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Einrichtung zur Verbesserung der Kommutierung von mit periodisch bewegten
Schaltkontakten arbeitenden Stromrichtern Die Erfindung bezieht sich auf Stromrichter
zum Umformen von Strömen bzw. Spannungen, die mit periodisch bewegten Schaltkontakten
arbeiten, und hat zum Ziel, die Kommutierung derartiger Stromrichter zu "verbessern,
d. h. funkenfrei zu gestalten. Es spielt dabei keine Rolle, ob diese Stromrichter
zum Gleichrichten von Wechselstrom., zum Umformen von Gleichstrom in Wechselstrom
oder von Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom einer anderen Frequenz dienen.
Bei Stromrichtern der genannten Art macht der Kommutierungsvorgang, insbesondere
das Unterbrechen des Stromes, erhebliche Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten
kommen dadurch zustande, daß es nur sehr schwer möglich ist, den Stromkreis jeweils
genau in, dem Augenblick des Nulldurchganges des Stromes zu öffnen, und daß die
zwischen den eben getrennten Kontakten entstehende Trennstrecke in bezug auf ihre
Länge unter Umständen nicht schnell genug anwachsen kann, um einen Durchschlag durch
die zwischen den Kontakfen wiederkehrende Spannung zu verhindern.
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Die Erfindung benutzt zur Erzielung einer funkenfreien Kommutierung
" bei solchen Schaltstromrichtern Transformatoren, deren Primärwicklungen mit den
Stromrichterzweigen, d. h. also mit den Schaltkontakten, in Reihe geschaltet sind,
und deren Sekundärkreise in ihrem Widerstand, beispielsweise durch abwechselndes
Schließen und Öffnen, periodisch geändert werden. Transformatoren, die in dieser
Weise geschaltet sind, sind bei Stromrichtern mit Gas- oder Dampfentla.dungsstrecken
allgemein bekannt. Dort haben sie jedoch die Aufgabe, in die Ventilkreise zusätzliche
Spannungsimpulse einzuführen, um einen Übergang der Lichtbogenführung von einer
Entladungsstrecke auf die andere auch dann zu ermöglichen, wenn in dem speisenden
Stromkreis in dein betreffenden Augenblick an sich keine Kommutierungsspannung zur
Verfügung steht. Erfindungsgemäß werden nun bei einem Kontaktstromrichter diese
Transformatoren zur Erzielung einer funkenfreien Kommutierung in der Weise benutzt,
daß die die periodische Widerstandsänderung im Sekundärkreis hervorrufende Einrichtung
nach Maßgabe der Bewegung der Stromrichterschaltkontakte derart gesteuert wird,
daß der induktive Widerstand der Primärwicklung jedesmal kurz vor der Unterbrechung
des Schaltkontaktes anwächst. Die dabei in der Primärwicklung etwa induzierten Spannungsstöße,
auf die es bei der Zwangskommutierung von
Gas- oder Dampfentladungsstrecken
allein ankommt, spielen bei dem Erfindungsgegenstand keine Rolle. Hier kommt es
einzig und- allein auf die Änderung des induktive Widerstandes der Primärwicklung
des Traei. formators an.
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Durch die Erfindung läßt es sich erreichen;! daß im Augenblick des
Öffnens eines Kontaktes fast die gesamte Spannung von der plötzlich stark anwachsenden,
in Reihe mit den Schaltkontakten liegenden Induktivität übernommen wird, so daß
während des Kommutierungsvorganges nur eine -sehr kleine Spannung an den Schaltkontakten
liegt bzw. daß der Strom im Augenblick der Unterbrechung einen so kleinen Wert besitzt,
daß die Bildung eines Lichtbogens mit Sicherheit vermieden werden kann. Ein großer
Vorteil der Erfindung, der sich besonders hinsichtlich der Anpassung des Kominutierungsvörganges
an Belastungsschwankungen oder an Energierichtungswechsel bemerkbar macht; besteht
darin, daß der Zeitabschnitt, während dessen die Spannung an den Kontakten herabgesetzt
ist, sowohl seiner Größe nach als auch nach seiner Lage innerhalb der Periode der
Schaltbewegung in beliebigen Grenzen verändert werden kann. Bei mehrphasigen Schaltungen
kann man entweder einen Mehrphäsentransformator oder mehrere Einphasentransformatoren
mit getrennten Magnetkreisen verwenden. Letzteres wird in vielen Fällen zweckmäßig
sein, um gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Phasen zu verhindern.
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Es ist unter Umständen erforderlich, während des Betriebes von Umformungseinrichtungen
mit mechanisch bewegten Kontakten bei Änderungen der Belastungsverhältnisse bzw:
der Energierichtung die Phasenlage des Öftnens und des Schließens der Kontakte in
bezug auf den Spannungsverlauf des speisenden oder :gespeisten Wechselstromnetzes
zu verändern. Damit die Einrichtung bei solchen Veränderungen der Kontaktbewegung
stets unter den günstigsten Kommutierungsbedingungen arbeitet; ist es zweckmäßig,
diejenige Einrichtung, die den Widerstand des Sekundärkreises des Transformators
periodisch steuert, von der Phasenlage der Kontaktbewegung derart abhängig zu machen,
daß auch die Phasenlage der periodischen Widerstandsänderungen entsprechend verändert
wird. Auch ohne daß die Phasenlage der Kontaktbewegung verändert wird, können Belastungsänderungen
oder sonstige Veränderungen von Betriebsgrößen der Umformungseinrichtung eine Veränderung
der Phasenlage der periodischen Schwankungen der in Reihe mit den Kontakten geschalteten
Induktivität erforderlich machen. In solchen Fällen wird es vorteilhaft sein, wenn
die für die Phasenlage der Induktivitätsschwankungen maßgebende Einrichtung auch
noch in ':4bhängigkeit von diesen Betriebsgrößen `.;lbsttätig geregelt wird.
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`'Als Schaltorgane für die Veränderung des Widerstandes des Transformatorsekundärkreises
werden vorteilhaft Entladungsstrekken, insbesondere solche mit lichtbogenförmiger
Entladung, verwendet: Es können dabei sowohl gesteuerte als auch angesteuerte Entladun:gsstreckeri
zur Anwendung gelangen. In vielen Fällen wird es dabei möglich sein, die in der
Sekundärwicklung des Transformators selbst induzierte Spannung als Anodenspannung
für die Entladungsstrecken zu benutzen. Zur Lieferung der Anodenspannung können
aber auch besondere Wechselspannungsquellen vorgesehen werden. In diesem Falle ist
die Entladung in den Entladungsstrecken vollständig unabhängig von der Größe und
der Phasenlage der in der Sekundärwicklung des Transformators induzierten Spannungen.
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Die Schaltungen, die zur Veränderung des Sekundärwiderstandes des
Reihentransformators erforderlich sind, können aber auch durch mechanisch bewegte
Hilfskontakte vorgenommen werden. Diese Hilfskontakte können entweder durch einen
Antriebsmotor betätigt werden oder es wird zu ihrem Antrieb der gleiche Antriebsmotor
benutzt, der auch die Hauptkontakte betätigt. Eine Veränderung der Phasenlage fdes
periodischen Arbeitens der Hilfskontakte gegenüber der Betätigung 'der Hauptkontakte
kann im ersten Fall beispielsweise dadurch erfolgen, daß man zum Antrieb Synchronmotoren
verwendet, die mehrere in verschiedenen Achsen liegende Erregerwicklungen aufweisen,
so daß man die Achse der resultierenden Erregung durch Speisen der einzelnen Erregerwicklungen
mit verschiedenen Strömen beliebig verlegen kann. Ist nur ein einziger Motor zum
Antrieb sowohl der Hauptkontakte als auch der Hilfskontakte vorgesehen, so maß eine
mechanische Verschiebung bzw. Verdrehung der entsprechenden Kontaktantriebsorgane
gegeneinander vorgenommen werden.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
In Fig. i ist mit i der Kontaktapparat bezeichnet, der den Energieaustausch zwischen
dem Drehstromnetz 2 und einem Gleichstromnetz 3 Uzw. umgekehrt ermöglicht. Es ist
hier angenommen, däß die Kontaktanordnung i aus drei auf einem Kreis angeordneten
feststehenden Kontakten q. und einem umlaufenden Kontakt 5 besteht, der den einen
Pol der Gleichstromleitung jeweils .mit einem bzw. während der Kommutierung mit
zwei der feststehenden
Kontakte 4, verbindet. Selbstverständlich
ist die Erfindung auch bei Schaltapparaten anderer Bauart sinngemäß anwendbar. Zwischen
dem Haupttransformator6 und die feststehenden Kontakte q. sind die Primärwicklungen
des Transformators 7 geschaltet, dessen Sekundärkreis in der schon beschriebenen
Weise hinsichtlich seines Widerstandes periodisch im Takte der Bewegung des Kontaktes
5 verändert werden soll. Zu diesem Zweck ist ein ungesteuertes dreianodiges Entladungsgefäß
8 vorgesehen, dessen Anodenspannungen von dem Transformator g über den Drehtransformator
io aus dem Wechselstromnetz 2 geliefert werden. Mit Hilfe des Drehtransformators
io läßt sich die Phasenlage der dem Entladungsgefäß 8 zugeführten Anodenspannungen
und damit die Phasenlage des Zündens bzw. des Erlöschens der Entladung gegenüber
den Spannungen des Wechselstromnetzes 2 beliebig regeln. Solange j ede der drei
Entladungsstrecken brennt, ist für die mit der Entladungsstrecke in Reihe geschaltete
Wicklung des Transformators i i ein geschlossener Stromkreis über den Transformator
9 und den Widerstand 12 vorhanden. Die Wirkung ist praktisch die gleiche, wie wenn
ein Widerstand, dessen Größe sich aus. dem Widerstand 12 und dem Übersetzungsverhältnis
des Transformators i i errechnet, unmittelbar ` zu der betreffenden Sekundärwicklung
des Transformators 7 geschaltet würde. Durch das cyclische Zünden und Erlöschen
der einzelnen Entladungsstrecken des Entladungsgefäßes 8 wird also die Induktivität
der einzelnen Primärwicklungszweige des Transformators 7 in cyclischer Folge periodisch
vergrößert oder verkleinert. Die Wirksamkeit des Reihentransformators 7 ist besonders
groß, wenn sein Kern aus magnetischem Material mit hoher Anfangspermeabilität und
geringer Koerzitivkraft hergestellt wird. .
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die festen
Kontakte .I verdreht werden können, um die Phasenlage der Kontaktöffnung und -schließeng
zu verändern. Da, wie schon oben erwähnt, mit einer derartigen Veränderung der Phasenlage
auch die Phasenlage der Induktivitätsänderungen in der Primärwicklung des Transformators
7 erfolgen muß, so ist der Drehregler io gemeinsam verstellbar mit den stillstehenden
Kontakten 4. gekuppelt. Durch Verwendung geeigneter Getriebe lassen sich bestimmte
Gesetzmäßigkeiten in der Abhängigkeit der Stellungen der beiden Regelorgane einhalten.
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Fig. a zeigt eine ähnliche Umformungseinrichtung, bei der jedoch eine
gesteuerte Entladungsstreckenanordnung 13 zur Anwendung gelangt, in deren Anodenleitungen
die Primärwicklungszweige des Transformators i i eingefügt sind. Die Phasenlage
der Anodenspannungen für diese Entladungssti#eckenanordnung braucht hier nicht veränderlich
zu sein, jedoch kann man von dieser Regelmöglichkeit gegebenenfalls noch zusätzlich
Gebrauch machen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Steuerung
der Phasenlage der periodischen Induktivitätsänderungen der Primärwicklung des Transformators
7 lediglich durch Verlagerung der Zündimpulse, die den Steuerelektroden der Entladungsstreckenanordnung
13 zugeführt werden. Die Steuerspann.ungsquelle 14, die :diese Zündspannungen liefert,
kann in beliebiger Weise ausgeführt sein und ist aus diesem Grunde in der Zeichnung
nicht näher dargestellt. Die stillstehenden Kontakte 4. des Kontaktapparates sind
hier nicht verdreh-bar angeordnet. Um die Phasenlage der Kontaktbewegung verdrehen
zu können, ist vielmehr der zum, Antrieb des beweglichen. Kontaktes 5 dienende Synchronmotor
15 mit zwei um go° elektrisch gegeneinander verschobenen Erregerwicklungen 16 und
17 ausgerüstet. Wird durch Verändern des Regelwiderstandes 18 !die Synchronlage
des Läufers des Synchronmotors 15 verändert, so wirkt ein solcher Regelvorgang auch
auf die Phasenlage der Zündspannungen des Entladungsgefäßes 13 ein. Damit die Phasenlage
der Steuerspannungen des Entladungsgefäßes auch noch von der Belastung der Umformungseinrichtung
beeinflußt wird, _ist in die eine Gleichstromleitung ein Meßwiderstand i9 eingeschaltet,
dessen Spannung der Steuerapparatur 14. zugeführt wird.
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In dem Gleichstromkreis der Entladungsstreckenanordnung liegt ebenfalls
wie bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel ein Widerstand 2o. Dieser Widerstand
ist jedoch zweckmäßig veränderlich, und zwar derart, daß der durch ihn hindurchfließende
Strom von dem Aussteuerungsgrad des Stromrichters abhängig ist, da sonst eine Änderung
der Phasenlage der Induktivitätsschwankungen in dem Transformator 7 von einer Änderung
in der Größe der Minimalinduktivität begleitet wäre. Der Widerstand 20 kann beispielsweise
durch eine Nebenschlußgleichstro@mmaschine gebildet werden, die mit einem konstanten
Moment belastet ist. Unter Umständen genügt bereits das eigene Reibungsmoment der
Maschine, um einen hinreichend konstanten Strom zu erzielen.
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Eine wesentlich vereinfachte Schaltung zeigt Fig. 3, -in welcher die
den Fig. i und 2 entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen tragen. Die Anodenspannungen
für den gesteuerten Stromrichter 21 werden hier
nicht einer besonderen
Wechselspannungsquelle entnommen, sondern die Anodenstromkreise sind unmittelbar
an die Sekundärwicklungen des Transformators 7 angeschlos-, sen. Die einzelnen Sekundärwicklungen
werden also unmittelbar über die zugehörigen Entladungsstrecken bei deren Zündung
kurzgeschlossen. Zur Einstellung und Regelung der Zündzeitpunkte der Entladungsstrecken
dient eine Steuerungsapparatur 22 von beliebiger Ausführungsform. Diese Steuerungsapparatur
kann entweder willkürlich oder in --Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrößen
der Umformungseinrichtung verstellt werden; in dem bezeichneten Ausführungsbeispiel
hängt ihre Einstellung von der jeweiligen Synchronlage des beweglichen Kontaktes
der Kontaktanordnung i ab: