienlichen
Veränderung des zeitlichen Verlaufes der Anodenströme erscheint die bekannte Ausbildung
der Anodendrosseln mit einem geschlossenen Eisenkern mit rechteckförmiger Magnetisierungsschleife
besonders einfach und zweckmäßig. Derartige Drosseln besitzen eine mit der Höhe
des Anodenstromes und der damit zusammenhängenden magnetischen Erregung oder Durchflutung
stark veränderliche Induktivität. Diese ist groß bei einer Durch$utung entsprechend
der positiven oder negativen Koerzitivkraft des Kernmaterials, dagegen klein bei
einer Durch$utung, die im positiven oder negativen Sinne größer ist als die Koerzitivkraft.
Hierdurch ergibt sich aber die Notwendigkeit besonderer Maßnahmen, um die hohe Steilheit
der Magnetisierungsschleife, die nur bei eng begrenzten Werten der Durch$utung entsprechend
der Größe der Koerzitivkraft auftritt, gerade bei dem gewünschten niedrigen Anodenstromwert
zu erzielen. Hierin liegt eine besondere Schwierigkeit bei der Verwendung eines
Kernmaterials mit rechteckförmiger Magnetisierungsschleife. Zur Beeinflussung der
magnetischen Erregung, die zur Erfassung der hohen Steilheit der Magnetisierungsschleife
erforderlich ist, ist beispielsweise eine veränderbare Hilfserregung angewendet
worden. Dies bedeutet aber einen erheblichen Aufwand. Außerdem steht der Anwendung
des genannten Kernmaterials entgegen, daß es sehr teuer ist.
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Es ist aber auch zur Erhöhung der Rückzündungssicherheit durch rechtzeitige
Verminderung der Ladungsträgerkonzentration im Stromrichtergefäß erwünscht, daß
der flach auslaufende Teil der Anodenstromkurve nicht zu kurz ist, also nicht erst
unmittelbar vor dem Löschpunkt beginnt. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, ein
Blechmaterial zuverwenden, das einen Sättigungsknick aufweist, der zwar ausgeprägt
ist, jedoch nicht direkt scharfwinklig verläuft, und das ferner die Merkmale einer
kleinen Koerzitivkraft und geringen Remanenz besitzt. Als Richtwert sei angenommen,
daß die merkliche Krümmung der Magnetisierungskurve bei etwa 80 °/o der maximalen
Sättigung beginnt.
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Auf Grund dieser Erkenntnis sieht die Erfindung eine Anodendrossel
mit nichtlinearer Magnetisierungsschleife für Gasentladungs-Stromrichter zur Verminderung
der Anodensperrbeanspruchung der Gasentladungsstrecken vor, bei welcher der Eisenkern
der Anodendrossel durch Wahl eines leicht sättigbaren, verlustarmen Blechmaterials
mit kleiner Koerzitivkraft und Remanenz und durch Formgebung des Blechkörpers hinsichtlich
des magnetischen Widerstandes des gesamten Kraftlinienweges eine resultierende Magnetisierungsschleife
mit ausgeprägtem Sättigungsknick aufweist, bei welcher erfindungsgemäß die Wicklung
der Anodendrossel so ausgelegt ist, daß die dem Beginn des Sättigungsknickes entsprechende
magnetische Induktion bei einem Anodenstromwert von etwa einem Zehntel bis einem
Fünftel des Maximalwertes des Nenn-Anodenstromes eintritt, wobei der Sättigungsknick
durch den Anfang derKrümmung der Magnetisierungsschleife bei etwa 80 °/o der maximalen
Sättigung bestimmt ist.
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Zur näheren Erläuterung zeigt Fig. 1 den zeitlichen Verlauf des verlöschenden
und des entstehenden Anodenstromes während einer Kommutierung für den Fall des Vorliegens
konstanter Induktivitäten in den Anodenzuleitungen, d. h. für Induktivitäten mit
linearer Magnetisierungskurve. Demnach hat der vom Höchstwert 1a abfallende Anodenstrom
i" am Ende der Kommutierungs eine größte Steilheit. In der Fig. 2 ist zum Unterschied
hiervon der Verlauf der Anodenströme für Induktivitäten mit nichtlinearer Magnetisierungsschleife
nach der Erfindung wiedergegeben, wobei deutlich gemacht ist, daß mit abnehmendem
Strom die Induktivität zunimmt und demzufolge die Steilheit des verlöschenden Anodenstromes
gegen Ende der Kommutierung abnimmt.
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Diese Wirkung soll, wie bereits gesagt, mit einer Anodendrossel erzielt
werden, deren Eisenkern aus einem leicht sättigbaren, verlustarmen Blechmaterial
mit kleiner Koerzitivkraft und Remanenz besteht, eine geeignete Formgebung des lamellierten
Eisenkörpers und gegebenenfalls einen oder mehrere Luftspalte aufweist. Als Blechmaterial
kommt beispielsweise ein sogenanntes Elektro- oder Dynamoblech mit der Verlustziffer
0,55 W/kg, bezogen auf die Induktion von 10000 Gauß, in Betracht. Diese Wirkungsweise
wird durch Fig. 3, in der die magnetische Induktion Bim Eisenkern der Anodendrossel
als Funktion des Anodenstromes i" dargestellt ist, veranschaulicht. Der mehr oder
weniger ausgeprägte Knick der Magnetisierungskurve tritt im Bereich von etwa einem
Zehntel bis
einem Fünftel I" auf, wobei 1" den bereits genannten
Nenn-Anodenstrom, d. h. den maximalen Anodenstrom am Ende der Kommutierung bei Nenngleichstrom
darstellt. Zu Beginn des Knickes beträgt die magnetische Induktion etwa 80 °/o des
Sättigungswertes Binax# Die Erzielung eines ausgeprägten Knickes der Magnetisierungsschleife
und die Verlegung dieses Knickes auf den angegebenen Anodenstromwert kann auf verschiedene
Weise ermöglicht werden. Es kann der Eisenkern bei überall gleichem Querschnitt
vollständig geschlossen ausgebildet sein, so daß bei entsprechender Wahl der erregenden
Amperewindungen der natürliche Knick der Magnetisierungsschleife des Blechmaterials
ausgenutzt wird. Hierbei tritt beim Nenn-Anodenstrom die volle Sättigung ein. Mit
Rücksicht hierauf ist es notwendig, ein Blechmaterial kleiner Verlustziffer zu wählen,
um zu große Erwärmungen der Anodendrosseln zu vermeiden. Zur Erzielung der Durchflutung,
bei dem der Knick der Magnetisierungskennlinie eintritt, kann es zweckmäßig sein,
in an sich bekannter Weise in den Eisenweg des Kernes einen oder mehrere kleine
Luftspalte einzufügen.
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Es kann auch vorteilhaft sein, den Eisenkern in bekannter Weise aus
zwei hintereinandergeschalteten Eisenwegen mit verschieden großen Eisenquerschnitten
auszubilden, derart, daß der Eisenweg mit dem kleineren Eisenquerschnitt bei dem
oben angegebenen Anodenstromwert gesättigt ist.
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Die Erzielung eines ausgeprägten Sättigungsknickes kann auch dadurch
erreicht werden, daß in dem Eisenkern in bekannter Weise eine oder mehrere Engstellen
nach der Art eines Isthmus vorgesehen sind. Ein Beispiel eines derartigen Eisenkernes
ist in Fig. 4 wiedergegeben. Darin ist der Eisenkern 1 von einer als Isthmus ausgebildeten
Engstelle 2 unterbrochen; auch hierbei kann ein kleiner Luftspalt von Vorteil sein.
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Bezüglich der Wahl des Blechmaterials für die Engstelle ist es vorteilhaft,
eine Blechsorte mit besonders kleiner Anfangspermeabilität zu wählen.
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Zur Erzielung eines ständigen Durchlaufens der Magnetisierungsschleife
von negativer zu positiver Sättigung und umgekehrt kann die Wicklung jeder Anodendrossel
in an sich bekannter Weise mit zwei Teilwicklungen gleicher Windungszahl versehen
werden, die in entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung von zwei nicht miteinander
kommutierenden, vorzugsweise im Abstand von 180° e1. aufeinanderfolgenden Anodenströmen
durchflossen sind und von denen jede die erfindungsgemäße Auslegung erhält.
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Bei Stromrichtern für hohe Gleichströme ist es auch möglich, die Anodendrossel
mit Wicklungen auszustatten, die nur aus zwei voneinander isolierten, nebeneinanderliegenden
Durchführungsleitern, beispielsweise aus zwei geraden Schienen mit rechteckigem
Querschnitt besteht und mit einem als magnetischer Umschluß ausgebildeten Eisenkern
ausgestattet ist, dessen Kraftlinienweg so bemessen ist, daß der Sättigungsknick
bei einem Anodenstromwert der oben angegebenen Größe eintritt, wie dies beispielsweise
Fig. 5 in Seitenansicht und im Querschnitt zeigt. Bei derartigen Anordnungen ist
es möglich, den Zwischenraum zwischen den Schienen und dem Eisenkörper beispielsweise
in an sich bekannter Weise mit Kunstharz zu vergießen, so daß die ganze Anodendrosselanordnung
ein zusammenhängender kurzschlußfester Körper wird.