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Schaltanordnung für Unterbrechungseinrichtungen Zwecks Gleichrichtung
von Wechselstrom ist es bekannt, in Reihe mit von mechanischen Kontakten gebildeten
Unterbrechungsstellen Drosseln mit beim Nennstromwert hochgesättigtem Magnetkern
anzuordnen, durch dessen sprunghafte Entsättigung in der Nähe der Stromnullwerte
eine die Stromunterbrechung erleichternde Verzerrung der Stromkurve hervorgerufen
wird. Derartige Anordnungen können außer zu dein bekannten Zweck auch zum Wechselrichten,
zur Frequenzumformung und zur Erleichterung der Stromunterbrechung in Verbindung
mit Wechselstromschalteinrichtungen sowie sonstigen Unterbrechungseinrichtungen
aller Art nicht nur für periodische Schaltungen, sondern auch zur Ausführung einmaliger
Schalthandlungen dienen. Nach einem -früheren Vorschlag können Drosseln der erwähnten
Art auch zum Schurr. von Schaltstellen bei Einschaltvorgängen in der beschriebenen
Reihenanordnung verwendet werden.
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Für die Unterdrückung des Schaltfeuers ist es wichtig, daß die Magnetisierungskurve
des Schaltdrosselkernes möglichst weitgehend der Idealform angenähert ist, d. h.
daß sie nicht nur, wie bekannt, ein möglichst hohes magnetisches Leitvermögen und
möglichst scharfe Sättigungsknicke aufweist, sondern daß auch ihr Verlauf im ungesättigten
Teil möglichst wenig gegen die Flußachse geneigt ist und in den gesättigten Gebieten
möglichst
parallel zur Erregerstromachse verläuft. je näher man
den genannten Besteigenschaften der Magnetkerne für Schaltdrosseln kommt, um so
mehr werden die Unterbrechungsbedingungen erleichtert. Daraus ergibt sich eine Steigerung
der Schaltleistung und eine größere Freiheit in der Veränderung der Betriebsbedingungen,
beispielsweise durch Änderung der Belastung, durch Regelung der Spannung und des
Stromes auf der Ausgangsseite u. dgl.
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Die gewünschte Form der?Niagnetisierunggskurve wird in ersterAnnäherung
erzielt durch eine geeignete Zusammensetzung des Magnetmetalls und durch besondere
mechanische und thermische Behandlung bzw. Nachbehandlung des Halbfabrikats oder
der fertigen Magnetkörper. Eine Reihe derartiger Herstellungsverfahren sind an sich
bekannt. Diese Maßnahmen genügen aber den in der Praxis gestellten Höchstanforderungen
noch nicht. Häufig werden auch durch mechanische Beanspruchungen, denen der fertige
Magnetkörper entweder durch das Arbeiten des Werkstoffes während der Nachbehandlung
oder beim Aufbringen der Wicklung oder nachher an der fertiggestellten Schaltdrossel
ausgesetzt sein kann, z. B. durch Biegen und Pressen, die magnetischen Eigenschaften
des 3fagnetmetalls wieder verschlechtert. Der gleiche Nachteil haftet dem Magnetkörper
der eingangs erwähnten bekannten Schalteinrichtung infolge von Fugenbildung beim
Zusammenbau bzw. ungenügender Verschachtelung der einzelnen Lagen an, weil dadurch
merkliche Übergangswiderstände im Kraftlinienweg verursacht werden. Ferner vermag
beispiels-,eeise die bei Starkstromtransformatoren und Starkstromdrosselspulen bisher
üblicher Bauart vorhandene Verschachtelung an den vier Ecken der rechteckigen Wicklungsfenster
bei der Herstellung hoc7iwertiger Sättigungsdrosseln kaum zu befriedigen, wenn diese
mit Schalteinrichtungen zwecks Verbesserung der Schaltleistung in Reihe geschaltet
werden sollen.
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Die vorgeschriebenen Nachteile «-erden erfindungsgemäß dadurch vermieden,
daß zur Erhöhung des Wirkungsbereiches der Sättigungsdrossel ihr Magnetkern aus
flach übereinander gewickelten Eisenbandlagen hergestellt wird. Damit wird gleichzeitig
der wesentliche Vorteil erzielt, daß die Kraft-Linien überall in der magnetischen
Vorzugsrichtung des Eisenbandes verlaufen, welche mit der Walz- bzw. Ziehrichtung
identisch ist.
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Es ist zwar bekannt, beispielsweise bei Stromwandlern, Ringkerne aus
flach gewikkeltem Band zu verwenden, doch sind die für diese Geräte verlangten magnetischen
Eigenschaften durchaus verschieden von den für die Kerne von Schaltdrosseln wichtigen,
weil Stromwandler betriebsmäßig nur im ungesättigten Gebiet arbeiten.
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In der Zeichnung ist. zunächst in Fig. i am Beispiel eines mehrphasigen
Umformers eine Anordnung gezeigt, deren Schaltleistung und sonstige Betriebsverhältnisse
mit Hilfe der Erfindung verbessert werden können. Hieran anschließend sind in den
Fig.2 bis 6 verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgebildeten
Magnetkörpern dargestellt. Die Fig. z und 3 zeigen zwei verschiedene Bauformen in
perspektivischer Darstellung. Die Fig. q. bis 6 geben verschiedene j zusammengesetzte
Bauformen schematisch an. ,Nach Fig. i liegen in Reihe mit den Schalteinrichtungen
2, die aus je zwei festen Schaltstücken und einer beweglichen Schaltbrücke bestehen,
Sättigungsdrosseln,I, deren Magnetkörper mit 5 bezeichnet sind. Ihre Windungszahl
kann z. B. so bemessen sein, daß der meist aus einer besonderen hochwertigen Eisensorte,
z. B. Siliziumeisen oder Nickeleisen, mit großer Permeabilität und scharfem Sättigungsknick
bestehende Magnetkern nur bei sehr kleinen Augenblickswerten des Stromes in der
Nähe der Stromnulldurchgänge ungesättigt ist, sich aber bereits bei Überschreitung
eines Bruchteiles, z. B. in der Größenordnung von l/iooo des Mittelwertes des normal
hindurchfließenden Betriebsstromes sprunghaft sättigt, derart, daß der Verlauf der
Stromkurve in der Nähe der Nulldurchgänge abgeflacht wird und somit eine praktisch
stromlose Pause entsteht, während welcher die Abschaltung des Wechselstromes vorgenommen
werden kann, ohne daß Schaltfeuer auftritt. Parallel zu den Trennstrecken können
nach einem früheren Vorschlage Nebenstrompfade 3 angeordnet sein, welche Widerstandseinheiten,
vorzugsweise eine Kombination von kapazitiven und Ohinschen Widerständen, erhalten.
Über diese wird der an den Trennstrecken unterbrochene Strom mindestens teilweise
aufrechterhalten, derart, daß der Spannungsabfall zunächst im wesentlichen an den
mit der Trennstrecke in Reihe liegenden Impedanzen liegt, die Spannung an der Trennstrecke
aber nur allmählich ansteigt. Die beweglichen Schaltbrücken werden über Zwischenstößel
von einer Exzenter- oder Nockenwelle S angetrieben, welche mit einem Synchronmotor
7 gekuppelt ist.
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Die Schalteinrichtung wird gespeist von der Sekundärwicklung 12 eines
Drehstromtransformators, dessen Primärwicklung i i an das Drehstromnetz io angeschlossen
ist. Aus der gleichen Sekundärwicklung 12 wird auch der Antriebsmotor 7 gespeist,
so daß die Schaltbrücken durch die um je i2o° voneinänder versetzten Exzenter bzw.
Nocken im
Takte der Speisespannung abwechselnd geöffnet und geschlossen
werden. Der Ständer des Synchronmotors 7 ist mittels des Handrades 17 um die Antriebsachse
verstellbar, so daß der cöffnungsaugenblick auf den _ gewünschten Zeitpunkt innerhalb
der durch die Schaltdrosseln 4 hervorgerufenen stromschwachen Pause eingestellt
werden kann.
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Die Magnetkerne 5 sind mit je einer zusätzlichen Wicklung 6 versehen,
mittels deren sie aus einer zusätzlichen Stromquelle, vorzugsweise mit Gleichstrom,
vormagnetisiert werden können, wodurch der Augenblickswert des Stromes, bei welchem
die Sättigung eintritt, beeinflußt wird. Der Vormagnetisierungsstrom wird einer
Gleichstrommaschine 13 entnommen, die ebenfalls mit der Welle S gekuppelt ist. Die
drei Erregerwicklungen 6 sind hintereinandergeschaltet, und in Reihe damit liegt
noch die Drosselspule 16. Dadurch wird der Vorerregungskreis von Oberwellen des
Stromes nach Möglichkeit frei gehalten. Außerdem liegt in diesem Stromkreis noch
ein Regulierwiderstand 14, mit dem die Vormagnetisierung verändert werden kann.
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Das Gleichstromnetz ist mit ao bezeichnet; der eine Pol dieses Netzes
ist mit den Unterbrechungseinrichtungen2 verbunden, während der andere Pol über
eine Glättungsdrossel9 zum Nullpunkt der Sekundärwicklung z2 des Speisetransformators
geführt ist. Der Umformer kann beliebig in beiden Richtungen betrieben- werden.
Durch Verstellung des Regelwiderstandes 14 oder des Handrades 17 ist es möglich,
den Strom und die Spannung auf der Ausgangsseite in einem gewissen Bereich zu regeln.
Durch Kombination der beiden Regelmöglichkeiten wird ein größerer Regelbereich erzielt.
Sind die Sättigungsdrosseln 4, 5 groß genug bemessen, so kann mit der vorgenannten
kombinierten Regelung ein stetiger Übergang von einer Arbeitsrichtung in die andere,
d. h. von Gleichrichterzum Wechselrichterbetrieb und umgekehrt erzielt werden.
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Der Magnetkern nach Fig. 2 hat die Form eines spiralig gewickelten
Ringes. Er ist fugenlos. Wird ein bestimmter Durchmesser nicht unterschritten, so
werden Gefügespannungen, welche die magnetischen Eigenschaften verschlechtern könnten,
vollkommen vermieden. Der kleinste zulässige Krümmungsdurchmesserist verschieden,
je nach der Stärke des Bandes und der Elastizitätsgrenze der verwendeten Eisensorte.
Er kann in jedem Einzelfalle durch Versuch leicht bestimmt werden.
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Fig. 3 zeigt einen spiralig gewickelten Magnetkern von der Form eines
rechteckigen Rahmens. Diese Form bietet den Vorteil, daß sich die Wicklung gut unterbringen
läßt. Es empfiehlt sich, den Magnetkern nicht so fest wie möglich, sondern verhältnismäßig
lose aufzuwickeln, damit Gefügespannungen vermieden werden, die anderenfalls insbesondere
während der Wärmenachbehandlung des fertigen Kernes entstehen können. Aus dem gleichen
Grunde soll es vermieden werden, im Glühofen mehrere Ringe mit Zwischenlagen aus
Eisenplatten übereinanderzustapeln. Statt dessen soll jeder Ring in einer besonderen
Tasche geglüht werden. Eine weitere Verbesserung der maänetischen Eigenschaften
des fertigen Spulenkernes kann noch dadurch erzielt werden, daß er während der Nachbehandlung
der Einwirkung eines kräftigen Magnetfeldes ausgesetzt wird, dessen Kraftlinien
so verlaufen wie später im Betrieb.
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Zur Auflockerung des Gefüges des gewikkelten Kernes trägt ferner die
Maßnahme bei, ihn aus einzelnen Stücken zusammenzusetzen. Das kann beispielsweise
nach dem in Fig.4 gezeichneten Schema einer mehrgängigen Spiralwicklüng geschehen.
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Fig.4 zeigt einen dreigängig gewickelten Ringkern, der aus den einzelnen
Bändern 54 52 und 53 besteht. Das Band 51 ist der Deutlichkeit halber durch größere
Strichstärke hervorgehoben; es ist als Decklage ausgebildet und hat zu diesem Zweck
eine Windung mehr als die beiden anderen Bandstücke. Es kann gegebenenfalls auch
etwas stärker sein, um dem ganzen Körper einen besseren Zusammenhalt zu geben.
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Nach Fig.5 besteht der Magnetkern aus einzelnen Bandstücken 54 bis
59. Jedes einzelne dieser sechs- Bandstücke besitzt die doppelte Länge des Ringumfanges.
Infolge der großen Überlappungsstrecken ist der an den Stoßstellen entstehende Widerstand
vernachlässigbar klein. Zur Vergleichmäßigung des Aufbaues ist es zweckmäßig, die
Stoßstellen bzw.' die Enden der einzelnen Bandstücke in gleichmäßigen Winkelabständen
gegeneinander zu versetzen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.
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Fig.6 zeigt einen Kernaufbau, der durch Zusammensetzung aus mehreren
Ringen kleinerer radialer Dicke entstanden ist, welche konzentrisch radial übereinander
angeordnet sind. Der innere Ring ist mit 151, der äußere mit z52 bezeichnet. Jeder
Ring besteht aus einem spiralig gewickelten Band. Die Ringe können aber auch nach
der in den Fig.4 und 5 gezeigten Art je aus mehreren Einzelstücken zusammengesetzt
sein. Zwischen den beiden Teilringen 151, 15?- ist ein Luftzwischenraum vorgesehen,
der beispielsweise durch Abstandsstücke gesichert sein kann und zur Verbesserung
der Kühlwirkung dient.