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Wechselstromschalteinrichtung mit mechanisch bewegten Kontakten Die
Erfindung betrifft die Verbesserung einer Wechselstromschalteinrichtung mit mechanisch
bewegten Kontakten und dient dem Zwecke, Starkstromkreise möglichst ohne Schaltfeuer
zu unterbrechen. Die Erfindung ist sowohl für Schalter zum Ausführen von Einzelschaltungen
als euch insbesondere für Schalter mit. periodisch bewegten Kontakten zur Umformung
von Wechselstrom in Gleichstrom (Gleichrichter) oder von Gleichstrom in Wechselstrom
(Wechselrichter) oder von Wechselstrom in Wechselstrom von anderer Frequenz -(Umrichter)
geeignet.
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Die bisher bekannten Schalteinrichtungen dieser Art ergeben Schwierigkeiten,
wenn es sich um die Unterbrechung bzw: Umformung großer Leistungen, also hoher Stromstärken
oder hoher Spannungen handelt. Diese Schwierigkeiten sind ini wesentlichen darauf
zurückzuführen, -daß bei hohen Leistungen die Beschädigung der Unterbrechungskontakte
durch. Entladungserscheinungen, insbesondere durch zerstörend wirkende Lichtbögen,
nicht genügend vermindert werden konnte. -Es sind bereits rotierende mechanische
Gleichrichter bekannt, bei welchen in den zu unterbrechenden Stromkreis Drosselspulen
mit besonderem Eisenkern eingeschaltet sind, der bei niedrigen Betriebsstromstärken
ungesättigt, bei hohen Betriebsstromstärken aber gesättigt ist. Durch diese Drässeln
sollen die Augenblickswerte des Wechselstromes in der Nähe des Stromnulldurchganges
herabgesetzt werden, damit die zu dieser Zeit stattfindende Abschaltung erleichtert
wird. Diese bekannten. mechanischen Gleichrichter sind aber für hohe Leistungen,
besonders für Ströme von hunderten und tausenden Ampere, unzureichend. Das Auftreten
von Lichtbögen mit hoher Leistung ist bei ihnen während der Kontaktunterbrechung
nicht genügend sicher ausgeschlossen. Diese Einrichtungen zeigen ferner große Spannungsverluste
an den Stromübergangsstellen zwischen den umlaufenden Kontakten und Stromabnahmebürsten.
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Auf diese Gründe ist es zurückzuführen, daß sich Schalteinrichtungen
der erwähnten Art für das Gleichrichten, Wechselrichten und Umrichten von Strömen
hoher Leistung gegenüber Motorgeneratoren und Einankerumformern nicht durchsetzen
konnten und gegenüber den im letzten Jahrzehnt kochentwickelten Quecksilberdampfstromrichtern
und anderen Entladungsstromriphtern völlig zurückgetreten sind.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, die @obenerwähnten Schwierigkeiten
hinsichtlich der
bei der Unterbrechung hoher Leistungen auftretenden
Entladungserscheinungen zu vermeiden. Ein anderes Ziel der Erfindung be-. steht
in der Herabsetzung der Spanntm' 'sverluste, verglichen mit den Spannung01 er= lusten,
die in Gasentladungsgefäßen und":i den obenerwähnten mechanischen Gleich richtern
auftreten. Ein. weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, auch andere Verluste zu
vermeiden oder nach Möglichkeit herabzusetzen und damit den Wirkungsgrad der erwähnten
Schalt- bzw. Umformungseinrichtungen derart zu verbessern, daß auch gegenüber Schaltrohren,
insbesondere sogar gegenüber Quecksilberdampfstromrichtern, ein wesentlicher Fortschritt
erzielt wird. Weitere Ziele der Erfindung befassen sich mit der Steigerung der Betriebssicherheit
und der Anpassung an die Belastung je nach Art und Größe der angeschlossenen Verbraucher
und an den Wechsel der Belastung durch Zuschaltung oder Abschaltung oder Regelung
von Verbrauchern oder durch Störungen in den angeschlossenen Stromkreisen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Kontakte beim Unterbrechungsvorgang
synchron zur Phase des zu unterbrechenden Stromes derart gesteuert werden, daß sie
sich in der Nähe eines Stromnullwertes voneinander zu entfernen beginnen und daß
Strom und Spannung an der Trennstrecke gleichzeitig selbsttätig in der Weise beeinflußt
werden, daß in den Stromkreis der Trennstrecke Wicklungen eingeschaltet sind, mit
deren Hilfe der Stromverlauf selbsttätig periodisch mit dem Rhythmus des Wechselstromes
so verzerrt wird, daß sich die Augenblickswerte des Stromes in der Nähe des Stromnulldurchganges
nur langsam ändern und daß außerdem gleichzeitig zusätzliche Kondensatoren, Induktivitäten
oder Ohmsche Widerstände oder mehrere dieser Mittel kombiniert parallel zur Trennstrecke
angeordnet sind, über die der an der Trennstrecke unterbrochene Strom mindestens
teilweise aufrechterhalten wird, derart, daß der Spannungsabfall zunächst im wesentlichen
an den mit der Trennstrecke in Reihe liegenden Impedanien liegt, die Spannung an
der Trennstrecke aber nur allmählich ansteigt, und zwar praktisch von dem Werte
Null aus, da die an der Trennstrecke verbleibende Restspannung verschwindend klein
ist, ebenso eine möglicherweise auftretende Öffnungsspannung von entgegengesetzter
Richtung.
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Die vorerwähnten Wicklungen zur Beeinflussung des Stromverlaufs im
Sinne einer periodischen Abflachung der Stromkurve in der Nähe der Stromnulldurchgänge
können beispielsweise Sekundärwicklungen eines Transformators sein, in denen von
der Primärseite her zusätzliche Spannungen höherer Frequenz und geeigneter Phasenlage
"induziert werden, oder selbsttätig mit der Pe-'@iode des Wechselstromes veränderliche
Wirstände (Impedanzen), die periodisch in der
rqähe des Stromnulldurchganges
große Werte annehmen, z. B. auch stromabhängig .gesteu-
erte Kohledruckwiderstände
an Stelle der genannten Wicklungen. Durch die Einfüh-
rung fremder Spannungen
mittels eines Transformators kann auch gleichzeitig. die Spannungskurve derart verzerrt
werden, da$ der Unterbrechungsvorgang begünstigt' wird.
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In den Zeichnungen sind teils Ausführungsbeispiele der Erfindung in
verschiedener Form dargestellt, teils Diagramme, an denen die Wirkungsweise 'erläutert
wird.
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Betrachtet man in Fig. i zunächst nur den Anfangsteil der ersten Halbperiode,
so stellt die Kurve a den sinusförmigen normalen Wechselstromverlauf dar. Die Kurve
b giÜi den verzerrten Stromverlauf an, wenn der Stromkreis im Sinne der Erfindung
beeinflußt wird. Wie diese Kurve b zeigt, -sind die
Stromwerte über eine längere
Zeitspanne T'1 wesentlich vermindert. Diese Zeitspanne Ts wird, wenn die Abflachung
der Stromkurve sehr stark ist, als stromschwache Pause bezeichnet.
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Die Abflachung der Stromkurve allein ge-
nügt aber, wie das
eingangs erwähnte Bei-
spiel der bekannten rotierenden Gleichrichter beweist,
nicht, um bei der Unterbrechung großer Leistungen die Entladungserschei- 1 nungen
so weit herabzusetzen, daß die Kon-
takte auch bei großer Schalthäufigkeit
be-
triebsfähig bleiben. Vielmehr ist dazu noch der obengenannte parallele
Strompfad unbe-
dingt notwendig, über den im Öffnungsaugenblick ein wesentlicher
Teil des an der Trenn-
strecke unterbrochenen Stromes aufrechterhalten wird.
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Wird nämlich nach Fig.2 ein Stromkreis durch einen Wechselstromgenerator
i' gespeist, der die Spannung U erzeugt, und wird dieser Stromkreis in dem Augenblick
des Stromnulldurchganges oder kurz vorher durch die Schalteinrichtung 2' unterbrochen,
dann steigt die Spannung an den Elektroden der Schalteinrichtung nicht momentan
auf den tollen Wert U der Generatorspannung an,
sondern die Kapazität 3' wirkt
im Augenblick der Unterbrechung wie ein Kurzschluß. Der Strom, welcher nicht mehr
über den
Schalter 2' fließen kann, fließt nunmehr über
die Wicklung
4 in den Kondensator 3', wobei der Spannungsabfall zunächst im wesentlichen an der
Wicklung q.' liegt; so daß die Spannung an. den Kontakten des Schalters 2' von einem
praktisch verschwindend kleinen
Restwert allmählich ansteigt.
Es
ist dann durch passende Wahl der Trenngeschwindigkeit der Kontakte bei gegebener
Durchschlagsfestigkeit des die Unterbrechungsstelle umgebenden Mediums praktisch
erreichbar, daß die Durchschlagsspannung während des ganzen Unterbrechungsvorganges
immer größer bleibt als die wiederkehrende Spannung und daß somit kein Schaltfeuer
entsteht.
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Es ist bekannt, die Funkenbildung beim Unterbrechen, insbesondere
von Gleichstrom; durch einen zu den Kontakten parallel geschalteten Löschkondensator
herabzusetzen. Demgegenüber wird durch das Zusammenwirken eines Parallelpfades k
einer veränderlichen Impedanz, die in>. -ihr Unterbrechungsstelle in Reihe liegt
und in der Nähe des Nulldurchganges des Wechselstromes bzw. des Kommutierungsstromes
große Werte annimmt, eine wesentliche Verbesserung erzielt, weil infolge der verhältnisgleichen
Verteilung der Spannung auf die Parallelschaltung von Trennstrecke und Nebenpfad
einerseits und die einen hohen Widerstand annehmende Reihenimpedanz andererseits
der für erstere verbleibende Spannungsanteil nur einen kleinen, praktisch unbedeutenden
Rest ausmacht.
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Diese Wirkung wird nicht ohne weiteres erzielt, wenn, wie bekannt,
ein Parallelkondensator so angeordnet ist, daß er die Reihenschaltung einer synchron
gesteuerten Unterbrechungsstelle mit einer sich in der Nähe des Stromnulldurchganges
entsättigenden und dadurch die Stromkurve. abflachenden Drossel insgesamt überbrückt.
Dann kann zwar ein Teil des abgedrosselten Stromes nach Eintritt der Drossel in
den ungesättigten Zustand über den Parallelkondensator fließen, die beim Öffnen
der Unterbrechungsstelle an dieser wiederkehrende Spannung kann jedoch durch die
in der Drossel erzeugte Spannung vermehrt werden, weil in dem von der Drossel, dem
Kondensator und der Unterbrechungsstelle gebildeten Stromkreise die letztere im
Unterbrechungsaugenblick den höchsten Widerstandswert darstellen und somit den größten
Anteil der Spannung auf sich ziehen würde. .Da infolgedessen die wieder-" kehrende
Spannung an der Unterbrechungsstelle sehr steil verliefe, so könnte es geschehen,
daß es eben nicht zu einer sofortigen endgültigen Stromunterbrechung, sondern zunächst
zu einer Rückzündung und damit zur Ausbildung eines Lichtbogens kommt. Dieser stellt
bei der bekannten Einrichtung den für einen mit Trägheit behafteten stetigen Ablauf
des Unterbrechungsvorganges unbedingt erforderlichen Leitwert dar in Ermangelung
eines anderen Leitwertes, wie er beim Erfindungsgegenstand durch den zur UnterbrechungbbLeiie
parallel liegenden Nebenpfad gegeben ist.
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Einem früheren Vorschlag folgend, sollen zum Unterbrechen von Stromkreisen
Ohmsche, induktive oder kapazitive Widerstände oder Funkenstrecken und ffberspannungssicherungen
in beliebiger Kombination mit in den Stromkreis eingeschalteten Wicklungen von Drosselspulen
oder Transformatoren verwendet werden, deren Eisenkern während des Abschaltvorganges
nur in der Nähe des Nullwertes des Stromes ungesättigt, während des übrigen Stromverlaufes
gesättigt ist. Hier bei sollen u. a. an beliebigen Stellen des abzuschaltenden Stromkreises,
insonderheit parallel zu den Wicklungen, elektrischen Widerständen und den Unterbrechungsstellen
der Schalter, Kondensatoren, Funkenstrecken oder andere bekannte Überspannungssicherungen
angeordnet sein. Im Gegensatz hierzu kann die erfinderische Aufgabe nicht mit irgendeiner
Anordnung gelöst werden, die aus der Reihe jener besonders empfohlenen beliebig
ausgewählt ist. Wenn nämlich, wie es in dem Vorschlag beispielsweise angegeben ist,
innerhalb der Parallelschaltung noch eine weitere Drossel mit der Unterbrechungsstrecke
in Reihe liegt, von dem Parallelkondensator also mit überbrückt wird, so kann an
dieser Drossel durch das Abreißen des Stromes eine so hohe Spannung induziert ,
werden, daß durch diese ein schneller Spannungsanstieg an der Trennstrecke herbeigeführt
und ein Lichtbogen zwischen den Kontakten gezündet wird, obwohl von der sich entstättigenden
Reihendrossel der größte Teil der im übrigen Stromkreis entstehenden Spannung übernommen
wird. Ferner fehlt in dem besagten Vorschlag vor allem eine Zeitangabe für den Augenblick,
in dem sich die Kontakte voneinander zu entfernen beginnen. Bleibt dieser aber dem
Zufall überlassen, so ist die Gefahr erheblichen Kontakfabbrandes durch Starkstromlichtbögen
von großer Länge unvermeidlich, wodurch die praktische Brauchbarkeit einer derartigen
Anordnung gerade auch für häufig zu betätigende Schalteinrichtung in Frage gestellt
wird.
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Fig.3 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen mechanischen"Umformer
mit einem von der Welle 6' aus synchron angetriebenen umlaufenden Kontakt 5' und
einem feststehenden Kontakt 7'.
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Um keine zu große Trenngeschwindigkeit zu bekommen, kann man,die Durchschlagsspannung
erhöhen und zu diesem Zweck die Trennstrecke im Vakuum anordnen. Ein anderes Mittel
besteht darin, daß die Trennstrecke mit einem besonderen hochwertigen Medium von
hoher Durchschlagsspannung umgeben- wird. Als Dielektrikum kommen
hauptsächlich
Gase oder Flüssigkeiten in Betracht, insbesondere unter erhöhtem statischem Druck
stehende Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Luft unter etwa 5 atü. Man kann auch Wände
aus Isolierstoff sofort nach der Trennung zwischen die Kontakte schieben, insbesondere
in Kombination mit der Anwendung der obenerwähnten Gase oder Flüssigkeiten.
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Die Flüssigkeiten oder Gase können vorteilhafterweise an der Unterbrechungsstelle
in an sich bekannter Weise in Strömung versetzt werden, um gleichzeitig als Löschmittel
in solchen Fällen dienen zu können, wenn durch vorübergehende Störungen oder Abweichungen
vom Normalbetrieb, durch die die Phasenlage oder Symmetrie der Wechselspannung verändert
wird, vereinzelt Schaltfeuer auftreten könnte. Zur Ersparnis von Löschmitteln kann
die Beblasung in an sich bekannter Weise mit wechselnder Stärke in einem den Schaltvorgängen
angepaßten Rhythmus durchgeführt werden. Vorteilhaft werden die Kontakte in an sich
bekannter Weise als Blasdüsen ausgebildet, 'durch welche ein Löschmittel strömt.
Dann ist nämlich im Augenblick der Löschung, d. i. im Stromnulldurchgang, sowohl
der Kontaktabstand als auch gleichzeitig der Blasdüsenabstand klein, und infolgedessen
kommt die Löschströmung besonders gut zur Wirkung.
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Zwecks Anwendung von strömender Druckluft als Dielektrikum ist beispielsweise
die Kontakteinrichtung des Stromrichters nach Fig. 3 in einem Gehäuse 8' eingeschlossen,
das mit Druckluft gefüllt ist. Im Kontakt 5' ist ein sich zuerst verengender und
anschlie= ßend erweiternder Gaskanal 9' vorgesehen, der in die Bohrung der Hohlwelle
6' mündet. to' ist ein Gaskanal im feststehenden Kontakt 7'. Durch beide Gaskanäle
wird das Gas in Pfeilrichtung nach einem Raum niedrigeren Druckes oder ins Freie
abgeführt. In der gezeichneten Stellung stehen sich die Mündungen der Gaskanäle
in den Kontakten 5' und 7' in geringem Abstand ap gegenüber.
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Die Erfindung kann mit Vorteil auch bei solchen Umformern angewendet
werden, bei denen die Kontakte sich nicht unmittelbar berühren, sondern Elektroden
paarweise mit geringem Abstand aneinander vorbeibewegt werden, so daß der Strom
während der Übertragungsperiode über eine kleine Lichtbogenstrecke aufrechterhalten
wird. Die übertragbare Höchstleistung wird bei diesen durch Anwendung der Erfindung
wesentlich gesteigert. Im Vergleich dazu wird jedoch ein höherer Wirkungsgrad erzielt,
wenn die Schalteinrichtung so ausgebildet ist, daß die Kontaktflächen beiderseits
-der Trennstrecke während der Stromschlußzeiten in metallische Berührung miteinander
kommen. Es ist zweckmäßig, die Eigenfrequenz des zu' schaltenden Stromkreises durch
zusätzliche Kondensatoren, Induktivitäten, Widerstände oder durch gleichzeitige
Anwendung von mehreren dieser Mittel so weit zu verringern, daß man mit mäßigen
Kontakttrennungsgeschwindigkeiten auskommen kann.
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Die Aufwendungen für die Zusatzgeräte machen sich besonders bezahlt
bei periodisch schaltenden Einrichtungen hoher Schaltzahl.
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Zur Erzielung der stromschwachen Pause im Stromverlauf verwendet man
in bekannter Weise mit besonderem Vorteil Induktivitäten, die periodisch in der
Umgebung des Stromnulldurchgaxges große Werte annehmen, z. B. DrosselspulA rhit
sich während der stromführendem'Halbwelle, das ist zwischen je zwei aufeinanderfolgenden
Stromnul)durchgängen, sprunghaft sättigendem Eisenkern. Derartige Drosseln werden
im folgenden als Schaltdrosseln bezeichnet.
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Diese Schaltdrosseln, wie überhaupt mit ferrömagnetischem Material
verkettete Wicklungen, bei denen das ferromagnetische Material nur bei kleinen,
in der Nähe des Stromnulldurchganges auftretenden Stromwerten ungesättigt ist, bei
höheren Stromwerten aber den Sättigungsknick der Magnetisierungskennlinie überschreitet,
sind, wie bereits bekannt und erwähnt, besonders nützlich bei Schalteinrichtungen
.mit periodisch bewegten Kontakten, z. B. zur Stromumformung, zu verwenden.
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Die Schaltdrossel wirkt um so günstiger, ". je weniger Streuung sie
hat. Man führt sie deshalb mit großem Eisenquerschnitt und verhältnismäßig geringer
Windungszahl aus. Hierzu werden mit Vorteil Eisensorten mit geringer Koerzitivkraft,
vor allem aber mit großer Permeabilität, scharfem Sättigungsknick sowie hoher Sättigungsinduktion
verwendet, z. B. eine Silicium-Eisen-Legierung mit 2 bis q.°%Silicium oder eine
Nickel-Eisen-Legierung mit 781/,) Nickel, die zur Erzielung der genannten Eigenschaften
einer besonderen Wärmebehandlung und mechanischen Bearbeitung unterworfen worden
sind. Um auch Eisen mit größerer Koerzitivkraft verwenden zu können, kann nach der
weiteren Erfindung eine Vormagnetisierung durch Gleich- oder Wechselstrom oder auch
durch permanente Magnete angewendet werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß
die plötzliche Änderung des Kraftflusses in den vormagnetisierenden Windungen eine
Gegen-EMK induziert. Diese schädliche Wirkung kann durch eine weitere Drossel in
dem Erregerkreis der Schaltdrossel oder durch Induzierung zusätzlicher Spannungen,
insbesondere fremder Phasen, kompensiert werden. ' Die Vorerregung durch Gleichstrom
gibt
eine Verbesserung beim Ausschalten, kann aber unter Umständen
die Stromstärke im Augenblick des Einschaltvorganges erhöhen. Die Einschaltstromstärke
kann nach einem weiteren Verbesserungsvorschlag dadurch niedrig gehalten werden,
daß im Bereich des Einschaltzeitpunktes mit geringerer oder mit entgegengerichteter
Vormagnetisierung gearbeitet wird. Hierdurch kann- nämlich verhindert werden, daß
die Drossel im Einschaltzeitpunkt bereits in Richtung des ansteigenden Stromes gesättigt
ist. Ihr Magnetisierungsverlauf muß sich infolgedessen nach der Einschaltung zunächst
im ungesättigten Bereich bewegen, wodurch der entstehende Strom vorübergehend auf
sehr niedrigen Werten gehalten wird, bis er den Sättigungswert der Drossel erreicht
hat. Erst von diesem Zeitpunkt ab kann der Strom wegen der nunmehr verschwindend
geringen Induktivität derDrossel ungehindert steil ansteigen. Durch eine derartige
Steuerung ihres Magnetisierungszustandes im Hinblick auf einen bevorstehenden Stromanstieg
wird mithin die an sich bekannte, für hohe Sättigung bei Nennstrom bemessene Eisendrossel
zu einem wirksamen Mittel, um eine -mit ihr in Reihe liegende offene Schaltstelle
bei einem Schließvorgang gegen hohe Beanspruchung zu schützen.
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Damit bei Umformungsanordnungen sowohl den Bedingungen des Einschaltvorganges
wie auch den Bedingungen des Ausschaltvorganges zugleich Rechnung getragen werde,
kann für die Schaltdrossel eine Vormagnetisierung durch Wechselstrom von geeigneter
Frequenz und Phasenlage, z. B. in einem Mehrphasensystem durch in anderen Phasen
fließenden Wechselstrom, vorgesehen werden, soodaß die Magnetisierung sowohl beim
Einschalten wie auch beim Ausschaltvorgang im richtigen - Sinne erfolgt. Unter Umständen
kann es zweckmäßig sein, zur Erreichung des erforderlichen Grades der Vormagnetisierung
der Wechselstromvorerregung eine Gleichstromvorerregung, beispielsweise durch den
Belastungsstrom oder einen Teil des Belastungsstromes, zu überlagern.
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Fig. q. dient zur Erläuterung, wie die in Fig. i dargestellte Verzerrung
der Stromkurve mit Hilfe der Schaltdrossel zustande kommt. Fig. q: stellt die aus
den beiden Kurvenzweigen r und s bestehende Hysteresisschleife der Schaltdrossel
dar, wobei auf der horizontalen Achse die dem Strom i bzw. den Amperewindungen aw
proportionale- Feldstärke und auf der vertikalen Achse die magnetische Induktion
B aufgetragen ist. Auf dem absteigenden Kurvenast, also b$i abnehmender Feldstärke,.
ist infolge der Remanenz im Stromnuildurchgang die Induktion B, vorhanden und daher
der Eisenkern noch angenähert magnetisch gesättigt. Est nach dem Stromnulldurchgang
gelangt die Induktion in das ungesättigte Gebiet, so daß infolge der in diesem Gebiet
zunehmenden Induktivität die Abflachungen c, c' der Stromkurve b (Fig. i) erst hinter
dem Stromnulldurchgang auftreten. Der .Kurventeil d am Ende der ersten Halbperiode
stellt den Stromverlauf dar, wenn der Schaltdrossel eine die Koerzitivkraft kompensierende
Vormagnetisierung von der Größe h, gegeben wird. Nach Fig. q. verschiebt sich infolge
dieser Vormagnetisierung die Hysteresisschleife nach rechts in die strichpunktiert
eingezeichnete Lage, falls die Vormagnetisierung in beiden Stromhalbwel-'len die
gleiche Richtung hat. Infolgedessen geht nunmehr die Induktion auf dem absteigenden
Kurvenasts beiderseits des Stromnullwertes durch das ungesättigte Gebiet, und die
Abflachung e der Stromkurve d liegt nunmehr nach Fig. i beiderseits
des Stromnulldurchganges. 'Die Stromwerte sind jetzt im Zeitintervall te bis zum
Nulldurdhgang des Stromes klein. An der Stelle des Sättigungsknickes hat der Strom
die Größe ix. Will man diese Wirkung auch für den ansteigenden Strom erzielen,
dann muß man eine Vormagnetisierung von wechselnder Polarität einführen, die in
Fig. i als I", angegeben ist. Es liegen dann alle Abflachungen e, e' . . .
der Stromkurve d beiderseits des Stromnulldurchganges.
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Man .hat es in der Hand, durch die Wahl der Vormagnetisierung die
Abflachung der Stromkurve so weit nach links,- d. h. vor den Stromnulldurchgang,
zu verlegen, daß im Grenzfalle, wie die Kurve f -angibt, der Stromnulldurchgang
ganz am rechten Sättigungsknick der Stromkurve liegt. Man hät in diesem Fall eine
besonders. große Zeitspanne, nämlich die ganze stromschwache Pause Tv für die Stromwendung
zur Verfügung.
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In F ig. 5 ist z. B.. eine Umformeranordnung für Drehstrom dargestellt,
bei welchem die Stromwendung mit Hilfe von Schaltdrosseln erleichtert ist. i, s
und 3 sind die sekundären Wicklungen eines dreiphasigen Transformators. q. ist ein
umlaufender segmentförmiger Kontakt, der durch die Welle 6 in synchrone Umdrehung
versetzt Wird. Die Welle 6 wird zu diesem Zweck durch einen Synchronmotor angetrieben,
der in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die feststehenden Kontaktstücke des
Stromrichters sind mit 7, 8 und 9 bezeichnet. Diese sind an die Dreiphasenwicklungen
i, z und 3 angeschlossen. Die Gleichstrombelastung io liegt zwischen dem Nullpunkt
des Transformators und dem rotierenden Pöl q.. Parallel zu den Kontakten 7, 8 und
9 liegen die kapazitiven Nebenpfade 2i,
22 und 23, in Reihe damit
die Schaltdrosseln i r, 12 und 'r3, deren Kerne aus ferromagnetischem Material mit
1q., 15 und 16 bezeichnet sind und je eine weitere Wicklung 17, i8 und i
g zur Vormagnetisierung mit Gleich- oder Wechselstrom besitzen. Diese Erregerwicklungen
17, i8 und i9 sind beispielsweise hintereinandergeschaltet und an eine gemeinsame
Stromquelle angeschlossen, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Sind die Schaltdrosseln mehrerer Phasen durch Anordnung der Spulen
auf verschiedenen Schenkeln eines gemeinsamen Eisenkörpers magnetisch untereinander
verkettet, so kann man die Wicklung für die Vormagnetisierung auf einem zusätzlichen
Schenkel anordnen.
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Die Wicklung eines die Anordnung speisenden Transformators kann zur
Erzeugung der periodisch veränderlichen Induktivität benutzt werden, indem ein Teil
der Windungen des Transformators mit einem sich sättigenden Eisenweg verkettet ist.
Man kann auf diese Weise den induktiven Spannungsabfall des äußeren Stromkreises
besonders klein machen.
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Bei Umformern, deren Kontakte synchron mit der Netzfrequenz gesteuert
werden, sind noch folgende Erscheinungen zu beachten. In der Nähe des Stromnulldurchgänges
wird durch den bewegten. Kontakt ein Kurzschlußstromkreis hergestellt, in welchem
der Strom der abzuschaltenden Phase abklingt und der Strom der zuzuschaltenden Phase
bis zur Höhe des Belastungsstromes anwächst. Mit dem Nulldurchgang des abzuschaltenden
Phasenstromes findet dieser Kommutierungsvorg4ng ein Ende. Seine Dauer hängt von
der Höhe des Belastungsstromes ab. Die Kommutierungszeit ist somit um sq länger,
je größer der Belastungsstrom ist. Damit bei allen Betriebszuständen die Kontakttrennung
vor? dem Stromnulldurchgang eintritt, müssen die Kontaktzeiten in an sich bekannter
Weise so eingestellt werden, daß die Kontakte bei kleinster Belastung noch richtig
unterbrechen. Diese Ausführung zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus. In
manchen Fällen wird jedoch hierbei nachteilig empfunden, daß bei höheren Belastungen
ein Lichtbagen auftreten kann, wenn nämlich die Kontakte vor Beginn der stromschwachen
Pause außer Berührung kommen. Zur Beseitigung dieses mißlichen Umstandes ist es
weiter erforderlich, die Arbeitsbedingungen der Schalteinrichtung hinsichtlich einer
möglichst lichtbogenfreien Stromunterbrechung bei allen Belastungszuständen annähernd
gleich günstig zu halten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß
der Unterschied in der Phasenlage des Stromnulldurchganges des Kommutierungsstromes
gegenüber dem Augenblick der Kontakttrennung für alle Belastungen konstant gehalten
wird. Zu diesem Zwecke wird nach der rfindung die mit der Belastung eintretende
Verschiebung der Lage des Nulldurchganges des Ktimmutierungsstromes gegenüber der
Lage des Augenblicks der Kontakttrennung durch eine Beeinflussung des Kommutierungsstromkreises
in Abhängigkeit vom Belastungsstrom kompensiert.
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Wird z. B. mit sich vergrößernder Belastung die Induktivität des KurzschluB-stromkreises
entsprechend verkleinert, so erreicht man dadurch, daß der Kurzschlußstrom in der
zuzuschaltenden Phase schneller auf den Wert des Belastungsstromes ansteigt, als
es sonst der Fall wäre, und zwar kann dieser Anstieg durch entsprechende Wahl der
Induktivität so beschleunigt werden, üaß die Kommutierungszeit bei dieser größeren
Belastung gegenüber dem Betrieb mit kleinerer Belastung nicht verlängert, sondern
eher noch verkürzt wird.
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In den Fig. 6 und 7 sind diese Verhältnisse bei einem Dreiphasengleichrichter
veranschaulicht. Fig.6 stellt die Spannungskurven der drei Phasen u, v, w
.dar. Im Augenblick to,
d. h. bei Spannungsgleichheit,, erfolgt der Kurzschluß
der beiden Phasen durch den umlaufenden Kontakt. Bis zum Zeitpunkt t1 hat sich die
Kommutierung vollzogen. Während dieser Zeit wirkt in dem Kurzschlußkreis die veränderliche
Spannungsdifferenz e zwischen den beiden Phasen. In Fig. 7 stellt die Kurve a den
Verlauf des Kurzschlußstromes in der zuzuschaltenden Phase v dar. Die Kurve b stellt
den Kurzschlußstromverlauf in der abzuschaltenden Phase u dar, wenn die Gleichstrombelastung
jg,ist. Im Augenblick to erfolgt der Kurzschluß. Nach der Kommutierungszeit d t,
hat der Strom in der Phase v, auf der Kurve a ansteigend, den Wert Jg, erreicht,
und der Strom in der Phase u ist in der gleichen Zeit auf den Nullwert herabgesunken.
Wächst nun die Belastung auf den Wert J.2, dann erreicht bei der Kommutierung der
Strom in der Phase v erst nach der Zeit d t2 den vollen Wert Jg_ des Belastungsstromes,
und in derselben längeren Zeit erst erreicht der Strom der Phase u seinen Nullwert,
wobei er nach der Kurve c abklingt.
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Wendet man nitn nach der Erfindung bei dem größeren Strom Jg= eine
Drossel kleinerer Induktivität an, so erfolgt die Kommutierung nicht entsprechend
der Kurve c, sondern entsprechend der Kurve d, d.h. die Kommutierungdes großen Stromes
Jg, ist in. demselben Zeitpunkt t, beendet wie die Kommutierung des kleinen Stromes
Jg, -In Fig. 8 ist beispielsweise die selbsttätige . Beeinflussung der Kommutierungsstromkreise
eines
dreiphasigen Gleichrichters, ähnlich dem in Fig. 5 dargestellten, mit Hilfe von
Drosselspulen dargestellt, die von der' Gleichstrombelastung vormagnetisiert sind.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. In die drei Wechselstromphasen
sind nun aber im Gegensatz zu Fig. 5 keine Schaltdrossel, sondern die drei gewöhnlichen
Drosselspulen z i', 12' und 13' eingeschaltet, die auf dem einen Schenkel je eines
Eisenkernes i4', r5' bzw. _i6' liegen, dessen -anderer Schenkel eine Magnetspule
größerer Windungszahl 17' bzw. i8' bzw. r9' trägt. Die Spulen r7', 18' und i9' sind
in den Gleichstromkreis eingeschaltet. Sie können gleichzeitig die Glättungsdrosseln
bilden.
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In Fig. g ist der Verlauf der Induktivität L einer Drossel (1"1',
12' bzw. r3') in Abhängigkeit von ihrem Vormagnetisi,#rungsstrom J dargestellt.
Der Vormagnetisierungsstrom Jist der in dem Belastungsstromkreis iließheende Gleichstrom.
Bei einer Belastung 1"" beträgt die Induktivität L1. Sie ändert sich durch den in
der Drossel i i' bzw. 12' bzw. 13' fließenden Kurzschlußstrom ik in dem Bereiche
d L1. Diese Änderung ist im Verhältnis zu der durch die Vormagnetisierung hervorgebrachten
Änderung klein, weil die Windungszahl der Spule i i' wesentlich kleiner ist als
diejenige der- Spule r7'. Ist der Belastungsstrom größer, nämlich IbL, .dann hat
die rnittlerelnduktivitätdenkleinerenWertL2. Sie ändert sich durch den Kurzschluästrom
ik in dem Bereich d L2, also in noch geringerem Maße als bei der kleineren Belastung.
Infolge der geringeren Induktivität LE bildet sich bei dem höheren Belastungsstrom
fg, ein größerer Kurzschlußstrom aus. Stieg also nach zig. 7 der Kurzschlußstrom
in der zuzuschaltenden Phase v bisher nach der Kurve a bis auf einen Wert lk an
-und erreichte daher die Höhe ,%g., des Betriebsstromes in der Zeit 4 t1, so würde
er nunmehr auf den größeren Wert jlr, ansteigen. Der Strom erreicht daher den Betrag
des größeren Belastungsstromes J..= nicht erst nach d t2 Sekunden, sondern
schon nach ,d t1 Sekunden, d. h. die Kommutierung vollzieht sich genau so rasch
wie- beim kleineren Betriebsstrom Jr, . Der Strom der-Phase u klingt dementsprechend
nicht mehr nach der Kurve c, sondern nach der Kurve d auf seinen Nullwert ab. Die
Unterbrechung des Stromes der Phase u -findet also, wenn der für kleinere Belastung
eingestellte Augenblick der Kontakttrennung auch bei der höheren Belastung beibehalten
wird, unter annähernd gleich günstigen Bedingungen statt. Im wesentlichen dieselbe
Wirkung kann auch durch Verwendung veränderlicher Ohmscher Widerstände, beispielsweise
stromdruckabhängiger Kohlensäulewiderstände im Kurzschlußkrefs erzielt werden; indem
dadurch mitzunehmender Belastung der Scheinwiderstand des Kurzschlußkreises verringert
wird.
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Eine andere Möglichkeit, stets günstige Kommutierungsbedingungen zu
erhalten, besteht darin, die Phasenlage der Stromnulldurchgänge im Schalttakt bei
verschiedenen Belastungen konstant zu halten. Man kann z. B. die von der Belastung
abhängige zeitliche Verschiebung des Stromnulldurchganges des Schalterstromes gegenüber
dem Schalttakt durch eine zusätzliche Beeinflussung sei-' ner Phasenlage, die in
Abhängigkeit von der Belastung.gesteuert wird, wieder rückgängig machen. Statt dessen
kann man die Phasenlage des. die Schalteinrichtung antreibenden Antriebsmotors durch
geeignete belastungsabhängige Regeleinrichtungen der Verschiebung des Stromnulldurchganges
selbsttätig anpassen. Hierzu können mit besonderem -Vorteil Schnellregler verwendet
-werden, damit die Schalteinrichtung den Belastungsänderungen möglichst rasch folgen
kann. Die Beeinflussung der Phasenlage kann auch dadurch erreicht- werden, daß der
Synchronmotor, der zum Antrieb der Kontakte verwendet owird, auf einer Bremseinrichtung
arbeitet, wobei die Bremseinrichtung bei Belastungsänderungen entlastet oder belastet
wird, am besten unmittelbar durch den Belastungsstrom selbst, so daß die innere
Phasenlage des Motors geändert und damit auch die Phasenlage des Schalttaktes verschoben
wird. Die Arbeitsbedingungen für derartige Regelungen sind um so günstiger, je langsamer
die Belastungsänderungen sich auswirken. Es kann daher eine weitere Verbesserung
dadurch erreicht werden, daß durch besondere Einrichtungen die Änderungen der Belastung
verzögert werden. Hierzu können beispielsweise Drosselspulen verwendet werden, etwa'.
die in einem Gleichrichterkreis ohnedies vorhandenen Glättungsdrosselspulen oder
auch die vorerwähnten anderen Drosselspulen, zu denen, falls dies erforderlich ist,
zusätzliche Drosselspulen kommen können.
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Mit besonderem Vorteil können auch Puffereinrichtungen verwendet werden,
das sind zusätzliche Belastungskreise, die im Augenblick einer plötzlichen Entlastung
eingeschaltet werden und dann allmählich 'ausgeschaltet werden, wobei die Zu- und
Abschaltung durch geeignete Regeleinrichtungen möglichst trägheitslos erfolgt. Auch
können auf die bei plötzlicher Entlastung eintretende Spannungserhöhung nach Art
von Überspannungsableitern ansprechende Einrichtungen zur Übernahme der überschüssigen
Last verwendet werden. Unter Umständen kann auch eine Verbesserung dadurch erreicht
werden, daß bei plötzlichen Entlastungen der Stromumformer
selbst
vorübergehend abgeschaltet wird.
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Die vorerwähnten Scheinwiderstände (Impedanzen) können auch dazu verwendet
werden, den Rückstrom bei etwaigen, z. B. durch Störungen der Synchronlage des Schalttaktes
oder durch Phasenunsymmetrie im speisenden Netz verursachten Rückzündungen auf vorübergehend
tragbare Werte zu begrenzen. Hierzu können auch zusätzliche Einrichtungen vorgesehen
werden, wie Eisendrosseln, deren Magnetisierungszustand durch Vorerregung auf den
Sättigungsknick der Magnetisierungskennlinie gebracht ist. Einem in Arbeitsrichtung
hindurchfließenden Strom bietet eine solche gesättigte Drossel nur geringen Widerstand.
Beginnt jedoch ein Strom in umgekehrter Richtung, also ein Rückstrom, zu fließen,
so wirkt dieser der vorhandenen Vormagnetisierung entgegen und bringt damit die
Drossel zunächst in den ungesättig-, ten Zustand, so daß sie, wie oben an Hand von
Fig.4 beschrieben, selbsttätig eine hohe Induktivität annimmt. Dadurch wird der
Rückstrom vorübergehend auf einen für die Schalteinrichtung ungefährlichen Wert
begrenzt, bis der Sättigungszustand in der entgegengesetzten Richtung erreicht und
überschritten ist.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die angedeuteten
Ausführungsmöglichkeiten beschränkt, insbesondere ist es auch möglich, je nach Strom
und Spannung mehrere Einrichtungen parallel bzw. hintereinander zu schalten. Hierbei
empfiehlt es sich, zusätzliche Mittel, wie verkettete Drosseln, Stromtransformatoren
u. dgl., zu verwenden, um die Verteilung des Stromes bzw. die Verteilung des Spannungsabfalls
auf die einzelnen Schalteinrichtungen gleich oder verhältnisgleich zu halten.