DE428765C - Einrichtung zum Gleichrichten von Wechselstroemen unter Anwendung mechanischer Unterbrecher - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 15. MAI 1926

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- JVi 428765 KLASSE 21g GRUPPE 15

(H 89250 VIlI]₂Ig)

Dr.Erich F.Huth G.m.b.H.in Berlin.

Einrichtung zum Gleichrichten von Wechselströmen unter Anwendung mechanischer Unterbrecher.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. März 1922 ab.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Gleichrichten von ein- und mehrphasigen Wechselströmen beliebiger Stromstärke. Zum Gleichrichten solcher Ströme bis zu gewissen Stärken werden in der Praxis Quecksilberdampf-Gleichrichter verwendet, deren Ausführung für große Stromstärken aber Schwierigkeiten macht und einen teuren Apparat ergibt. Versuche, sogenannte mechanische Gleichrichter zu verwenden, bei denen die einzelnen Phasen während einer Halbperiode durch ein Schaltelement eingeschaltet und während der nächsten Halbperiode ausgeschaltet sind, haben zu einem brauchbaren Resultat nicht geführt, da man für die mechanische Bewegung der Schalter

Synchronmotor«! verwenden mußte, die aber die erforderliche rechtzeitige Unterbrechung im Augenblick des Stromdurchganges durch den Nullpunkt regelmäßig nicht durchführen konnten, so daß die Ausbildung von Kurzschlüssen möglich wurde, die praktische Anwendung für größere Leistungen ausschloß. Gemäß der Erfindung werden die ein- oder mehrphasigen Wechselströme zwar gleich-

ίο falls durch mechanische Schalter geschlossen und unterbrochen, die Steuerung und Betätigung der Schalter erfolgt jedoch durch ein Relais nach dem Prinzip von Johnsen & Rahbek, das bekanntlich aus zwei einander berührenden Körpern besteht, von denen einer ein Halbleiter ist und zwischen denen beim Übergang eines galvanischen Stromes eine sehr große mechanische Anziehungskraft auftritt. Derartige Relais können bekanntlieh als Ruhestrom- oder Arbeitsstromrelais ausgebildet werden und entwickeln in beiden Fällen sehr große mechanische Kräfte, ohne daß irgendeine Verzögerung zwischen der mechanischen Wirkung und dem elektrischen Betätigungsstrom auftritt, da das Relais praktisch selbstinduktionsfrei ist.

Ferner verbraucht ein solches Relais ganz geringe Ströme und spricht bei sehr geringen Spannungen an.

Um mit Hilfe dieses Relais den Stromschluß und die Stromunterbrechung zu bewirken, ist es erforderlich, rechtzeitig, d. h. kurz nach Durchgang des Stromes durch den Nullpunkt, das Relais zu erregen und nach einer Halbperiode rechtzeitig den Strom zum Relais zu unterbrechen, so daß der zugehörige Schalter die betreffende Phase unterbricht. Bei Gleichrichtung von Drehstrom ist der Zeitpunkt der An- und Abschaltung so zu wählen, daß die Spannungen der zu benutzenden Halbwellen zweier benachbarter Phasen im Augenblick der Umschaltung gleich sind. Bei diesen Anordnungen wird die bekannte Gleichrichterschaltung benutzt, die einen im Stern geschalteten Stromwandler vorsieht, in dessen zum Mittelpunkt des Sterns führende Leitung der Verbraucher des Gleichstromes geschaltet ist. Die Steuerung der Relais, welche die Schalter betätigen, wird durch vorgeschaltete Ventilröhren bewirkt, derart, daß je eine Ventilröhre von einer Stromphase über einen Nebenschlußwiderstand oder Transformator gespeist wird und der von der Röhre nur in einer Richtung durchgelassene Strom über das Relais geleitet wird. Wird das Relais mit Arbeitsstrom gebraucht, so ist die Ventilröhre so zu schalten, daß sie den Strom durchläßt, jvenn der zugehörige Schalter durch das -Relais geschlossen werden soll. Arbeitet das Relais mit Ruhestrom, so wird die Ventilröhre so geschaltet, daß sie Strom durchläßt, solange das Relais den Schalter offen halten soll.

Durch die Ventilröhre und das Relais geht hierbei nur ein geringfügiger Bruchteil des Stromes, welcher durch den Schalter, den das Relais betätigt, gesteuert wird, und die Gleichrichtung erfolgt also praktisch mit gleich hohem Wirkungsgrad wie mit einem Quecksilberdampf-Gleichrichter.

Die Abbildungen zeigen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung. In Abb. 1 ist die Gleichrichtung von Drehstrom dargestellt. Als Verbraucher ist eine zu ladende Batterie eingezeichnet. xAuf einer Welle 1, die dauernd von einem Motor angetrieben wird, sitzen 6 Schleifringe 2, 3, 4, 5, 6, 7. Bürsten 8, 9, 10, 11, 12, 13 stellen die Zu- und Ableitung für je eine der Phasen I, II, III dar. Kurzschlußbürsten 14, 15, 16 sind so angeordnet, daß sie die Stromverbindung zwischen zwei Schleifringen 2, 3 oder 4, 5 oder 6, 7 herstellen können. Diese Kurzschlußbürsten werden nun jede für sich durch ein Relais nach dem Prinzip von Johnsen & Rahbek gesteuert.

Abb. 2 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Abb. 1. Wie aus der Abbildung hervorgeht, ist die Kurzschlußbrücke 14 von einem doppelarmigen Hebel 26 getragen, an dessen anderem Ende ein Relais nach Johnsen & Rahbek angreift. Dieses besteht aus der dauernd in der eihgezeichneten Pfeilrichtung umlaufenden Walze 36 aus Halbleitermaterial und einem Metallbande 17. Sobald an den Halbleiter und das Metallband über die Leitungen 18, 19 Spannung gelegt wird, nimmt die Walze 36 mit großer Kraft das Band 17 mit, und die Kurzschlußbrücke 14 wird auf die Schleifringe 2, 3 aufgelegt. Sobald die Spannung verschwindet, kommt die kräftige Feder 20 zur Wirkung und reißt die Brücke 14 mit großer Kraft ab. Durch Anordnung eines einarmigen Hebels, dessen Drehpunkt an Stelle bei 21 bei 22 liegt und bei dem das Metallband 17 an Stelle bei 22 bei 21 eingreift, kann eine Relaiswirkung nach dem Ruhestromprinzip erreicht werden.

Die grundsätzliche Schaltung des Relais ist in Abb. 3 für eine Phase angedeutet. In der Leitung 23 liegt ein Stromwandler 24, der über eine Ventilröhre 25 das Relais 17, 36, welches in Reihe mit der Ventilröhre liegt, speist.

Die grundsätzlich gleiche Schaltanordnung kann bei Mehrphasenstrom für jede weitere Phase vorgesehen sein.

Die Walze 36 kann auf der Welle 1 sitzen oder einen besonderen Antrieb erhalten. Im Gegensatz zu den normalen rotierenden Gleichrichtern sind der Antriebsmotor der Welle ι und gegebenenfalls der Walze 36 in

ihrer Drehzahl vollkommen unabhängig vom Xetz und brauchen nicht synchron mit diesen umlaufen.

Als Gleichrichterelement 25 kann jede beliebige Ventilröhre, insbesondere eine Röhre mit Edelgasfüllung, benutzt werden. Solche Röhren verbrauchen in ihrem Innern eine bestimmte .Spannung, so daß die angelegte Spannung (Zündspannung) größer sein muß als die für das Relais benötigte Spannung. Um für das Relais die erforderliche Betriebsspannung sicher zu erhalten, wird die Netzspannung durch den Stromwandler 24 so erhöht, daß die Spannungswelle im Scheitel

z. B. eine Spannung von 440 ] ^:Γ Volt erreicht. Andererseits vertragen solche Röhren nur eine Belastung mit einer Stromstärke bis zu 0,2 Amp. Die Röhre erfordert z. B. 200 Volt Zündspannung, die im Zeitpunkt b (Abb. 4) erreicht sei. Wenn der Spannungsabfall in der Röhre 80 Volt beträgt, so sinkt nach dem Zünden der Röhre die Nutzspannung sogleich auf 120 Volt. Xunmehr wächst die Spannung und damit auch die Stromstärke in der Röhre entsprechend der Stromkurve nach einer Sinusfunktion, so daß die Entladungsröhre Gefahr läuft, überlastet und zerstört zu werden. Um dieses zu verhindern, wird eine Schaltung gemäß Abb. 5 ver-

30. wendet, bei welcher die Spannung für das Relais parallel zu einer Drossel 29 abgenommen wird. Ist deren Größe so bemessen, daß im Zeitpunkt α (Abb. 4) die Stromstärke. 0,1 Amp. beträgt, besitzt sie also, wenn

z. B. 230 Volt abgegriffen werden sollen, einen Widerstand von 2300 Ohm, so wird beim Ansteigen der Spannung nach dem Zeitpunkt α die Belastung allmählich über die für die Röhre zulässige Grenze wachsen. Es wird daher im Zeitpunkt α in den Stromkreis 28 durch Öffnen des Kontaktes 27 noch ein Widerstand eingeschaltet, der selbst für die Scheitelspannung die Stromstärke noch unter 0,2 Amp. hält. Infolge dieser Einschaltung sinkt aber die Stromstärke, und die parallel zu 29 abgegriffene Spannung würde für den Betrieb des Relais eine Zeitlang zu klein werden, wenn 29 lediglich als Ohmscher Widerstand ausgebildet wäre. Da er aber aus einer Drossel besteht, wird die bisher abgegriffene Spannung auch im Übergangsaugenblick nach der öffnung von 27 genügend lange aufrechterhalten, um ein Außerbetriebsetzen des Relais zu verhindern.

Die erste positive Halbwelle (Abb. 4) muß nun in dem Zeitpunkt c abgeschaltet werden, in welchem die zweite positive Halbwelle den ihr zugeordneten Relaisring betätigt.

Dieses Abschalten geschieht durch den Kontakt 46, welcher durch den Hebel, der die zweite Halbwelle einschaltet, geöffnet wird.

Jeder Hebel hat also drei Aufgaben zu erfüllen:
i. das Auflegen der Bürste;

2. die Einschaltung des Widerstandes 28 für seine Edelgasröhre;

3. die Unterbrechung des Stromlaufes der Edelgasröhre für die vorhergehende Welle durch Öffnung von 46 im Stromkreis der letzteren.

Auf diese Weise wird der negative Teil der ersten Welle selbsttätig für den Zeitraum von c bis d (Abb. 4) unterdrückt. Da bei d der Schalter selbsttätig infolge Abhängigkeit von Phase II (vgl. Abb. 6) wieder eingeschaltet würde, so besteht die Gefahr, daß in der zweiten Hälfte der negativen Welle 1 die Ventihvirkung der Edelgasröhre nicht ausreicht, weil die Spannung, die nunmehr j an ihr liegt, derart weit über der Zündspannung liegt, daß eine Zündung in entgegengesetzter Richtung und damit ein falsches \ Ansprechen des Relais eintritt, zumal im ' Augenblick d nur der Vorschaltwiderstand29 wirksam ist.

Es ist daher je eine zweite Edelgasröhre 47 angeordnet, die so geschaltet ist, daß sie die j negative Welle durchläßt, nachdem sie bei e ! gezündet hat. Durch diesen Hilfsstromkreis j wird der Unterbrechungskontakt 47 für die go erste W'elle, der bereits im Zeitpunkt c betätigt wurde, in seiner Unterbrechungslage bis zum Zeitpunkt / festgehalten. Die dann bereits abgesunkene Spannung vermag die Hauptröhre allein abzudrosseln. Die Hilfsröhre 47 wird z. B. mit der gewöhnlichen Spannung von 220 Volt (effektiv) betrieben. Der Stromwandler 41 ist entsprechend eingerichtet. .

Der Arbeitsverlauf wird sich daher wie folgt gestalten: Die Hauptventilröhre der Phase I zündet. Von den Ende.n von 29 (Abb. 5) geht die Abgreifspannung an das Relais (vgl. auch Abb. 2, Ziffer 18, 19). Dieses schwenkt seinen Hebel (Abb. 2, Ziffer 26) herum und legt, wie in Abb. 1 dargestellt ist, über die Kurzschlußbürste 16 den Verbraucher an Phase I. In demselben Augenblick öffnet der auf -dem Hebel sitzende Nocken (vgl. Abb. 6, Ziffer 56) den Kontakt 2/ im Stromkreis des Hauptsteuerventils für Phase I. Aus Abb. 6 ist die Anordnung der Kontakte, die in Abb. 5 nur schematisch dargestellt ist, zu ersehen. Der in Abb. 5 zwischen den Punkten 50 und 51 gezeichneten Unterbrechungskontakt 27 und der zwischen den Punkten 54 und 55 gezeichnete Unterbrechungskontakt 46 sind in Abb. 6 mit ihren Zuleitungen wiederholt und in Abhängigkeit von den Relaishebeln 26 dargestellt.

Infolge der Öffnung von 27 wird der

Widerstand 28 für das Ventil der Phase I eingeschaltet und die Stromstärke heruntergedrückt. Durch den Hub von 56 wird gleichzeitig auch das Anschlußstück 57 gehoben. Dieses öffnet im \?"entilstromkreis für Phase III den Kontakt 46. Die Kurzschlußbürste 16 für Phase III (Abb. 1) öffnet sich. Die Phase III ist im Ladestromkreis, also bis zum Zeitpunkt c, selbsttätig unterbrochen. In diesem Augenblick wird das Kurzschlußstück 15 eingeschaltet und dadurch die Phase II. Da aber Kontakt 46 des Ventilstromkreises I mechanisch von dem Kurzschlußstück 15 abhängig ist, wird das Ventil I und dadurch die Phase I abgeschaltet. In diesem Augenblick aber würde das Ventil III wieder ansprechen und 16 sich wieder einschalten, wenn nicht bereits dafür gesorgt wäre, daß der Ventilstromkreis der Phase III unterbrochen bliebe. Während der negative Teil der Phase III durch das Hauptventil gesperrt wird, läßt das Xebenventil 47 der Phase III den negativen Strom durch. Die an einem passenden Widerstand abgegriffene Spannung, die wegen der niedrigen Speisung aus dem Stromwandler 45 niedriger ist als für das Hauptventil der Phase III, betätigt ein Hilfsrelais der Phase III. Der Hebel dieses Hilfsrelais greift mechanisch (vgl. Abb. 6, Ziffer 58) am Kontakt 46 im Hauptventilstromkreis der Phase an. Dieser Kontakt ist mechanisch gekuppelt mit Kontakt 27 der vorherlaufenden Welle (vgl. Abb. 6). Der bereits offene Kontakt 46 für Phase III wird also weiter offen gehalten, bis das Hauptventil imstande ist, die inzwischen be- _; reits gesunkene Spannungswelle allein zu unterbrechen.

Da die Zuführungen zu den Kontakten 46 auch bei den anderen Phasen so geschaltet sind, daß immer die nächste Welle den Kontakt 46 für die vorhergehende aufstößt und die Hilfsrelais der eigenen Phase diesen Kontakt so lange offen halten, bis die Hauptwelle wieder kurz vor dem Durchgang durch die Xullinie steht, muß sich das Spiel dauernd wiederholen.

Claims (7)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Einrichtung zum Gleichrichten von

   Wechselströmen unter Anwendung mechanischer Unterbrecher, dadurch gekennzeichnet, daß diese Unterbrecher durch Relais nach Johnsen & Rahbek betätigt werden, welche über Ventilröhren in Abhängigkeit von der Stromrichtung und gegebenenfalls der Spannung des gleichzurichtenden Stromes gesteuert werden.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilröhre und das Relais hintereinandergeschaltet sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilröhre und das Relais im Nebenschluß zu einem im Kreise des gleichzurichtenden Stromes liegenden Widerstand liegen oder über einen im Kreise des gleichzurichtenden Stromes liegenden Transformator gespeist werden.
4. 4. 'Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung für das Relais parallel einer im Kreise der Ventilröhre liegenden Drossel abgenommen wird.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Ventilröhre ein Schutzwiderstand liegt, der nach Ansprechen des Relais zweckmäßig durch dieses mittelbar oder unmittelbar eingeschaltet wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle eines Motors beliebiger Drehzahl, auf der zweckmäßig auch die rotierenden Teile der Relais befestigt sind, eine der Phasenzahl entsprechende Zahl von Schleifringpaaren angebracht ist, die über Bürsten mit den Zu- und Ableitungen der zu steuernden Ströme derart in Verbindung stehen, daß der zu- und ableitende Schleifring jeder Phase durch von dem Hauptrelais der betreffenden Phase gesteuerte Bürsten kurzgeschlossen wird.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Hauptrelais beim Ansprechen einen Schutzwiderstand in den Stromkreis seiner Ventilröhre schaltet und gleichzeitig einen Schalter in dem Relaisstromkreis des vor ihm arbeitenden Hauptrelais öffnet und so dieses Relais außer Betrieb setzt, und daß letzterer Schalter durch ein von seiner eigenen Phase gesteuertes Hilfsrelais eine gegebene Zeit offen gehalten wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.