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Kontaktumformer Neben den Motorgeneratoren. Einankerumfortnern, Quecksilberdampfgleiehrichtern
und Trockengleichrichtern sind für einige Zwecke zur Gleichrichtung von Wechselströmen
sog. Kontaktumfortner entwickelt worden, welche eitre Gleichrichtung dadurch bewerkstelligen,
daß im gegebenen Augenblick durch Öffnung und Schließung von Kontakten im Rhythmus
des gleichzurichtenden Wechselstromes eine einseitige Stromftußrichtung durchgesetzt
wird. Diese Methode weist gegenüber anderen Gleichrichtttttgsmöglichkeiten bei bestimmten
.Bedingungen Vorteile auf. Insbesondere wenn es sich tun niedrige Spannungen für
Meßzwecke oder auch chemische "Zwecke handelt, fällt der Spannungsabfall der Gleichrichteranlage
stark ins Gewicht. In solchen Fällen vermögen Kontaktumformer mit relativ hohem
Wirkungsgrad die Gleichrichtung zu bewerkstelligen. Um aber allen \nforderutrgen,
etwa einer Starkstromanlage, zu genügen und eine einwandfreie Schaltung der Kontakte
durchzuführen sind eine Menge von Gesichtspunkten zu beachten, die ihren Niederschlag
in zahlreichen Hilfseinrichtungen finden, die für die ve-rschiedensten Wirkungen
uqd Nebenwirkungen 1>;i der Kontaktgleichrichterumformung ausgelegt werden müssen.
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.als wesentliches Organ für eine einwandfreie Umschaltung der Kontakte
ist eine mit den Kontakten in Reihe geschaltete Drosselspule zu bezeichnen, die
also im Schaltbild der Kontaktumformeranlage ihren Platz zwischen der Transformatorwicklung
und <lern zu öffnenden oder zu schließenden Kontaktpaare besitzt. Um insbesondere
einen möglichst stromlosen Augenblick für die Öffnung der Kontakte zu erzwingcn,
muß diese Reihendrossel ganz bestimmte magnetische Eigenschaften
haben,
welche die für den Aufbau der Drossel verwendete Eisensorte bestimmen. Man verwendet
eine Eisensorte mit möglichst scharfem 1`Iagnetisierungsknick und hoher Anfangspermeabilität.
Weiterhin sind zahlreiche Schaltelemente erforderlich, um verschiedenen Bedingungen
hinsichtlich der Stromstärke und Phasenlage des Stromes zu genügen.
| Um es zu# "einem , wesentlich einfacheren Aufbau |
| I##`iper kvrtt&3tunitb'rmereitirichtung zu bringen, |
| wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, parallel |
ten Gasatmosphäre erfolgt, können durch die erforderlichen Gasbewegungen gewisse
Schwierigkeiten entstehen. Infolgedessen kann man auch dafür sorgen, daß das Kondensatoriritiere
evakuiert und luftdicht abgeschlossen ist, so daß die Kapazitätsänderung ohne wesentliche
Gasbewegung vor sich geht. Die Verwendung solcher liondeisatoren, bei denen man
zwecks 7?rzielung einer etwa erforderlichen größeren Leistung Sätze von Einzelkapazitäten
parallel schalten rnuß und die den Bedingungen der Kapazitätsänderung mechanisch
gewachsen sein müssen, beruht darauf, daß dann, -#vein eine Öffnung von Kontakten
erfolgen soll, die Belegungen des Kondensators bis zur Berührung der festen Schichten
einander gensiliert werden. Durch diese Bewegung erfolgt eine atttierord,entlicli
rasche Erhöhung der Kapazität, welche kurzschlußartig wirkt, wobei der- Kurzschluß
nicht so sehr auf einer Erhöhung des Stromes beruht, als vielmehr auf der raschen
Änderung des Stromes, die dann den Momentanwert der Spannung als induktiven Spannungsabfall
verbraucht und so zu einer j'ermitiderting odergar_\riritillic@r-tirig des abzuschaltendeti
Stromes führt. \ imrnt tnari etwa an, daß ein solcher Kondensator zu einem beliebigen
Augenblick während einer Halbperiode eines Wechselstromes, etwa innerhalb von o,ooi
Sek., durch Annäherung der Belegungen auf seinen höchsten Kapazitätswert gebracht
werden soll, dann müßte der Endwert der Kapazität mit einem mittleren Ladestrom
von beispielsweise 5o Ampere, also 5o Coulomb je. Sekunde für eitic@ Endspannung,
die zu io Volt angenommen wird, 5°/looo Coulomb, also eine Kapazität von 5 - i o-3
Farad bereitgestellt werden.
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Mit Isolierstoffen hoher Dielektrizitätskotistante ist, wie man sieht,
der erforderliche Kapazitätswert ohne weiteres in einer den mechanischen Anforderungen
entsprechenden Form 1>ereitzttstellen. Gleichfalls steht einer Erhöhung der Kapazität
zur Bewältigung größerer Leistungen nichts im Wege. Dabei kann man grundsätzlich
über Stromwandler, die von dem von der Kapazität aufgenommenen stoßartigen Ladestrom
durchflossen werden, etwa noch vorhandene Restspannutrgen an den zu trennenden Schalterkontakten
kompensieren, so daß eine Strom- und spannungslose Schaltung praktisch in jedem
Augenblick einer Halbperiode bewerkstelligt werden kann. Zu beachten ist dabei,
daß zwecks Bereitstellung des Schaltkondensators für den jeweils folgenden Schaltvorgang
die während der Abschaltung aufgenommene Ladung wieder in den Stromkreis zurückgegeben
weiden muß. Je nach der Schaltung und je nachdem, ob es sich um Einw eg-, Zweiweg-
oder Mehrphasengleichrichtung handelt, kann die Ladung des Kondensators sich entweder
für den Gleichstromkreis unbemerkt über die Transformatorenwicklung ausgleichen
oder kann nach Kommutierung der entsprechenden Kontakte einen Beitrag zum gleichgerichteten
Strom liefern. Das Wesen der gekennzeichneten Anordnung wird zweckniiißig in mehreren
Schaltabbil-<htngen und Schaltungen erö rte@-t. Irr Abb. i ist zu den Transformatorwicklungen
bzw. parallel zu Gien Wechselspannung führenden Leitungen Kondensatoren hoher, jedoch
veränderlicher Kapazität einzuschalten und eine Regelung der Kapazitäten in dem
Sinne vorzunehmen, daß kurz vor bzw. während der Stromunterbrechung eine plötzliche
Vergrößerung der Kapazität auf den höchstmöglichen Wert durchgeführt wird. Die in
Kontaktumformeranlagen für solche Kondensatoren zu lösenden Aufgaben können erst
auf der Grundlage der neuerdings bekanntgewordenen Isolierstoffe hoher Dielektrizitätskonstante
angegriffen werden, weil die erforderliche Leistung bislang nicht in Kondensatoren
bereitgestellt werden konnte, die wegen ihres mechanischen Aufbaues bei hohen Kapazitätswerten
der Bedingung einer raschen und periodischen Kapazitätsänderung genügen konnten.
In verschiedenen Veröffentlichungen sind Isolierstoffe erwähnt und beschrieben worden,
deren Dielektrizitätskonstante Werte bis zu 18 ooo annimmt. So sind in dem Aufsatz
von Y f e s t o r f in der ETZ 1948, Heft 7, auf der Grundlage von Titanoxyden Dielektrizitätskonstanten
von der Größenordnung 2000 bis 25oo angegeben worden. Noch höhere Dielektrizitätskonstanten
findet man in der amerikanischen Zeitschrift Ceramic Age, Sept. 19-17, S.
162 u. ff., sowie April 1947, S. 169/c7o. Hiernach sind Dielektrizitätskonstanten
bis zu einem Wert von 18 ooo erreicht. Zugleich wird in diesen letzteren Aufsätzen
eine verhältnismäßig geringe Schichtstärke solcher Dielektrika angegeben. In Abhängigkeit
von der Temperatur sind im übrigen schon Werte bis 300000
veröffentlicht worden.
Im Hinblick 'auf diese hohen Dielektrizitätskonstanten und bei geringenSchichtstärken
ergeben sich bereits für verhältnismäßig geringe Flächen sehr hohe Kapazitäten.
Im einfachsten Fall geht man davon aus, daß ein veränderlicher Kondensator von entsprechender
Kapazität aus zwei verhältnismäßig starren Belegungen dargestellt N%-ird, die beide
mit einer dünnen Schicht des festen Isolierstoffes überzogen sind. Diese beiden
Belegungen können einander bis zur völligen Berührung der dielektrischen Schichten
genähert werden und können andererseits voneinander entfernt werden. Für eine Kapazitätsänderung
in wesentlichen Bereichen, nämlich für eine Verkleinerung auf wenige Promille und
Bruchteile davon, sind dann nur Bewegurigen von Bruchteilen von Millimetern erforderlich.
Da diese Bewegung der Kondensatoren gegebenenfalls unter atmosphärischen \'erhälttiisseii
oder auch in einer bestimmeine
Anordnung dargestellt, bei welcher
der einzelne Schaltvorgang durch eine an den Schaltkontakten liegende veränderliche
Kapazität beeinflußt werden kann. Da während der Berührung der voneinander zu lösenden
Kontakte Ki und K2 keine Spannung an den Klemmen des Kondensators liegt, so ist
es in diesem Fall zweckmäßig, die Trennung der Kontakte voneinander in der Weise
zu bewirken, daß zunächst ein Vorwiderstand eingeschaltet wird, der in Abb. r mit
h bezeichnet ist, so daß der Strom an diesem Vorwiderstand einen Spannungsabfall
erzeugt, der eine Aufladung des Kondensators bewirkt. Diese Aufladung kann man dazu
benutzen, eine Kapazitätsvergrößerung durch die elektrostatischen Anziehungskräfte
im Kondensator durchzuführen, wenn man nicht, was zunächst zuverlässiger erscheint,
eine mit dem Schaltvorgang automatisch verbundene mechanische Beeinflussung, in
diesem Fall Vergrößerung der Kapazität, vorgesehen hat. Allerdings muß nach Beendigung
des Schaltvorganges der Kondensator wieder entladen «-erden und gleichzeitig sein
Kapazitätswert auf das Minimum gebracht werden durch Entfernung der beiden Belegungen
voneinander. Gegebenenfalls wird also nach der öffnung des Schaltkontaktes noch
eine Weile der Entladungsstrom des Kondensators fließen, wenn man nicht eine besondere
Entladungseinrichtung, die aber immer gleichbedeutend mit einem neuen Schaltvorgang
ist, vorgesehen hat.
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Für den Kontaktgleichrichter wesentlich ist eine Schaltung nach Abb.
a. Hier ist der veränderliche Kondensator parallel zur Sekundärwicklung des Transformators
geschaltet. Dadurch, daß zur vorgesehenen Zeit, wenn die Schalter des Kontaktumformers
geöffnet werden sollen, der Kondensator plötzlich auf den Maximalwert der Kapazität
gebracht wird, erzielt man einen vorübergehenden Kurzschluß des Transformators,
der nicht so sehr durch die Größe des Kurzsc'hlußstromes als vielmehr durch. die
rasche Änderung des Stromes herbeigeführt wird. Aus der Beziehung Q = C #
U,
wo Q die elektrische Ladung, C die Kapazität des Kondensators und U die
Spannung im Kondensator darstellt, erhält man den Strom J als Änderung der Ladung
nach der Zeit. In diesem Fall ist sowohl C als auch U veränderlich, so daß der Strom
im Kondensator den Wert annimmt:
Für die Spannung muß dann die Gleichung auf V1 omentanwerte bezogen lauten
Man führt also nun die Änderung der Kapazität in einer solchen Weise durch, daß
d C/d t sehr groß wird. Während dieser Zeit wird dann zweckmäßig die
"Trennung der Kontakte durchgeführt. Die Verhältnisse sind an Hand des Diagramms
in Abb. 3 zu übersehen. Es bedeutet 11 die als sinusförmig verlaufend gedachte Sekundärspannung
des Transformators und J, den Strom des Kondensators, den er bei konstanter Kapazität
aufnehmen würde. Der eigentliche durch die Kontakte fließende Belastungsstrom des
Kontaktumformers ist nicht gezeichnet. Er sei während einer Halbperiode als s@inusförmig
und in Phase mit der Spannung liegend angenommen. Geht man nun von dem Kleinstwert
der Kapazität aus, so ist zunächst der Strom 1,
im Kondensator verhältnismäßig
klein. Wird im Augenblick 1 die Kapazität des Kondensators durch plötzliche Annäherung
der Belegungen aneinander stark vergrößert, dann wird in Funktion der Bewegung der
Belegungen und damit in der Zeitfunktion der Kapazitätsvergrößerung der Kondensator
einen zusätzlichen Strom J, übernehmen, dessen rasche Änderung an der Induktivität
des Transformators einen Spannungsabfall bewirkt, der im wesentlichen den ganzen
Momentanwert der Spannung verbraucht. Da im Augenblick I die Ladung des Kondensators
im Abnehmen begriffen ist, so hat der Strom J, im Kondensator negatives Vorzeichen.
Der zusätzliche Strom J, dagegen, der durch die rasche Kapazitätsvergrößerung notwendig
wird, bedeutet zunehmende Ladung. Er hat infolgedessen positives Vorzeichen und
läßt sich leicht auf eine vergleichsweise vielfache Größe bringen.
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Mit der Beendigung der Bewegungen der Belegungen muß dieser zusätzliche
Strom J, zu Null werden. Diese Änderung des Stromes auf den Nullwert zieht wiederum
einen induktiven Spannungsabfall im Transformator nach sich, der nunmehr entgegengesetzt
gerichtet ist wie vorher. Da aber die Trennung der Kontakte während des Stromanstieges
durchgeführt sein soll, so ist diese Stromänderung für den Gleichstromkreis ohne
wesentliche Bedeutung.
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Nun ist aber für die Wirkungsweise der Anordnung grundsätzlich davon
auszugehen, daß innerhalb einer halben Periode Ladung und Entladung des Kondensators
erfolgen muß, damit er für den nächsten Schaltvorgang mit dem Kleinstwert seiner
Kapazität zur Verfügung steht. Im Anschluß an die Auf ladung wird also über die
Transformatorenwicklung eine Entladung erfolgen, die unter Auseinanderziehen der
Belegungen für den Gleichstromkreis gleichfalls nicht bemerkt wird. Dabei kann es
vorkommen, daß der Kondensator als Stromquelle wirkt und dem Transformator seine
EMK aufzwingt. Mit der Entladung des Kondensators nimmt dann die Kombination Kondensator
plus Transformator die Spannung Null an. Im Hinblick auf Abb.3 erfolgt also zweckmäßig
während der Zeit von I bis 1I Trennung der Kontakte. Die Bewegung der Belegungen
des Kondensators geht bis zum Augenblick 111 weiter und bis zum Augenblick
IV würde sich seine Entladung durchführen. Dieser Augenblick IV kann mit dem normalen
Nulldurchgang der sintisförmigen Spannung zusammenfallen. Er kann aber auch demgegenüber
verlagert sein. Man kann aber ohne weiteres nach
Abl). 5 die Trennung
der Kontakte auch nach dem Nulldurchgang der sinusförmigen Spannung bewirken. Leitet
man mit dem Augenblick des Spannungswertes Null eine Kapazitätsvergrößerung ein,
so bleibt wieder der Transformator für einen Zeitaugenblick kurzgeschlossen, während
welcher man die Kontakte voneinander entfernen kann. In der Folgezeit besteht dann
für den Kondensator die Möglichkeit, seine Ladung über die Transformatorenwicklung
auszugleichen. Während dieses Ausgleichs muß er durch erneutes Entfernen der Belegungen
voneinander auf seinen minimalen Kapazitätswert gebracht werden. Der Verlauf des
Stromes entspricht dem in Abb. 5 gezeichneten. In der Zeit von I bis II dauert die
Schließbewegung des Kondensators an, die ihn auf seinen höchsten Kapazitätswert
bringt. In der Zeit von 1I bis IIl wird der Kondensator wieder geöffnet.
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Bei Vollweggleichrichtung kann man die Schaltung nach Abb. 4 verwenden,
wo in bezug auf den Gleichstromkreis die Sekundärwicklung komtnutiert wird. Dies
ist aber nur ein Beispiel, denn selbstverständlich kann man auch eine Mittelanzapfung
der Sekundärwicklung des Transformators als einen Pol der Gleichstromseite verwenden
und auf den anderen Pol abwechselnd die beiden Wicklungsenden schalten. In diesem
Fall ist für jede Phase ein Kondensator vorzusehen. I?ntsl>rechend kann bei einer
Mehrphasetischaltutig ein Sternpunkt den einen Pol der Gleichspannungsquelle darstellen.
Bei der Schaltung nach Abb. 4 beginnt man zweckmäßig die Schließbewegung des Kondensators
in dem Augenblick, wo die Spannung den Nullwert erreicht und erhält als Diagramm
für den Kondensatorstrom 1Z wieder Abb. 5. Durch den Strom JZ wird wiederum die
Wicklung des Transformators zeitweilig kurzgeschlossen, wobei natürlich nicht mit
der Öffnung des gerade stromführend gewesenen Kontaktpaares gleichzeitig das zweite
Kontaktpaar geschlossen werden kann, denn dadurch würde der Kondensato'r kurzgeschlossen
sein und keine Ladung übernehmen können. Inn Augenblick II (Abb. 5) wird etwa das
zweite Kontaktpaar geschlossen, nachdem in der Zeit von I bis 1I die Öffnung des
ersten Kontaktpaares durchgeführt wurde. Mit der Schließung des zweiten Kontaktpaares
im Augenblick 1I kann sich dann die vorher vom Kondensator aufgenommene Ladung mit
dem richtigen Vorzeichen über den Gleichstromkreis ausgleichen. Dabei müssen die
Belegungen des Kondensators voneinander entfernt -erden, damit er für den nächsten
Augenblick am Schlttß der Halbperiode zur Verfügung steht. Das Tempo dieser öffnungsbewegung
richtet sich nach den Bedürfnissen der Anlage. Es kann, je nachdem, mehr oder weniger
schnell erfolgen, da der Kondensator nunmehr als Stromquelle wirkt.
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Als grundsätzlich für eine mehrphasige Gleichrichtung kann auf die
Möglichkeit verwiesen werden, den Kondensator als Gegenspannungsquelle zu benutzen,
welche bei gleichzeitigem Schluß mehrerer Kontakte, wie er für eine kontinuierliche
Gleich= bzw. Wellenspannung notwendig ist, kurz'-, schlußartige Wirkungen verhindert.
Nimmt man an, daß auf der Gleichstromseite durch entsprechende Einrichtungen, etwa
durch einen Kondensator für eine konstante G=leichspannung gesorgt wird, die ihrerseits
in denn gegebenen Augenblicken auch Strom zum Transformator zurückzuschicken bereit
ist, dann kann man dafür sorgen, daß in dein Augenblick, in dem eilt neues Kontaktpaar
itn Aktion tritt, der mit diesem Kontaktpaar verbundene Kondensator gerade die Spannung
hat. die am Gleichstromnetz liegt, so claß auch diese Kontakte zunächst stromlos
eingeschaltet werden, d. h. ohne einen kurzschlußartigen Stromstoß über diese Kontakte
befürchten zu müssen. Verfolgt man z. B. für eine dreiphasige Atiordnundie Vorgänge
an Hand des Diagramm: (Abb.6), dann wurde der an einer Phase liegende Kondensator
der Spannung folgend vom _\'ulldurchgang an, in welchem er im allgemeinen auf seinen
größten Wert gebracht ist, mit der Spannung der Phase hochlaufen. Nimmt man z. B.
an, daß itn .=@ugenblick 1, wo die Spannung zweier aufeinanderfolgender Phasen gerade
gleich groß wird, das entsprechende nächste Kontaktpaar eitti;esclnaltet werden
soll, dann würde von der Gleichstromseite her die Spannung Us an die Phase gelegt
werden, während die Transformatorwicklung nur die Spannung Um,. dagegenzusetzen
hätte. Entfernt Iman dagegen bis zu diesem Augenblick dic beiden Kondensatorbelegungen
so weit auseinander, daß auch am Kondensator die Spannung C', auftritt, dann wird
der Kondensator als Stromquelle sowohl den Gleichstromkreis als auch dein Transformator
bedienen. Die Bewegung muß dann so abgemessen werden, daß während der Betriebsphase
dieses Kontaktpaares einmal bis zur Gleichheit der Wechselspannung und der Gleichspannung
der Kondensator mit konstanter Spannung als Energiequelle dient, während in der
späteren Zeit, wo die sinusförmig verlaufende Wechselspannung höher liegt als die
Gleichspannung, der I@ondensator unter Vergrößerung seiner Kapazität wieder Energie
aufnimmt und nachher in der dritten Teilphas-e wiederum Energie abgibt unter Verringerung
seiner Kapazität, um dann für die _\ltschaltung der Kontakte benutzt zu werden.
Im Augenblick I muß dann die Abschaltung des vorher aktiv ge--#vesenen Kontaktpaares
bewirkt werden, so daß tatsächlich kurzzeitig zwei Kontaktpaare gleichzeitig eingeschaltet
sein können, ohne daß kurzschlußartige Wirkungen zu befürchten sind. Sie sind an
sich um so weniger zu befürchten, je höher die Induktivität des Transformators ist.
Es sei übrigens darauf hingewiesen, daß man im Sinne von Abb. n auch jetzt den Kondensatorstrom
noch hilfsweise durch entsprechende Kontaktfolge zur Entlastung des Schaltvorganges
benutzen kann.
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Bei einer etwaigen Ausgestaltung dieser Möglichkeit muß darauf Rücksicht
genommen werden, die Inanspruchnahme mechanischer Energie möglichst zu reduzieren,
weil sie mit verhältnismäßig schlechtem Wirkungsgrad erfolgen dürfte. Nach
Möglichkeit
ist anzustreben, daß die Kondensatoren auf Grund eines elastischen Aufbaues die
erforderlichen Bewegungen als erzwungene Schwingungen unter dem Einfluß des elektrischen
Feldes von selbst ausführen. Dabei kann es sich allerdings unter Umständen um komplizierte
Schwingungsvorgänge handeln, die nicht leicht vorauszuberechnen sein dürften. Bei
Gleichrichtung von Mehrphasensystemen kann man den Umsatz an mechanischer Energie
auch dadurch reduzieren, daß man eine verhältnismäßig große Phasenzahl vorsieht,
obwohl der zweckmäßig regulierte Kondensator eine verhältnismäßig glatte Gleichspannung
ermöglichen dürfte, die den Rückgriff auf eine höhere Phasenzahl nicht unbedingt
erforderlich macht. Im allgemeinen wird man die Transformatoren mit hohem induktivem
Spannungsabfall ausführen. In :1b1>. 7 ist ein Kondensator dargestellt, wie er für
den gekennzeichneten Kontaktumformer Verwendung finden kann. Bi und B2 sind die
verhältnismäßig dicken Belegurigen, während Il und l2 die (las Dielektrikum bildende
dünne Isolierstoffschicht mit sehr großer Dielektrizitätskonstante darstellen. 1)er
mit A bezeichnete Teil stellt einen Abschluß des Kondensatorinnenen dar, der elastische
Eigenschaften haben muß. Es sind mancherlei Ausgestaltungen für den Kondensatoraufba.u
möglich und für die mechanische Durchführung. der Kapazitäts:inderung. In Abb. S
ist nur eine der Belegungen 132 mit einer Isolierstoffschicht J becleckt. Zweckmäßig
wird man die andere Belegung beweglich gestalten. In Alb. 9 ist eine Anordnung dargestellt,
bei welcher mit einem einzigen Hub der Belegung B2 von dem Maximalwert der Kapazität
über einen Minimalwert der zweite Maximalwert der Kapazität erreicht wird. Die beiden
Belegungen B1 und Bi' haben die gleiche Spannung.