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Umformungsanordnung Die Erfindung betrifft -die Verbesserung einer
Umformungsanordnung zur Gleichrichtung von Wechselstrom oder umgekehrt oder, zur
Umwandlung von Wechselstrom gegebener Frequenz in: Wechselstrom anderer Frequenz,
bei der mit der Unterbrechungsstelle eine Drossel in Reihe geschaltet ist, deren
Magnetkern sich bereits bei einem Bruchteil des Neninstromes sättigt. Der Kern besteht
aus ein-er magnetisch hochwertigen Eisensorte, deren Magnetisieru,ngskurve scharfe
Sättigungsknicke aufweist, und verursacht durch seine von einer sprunghaften Vervielfachung
der Duos selinduktivität begleitete Entsättdgung in der Nähe des Stromnullwertes.
eine stromschwache Pause, die ohne Stromunterbrechung so lange dauern würde, biss.
der Magnetkern erneut in den gesättigten Zustand. gelangt und damit gleichzeitig
die Dros-selinduktivität wieder sprunghaft auf ihren früheren Betrag zurückgeht.
Bei einer bekannten Umformungsanordnung mit mechanisch
bewegten
Kontakten ist die Sättigungsdrossel ausschließlich zu dem Zweck vorgesehen, die
Stromunterbrechung dadurch zu erleichtern, daß sie jedesmal am Ende eines Stromübertragungszeitabschnittes
eine stromschwache Pause hervorruft (Ausschaltdrossel). Bei einer anderen bekannten
Umformungsanor dnung mit Entladungsstrecken dient die Sättigungsdrossel zur Verhinderung
des Stromanstieges bei Rückzündungen während der Sperrzeiten. Die Erfindung beruht
demgegenüber auf dem Gedanken, zu Beginn eines Stromübertragttngszeitabscitnittes
den Strom nicht jedesma,l sofort, sondern erst zu einem späteren Zeitpunkt mit seinen
vollen Augenblickswerten einsetzen zu lassen und damit günstige Bedingungen für
die Schließung des Stromkreises zu schaffen. Befindet sich nämiich eine mit der
Unterbrechungsstelle in Reihe geschaltete Sättigungsdrossel zu Beginn. eines Stromübertragungszeitabschnittes
in ungesättigtem Zustand. so wird durch ihre hohe Induktiv ität der Strom zunächst
hintangehalten. während die leitende Verbindung zwischen den Elektroden der Unterbrechungsstelle
hergestellt wird; so daß dieser Vorgang von hoher Strombeanspruchung entlastet ist
(Einschaltdrossel). Der Strom kann erst dann auf große Augenblickswerte ansteigen,
sobald die Induktiv ität der Drossel infolgz Überschreitung der Sättigungskurve
auf einen kleinen Wert gesunken ist.
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Bei: Umformungsanordnungen, die nach den erwähnten bekannten Vorbildern
ausgeführt sind, kann zwar unter gewissen Umständen der Fall gegeben sein, daß der
Magnetkern, der bei der Stromunterbrechung bziv. während der Sperrzeit ungesättigten
Drossel sich außerdem auch noch unmittelbar vor der Schließung des Stromkreises
in ung=esättigtem Zustand befindet, so daß zu Beginn jedes Stromübertragungszeitabschnittes
zunächst wiederum eine stromschwache Pause einsetzt. Der Eintritt dieser stromschwachen
Pause und ihre Dauer sind aber bei den bekannten Umformungsanordnungen der willkürlichen
Beeinflussung entzogen und ledib lich von Zufälligkeiten der praktischen Ausführung,
u. a. von den durch den Aufbau der Anordnung, insbesondere auch durch die Leitungsverlegung
bedingten Kapazitäten abhängig. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß unabhängig
von den sonstigen Umständen, zu Beginn jedes Strämübertragungszeitabschnitteseine
stromschwache Pause von gewünschter Dauer mittels einer Einrichtung zur Beeinflussung
der Lage des Zeitpunktes der sprunghaften Induktiv itätsänderung der Drossel gegenüber
dem Zeitpunkt der Schlieläung des Stromkreises erzwungen.
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Das ist besonders vorteilhaft für mechanische Stromumformer. Bei diesen
ist dann sichergestellt, daß zwischen den Kontakten zu Beginn ihrer Berührung praktisch
kein Strom fließt, bis die. mit ihnen in Reihe liegende Schaltdrossel gesättigt
ist und dadurch plötzlich einen niedrigen Induktivitätswert angenommen hat. Die
Erfindung ist aber auch nützlich für solche Umformer, bei denen der Strom durch
leitende Flüssigkeit oder durch Lichtbogen übertragen wird, und zwar vornehmlich
deshalb, weil sie eine zusätzliche Möglichkeit bietet, Strom und Spannung des an
die Umformungsanordnung angeschlossenen Verbraucherstromkreises mit verhältnismäßig
einfachen Mitteln zu regeln, indem erfindungsgemäß der Zeitpunkt des Eintritts der
sprunghaften Ind'uktivitätsänderung und damit der Zeitpunkt des jedesmaligen Stromanstieges
innerhalb des Stromübertra,-ungsabschnittes bzw. mit Bezug auf die Periode der @\'echselspannung
verstellt wird. Durch die Hinausschiebung dieses Zeitpunktes wird gewissermaßen
aus der zu übertragenden Halbwelle des Stromes ein Abschnitt herausgeschnitten und
die Übertragung des übrigen Teiles dieser Halbwelle nahezu oder ganz unterdrückt.
Auf diese Weise kann mit den angegebenen Mitteln die Zeit, in der zwischen den beiden
Elektroden ein Strom übertragen wird, willkürlich verlängert oder verkürzt und damit
Strom und Spannung am Verbraucherkreis. geregelt werden. Soll ein stetiger Gleichstrom
erzielt oder zur Speisung benutzt werden, so treten an die Stelle der unterdrückten
Teile jeder übertragenen Halbwelle annähernd ebenso große Teile der nächstfolgenden
Halbwelle, in der die Spannung entgegengesetzte Richtung hat. Dadurch werden die
Mittelwerte des Stromes und der Spannung an den angeschlossenen Verbraucherkreisen
herabgesetzt, durch zeitliches Vorverlegen des Stromanstieges dagegen erhöht.
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Die hiernach sich ergebenden Strom- und Spannungskurven sind in den
Fig. i bis 3 für verschiedene Phasenzahlen und verschiedene Belastungsarten beispielsweise
dargestellt, unter der Annahme, daß außer den Einschaltdrosseln auch die bekannten
Ausschaltdrosseln vorgesehen sind.
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Fig. i gilt für ein Einphasensystem ohne Anwendung besonderer Glättungsmittel,
bei dem Lampen, galvanische Bäder od. dgl. eine im wesentlichen Ohmsche Belastung
bilden, so daß sich für den Verlauf von Strom und Spannung annähernd übereinstimmende
Kurven erbeben. Der Zeitpunkt der Stromschließung ist mit E bezeichnet und z. B.
in den Mulldurchgang der speisenden Spannung gelegt. Ist in diesem Zeitpunkt die
Einschaltdrossel bereits gesättigt, so beginnt der Anstieg des Stromes und der Spannung
am Verbrauche
-r sofort, und die Kurven verlaufen im wesentlichen
sinusförmig (vgl. Kurve i). Sobald sich der Stromwert auf dem abfallenden Ast der
Kurve dem- Nullwert genähert hat, also etwa i8o° elektrisch nach dem Schließzeitpunkt,
setzt infolge der Entsättigung der vorgeschalteten Ausschaltdrossel eine stromschwache
Pause ein, während welcher kurz darauf die Öffnung des Stromkreises etwa im Augenblick
A erfolgen kann. Die Kurven 2, 3 und q. gelten für die Fälle, daß sich die Einschaltdrossel
im Schtießzeitpunkt E zunächst noch in ungesättigtem Zustand befindet und daß sie
sich erst im Zeitpunkt t1 bzw. t2 bzw. t3 sättigt. Der Stromanstieg beginnt dann
erst zu den angegebenen späteren Zeitpunkten. Auch in diesen Fällen können die-
Kurven des Stromes und der Spannung wegen der wechselstromseiti:g gewöhnlich vorhandenen
Induktivitäten angenähert sinusförmig verlaufen. Die Vorgänge kurz vor und bei der
Öffnung der Stromkreise sind - .im wesentlichen die gleichen wie im Fall- des Verlaufs
nach Kurve i. Setzt man den der Kurve i entsprechenden Mittelwert des. Gleichstromes
und der Spannung am Verbraucher zu ioo% fest, so ergeben sich für die mittels. Regelung
erzielten Kurvene bis q. Mittelwerte von etwa 75, 5o und 25%. Die genannten Mittelwerte
sind in Fg, i als Parallelen zur Abszi.ssenachse ein getragen. Wird. statt der eingezeichnetere
Einweggleichrichtung reine Vollwellengleichrichtung vorgenommen, so ergeben sich
Mittelwerte von der doppelten Höhe für alle vier Kurven. Beginnt der Stromanstieg
erst zu den Zeitpunkten t1, t2 oder t3, .so kann man auch die Schließung der Stromkreise
entsprechend später stattfinden lassen, z. B. im Zeitpunkt El, E2 bzw. Es, - die
in der rechten Hälfte der Fig. i eingezeichnet sind:.
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Fig. 2 gilt für ei verkettetes Zweiphasen. sys.tem mit Einweggleichrichtung,
bei dem der Gleichstrom durch. Anwendung von Glättungsmitteln praktisch oberwel'lenfrei
gemacht ist. Im oberen Teil der Figur sind die Spannungskurven, im unteren Teil
die Stromkurven dargestellt, und zwar über einen Zeitraum von zwei Perioden, von
denen die erste mit voller Aussteuerung und höchst erreichbarer Spannung am Verbraucher,
die zweite in erfindungsgemäß, geregeltem Zustand durchlaufen wird. Im Stromdiagramm
sind die Schließ- und Öffnungszeitpunkte E und A angegeben, so daß die Überlappungszeiten,
der beiden einander ablösenden Phasen erkennbar sind. Die Belastung sei der zu Fig.
i angenommenen gleichartig. Der Verlauf der Spannungen in ungeregeltere Zustand
ergibt sich daraus, daß sich vom Schließzeitpunkt an zunächst infolge der Phasenüberlappung
die Augenblicksmittelwerte -der beiden -Phasenspannungen Ui und U2 einstellen, die
in vorliegendem Fall Null sind. Gleichzeitig folgt der Kommutierungsstrom dem durch
die Differenz der beiden Spannungen U1 und U2 gegebenen Gesetz, unbehindert von.
d-er Drossel, da zunächst für die linke Hälfte der Fig. 2 die Annahme gilt, d:aß
die Einschaltdrossel der stromübernehmenden Phase im Schließzeitpunkt bereits gesättigt
ist. Die Augenblickswerte der Ströme J1 und J2 in den beiden Phasen sind in der
Weise voneinander abhängig, daß sie sich während: der Überlappungszeiten zum vollen
Gleichstromwert ergänzen. In der Nähe des. Nullwertes des Stromes der abgebenden
Phase setzt auch hier infolge Entsä ttigung der zugehörigen Ausschaltdrossel eine
stromschwache Pause ein. Gleichzeitig mit dem Beginn dieser stromschwachen Pause
wird die volle treibende Spannung U2 wirksam und folgt im weiteren Verlauf der ursprünglich
.gegebenen, Sinuskurve. Tritt jedoch gemäß der rechten Hälfte der Fig. 2 die Sättigung
der Einschaltdrossel erst nach- dem Schließzeitpunkt ein, etwa im Zeitpunkt t1,
so ist bis zu diesem Augenblick die Spannung U1' der abgebenden Phase wirksam. Erst
im Zeitpunkt t1 beginnt der Anstieg des Kommutierungsstromes J2 in der übernehmenden
Phase, so daß der Mittelwert der beiden Spannungen Ui' und U2 als resultierende
Spannung erscheint. Bei Entsättigung der Ausschaltdrossel der abgebenden Phase in,
der Nähe des Nullwertes. des Stromes J1 wird dann die volle Spannung U2 der übernehmenden
Phase wirksam. Kurz darauf wird die abgebende Phase abgetrennt. Der Mittelwert U,"
der pulsierenden Spannung am Verbraucher betrage wiederum in ungeregeltem Zustand
ioo%, dann ist nach dem gezeichneten - Ausführungsbeispiel der Mittelwert U"t in
geregeltem Zustand etwa 8o% davon. Die Ströme auf der Gleichstromseite stehen: bei
der angenommenen Bel.astungsart im gleichen: Verhältnis zueinander. Die Regelungswirkung
ist deshalb besonders groß, weil in diesem Fall jed@esmal ein Teil der negativen
Spannung.shaIbwelle an Stelle des wegfallenden ersten Teils der positiven Spannungshalbwelle
wirksam wird.
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Fig. 3 .gilt für ein verkettetes Dreiphasensystem, daß auf eine konstante
Gegenspannung Ug. arbeitet, wobei wiederum der Gleichstrom vollständig geglättet
sei. Ui, U2 und U3 sind die Spannungen, J1, J2 und J3 die Ströme bei voller Aussteuerung.
Ui , U@ und U3' sind die geregelten Spannungen, J1 , J2 und J3 die zugehörigen
Ströme. Die Gegenspannung ist so angenommen, daß die Differenz gegenüber dem .Mittelwert
U", der geregelten Spannung halb so groß ist wie die Differenz gegenüber dem Mittelwert
U" der Spannung
bei voller Aussteuerung. Dann ist auch der Gleichstrom
in geregeltem Zustand halb so groß wie der Gleichstrom bei voller Aussteuerung.
Der Verlauf der Augenblickswerte der Spannungen und der Ströme ergibt sich in gleicher
Weise, wie es zu Fig.2 geschildert ist.
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Da für den Eintritt der sprunghaften Änderung bei gegebenem Verlauf
der speisenden Spannung der Kernquerschnitt der Einschaltdrossel maßgebend ist,
so kann die gewünschte Regelung durch Änderung dieses Querschnittes erzielt werden.
Eine stetige Änderung dieses Querschnittes ist beispielsweise bei ringförmigen Drosselspulen,
deren Kern aus einem spiralig aufgewickelten Band' aus Magnetmetall besteht, leicht
durchführbar, indem der Kernring drehbar angeordnet und zur Regelung die jeweils
erforderliche Bandlänge auf- bzw. abgespult wird.
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Ein anderes Mittel, den Eintritt der sprunghaften Induktivitätsänderung
der Einschaltdrossel zeitlich zu verlagern, besteht erfindungsgemäß darin, daß der
Drosselkern eine den Zeitpunkt der sprunghaften Ind.uktivftätsänderung beeinflussende
Vorerregung aufweist, indem er beispielsweise mit einer besonderen, aus einem vorzugsweise
regelbaren Stromkreis gespeisten Erregerwicklung ausgerüstet ist.
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In Fig.4 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine dreiphasige
Umformungsanordnung dargestellt. 4 ist der umlaufende segmentförmige Kontakt des
Stromumformers, der durch die Welle 6 in synchrone Umdrehung versetzt wird. Die
Welle 6 wird zu diesem' Zweck durch einen Synchronmotor angetrieben. Die feststehenden
Elektroden des Stromumformers sind mit 7, 8 und g bezeichnet. Diese sind an die
drei Transformatorphasenwicklung.en i, 2 und 3 angeschlossen. Die Gleichstrombelastung
io liegt zwischen dem Nullpunkt des Transformators und dem rotierenden Pol des Stromumformers.
In den drei Wechselstromphasen sind nun die drei Einschaltdrosselspulen 1i, 12 und
13 angeordnet, die auf dem einen Schenkel je eines Eisenkernes 14, i j bzw.
16 liegen, dessen anderer Schenkel eine Erregerwicklung größerer Windungszahl 17
bzw. i8 bzw. 1g trägt. Die Erregerwicklungen 17, 18 und i9 sind über einen
Regelwiderstand 2o an. eine besondere Gleichstromquelle angeschlossen.
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Es ist auch möglich, mit ein: und derselben Sättigungsdrossel nicht
nur die Stromschließung zu erleichtern bzw. Strom und Spannung zu regeln, sondern
außerdem auch noch die Stromunterbrechung zu erleichtern. Dazu kann es unter gewissen
Umständen notivendig sein, daß die Vorerregung am Ende der Stromübertragungszeitabschnitte
jedesmal einen anderen Wert hat als zu Beginn; sie muß sich dann also periodisch
mit dem Schalttakt ändern.
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Nach der weiteren Erfindung wird daher zur Erregung der Vormagnetisierung
Wechselstrom verwendet, entweder allein oder mit Überlagerung eines Gleichstromes.
Ferner kann beispielsweise durch Anwendung des Belastungsstromes oder eines von
diesem gesteuerten Stromes zur Vorerregung der gesättigten Drosseln die Kommutierung
den verschiedenen bei wechselnder Belastung auftretenden Bedingungen angepaßt werden.
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Die Wirkung einer V ormagnetisierung der Einschaltdrossel ist bestimmt
durch Richtung und Größe des Vormagnetisierungsstromes und durch den Ausgangszustand,
das ist derjenige Magnetisierungszustand, in dem sich der Drosselkern ohne die Vormagnetisierung
im Schließzeitpunkt befinden würde. Angenommen, der Ausgangszustand liegt nahe der
Sättigungsgrenze in derselben Richtung, in der auch der zu erwartende Hauptstrom
magnetisierend wirkt, so muß die Vormagnetisierung der magnetisierenden Wirkung
des Hauptstromes entgegenwirken. Je höher die Vormagnetisierung ist, um so längere
Zeit braucht die ihrem Verlauf nach gegebene Wechselspannung, bis der Drosßelkern
in den gesättigten Zustand gelangt, und: um so später folgt mithin der Stromanstieg
auf den Beginn der Kontaktberührung bzw. auf die Entstehung einer leitenden Verbindung
zwischen. den Elektroden der Trennstelle. Die erwähnte Voraussetzung kann z. B.
bei Verwendung einer einzigen, sowohl beim Schließ- als auch beim Öffnungsvorgang
wirksamen Schaltdrossel gegeben sein, wenn entweder der unmittelbar vorangehende
Öffnungsvorgang am Ende der stromschwachen Pause begonnen hat oder wenn die Magnetisierung
des Drosselkernes durch zusätzliche Mittel, z. B. durch einen zur Trennstelle parallel
geschalteten, insbesondere einen Kondensator enthaltenden Nebenstrompfad, auch während
der Sperrzeit beeinflußt wird. Würde sich dagegen der Drosselkern beim Fehlen zusätzlicher
Vormagnetisierung in einem Zustand nahe der entgegengesetzten Sättigungsgrenze befinden,
so würde der Beginn des Stromanstieges an sich bereits um die volle Dauer der stromschwachen
Pause verzögert sein und demgemäß durch eine im Sinne des entstehenden Stromes wirkende
Vormagnetisierung vorverlegt werden können, und zwar auf einen um so früheren Zeitpunkt,
je höher diese Vormagnetisierung ist.
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Es ist zwar ein. Verfahren zur Spannungsregelung von Metalldampfgleichrichteranlagen
mit Hilfe von in den Anodenstromkreis eingeschalteten und mit veränderlichem Gleichstrom
vor-erregten
Drosselspulen bekannt, die so ausgelegt sind, daß sie bei verhältnismäßig kleinen
Anodenströmen, z. B. etwa beim halben Nennwert des Belastungsstromes, ihrem Sättigungszustand
nahe sind, ohne daß jedoch ihre Magnetisierungskurve einen scharfen Sättigungsknick
aufweist. Derartige Drosseln sind nicht in der Lage, eine stromschwache Pause zu;
Beginn oder am Ende eines Stromübertragungszeita:bschnittes hervorzurufen. Die Regelwirkung
kommt hier vielmehr dadurch zustande, daß durch die Veränderung der Vormagnetisierung
die Steilheit des Ko.mmutierungsstromes verändert wird, und ist infolgedessen geringer
als die Regelwirkung, die mit einer im gleichen Verhältnis vorgenommenen Änderung
des Vormagnetisierungsstromes nach der Erfindung mit Hilfe von Schaltdrosseln erzielt
werden kann.
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In Verbindung mit den beschriebenen Einrichtungen können auch weitere,
beispielsweise mechanische oder elektromagnetische Regeleinrichtungen zwecks kombinierter
Regelung oder zur Erzielung eines großen Regelbereiches mit Vorteil verwendet werden.