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Mechanischer Kontaktstromrichter Bei bekannten Schwingkontaktwechselrichtern
-ist ein ungefähr auf die Eigenschwingungszahl des mechanischen Systems abgestimmter
elektrischer Parallelschwingkreis vorgesehen, der hei Kontaktöffnung unter gewissen
Belastungsbedingungen eine Verminderung der öffnungsfunken bewirkt. Eine derartige
Abstimmeinrichtung kann aber nicht die Bildung von Schließungsfunken infolge Entladung
des Kondensators über den Kontakt verhindern.
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Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil durch eine solche Bemessung
der Abstimmungswerte des Kondensators C und der Selbstinduktivität L sowie der diesen
Schwingkreis dämpfenden Teile, daß die Spannungsgleichheit bei der Kontaktschließung
in einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die Änderungsgeschwindigkeit der Kondensatorspannung
gleich Null ist. Dadurch vermögen selbst größere noch aus anderen Gründen zulässige
betriebsmäßige Frequenzänderungen des mechanischen Systems keine Störung der einwandfreien
Kontaktbetätigung herbeizuführen, da kleine Abweichungen vom Sollwert dann noch
nicht zu störenden Funkspannungen führen. Dadurch wird die Lebensdauer derartiger
Kontaktstromrichter beträchtlich
erhöht. Auch kann im allgemeinen
die umformende Leistung nicht unbeträchtlich erhöht werden. Für die Abstimmfrequenz
ergibt sich folgende allgemeine Formel:
dabei ist Tir die Umschlagzeit des Kontaktes, Tfa die Periodendauer der Abstimmfrequenz
und x = o oder eine ganz positive Zahl. Als günstigste Periodendauer für die Abstimmung
hat sich die 2- bis -.fache Zeitdauer der Umschlagzeit oder deren Nähe ergeben.
Dabei können bestimmte Betriebsbedingungen, z. B. die bei höheren Betriebsfrequenzen
geänderten Dämpfungswerte, einen gewissen Einfluß auf die Größe dieses Wertes nehmen.
Für die Abstimmung, insbesondere auf die ..fache Zeitdauer der Umschlagzeit, erweist
es sich besonders zünstig, den Schwingungswiderstand etwa doppelt so groß zu bemessen
wie
den Wirkwiderstand R; bei dieser Bemessung ist die Spannung des Kondensators im
Augenblick der Kontaktgabe praktisch die gleiche nach Größe und Phase wie die aufgedrückte
Spannung der Stromquelle, daher kann sich der Kondensator, wie schon ausgeführt,
im Augenblick der Kontaktschließung nicht über den Kontakt entladen. Durch diese
Art der Abstimmung wird erreicht, daß die Kontaktschließung in einem Augenblick
erfolgt, in dem die Kurve der erregten gedämpften Schwingung einen flachen Verlauf,
vorzugsweise eine zur Zeitachse parallele Tangente hat. Die Abstimmung nach der
Erfindung ist damit längst nicht so einstellempfindlich wie die bei den bekannten
Einrichtungen.
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Da sich im allgemeinen Umschlagzeiten der Kontakte von nur etwa 1/$
bis 1/1o der Schwingungsdauer einer Welle der abgegebenen Ausgangsfrequenz ergeben,
so ergibt die Bemessungslehre nach der Erfindung wesentlich höhere Abstimmfrequenzen
als die Eigenfrequenz des mechanischen Systems. Für die Anwendung der Bemessungslehre
nach der Erfindung ist es gleichgültig, ob es sich um Schwingkontaktwechselrichter
oder um solche mit rotierenden Kontakten handelt. Weiterhin ist diese Bemessungslehre
auch auf Schwingkontaktumrichter, z. B. auch mit Kontakten zur Wiedergleichrichtung
an-«endbar.
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Mit den bekannten Schwingkontaktwechselrichtern und den bekannten
Funkenlösch- und abstimmitteln lassen sich bei in Luft arbeitenden Kontakten nur
etwa Leistungen von ioo bis höchstens 15o Watt umsetzen. Dahingegen gelingt es mit
nach der Abstimmlehre der Erfindung bemessenem Geräte leicht, Leistungsumsetzungen
von 25o bis 350 Watt zu erzielen. Infolge dieser Leistungssteigerung wird
ein einwandfreier Betrieb auch von mit Einphasenasynchronmotor angetriebenen Kühlschränken
am Gleichstromnetz erst möglich. Das bringt einmal eine Vereinheitlichung der Kühlschrankantriebe
für die beiden Stromarten mit ihrer verbilligenden Wirkung. Weiterhin ist aber gerade
das Wechsel-Strommodell mit der Möglichkeit der völlig drucksicheren Unterbringung
des Antriebsankers ausschlaggebend für die Betriebssicherheit des Kompressors eines
solchen Kühlschrankes. Es bedeutet daher auch aus diesem Grunde einen außerordentlichen
Fortschritt, das Wechselstrommodell auch aus dem Gleichstromnetz einwandfrei speisen
zu können.
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Die Abstimmung nach der Erfindung in dieser einfachen Anordnung ist
noch lastabhängig, weil sich mit der Änderung der Last die Dämpfung der Schwingkreise
und damit die Schwingamplitude verändert. Nach weiterer Ausgestaltung der Erfindung
wird diese Lastabhängigkeit in weiten Grenzen durch die Vereinigung von Reihen-
und Paralleldrosseln, die zusammen vermittels eines Kondensators abgestimmt werden,
vermieden. Dadurch gelingt es auch, einwandfrei Leistungen von mehr als 5oo Watt
in Wechselstrom umzusetzen, und zwar bei gegenüber dem Bekannten wesentlich verbessertem
Wirkungsgrad. Diese Wirkungsgradverbesserung wird dadurch erreicht, daß die in dem
Schwingkreis fließende Energie grÖßtenteils auch in dem Verbraucher in günstiger
Weise wirksam wird. Die von einer derartigen Schaltung gelieferte Wechselspannung
ist , wesentlich glatter und oberwellenfreier über einen weiten Belastungsbereich
als bei den bekannten Einrichtungen.
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In den Fig. x bis 7 sind die Arbeitsweise und die Schaltungen von
Wechselrichtern, die nach der Erfindung bemessen sind, dargestellt.
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In Fig. i ist für einen vierpoligen Wechselrichter ein Schaltbild
angegeben. Von der Batterie i gehen zwei Leitungen :2 und 3 zu den beweglichen Kontakten
der beiden Wechselkontakte q. und 5. Die festen Kontakte sind in an sich bekannter
Weise mit dem Verbraucher R verbunden. In Reihe mit dem Verbraucher liegt die Selbstinduktionsspule
L und parallel zu dem Ausgang der Kontakte q. und 5 liegt der Kondensator C. Der
Abstimmkreis aus C und L ist, wie weiter oben ausgeführt, auf ein festes Verhältnis
zur Umschlagzeit der Kontakte q. und 5 abgestimmt.
In Fig. 2 ist
schematisch der Verlauf einer durch die Kontaktöffnung erregten gedämpften Wechselspannung
an den Kondensatorklemmen dargestellt. Wie man erkennt, geht diese Spannung am Kondensator
nach etwas mehr als 1!4 Periodendauer durch ein negatives Maximum. Wird nun nach
Fig: 3, die voraussetzt, daß x = o ist, der Kontakt nach dem Verlauf dieser Zeit
geschlossen, so ist die an dem Kondensator auftretende Spannung nach der Phasenlage
entgegengesetzt der Batteriespannung. Die beiden Spannungen heben sich also an den
zu schließenden Kontakten in dem Augenblick der Kontaktschließung unter der Voraussetzung
auf, daß sie auch der Größe nach gleich sind. Ist dieses der Fall, was durch die
beschriebene Dämpfungsbemessung erreicht werden kann, so kann der Kondensator sich
nicht über den Kontakt entladen, und .der Kontakt wird also auch durch den Entladungsstrom
des Kondensators nicht beansprucht. -Da bei dieser Abstimmungsbemessung also sowohl
die Kontaktöffnung wie die Kontaktschließung ohne Funken- bzw. Lichtbogenbildung
erfolgt, können die Kontakte wesentlich höher belastet werden als bei den bekannten
Einrichtungen.
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Fig. q.a zeigt das Schaltbild und Fig. q.b das zugehörige Ersatzschaltbild
für einen Gleichstromumrichter, dessen Abstimmung ebenfalls. nach den Grundsätzen
der Erfindung erfolgt.
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Parallel zur Primär- oder Sekundärseite des Transformators liegt hier
ein Kondensator Cl. Außerdem beginnt die Glättungseinrichtung mit einem zweiten
Kondensator C2. Dadurch gewinnt man zunächst den Vorteil, daß, abgesehen von der
Wirkung der Streuinduktivitäten und Wicklungswiderstände, beim öffnen keine Spannung
an den Kontakten 6 und 7 liegen kann, weil ja durch Cl und C2 und die-Kapazität
der Stromquelle die bei geschlossenen Kontakten bestehende Gleichung U,1
= Ucl = Uc2 beim Öffnen für kurze Zeit aufrechterhalten bleibt. Dadurch
wird der Öffnungsfunke verhindert.
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In L9 ist nun im Augenblick des öffnens eine gewisse Energie aufgespeichert,
ebenso in Cl. Beim Umrichter ist bei geöffneten Kontakten der Kreis L9, Cl von Stromquelle
und Verbraucher abgetrennt. Cl entlädt sich über L9, wobei der Strom in L9 und die
aufgespeicherte Energie noch vergrößert werden. Diese Energie erreicht ihr Maximum,
wenn Ucl zu Null geworden ist. Jetzt lädt sich Cl wieder auf, und zwar auf
eine Spannung, die von der höchsten in L9 gespeicherten Energie und den Verlusten
bestimmt wird. Deckt die in L, im Augenblick des öffnens gespeicherte Energie gerade
die Verluste im Kreis L9, C1 während etwa einer Halbschwingung, so lädt sich Cl
auf -U81 auf. Werden die Kontakte wieder geschlossen, wenn Uc, gerade =-U,1 geworden
ist, also nach einer Viertelperiode -E-dem Verlustwinkel des Kreises L9, Cl, so
liegt am Kontakt 6 im Schließungsmoment keine Spannung (im Ersatzschaltbild ist
die Stromquelle jetzt umgepolt zu denken). Dieser Kurvenverlauf entsteht jedoch
nur, wenn der Sekundärkontakt 7 genau gleich oder später schließt und genau gleich
oder früher öffnet als der Primärkontakt 6. Schließt der Kontakt 7 nicht später
und öffnet er nicht früher, dann wird die Abstimmung auf die Leerlaufinduktivität
L9 des Übertragers gestört, und es entsteht sowohl beim Schließen von Kontakt 6
ein großer Strom mit Schließungsfunke als auch beim öffnen ein starker öffnungsfunke.
Beide Erscheinungen erhöhen ganz beträchtlich die Kontaktabnutzung. Ist C2 genügend
groß, so ist Uc2 ebenfalls noch annähernd gleich U,1; auch der Kontakt 7 verbindet
dann beim Schließen zwei Punkte gleichen Potentials. Weder beim öffnen noch beim
Schließen werden die Kontakte dieser Schaltung beansprucht. Läßt sich die Bedingung,
daß die Verluste während einer Halbschwingung gleich der in L, gespeicherten Energie-
sind, nicht genau erreichen, so können die Verluste durch einen in Reihe oder parallel
zu Cl liegenden Widerstand ver-,grÖßert werden.
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Da die angegebenen Schaltungen außer der des Gleichumrichters mehr
oder weniger belastungsabhängig sind, so wird, wie bereits beschrieben, der Resonanzkreis
in besonderer Weise so ausgebildet, daß seine Dämpfung unabhängig von der Belastung
wird. Damit wird auch seine Wirkungsweise auf die Schaltvorgänge ebenfalls belastungsunabhängig.
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. Zur Erläuterung sind in den Fig. 5a, 5b, 5c vereinfachte Ersatzschaltbilder
dargestellt. In der schematischen Darstellung Fig.5a ist die Selbstinduktion Lt
in Reihe mit dem Verbraucher R geschaltet. Bei einer derartigen Schaltung nimmt
die Dämpfung mit wachsender Belastung ab.
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In der Fig. 5b ist die Selbstinduktion L2 parallel zum Verbraucher
R geschaltet. Die Dämpfung nimmt mit wachsender Belastung zu.
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In der Fig. 5, sind zwei Selbstinduktiv itäten vorgesehen, nämlich
L1 in Reihe mit dem Verbraucher R und L2 parallel zu dieser Reihenschaltung: Bei
einer derartigen Schaltung bleibt die Dämpfung konstant mit veränderlicher Belastung
und die Arbeitsweise ist unabhängig von der Belastung.
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In Fig.6 ist die Anwendung einer derartigen Schaltung auf einen vierpolig
schaltenden,
v orzuksweise transformatorlos betriebenen Wechselrichter
gezeigt.
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In Fig. 7 ist die Anwendung einer derartigen Schaltung auf einen zweipoligen
Wechselrichter mit mittelangezapftem Transformator gezeigt. Dabei ist die Selbstinduktion
L1 an die Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators geschaltet, die
Selbstinduktion L. liegt parallel zu den äußeren Klemmen der Primärwicklung, und
der Kondensator ist in zwei Kondensatoren C aufgeteilt, deren gemeinsamer Mittelpunkt
an die Leitung für die Mittelanzapfung gelegt ist. Dieser Mittelpunktanschluß kann
auch fortfallen. Die Selbstinduktion Li kann auch aufgeteilt in die beiden primären
Außen-Leitungen des Transformators gelegt werden.