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Mit periodisch bewegten Schaltkontakten arbeitende Einrichtung zur
unmittelbaren Umformung von Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz Es ist
bekannt, bei Kontaktgleichrichtern zur Verbesserung der Kommutierung in Reihe mit
den Schaltkontakten sog. Schaltdrosseln zu schalten, d. h. Drosselspulen, die bei
Erreichung eines sehr niedrigen Stromes infolge ihrer scharf geknickten Magnetisierungskennlinie
sprunghaft ihren Sättigungszustand erreichen. Die Wirkungsweise dieser Schaltdrosseln
ist kurz folgende: Wenn in einem bestimmten Zeitpunkt die Stromübergabe von einem
Schaltkontakt zu dem der Folgephase ,zugeordneten Kontakt eingeleitet werden soll,
so wird dieser letztere Kontakt geschlossen und auf diese Weise ein innerer, in
sich geschlossener Stromkreis hergestellt, inwelchem die beiden einander ablösenden
Kontakte sowie die diesen Kontakten zugeordneten Schaltdrosseln in Reihe liegen.
Als treibende Spannung ist in diesem inneren Stromkreis die Differenz zwischen der
Spannung der Folgephase und der Spannung der abzulösenden Phase wirksam. Diese Differenzspannung
ruft einen inneren Kurzschlußstrom hervor, der sich in der abzulösenden Phase dem
darin noch fließenden Gleichstrom überlagert. Der erwähnte Kurzschlußstrom entsteht
nun keineswegs plötzlich, da in dem Kurzschlußstromkreis noch Induktivitäten vorhanden
sind, von denen jedoch nur die Induktivitäten der Schaltdrosseln betrachtet werden
mögen. Im ersten Augenblick des Eintritts der Kontaktüberlappung fließt in der abzulösenden
Phase noch der volle Gleichstrom, der als völlig geglättet angenommen werden möge,
Die Schaltdrossel dieser Phase ist dabei gesättigt und besitzt keine nennenswerte
Induktivität mehr. In dem soeben geschlossenen Kontakt ist dagegen der Strom gleich
Null, so daß die zu ihm gehörige Schaltdrossel entsättigt ist und eine hohe Induktivität
besitzt. Die Induktivität dieser Schaltdrossel ist es, die .zunächst nur ein sehr
langsames Ansteigen des Kurzschlußstromes gestattet. Durch xichtige Wahl des Einschaltzeitpunktes
muß dafür gesorgt werden, daß der Kurzschlußstrom dem Gleichstrom in der abzulösenden
Phase entgegengesetzt gerichtet ist. Dieser wird also allmählich abgebaut derart,
daß die Summe der Ströme in den beiden Phasen in jedem Augenblick gleich dem konstanten
Betrag des Gleichstromes ist. Nach einer gewissen Zeit wird der Strom in der Folgephase
so weit angestiegen sein, daß die darin liegende Schaltdrossel plötzlich ihren Sättigungszustand
erreicht, wobei ihreInduktivität fast restlos verschwindet. In diesem
Augenblick
setzt statt der bisherigen langsamen Änderung eine sehr rasche Stromänderung ein,
die nur noch durch die Induktivitäten der Tränsformatorwicklung und die Restinduktivitäten
der Schaltdrosseln bedingt ist. Nach kurzer Zeit wird jetzt der Strom in der abzulösenden
Phase so weit heruntergesunken sein, daß nunmehr die Schaltdrossel dieser Phase
entsättigt wird: Von diesem Zeitpunkt an geht die Stromänderung nur noch sehr langsam
vor sich, was zur Folge hat, daß der Strom in dem zu öffnenden Kontakt längere Zeit
im Bereich des Nullwertes bleibt und so eine funkenlose Kontakttrennung ermöglicht.
Wesentlich ist dabei, daß dieeigentliehe Stromübergabe von der einen Phase zur anderen
nicht bereits in dem Zeitpunkt der Kontaktschließung beginnt, sondern erst dann,
und zwar mit großer Geschwindigkeit vor sich geht, wenn in der Folgephase der Sättigungsstromwert
überschritten wird. Mit Rücksicht auf eine spannungslose Kontaktschließung werden
die Kontakte noch durch Parallelwege überbrückt, damit auch schon vor der Kontaktschließung
ein Strom in der zugehörigen Schaltdrossel fließt und diese fähig macht, die gesamte
vorhandene Phasenspannung zu übernehmen.
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Wenn die Aufgabe gestellt ist, die Frequenz eines Wechselstromes umzuformen,
so könnte man zunächst daran denken, einen Umrichter aus einem Gleichrichter und
einen Wechselrichter mit dazwischenliegendem Gleichstromkreis aufzubauen, wie das
auch für Entladungsstrecken bekannt ist. Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgäbe
zugrunde, die Frequenzumförmung unmittelbar, d. h. ohne Verwendung eines Zwischengleichstromes
durchzuführen. Bei den unmittelbar arbeitenden Umrichtern mit Entladungsstrecken
sind hierfür zwei verschiedene Gruppen von Entladungsstrecken erforderlich. Bei
der Verwendung eines Schaltstromrichters kann jedoch wegen des Fehlens jeglicher
Ventilwirkung ein und dieselbe Gruppe von Schaltkontakten zur Bildung sowohl der
positiven als auch der negativen Halbwelle der umgeformten Spannung benutzt werden.
Kontaktstromrichter dieser Art sind im Prinzip bereits bekannt. Die Erfindung löst
die Aufgabe, auch bei derartigen Köntaktumrichtern Schaltdrosseln zur Verbesserung
der Kommutierung heranzuziehen.
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Gemäß der Erfindung wird bei Verwendung von den Schaltkontakten vorgeschalteten
Schaltdrosseln, die bei einer bestimmten Erregung sprunghaft ihren Sättigungszustand
erreichen, diesen Schaltdrosseln eine Vorerregung aufgedrückt, die sich periodisch
nach Maßgabe der Frequenz des niedriger frequenten Netzes ändert. Mit Hilfe der
Vorerregung hat man es in der Hand, denjenigen Stromwert, bei dem die Sättigungsgrenze
der Schaltdrosseln erreicht wird, nach Belieben zu vergrößern, zu verkleinern oder
auch in seinem Vorzeichen umzukehren. Insbesondere ist es dadurch möglich, die Zeit,
welche nach der Schließung des Folgekontaktes vergeht, bis die eigeistliche mit
großer Geschwindigkeit verlaufende Übergabe der Stromführung von der einen zur anderen
Phase einsetzt, beliebig auszudehnen.
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Die Erfindung möge zunächst an Hand der Fig. r und ä näher erläutert
werden. Es sei dabei angenommen, daß ein sechsphasiges Spannungssystem in ein einphasiges
System umgeformt werden soll, wobei das Frequenzverhältnis beispielsweise 5o zu
1&=/g Hz betragen möge. Die Figuren zeigen, auf welche Weise die Kurve der umgeformten
Spannung aus den Spannungskurven des speisenden Wechselstromsystems gebildetwird,
ündzwar ist derjenige Zeitabschnitt dargestellt, in dem der Übergang der niedriger
frequenten Spannungskurve von der positiven zur negativen Halbwelle erfolgt. Dieser
Übergang geht so vor sich, daß diejenige Phase der höher frequenten Wechselspannung,
die das letzte Stück der positiven Halbwelle der niedriger frequenten Spannungskurve
bildet, auch das erste Stück der folgenden negativen Halbwelle liefert. Der zu dieser
Phase gehörige Kontakt muß also dementsprechend lange geschlossen bleiben.
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In Fig. r ist die niedriger frequente Spannungskurve E so dargestellt;
als ob der Übergang zwischen den Phasen des höher frequenten Systems immer genau
im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit a bzw. ä erfolgte. Dies wird im allgemeinen
praktisch nicht der Fall sein. Nach dem vorher Gesagten ergibt sich, daß bei einer
Kontaktschließung im Punkte a bzw. ä die eigentliche Stromübergabe erst eine gewisse
Zeit später erfolgt. Der Ablauf der Stromübergabe hängt ab von der jeweiligen Richtung
und der Größe des über die Kontakte fließenden Stromes. In Fig. i ist angenommen;
daß der Strom I in dem gleichen Augenblick wie die Spannung der niedrigeren Frequenz
durch Null hindurchgeht. Es liegt also Ohmsche Belastung vor. Die Kontaktanordnung
arbeitet mithin sowohl in dem positiven als auch in dem negativen Teil der Spannungskurve
als Gleichrichter, wobei stets Leistung aus dem höher frequenten in das niedriger
frequente Netz fließt: Unter dieser Voraussetzung muß das Intervall der Kontaktübeslappung
stets so liegen, daß die Spannung der Folgephase im Mittel jeweils größer ist als
die Spannung der abzulösenden Phase, damit der Kurzschlüßstrom in dem Überlappungssfromkreis
dein .Strom in der abzulösenden
Phase entgegenwirkt. Andererseits
hängt aber der Zeitpunkt, in dem der Strom in der abzulösenden Phase den Sättigungswert
der Schaltdrossel unterschreitet und von dem an innerhalb eines gewissen Bereiches
eine funkenlose Kontakttrennung möglich ist, von der Größe des jeweiligen Belastungsstromes
ab. Es ist daher nicht ohne weiteres möglich, mit konstanter Überlappungsdauer zu
arbeiten, vielmehr müßte die Überlappungsdauer in Abhängigkeit von der Größe des
Belastungsstromes geändert werden. Hierin liegt jedoch eine recht erhebliche Schwierigkeit,
da diese Aufgabe mit einem einfachen Antrieb der Kontakte nicht mehr zu lösen ist.
Wird jedoch den Schaltdrosseln eine Vormagnetisierung aufgedrückt, die von der Größe
des Stromes abhängt und die zusammen mit dem Strom ihr Vorzeichen wechselt, sokannmaneserreichen,
daß bei konstanter Kontaktüberlappung der Öffnungszeitpunkt immer in einen Bereich
fällt, in dem der Strom in der ablösenden Phase gerade seinen flachen Verlauf in
der Nähe des Nulldurchganges besitzt.
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Die Vorerregung, die mit dem Strom zusammen ihr Vorzeichen wechselt,
kann auch dazu benutzt werden, um die Höhe der umgeformten Spannung zu beeinflussen,
ohne daß dazu eine Änderung der Schaltzeitpunkte erforderlich wird. Wie schon oben
erwähnt, ist es möglich, den Bereich der schnellen Stromänderung durch die Vorerregung
zu verschieben, so daß sich bei gegebenem Einschaltzeitpunkt des Folgekontaktes
durch Änderung der Vorerregung eine veränderliche Aussteuerung ergibt. Das ist besonders
wichtig für den Fall, daß die umgeformte Spannungskurve nicht die in der Figur dargestellte
Trapezform, sondern Sinusform erhalten soll. Das läßt sich nämlich analog wie bei
den bekannten Steuerumrichtern mit Entladungsstrecken dadurch erreichen, daß der
Aussteuerungsgrad innerhalb der Halbwelle der Übertragung so geändert wird, daß
sich für den Mittelwert der ausgesteuerten Spannung ein sinusförmiger Verlauf ergibt.
Durch entsprechende Steuerung der Kontakte ließe sich dieses Ziel wiederum nur sehr
schwer erreichen, insbesondere wenn der Umrichter nicht nur synchron, sondern auch
asynchron arbeiten soll. Verwendet man dagegen gemäß der Erfindung eine sinusförmig
verlaufende Vorerregung, so ist es mit verhältnismäßig einfachen Mitteln möglich,
bei festliegenden Schaltzeitpunkten die gewünschte Änderung des Aussteuerungsgrades
innerhalb der Halbwelle zu erreichen.
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Besonders wichtig ist die Aufgäbe, auch Blindlast durch den Umrichter
zu übertragen. Kurvenmäßig ist ein solcher Fall in Fig.2 dargestellt. Dort eilt
die Kurve des Stromes I gegenüber der Spannungskurve E um einen bestimmten durch
die Entfernung der Nulldurchgänge d bzw. e gegebenen Betrag nach.
Auch hierbei ist es gleichgültig, ob es sich um einen Trapezkurvenumrichter handelt
oder ob eine sinusförmige Spannung erzeugt wird. Stets muß die Vorerregung zusammen
mit dem Strom, d. h. also jeweils mit dem Punkt d ihr Vorzeichen wechseln. Außerdem
ändert sich aber innerhalb der Halbwelle des Stromes durch Umkehr der Spannung auch
noch die Richtung der Leistungsübertragung. Während zwischen den Punkten
d und e Gleichrichterbetrieb herrscht, herrscht links vom Punkt d
und rechts vom Punkt e Wechselrichterbetrieb. Nach dem vorher über die Richtung
der Kommutierungsspannung Gesagten müßte bei Wechselrichterbetrieb das Kommutierungsintervall
jeweils vor demZeitpunkt der Spannungsgleichheit der aufeinanderfolgenden Phasen
liegen, da in einem Wechselrichter der Strom in der abzulösenden Phase nur dann
abgebaut wird, wenn in dem überlappungskreis die Wechselspannung der Folgephase
kleiner ist als die der abzulösenden Phase. Kleinere Wechselspannung bedeutet nämlich
in diesem Falle höheres Potential, da ja als resultierende Spannung stets die Differenz
zwischen der treibenden Gleichspannung und der Wechselspannung wirksam ist. Män
müßte also, wollte man diesen Verhältnissen nur durch entsprechende Steuerung der
Schließungszeitpunkte Rechnung tragen, dafür sorgen, daß die Schaltzeitpunkte sich
bei jedesmaligem Richtungswechsel der übertragenen Leistung ändern. Es müßten dann
bei Wechselrichterbetrieb die Schließungspunkte um den Betrag k vor und bei Gleichrichterbetrieb
um den Betrag h' hinter dem Zeitpunkt. a der Spannungsgleichheit liegen. Im Punkte
d und ebenso im Punkte e müßte demnach der Schaltzeitpunkt von dem Punkt b nach
dem Punkt c verlegt werden. h würde dabei etwa gleich h' zu wählen
sein, damit die ausgesteuerte Spannung in beiden Fällen annähernd die gleiche bleibt.
Eine solche Steuerung ist namentlich bei stark wechselndem Leistungsfaktor praktisch
kaum durchführbar: Gemäß der Erfindung läßt sich nun auch in diesem Falle mit festliegenden
Schaltkontakten eine einwandfreie Kommutierung dadurch erzielen, daßdie Schließungszeitpunkte
der Kontakte stets vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegenbleiben, daß
aber nicht nur beim Nulldurchgang des Stromes, sondern auch beim Nulldurchgang der
Spannung oder, allgemein gesprochen, beim Wechsel der Leistungsrichtung die Vorerregung
der Drosselspule geändert wird. Für Gleichrichterbetrieb, d. h. also für Leistungsübertragung
von
dem höher frequenten in das niedriger frequente Netz liegen dann die Schaltzeitpunkte
an sich falsch. Durch entsprechende Vormagnetisierung kann man jedoch den Kommutierungsvorgang
derart verzögern, daß die eigentliche Stromübergabe doch erst nach dem Zeitpunkt
der Spannungsgleichheit erfolgt. Dabei muß naturgemäß das Überlappungsintervall
der Kontakte stets so groß sein, daß auch noch ein Zeitraum nach dem Zeitpunkt der
Spannungsgleichheit davon umfaßt wird. Bei Wechselrichterbetrieb wird dagegen die
Vorerregung so eingestellt, daß der eigentliche Kommutierungsvorgang bereits vor
der Spannungsgleichheit beendet ist. Auf diese Weise kann man stets eine funkenlose
Kontaktöffnung erzielen, ohne die -Schaltzeitpunkte irgendwie verändern zu müssen.
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Man kann; unter Umständen auf eine Änderung derVorerregung innerhalb
der Stromhalbwelle verzichten,wenn man die Schließungszeitpunkte so ordnet, daß
nur so viel Kontakte für Gleichrichterbetrieb gesteuert werden, wie es dem kleinsten
vorkommenden Leistungsfaktor entspricht, während die übrigen Kontakte entsprechend
den Anforderungen des Wechselrichterbetriebes gesteuert, d. h. vor dem Punkt der
Spannungsgleichheit geschlossen werden. Bei einem Größerwerden des Leistungsfaktors
würde dann allerdings ein Teil der für Wechselrichterbetrieb ausgesteuerten Kontakte
nicht mehr ganz einwandfrei kommutieren. Wenn man den Wert k bzw.
k' sehr klein -hält, läßt sich, wenigstens bei vollerAussteuerung, hierdurch
unter Umständen noch ein brauchbares Arbeiten erzielen. Gegebenenfalls kann man
auch diese Anordnung der Kontaktfolge mit einer Änderung der Vormagnetisierung der
Schaltdrosseln bei Leistungswechsel in Verbindung bringen.
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In Fig. 3 ist als Ausführungsbeispiel die Schaltung einer Umformungseinrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt. Die Umformungseinrichtung soll dazu dienen, um
Energie aus dem Drehstromnetz-7 in das Einphasennetz 8 bzw. umgekehrt zu übertragen.
Die Schaltkontakte i sind nach Art derVentile eines Verbrennungsmotors ausgestaltet
und werden durch die Nockenwelle 9 betätigt, die ihrerseits durch den Synchronmotor
io angetrieben wird. In Reihe mit den Schaltkontakten, die an die sechsphasige Sekundärwicklung
des Transformators 6 angeschlossen sind, liegen die Wicklungen 3 der Drosselspulen
2. Außer der Reihenwicklung 3 besitzt jede Drossel noch zwei Erregerwicklungen 4
und 5. Die Erregerwicklungen 4 sind in Reihe an einen Spannungswandler
13 angeschlossen, so daß sie also von einem Strom durchflossen werden; der
mit der Spannung des Einphasennetzes phasengleich ist: Auf diese Weise wird es erreicht,
daß der Zeitpunkt, in dem jeweils das Induktivitätsmaximum an den einzelnen Drosselspulen
auftritt, beim Übergang von der positiven zur negativen Halbwelle der Einphasenspannung
verschoben wird. Um bei induktiver Last die zeitliche Lage des Indüktivitätsmaximums
bei Wechselrichterbetrieb gegenüber derLäge bei Gleichrichterbetrieb verschieben
zu können, ist es unter Umständen zweckmäßig, die Vormagnetisierungswicklungen 4
nicht in Abhängigkeit von der Spannung des Einphasennettes, sondern inAbhängigkeit
von demEinphasenstrom zu erregen. Zu diesem Zweck müßten sie an einen in Reihe mit
dem Einphasennetz liegenden Stromwandler angeschlossen werden. Die außerdem vorhandenen
Erregerwicklungen 5 gestatten eine zusätzliche Beeinflussung der Vorerregung der
Drosselspulen, die willkürlich oder in Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrößen
erfolgen kann.
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Bei der Schaltanordnung nach Fig. 4 sind mit jedem Schaltkontakt zwei
Drosseln 15 und 16 in Reihe geschaltet; von denen die eine der positiven, die andere
der negativen Halbwelle der Einphasenspannung zugeordnet ist: Während der positiven
Halbwelle wird dann die zu der negativen Halbwelle gehörige Drosselspule so hoch
vorerregt, daß ihre Induktivität praktisch verschwindet. Das gleiche geschieht mit
der der negativen Halbwelle zugeordneten Drosselspule während der positiven Halbweile.
Die Drosselspulen brauchen auf diese Weise nicht wechselnd vormagnetisiert .zu werden
und können von vornherein auf die günstigsten Werte für die betreffende Halbwelle
abgestimmt werden. Um diese Vormagnetisierung zum Zwecke der Indüktivitätsherabsetzung
durchzuführen, sind die Vormagnetisierungswicklungen 17 und 18 an Meßwiderstände
i9 und 2o angeschlossen, die über Ventile 22 und 23 mit der Sekundärseite des Umspanners
21 verbunden sind, der primär an die Einphasenspannung angeschlossen ist. Falls
kein Einphasennetz vorhanden, erfolgt der Anschluß des Umspanners 21 an einen Taktgeber,
dessen Frequenz in könstan- j tem Verhältnis zu der speisenden Primärfrequenz steht.