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Kontaktstromrichteranordnung für wechselnde Energierichtung zum Kuppeln
von Gleich und Wechselstromnetzen Beim Betrieb von Gleichstromverbrauchern, die
über Stromrichter an Wechselstromnetze angeschlossen sind, ist es vielfach erwünscht,
Energie von dem Gleichstromverbraucher in das Wechselstromnetz zurückzuliefern,
beispielsweise zum Zwecke der Nutzbremsung von Motoren. Es war bisher allgemein
üblich, zu diesem Zwecke Stromrichter zu verwenden, die aus steuerbaren Entladungsstrecken,
insbesondere gittergesteuerten Ouecksilberdampfentladungsstrecken, aufgebaut waren.
Die Erfindung hat zum Ziele, bei Anlagen der genannten Art an Stelle der mit Entladungsstrecken
arbeitenden Stromrichter Kontaktstromrichter zu verwenden, d. h. solche, die mit
mechanisch bewegten Schaltkontakten arbeiten. Daß man einen Kontaktstromrichter
außer als Gleichrichter auch dazu benutzen kann, um Gleichstrom in Wechselstrom
umzuformen, ist grundsätzlich bereits bekannt. Gerade in den Fällen aber, in denen
ein Energiefluß nicht nur in einer Richtung, sondern in beiden Richtungen auftritt,
zeigt der Kontaktstromrichter ganz besondere Vorteile gegenüber dem Entladungsstromrichter.
Das hängt erstens damit zusammen, daß der Kontaktstromrichter im Gegensatz zu Entladungsstrecken
keine Ventilwirkung besitzt, d. h. d'aß seine Kontakte in beiden Richtungen leitfähig
sind. Infolgedessen ist .es unter bestimmten Voraussetzungen möglich, ein und dieselbe
Kontaktgruppe ohne Umschaltung ihrer Anschlüsse an die Netze sowohl für den Gleichrichter-
als auch für den Wechselrichterbetrieb zu benutzen. Es kommt hinzu, daß der Kontaktstromrichter,
wenn er für wechselnde Energierichtung benutzt wird, eine wesentlich günstigere
Spannungsstromkennlinie besitzt als der Entladungsstromrichter. Bei letzterem tritt
beim Übergang vom Gleichrichter- zum Wechselrichterbetrieb infolge des beträchtlichen
Spannungsabfalles in den Entladungsstrecken ein Spannungssprung auf, der unter Umständen
ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Anlage in Frage stellt. Erst durch besondere Kunstgriffe,
die eine ziemlich verwickelte Steuerungseinrichtung erforderlich machen; gelingt
es, die Spannungskennlinie so. zu vergleichmäßigen, daß beim Energierichtungswechsel
keine merklichen Spannungs- und Stromstöße mehr auftreten. Demgegenüber besitzt
der Kontaktstromrichter einen Spannungsabfall, der nicht wie bei den Entladungsstrecken
konstant ist, sondern etwa linear mit der Belastung abnimmt. Im übrigen ist der
Spannungsabfall auch bei den größten Belastungswerten noch wesentlich niedriger
als der Spannungsabfall von Entladungsstrecken. Infolgedessen geht die Spannungsstromkennlinie
im
Bereich des Leerlaufpunktes praktisch ohne Unstetigkeit in die der entgegengesetzten
Betriebsart über: Irgendwelcher besonderen Zusatzeinrichtungen bedarf es zur Erzielung
einer stetigen Kennlinie nicht.
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Der Benutzung des Köntäktstromrichters zur Kupplung eines Gleichstromnetzes
mit einem Wechselstromnetz für wechselnde Energierichtung stellen sich Schwierigkeiten
hinsichtlich der Kommutierung entgegen, wobei die Neigung .des Kontaktstromrichters
zur Funkenbildung an den Kontakten gerade beim Wechsel der Energierichtung besonders
groß ist. Die Überwindung dieser Schwierigkeiten .ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der Erfindung wird die Kontakteinrichtung bzw. die auf die Schaltzeitpunkte
.einwirkende Steuerungseinrichtung sä ausgebildet, daß .die in der Stromführung
einander ablösenden Kontakte sich bei Gleichrichterbetrieb vom Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
in den ablösenden Zweigen an bis zum Erlöschen des Stromes in dem früher allein
stromführenden Zweig, bei Wechselrchterbetrieb vom Beginn der Kontaktgabe im ablösenden.
Zweig an bis zudem Zeitpunkt gleicher Spannungswerte in- den ablösenden Zweigen
überlappen.
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Durch die Erfindung gelingt es, wie weiter unten an Hand von. Diagrammen
nachgewiesen werden soll, bei allen Belastungszuständen und vor allem auch beim
Übergang vom Gleichrichter- zum Wechselrichterbetrieb die Kommutierung funkenfrei
zu halten. Hierdurch wird es ermöglicht, ein und dieselbe Kontakteinrichtung für
beide Betriebsarten zu benutzen, woraus sich gegenüber Stromrichtern mit Entladungsstrecken
eine wesentliche Ersparnis -ergibt., Bei letzteren muß nämlich entweder für jee
Energierichtung ein besonderes Entladungsgefäß vorgesehen werden, öder es müssen
verwickelte und kostspielige Umschalteinrichtungen vorbanden sein, die bei Benutzung
nur eines Entladungsgefäßes die Verbindungen dieses Gefäßes .mit dem Gleichstromkreis
im Augenblick des Energlerichtungswechsels vertauschen.
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Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für Elektralytstromrichter;
.d. h. für Kontaktstromrichter, bei denen die Kontaktgabe zwischen einer elektrisch
leitenden Flüssigkeit und Elektroden, die in diese eintauchen, vor sich geht. Hier
wird vor allem die mechanische Ausbildung der Kontakte und deren Steuerungseinrichtungen
besonders einfach.
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Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes möge an Hand der Zeichnungen
an dem Beispiel eines Elektrolytstromrichters der genannten Art näher erläutert
werden. Es sei jedoch dazu bemerkt, daß die Diagramme ebensogut auch für jeden anderen
Kontaktstromrichter Geltung besitzen. In Fig. i ist das Schaltungsschema des Elektrolytstromrichters
dargestellt. Ein Gleichstrotnnetz i i, an das Verbraucher 1.2 irgendwelcher Art,
beispielsweise Bahnmotoren; angeschlossen sind, wird über den Elektrolytstromrichter
13 gespeist, wobei auch gelegentlich Energie aus dem Gleichstromnetz in das Wechselstromnetz
zurückgeliefert werden soll. Der Stromrichter selbst besteht im wesentlichen aus
umlaufenden Elektroden 1q., die nacheinander in eine durch Fliehkraftwirkung in
der dargestellten Form gehaltene Elektrolytschicht 15 eintauchen und über Schleifringe
mit den einzelnen Phasen i bis 6 der Sekundärwicklung eines Transformators 16 verbunden
sind. Von den Phasen des Transformators 16 sind in der gezeichneten Stellung der
Elektroden 1q. gerade die beiden Phasen i und 2 über die in den Elektrolyten eintauchenden
Elektroden mit diesen verbunden.
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In Fig. 2 ist der Verlauf der Ströme und Spannungen für Gleichrichterbetrieb,
in Fig. 3 für Wechselrichterbetrieb in Form von Diagrammen dargestellt. Dabei ist
der Einfachheit halber nur eine dreiphasige Ausbildung des Stromrichters angenommen.
Die Phasenspannungen sind mit e1, e, und es bezeichnet. Gemäß der Erfindung erfolgt
nun beim Gleichrichterbetrieb die Einschaltung des ablösenden Zweiges in dem Zeitpunkt
a der Spannungsgleichheit zwischen dem ablösenden und dem abzulösenden Zweig. Der
vorangehende Kontakt bleibt zunächst noch geschlossen. Es bildet sich infolgedessen
ein Kurzschlußkreis aus, in dem als treibende Spannung die Differenz zwischen den
Spannungen der einander ablösenden Phasen liegt. Da es sieh um sinusförmig verlaufende
Spannungen handelt, hat diese Differenz ebenfalls sinusförmigen Verlauf. Infolgedessen
ruft diese Spannungsdifferenz in dem Kurzschlußkreis einen inneren Kurzschlußstrom
ik hervor, der auch seinerseits sinusförmigen Verlauf zeigt und dessen Scheitelhöhe
von der Größe der in dem Kurzschlußkreis vorhandenen Induktivitäten abhängt.
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Dieser Kurzschlußstrom überlagert sich nun in den betreffenden Elektroden
dem dort fließenden Gleichstrom, der als vollkommen geglättet angenommen werden
möge. Die Richtung .des Kurzschlußstromes ist dabei durch die Lage des Einschaltzeitpunktes
so festgelegt, daß er dem Gleichstrom in der abzulösenden Phase entgegenwirkt. Wenn
also beispielsweise der Ström iel in der Phase i zunächst noch genau gleich dem
Gleichstrom J, ist, so beginnt von dem Zeitpunkt a der Zuschaltung der Folgephase
an der Strom
in der Phase i unter der Einwirkung des entgegenfließend,en
Kurzschlußstromes ik, allmählich abzusinken. Die ablösende Phase 2 führte vorher
noch keinen Strom. Infolgedessen ist jetzt der Kurzschlußstrom als einziger in ihr
vorhanden.
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Erfindungsgemäß wird nun das überlappungsintervall u der einander
ablösenden Zweige, beginnend von dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit ab, so weit
ausgedehnt, bis der Strom in der früher allein stromführenden Phase erloschen ist.
In diesem Zeitpunkt ist, wie Fig. 2 zeigt, der Strom in der ablösenden Phase gerade
wieder auf der Höhe des Gleichstromes I, angekommen; so daß sich also in diesem
Zeitpunkt der Stromübergang von der einen auf die andere Phase vollzogen hat. Unter
diesen Umständen erfolgt die Unterbrechung des abzulösenden Zweiges völlig funkenfrei.
Die Größe des Ü berlappungsintervalles u hängt, wie die Diagramme zeigen, von: der
Größe des Gleichstromes Js ab. Die Kontaktüberlappung muß also um so länger ausgedehnt
werden, je höher der Stromrichter belastet ist. Man erkennt, daß die Zeitdauer cl,
z2, z3, während deren der einzelne Kontakt Strom führt, um das Überlappungsintervall
größer ist als der Zeitabschnitt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten gleicher
Spannungshöhe. Die umgeformte Spannung verläuft während der Überlappung auf einer
mittleren Kurve zwischen den beiden an den Kommutierungsvorgang beteiligten Phasenspannungen,
um am Ende der Überlappung auf die Spannung der nunmehr allein stromführenden Phase
zu springen. Fig.3 zeigt die Kommutierungsverhältnisse, wie sie bei der erfindungsgemäßen
Steuerung bei Wechselrichterbetrieb auftreten. Der Unterschied gegenüber dem Gleichrichterbetrieb
liegt zunächst darin, daß .die Überlappungszeit u sich von einem Zeitpunkt, der
je nach Maßgabe des Belastungsstromes vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
a liegt, bis zu dem Punkt a hin erstreckt. Es ist also, gleicher Belastungsstrom
vorausgesetzt, eine symmetrische Verschiebung des Überlappungszeitraumes in bezag
auf den Zeitpunkt a eingetreten. Im übrigen spielen sich die Vorgänge in analoger
Weise wie beim Gleichrichterbetrieb ab, wobei naturgemäß die Kurven der Phasenströme
iel, i", ies wegen der Umkehi#ung .der Stromrichtung im negativen Bereich liegen.
Durch die Wahl des Kontaktschließungspunktes vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
hat auch die im Kurzschlußkreis treibende Spannungs,dif.-ferenz und damit auch der
während der Überlappungszeit wirksame und die Stromänderung erzwingende Teil der
Kurzschlußstromkurve sein Vorzeichen. gewählt.
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Die einseitige Größenveränderung -des Überlappungsabschnittes u kann
dadurch geändert werden" daß die wirksame Elektrodenbreite vergrößert oder verkleinert
wird. Besonders einfach gestaltet sich dies beim Elektrolytstromrichter. Man kann
hier die Elektroden aus mehreren Teilen aufbauen, die in der Umfangsrichtung, d.
h.. in der Bewegungsrichtung-:der Elektroden hintereinanderliegen unid deren Abstand
verstellbar ist, oder man nimmt mehrere Elektrodensätze, die parallel geschaltet
sind und deren Eintauchzeitpunkte gegeneinander verschoben werden können. Die Elektrodensätze
können dabei räumlich übereinander oder nebeneinander angeordnet sein. Die vorstehend
genannten Mittel können auch in Verbindung miteinander angewendet werden.