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Einrichtung zum wechselseitigen Leistungsaustausch zwischen einem
Wechsel-und einem Gleichstromnetz durch Kontaktumformer Die Erfindung bezieht sich
auf Umformer, die mit mechanisch bewegten Schaltkontakten arbeiten und die zwecks
Erzielung einer funkenfreien Kommutierung mit Schaltdrosseln ausgerüstet sind. Unter
Schaltdrosseln sind dabei Drosselspulen zu verstehen, die eine sehr scharf geknickte
_Magnetisierungskennlinie besitzen und bereits bei einem im Verhältnis zum Normälstrom
sehr niedrigen Strom ihren Sättigungszustand erreichen. Werden solche Schaltdrosseln
mit den Kontakten in Reihe geschaltet und außerdem parallel zu den Kontakten noch
Nebenwege vorgesehen, die auch bei geöffnetem Kontakt noch_einen ge-,vissen Strom
durch die Schaltdrossel fließen lassen, so gelingt es, ohne daß hierzu eine besonders
genaue Innehaltung bestimmter Schaltzeitpunkte erforderlich wäre, den Kontakt praktisch
stromlos zu öffnen und außerdem unmittelbar vor und kurz nach der Kontaktberührung
die Spannung von der durch den Kontakt gebildeten Trennstrecke fernzuhalten. Ein
so ausgestalteter Kontaktumformer vermag sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter
zu arbeiten. Dabei erfordert aber der Gleichrichterbetrieb eine andere Lage der
Einschaltzeitpunkte als der Wechselrichterbetrieb. Bei Gleichrichterbetrieb muß
der Vorgang der Stromübergabe von einer Phase zur folgenden hinter dem Zeitpunkt
der Spannungsgleichheit, bei Wechselrichterbetrieb jedoch vor diesem Punkt liegen.
Bei der Speisung von Verbrauchern, an denen häufig, z. B. bei Nutzbremsung, ein
Energieüberschuß auftritt, ist es wünschenswert, daß die Möglichkeit für einen unverzüglichen
Wechsel der Energierichtung in dem Kontaktumformer
gegeben ist.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, in diesem Fall einen sprunghaften Wechsel in
der Steuerung der Kontaktbetätigung eintreten zu lassen, so daß der Kontaktumformer
beispielsweise von Gleichrichterbetrieb ohne Änderung der gleichgerichteten Spannung
auf Wechselrichterbetrieb über-,geht. Eine solche mechanische Umsteuerung ist jedoch
konstruktiv nicht ganz einfach zu lösen, und außerdem ist während des Wechsels der
Steuerung der Verbraucher vorübergehend sich selbst überlassen, was vielfach nicht
zulässig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktumformeranordnung
zu schaffen, bei der bei jedem beliebigen eingestellten Aussteuerungsgrad ohne Unischaltung
und ohne. Unterbrechung des Gleichstromkreises ein sofortiger Wechsel der Energierichtung
möglich ist. Gemäß der Erfindung werden zu diesem Zweck die beiden Netze durch zwei
Kontaktumformereinheiten miteinander verbunden, von denen stets eine als Gleichrichter,
die andere als Wechselrichter. gesteuert wird und deren Kennlinien sich so schneiden,
daß.im Bereich normaler Belastung der die Verbraucherleistung übertragenden Einheit
in der anderen Einheit die Richtung des über beide Einheiten fließenden Kreisstromes
mit der der jeweiligen Betriebsart dieser Einheit entsprechenden Stromrichtung übereinstimmt.
Läßt man dabei die beiden CTmformereinheiten ihre Rollen vertauschen, so daß also
die bisher als Gleichrichter ausgesteuerte zum Wechselrichter wird, und umgekehrt,
so kann dadurch auch die Polarität 'des Gleichstromkreises geändert werden, was
beispielsweise für die Umsteuerung von Motoren von Wichtigkeit ist.
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Ein Schaltungsbeispiel für eine Einrich tun- gemäß der Erfindung ist
in Fig. i dargestellt. Darin sind mit 3 das Drehstromnetz und mit i4.' der Gleichstromverbraucher
bezeichnet. Beide sind miteinander durch die Kontaktumformereinheiten i und 2 verbunden,
die wechselstromseitig beide an eine "eineinsame Transformatorwicklung angeschlossen
sind. Diese Wicklung bildet im vorliegenden Fall einen Spartransformator 4.. doch
kann auch ein normaler Transformator Verwendung finden. Ebenso ist es auch möglich,
für jede Umformereinheit eine besondere Wicklung vorzusehen. Die Anschlüsse der
Umformereinheiten i und 2 sind an verschiedene Anzapfungen 5 bzw. 6 des Spartransforinators
d. geführt, eine Maßnahme, deren Zweck weiter unten noch erläutert werden wird.
Die Schaltkontakte der Umformereinheiten sind in Graetzscher Schaltung angeordnet,
so daß bei der dargestellten dreiphasigen Speisung für jede Einheit insgesamt i
sechs Schaltkontakte erforderlich sind. Diese E Schaltkontaktgruppen sind mit 7
bzw. 8 bezeichnet. Sie werden von einem gemeinsamen Antriebsmotor 13 über ein nicht
näher dar-; gestelltes Getriebe betätigt, und zwar, wie oben erwähnt, so, daß jeweils
die Schließungszeiten der Kontakte der einen Gruppe hinter, die Schließungszeiten
der anderen Kontaktgruppe vor dem Zeitpunkt der Span-' nungsgleichheit zwischen
den aufeinanderfol-"enden Phasen liegen. Soll die Aussteuerung zum Zwecke der Regelung
der Gleichspannun" geändert werden, so muß dies bei der Gleichrichtergruppe und
bei der Wechselrichtergruppe zugleich geschehen, wobei die ZSchaltzeitpunkte bei
der ersteren Gruppe im Sinne der Verzögerung, bei der anderen im Sinne der Verfrühung
verschoben werden müssen. Dies läßt sich durch ein entsprechend ausgebildetes.,
gegenläufig verstellbares Getriebe erreichen, sofern man nicht vorzieht, statt eines
gemeinsamen Antriebsmotors für jede Kontaktgruppe einen besonderen Antriebsmotor
vorzusehen.
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In Reihe mit den Kontakten 7 bzw. 8 liegen die Arbeitswicklungen 9
bzw. der Schaltdrosseln, während parallel zu den Kontakten die Nebenwege ii bzw.
12 geschaltet sind. Die Nebenwege bestehen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einer Reihenschaltung Ohmscher Widerstände mit Kondensatoren. Gleichstromseitig
sind die beiden Umformereinheiten i und 2 über je eine Glättungsdrossel
15 bzw. 16 parallel zueinander an den Gleichstromverbraucher 1d. angeschlossen.
Die Schaltdrosseln enthalten außer den Arbeitswicklungen noch Vormagnetisierungswicklungen
17 bzw. 18, die aus dem Gleichstromkreis über Regelwiderstände i9 bzw. 2o
gespeist werden und deren Bedeutung ebenfalls weiter unten noch näher erläutert
werden soll. Es sei bemerkt, daß die Vormagnetisierung der Schaltdrosseln auch mit
Wechselstrom erfolgen kann, was bei großen Einheiten unter Umständen sogar besser
ist.
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Ein ähnliche Schaltung, wie sie soeben beschrieben wurde,. ist für
Ventilstromrichter bereits unter dem Namen Kreuzschaltung bekannt. Bei Ventilstromrichtern
liegen die Verhältnisse jedoch ganz anders als bei Kontaktstromrichtern, und zwar
eben wegen der Ventilwirkung, die die Stromrichtung in jedem Stromrichter eindeutig
festlegt und das Auftreten von Rückströmen verhindert. Bei Kontaktumformern liegt
dagegen die Stromrichtung nicht von vornherein fest, sondern richtet sich lediglich
nach dem Verhältnis zwischen der gleichgerichteten EMK des Umformers und der EMK
des Gleichstromverbrauchers. Rückströme sind infolgedessen
ohne
weiteres möglich. Diese müssen aber unbedingt verhindert werden, da die Lage der
Schaltzeitpunkte immer nur für eine bestimmte Stromrichtung richtig sein kann, so
daß das Auftreten eines nennenswerten Rückstromes sofort zur Bildung von Schaltfeuer
an den Kontakten führen würde. Eine geringe Rückwärtsspannung und damit ein kleiner
Rückstrom in den Umformern ist zwar dank der Wirkung der Schaltdrosseln zulässig;
die Rückwärtsbeanspruchung darf jedoch nicht so groß werden, daß der Strom in den
Schaltdrosseln bis über den Sättigungswert ansteigt. Die Schaltdrosseln dürfen dabei
also nur innerhalb der Stromstufe arbeiten.
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Das Auftreten von Rückstrom kann man dadurch vermeiden, daß man die
Spannungsstromkennlinien der beiden Umformereinheiten in bestimmter Weise auslegt.
Das Ziel wird erreicht, wenn die ansteigende Spannungsstromkennlinie der als Wechselrichter
gesteuerten Einheit die abfallende Kennlinie der als Gleichrichter gesteuerten Einheit
derart schneidet, daß die Einheiten bei allen Belastungen einen inneren Kreisstrom
in der ihrer jeweiligen Betriebsart entsprechenden Richtung führen. Auch bei der
aus Entladungsstrecken aufgebauten Kreuzschaltung kann an sich ein innerer Kreisstrom
auftreten, wenn die Gegen-EMK des Wechselrichters auf der Gleichstromseite um mehr
als den doppelten Spannungsabfall in den beiden Stromrichtern kleiner ist als die
Gleich-EMK des Gleichrichters. Hier ist man jedoch stets bemüht, den Kreisstrom
nach Möglichkeit zu unterdrücken. Ein Kreisstrom tritt zwar bei einer bekannten
Anordnung dieser Art auf, jedoch nur bei ganz kleinen Belastungen des Gleichrichters,
und hat dort den Zweck, durch Aufrechterhaltung einer Mindestbelastung für den Gleichrichter
den durch die Saugdrossel bedingten Leerlaufspannungsanstieg zu unterbinden.
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In Fig. 2 sind die äußeren Charakteristiken (U = f (I) der
Kontaktumformereinheiten nach der Erfindung näher dargestellt.
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Es möge zunächst einmal angenommen werden, daß die Kennlinien beider
Einheiten geradlinig verlaufen. Diese Kennlinien sind in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet,
wobei Ug' die Kennlinie des Gleichrichters, Uyy die des Wechselrichters darstellt.
Der Leerlaufpunkt der Wechselrichterkennlinie liegt tiefer als der Leerlaufpunkt
der Gleichrichterkennlinie, und beide schneiden sich im Punkte S entsprechend einem
Stromwert Jo'. Wenn der Verbraucher 1q. (Fig. i) abgeschaltet ist oder keinen Strom
entnimmt, so stellt sich die Spannung in dem Gleichstromzwischenkreis, der sich
zwischen den beiden Umformereinheiten erstreckt, auf einen Wert entsprechend dem
Schnittpunkt der beiden Kennlinien Ug und Uly ein. Es fließt dann der dem Schnittpunkt
ebenfalls entsprechende Strom J,, und zwar wird dieser Strom dem Drehstromnetz
entnommen, im Gleichrichter gleichgerichtet und dann über den Wechselrichter dem
Drehstromnetz wieder zugeführt. Jö ist also ein innerer Kreisstrom, und dem Drehstromnetz
wird nur der Verlust beider Umformer einschließlich derer des Transformators entnommen.
Diese Verluste sind bei Kontaktumformern außerordentlich gering, da an den Kontakten
kein merklicher Spannungsabfall auftritt und auch der Spannungsabfall in den Schaltdrosseln
bei geeigneter Bemessung und bei Wahl guter Eisensorten außerordentlich klein gehalten
ist. Es ist also ein beträchtlicher Kreisstrom ohne nennenswerten Schaden zulässig.
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Wird jetzt beispielsweise der Gleichrichter mit dem Strom J,' belastet,
so sinkt seine Klemmenspannung, das ist gleichzeitig die Spannung in dem Gleichstromzwischenkreis,
auf den durch den Arbeitspunkt A' gegebenen Wert. Dieser Spannung im Gleichstromzwischenkreis
entspricht auf der Wechselrichterkennlinie Ufy der Arbeitspunkt B'. Der Wechselrichter
führt infolgedessen den Strom Jw. Derjenige Anteil des Gleichstromes, der über den
Wechselrichter wieder zurück zu dem Drehstromnetz fließt, ist also bereits erheblich
kleiner geworden. Wird die Gleichrichterbelastung noch weiter gesteigert, so nähert
sich der Arbeitspunkt B' auf der Wechselrichterkennlinie immer mehr dem Leerlaufpunkt
C und erreicht diesen, wenn der Gleichrichter den mit Jmox bezeichneten Strom führt.
Der Wechselrichter führt dann gar keinen Strom mehr, und der gesamte Gleichrichterstrom
fließt dem Verbraucher 1q. zu. Gleichzeitig stellt aber Jmar den höchstzulässigen
Verbraucherstrom überhaupt dar, da bei weiterem Absinken der Spannung im Gleichstromzwischenkreis
der Wechselrichter Rückstrom bekommen würde, was, wie oben gesagt, nur in ganz geringfügigem
Maße zulässig ist.
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Ganz analog verhalten sich die Umformer, wenn die EMK des Verbrauchers
14 über den Punkt S ansteigt. Dann ist der Strom des Wechselrichters größer als
der des Gleicfrichters, und der Gleichrichterstrom wird bei einem von dem Verbraucher
rückgelieferten Strom J.ax zu Null.
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Aus der Schilderung dieser Verhältnisse erkennt man, daß die Leerlaufspannung
des Wechselrichters auf jeden Fall kleiner gehalten werden muß als die des Gleichrichters.
Um dies zu erreichen, kanp "nan sich verschiedener Mittel bedienen. Das eine Mittel
ist
bereits in Fig. i angedeutet und besteht darin, daß beiden Umformereinheiten verschieden
hohe Transformatorspannungen zugeführt werden. Bei einem Vertauschen von Gleich-
und Wechselrichter müssen dann allerdings auch die Transformatorspannungen, gegebenenfalls
also die Anzapfungen an der gemeinsamen Transformatorwicklung, vertauscht werden.
'Man kann das gleiche Ziel auch dadurch erreichen, daß man den Gleichrichter ständig
mit kleinerer Aussteuerung, d. h. also mit größerem Steuerwinkel betreibt als den
Wechselrichter. Im einfachsten Falle kann man zwischen den beiden Steuerwinkeln
eine konstante Differenz innehalten; dann verschieben sich jedoch die Kennlinien
zueinander, wenn große Änderungen der Aussteuerung nötig sind. Das ergibt sich aus
der cosinusförinigen Abhängigkeit zwischen der gleichgerichteten Spannung und dem
Steuenwinkel. Es ist deshalb unter Umständen von Vorteil, wenn man das Getriebe,
mit Hilfe dessen die Steuerungsänderung bewirkt wird, so ausgestaltet, daß der Unterschied
der Steuerwinkel mit abnehmendem Aussteuerungsgrad immer kleiner wird. Als dritte
Möglichkeit sei noch eine verschieden große Vormagnetisierüng der Schaltdrosseln
beider Umformereinheiten erwähnt, was ebenfalls in Fig. i bereits schaltungsmäßig
angedeutet wurde. Durch die Vormagnetisierung kann man die Länge der Einschaltstufe
der Schaltdrosseln beeinflussen, d. h. in bezug auf den Einschaltzeitpunkt die Lage
desjenigen Zeitpunktes, in dem die eigentliche Stromübergabe auf die Folgephase
beginnt. Die Lage des Zeitpunktes, in welchelt die Folgephase innerhalb der Wechselspannungshalbwelle
den Strom übernimmt: ist aber für den Aussteuerun-7s2rad maßhebend. Bei der bisher
angenommenen geraden Kennlinienform ergibt sich, wie Fig. 2 zeigt, im belastungslosen
Zustand ein verhältnismäßig großer Kreisstrom. Man kann diesen Kreisstrom, ohne
dadurch die zulässigen Belastungsgrenzen zu vermindern, erheblichherabdrücken, wenn
man den Kennlinien den in Fig..2 ausgezogen dargestellten Verlauf US bzw.
U", gibt, wenn also die Kennlinien im Bereich kleiner Ströme eine größere Neigung
erhalten als bei größeren Strömen. Der Schnittpunkt der beiden Kennlinien, der den
Kreisstrom J" im belastungslosen Zustand bestimmt, ist jetzt wesentlich näher an
die Ordinatenachse herangerückt. Die Belastungsgrenzen sind dagegen die gleichen
geblieben. Der Leerlaufpunkt der Wechselrichterkennlinie wird wieder bei - einer
Gleichrichterbelästung J"", erreicht, die also gleichzeitig den höchstzulässigen
Verbraucherstrom darstellt. Bei einer Gleichrichterbelastung, der bei der geraden
Kennlinienforin der Wechselrichterstrom J,' entsprach, ergibt sich jetzt für den
Wechselrichter nur noch der Strom i,., der "wesentlich kleiner ist. Der Kreisstrom
ist also bei allen Belastungen wesentlich herabgesetzt. Steigt die EMK des Verbrauchers
1d. über den durch den Schnittpunkt der Kennlinien U; und U", festgelegten Spannungswert,
so überwiegt der Wechselrichterstrom den Gleichrichterstrorn, so daß Rückarbeiten
eintritt. Sind die Kennlinien wie in Fig.2 symmetrisch gestaltet, so darf der Rückarbeitsstrom
ebenfalls bis auf den Punkt in,..., ansteigen, da erst dann der Leerlaufpunkt auf
der Gleichrichterkennlinie erreicht wird und bei weiterem Ansteigen Rückstrom im
Gleichrichter auftreten würde. Eine symmetrische Kennlinienform ist jedoch keineswegs
unbedingt erforderlich, wie es überhaupt nicht nötig ist, den Gleichrichter-und
den Wechselrichterteil für gleiche Leistung zu bemessen. In vielen Fällen ist die
bei Rückarbeiten auftretende Leistung immer geringer als die von dem Verbraucher
aufgenommene Leistung, so daß es möglich ist, den Wechselrichter kleiner auszulegen
als den Gleichrichter.
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Man erkennt aus Fig. 2 ohne weiteres, daß der Kreisstrom im Verhältnis
zu den zulässigen Belastungsströmen immer kleiner wird, je stärker die Krümmung
der Kennlinien im Bereich des Schnittpunktes ist. Am günstigsten ist es, wenn man
den Kennlinien eine geknickte Form gibt. Die gekrümmte Kennlinienform läßt sich
auf verschiedene Weise erreichen. Eine schwache Krümmung zeigen die Kennlinien eines
Kontaktumformers mit Schaltdrosseln schon ohnehin. Der Grund hierfür liegt in folgendem:
Viele Eisensorten, die für die Verwendung für Schaltdrosseln in Frage kommen, zeigen
eine M:agnetisierungskennlinie, die zwar ein sehr scharf ausgebildetes Knie besitzt.
jedoch oberhalb dieses Knies nicht unmittelbar in den Bereich der absoluten Sättigung
übergeht, sondern zunächst noch über einen größeren Bereich eine etwas stärkere
Neigung als bei absoluter Sättigung besitzt. Um den Strom in der Schaltdrossel bis
auf einen Wert, der bereits im Bereich der absoluten Sättigung liegt, ansteigen
zu lassen, ist infolgedessen wegen der größeren Flußänderung ein größeres Spannungszeitintegral
an der Drossel erforderlich,.als wenn der Strom nur bis auf einen Wert unmittellaar
oberhalb des Knies der Kennlinie allzuwachsen braucht. Das entspricht aber bei größeren
Strömen einer etwas größeren Verzögerung des Überganges der Stromführung von der
einen Phase auf die Folgephase, während bei .Belastungsströmen unmittelbar
obeihalb
des -Sättigungsknies dieser Vorgang schneller vonstatten geht. Es wird also gewissermaßen
bei großen Belastungsströmen der Aussteuerungsgrad etwas herabgesetzt, während er
mit abnehmender Belastung steigt, so daß auch die Spannungsstromkennlinie den erwähnten
Anstieg bei kleineren Belastungen zeigt. Diese Erscheinung ist naturgemäß um so
stärker ausgeprägt, je mehr die Magnetisierungskennlinie des verwendeten Eisens
die obengenannte Eigenschaft besitzt. Man ist aus anderen Gründen bestrebt, Eisen
zu verwenden, dessen Magnetisierungskennlinie oberhalb des scharf ausgeprägten Knies
möglichst sofort in den Zustand der absoluten Sättigung übergeht. Um auch bei aus
solchem Eisen aufgebauten Schaltdrosselkernerv eine hinreichende Krümmung der Kennlinien
zu erreichen, kann man einen kleinen Teil des Drosselkernes aus Eisen mit den erwähnten,
an sich "schlechteren magnetischen Eigenschaften aufbauen. Da die Krümmung der Kennlinien
nur dann erforderlich ist, wenn sich die Belastung in Bereichen bewegt, bei denen
die Gefahr eines Rückstromes gegeben ist, so genügt es, wenn die geringerwertige
Eisenbeilage des Drosselkernes nur in diesen Belastungsbereichen wirksam ist. Bei
solchen Belastungen, bei denen eine Rückstromgefahr nicht unmittelbar gegeben ist,
kann man den genannten Teil des Drosselkernes beispielsweise auch durch Kurzschließen
von darauf angebrachten Wicklungen oder durch Vormagnetisierung wirkungslos machen,
um. die Vorzüge des Eisens, aus dem der übrige Kern besteht, voll ausnützen zu können.
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Da der .Aussteuerungsgrad durch Vorinagnetisierung der Schaltdrosseln
beeinflußbar ist, .kann man die Kennlinienkrümmung wie auch deren Neigung auch durch
eine sich mit der Belastung ändernde Vormagnetisierung der Schaltdrosseln erzielen.
Man regelt dann den Vormägnetisierungsstrom zweckmäßig über einen selbsttätigen
Regler, der von dem Belastungsstrom beeinflußt wird und die erforderliche Charakteristik
besitzt.