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Mechanischer Schaltstromrichter (Kontaktumformer) Neben solchen mechanischenSchaltstromrichtern,
deren Kontakte von einem Synchronmotor period.isch im Takte der Frequenz des speisenden
Wechselstromnetzes geschlossen und geöffnet werden (mec'hanisc'he Synchronschalter),
sind neuerdings auch. Sch-altstromrichter bekanntgeworden, deren Kontakte magnetisch
betätigt werden. Bei diesen wird das Schließen der Kontakte im allgemein:n zu einem
willkürlich einstellbaren Zeitpunkt der Wechselstromperiode vorgenommen, wodurch
z. B. eine Spannungsregelung durch Teilaussteuerung erzielt wird, während das Öffnen
der Kontakte selbsttätig beim jeweiligen Nulldurchgang des Kontaktstromes erfolgt
und .sich der Länge der natürlichen Stromführungsdauer des Kontaktes in jeder Periode
von. neuem selbsttätig anpaßt. Bei den. magnetisch betätigten Schaltstromrichtern
werden entweder permanente Magneten zum Halten des Kontaktankers in der Aus- bzw.
Ein Stellung benutzt, wobei dann das Schließen bzw. Öffnen des Kontaktes durch Stromimpulse
bewirkt wird, die die Haltekraft des Permanentmagneten vorübergehend aufheben, so
daß der die Kontaktbrücke tragende Anker in die andere Schaltstellung überschwingt
(Impul,sschal@t.er). Es gibt aber auch Schaltstromrichter, bei denen der Kontaktstrom
selbst elektromagnetisch das Halten des Ankers in der Schließstellung besorgt und
beim Schließvorgang und unter Umständen auch bieim Öffnungsvorgang .durch den Strom
eines zum
Kontakt parallel geschalteten 'natürlichen Ventils oder/und
durch Stromimpulse unterstützt wird ,(elektromagnetische Schalter).
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Bei allen drei Ausführungsarten des: Serhaltstromrichters wird zur
-Erzielung einer funkenfreien Kontaktöffnung üblicherweise eine Schaltdrossel in.
keine mit dem Kontakt geschaltet, die in bekannter Weise beim Nulldurchgang des
Kontaktstromes eine Stufe sehr geringer Stromstärke (stromschwache Pause) von der
Dauer einiger zehntel Millisekunden bei den magnetisch betätigten Schaltstromrichtern
b@zw. von etwa i bis z ms bei den motorisch betätigten Schaltstromric'htern erzeugt.
Damit .das Öffnen des Kontaktes praktisch werkstoffwanderungsfrei erfolgt, soll,
der während dieser stromsch-wachen Pause im Öffnungsaugenblick - über dem Korntakt
fließende Strom möglichst gleich Null, .sein oder jedenfalls den Betrag von ,einigen
zehntel Ampere nicht überschreiten. Da @ der natürliche Wert des Stromes während
der Stufe, der den Mä,gnetisierungsstrom der Schaltdrossel darstellt, besonders
bei größeren Stromrichterleistungen erheblich über dieser Grenze liegt, so ist es
beim Entwurf von Schaltstromrichteranlagen eine sehr wichtige Aufgabe,- die vorgenannte-
Forderung einer praktisch stromlosem Kontaktöffnung bei allen vorkommenden Betriebsbedingungen
,durch Wahl einer geeignetem Vormagnetisierung der Schaltdrossel zu .erfüllen. Durch
die bisher bekannten Vormagnetisierun'gsschaltungen war dieses Ziel nur mit gewissen
Einschränkungen,zu erreichen.
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Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vormagnetisi-erungsschaltung,
bei der die Anpassung der Vormagnetisierungsd urchflutung der Schaltdross e1 unter
den verschiedensten Betriebsbedingungen, selbsttätig stets so erfolgt, daß der Kontaktstrom
im -Öffnungsaugenblick praktisch gleich Null ist.
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Die Erfindung geht aus von :dem Gedanken, die Vormagnetisierung von
der Spannung, die zwischen der Klemme der betreffenden Transformatorwicklung und
dem Verbraucher auftritt und somit an, der Reihenschaltung von Schaltdrossel und
Schaltkontakt wirksam ist, abhängig zu machen. Diese Spannung ist nämlich diejenige,
die als Spannung eD während der Stromstufe an der Sc'haltdi-ossel liegt und folglich
die Ummagnetisiertxngsgeschwindigkeit dB/dt der Schaltdrossel bestimmt nach der
Beziehung
wobei w die Win@dungszahl der Hauptwicklung der Schaltdrossel, q den Eisenquerschnitt,
B die magnetische Induktion und' t die Zeit bedeutet. Die Koerzitivkraft H, des
Schaltdrosseleisens, die ein Maß, für die Höhe des natürlichen Stufenstromes i,
der. Schaltidro,ssel ist, hängt nun in der in Fig. i dargestellten Weise von der
Ummagnetisierungs-'geschwindngkeit dBldt bzw. der dieser proportionalen Spannung
eD an der Schaltdrossel ab. Ausgehend vom statischem Wert (dBldt = o) steigt
die Kurve zunächst ziemlich stell an, um sodann bei noch verhältnismäßig geringer
Ummagnetisierurngsgeschwindigkeit in einen bedeutend flacher und nahezu geradlin@ig.verlaufenden
Kurvenast einzumünden. Ein derartiger' Verlauf ergibt sieh nicht nur für die Koerzitivkraft,
d. h. für .die Mitte der Flanke der Hystereseschleife (B = o), sondern auch für
die übrigem Feldstärkenwerte der Flanke der Hysteres eschleife, insbesondere dann-,
wenn die Form der Flanke noch durch an sich bekannte Streckkreise so verbessert
ist, daß die Flanke der Hystereseschieife ungefähr parallel' zur Ordinatenachse
verläuft. Solche Streckkreise bestehen aus der Reihenschaltung eines Kondensators
mit einem Ohmschen Widerstand oder/und einem gedämpften Schwingungskreis und sind
entweder unmittelbar an die Klemmen der Hauptwicklung der Schaltdrossel oder an
eine Hilfswicklung auf dem Eisenkern der Schaltdrossel angeschlossen. Aus der obenerwähnten
Verbesserung der Schleifenform mit Hilfe der Streckkreise ergibt sich ferner ein
praktisch waagerechter Verlauf der Stromstufe. Will man nun den über den, Kontakt
fließenden Strom während der Stufe zu Null machen, so muß bei jedem vorkommendem
Wert der Spannung eD der natürliche Stufenstrom i, durch .einen Vormagnetisierungsstrom
i,, .gerade kompensiert werden nach der Bedingung .
wenn w,, die Windungszahl der Vorm:agnetisierungswicklung ist. Der Vormagnetisierungsstrom
i,, muß also von, der Ummagnetisierungsgeschwindi.gkeit nach einer der Kurve in
Fig. i entsprechenden oder ähnlichen Funktion, abhängig gemacht werden. Dabei kann
der gekrümmte Teil der Kurve, der für kleine Werte der Ummagnetisierungsgesc'hwirvdigkeit
gilt, meist unberücksichtigt bleiben, weil solche kleinen Werte in dem für die Kontaktöffnung
in Betracht kommenden Zeitbereich normalerweise nicht auftreten. Die geforderte
Abhängigkeit wird .daher praktisch erreicht, wenn die Kurve in Fig. i durch eine
ihrem oberen Ast etwa entsprechende Gerade ersetzt wird, deren in Fig. i gestrichelt
gezeichnete Verlängerung auf der Ordinatenachse einen Grundbetrag Ha abschneidet.
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Erfindungsgemäß besteht als die gesamte Vormagnetisierung der Schaltdrosseln:
aus einem während der Stromstufe gleichbleibenden Anteil und einem von der Spannung,
die an der betreffenden Schaltdrossel während der Stromstufe herrscht, abhängigen
Anteil. Von besonderem Vorteil" weil mitder.günstigsten:Wirkung verbunden, ist es,
wenn der gleichbleibende Anteil dem Grundbetrag Ha (Fig.. i) entspricht und wenn
der spannungsabhängige Anteil der Drosselspannung eD proportionäl ist und den in
Fig. i mit He bezeichneterv Werten entspricht. Der ,gleichbleibende Anteil, wird'
z. B. durch eine Vormagnetisierung mit Gleichstrom geliefert, der in an sich bekannter
Weise durch eine In!duktivität gegen transformatorische
Rückwirkungen
der Hauptwicklung stabilisiert sein kann. Der spanniungsabhängige Anteil dagegen
wird durch eine Vorma:gnetisierungswicklung geliefert, die einerseits an die Klemme
der betreffenden Transformatorwicklung und andererseits an die dem Kontakt zugekehrte
Gleichstromklemme angeschlossen ist und somit einen Strom führt, welcher der zwischen
diesen Punkten wirksamen Spannung proportional ist. Das Zusammenwirken beider Vormagnetisierungsanteile
ergibt eine dem oberen Ast der Kurve in Fig. i entsprechende Abhängigkeit der Gesamtvormagnetisierung
der Schaltdrossel von ihrer Ummagnetisierungsgeschwindigkeit.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei impulsgesteuerten. Schaltern
der Schaltdrosselspule eine Vormagnetisierung durch eine besondere Wicklung zu geben,
die über einen, Widerstand zu der Reihenschaltung der Schaltdrosselspule mit dem
Schaltkontakt parallel liegt. Mit einer derartigen Vormagnetisierung allein wird
jedoch die der ErfinJung zugrunde liegende Aufgabe einer selbsttätigen Anpassung
der Vormagnetisierung an alle vorkommenden Betriebsbedingungen nicht erreicht. Der
in der Vormagnetisierungswicl;lung fließende Strom ist nämlich stets proportional
der an der Reihenschaltung von Schaltdrosselspule und Schaltkontakt wirksamen Spannung;
es ergibt sich somit eine Vormagnetisierun@g, die in Fig. i einer durch den Koordinatenumfarng
laufenden geraden Linie entspricht und infolgedessen nur bei einer ganz bestimmten
Spannurig die richtige Höhe hat. Im praktischen Betrieb von Schaltstromrichtern
treten aber je nach der Lage des Ausschaltzeitpunktes Spannungen von stark wechselnder
Höhe auf. Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, eine Anpassung an eine veränderliche
Wechselspannung dadurch vorzunehmen, daß die gesamte Vorinagnetisierung erzeugt
wird durch die Überlagerung eines sinusförmigen und eines trapezförmigen Stromes.
Auch dieser Vorschlag löst selbst dann, wenn die Höhe des Trapezstromes entsprechend
dem Wert Ho in Fig. i gewählt wird, nicht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe,
weil eine diesem Vorschlag entsprechende, nach Größe und Phase festliegende zusätzliche
sinusförmige Vormagnetisierung nicht allen Betriebsbedingungen gerecht wird. Die
neue Lösung ist dagegen an eine Voraussetzung hinsichtlich .der Höhe und des zeitlichen
Verlaufes der an der Schaltdrossel wirksamen Spannung nicht gebunden; die neue Einrichtung
paßt sich also selbsttätig allen vorkommenden Betriebsbedingungen an.
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Als Schaltungsbeispiel ist in. Fig. 2 die Schaltung eines dreiphasigen
Schaltstromrichters dargestellt. Darin bedeutet i die Sekundärwicklung des dreiphasigen
Stromrichtertransformators, 2 den Eisenkern: der Schaltdrossel, 3 die Hauptwicklung
derselben, 4. den Kontakt und 5 den Gleichstromverbraucher. Die gleichartig ausgestatteten
Kreise der beiden anderen Phasen sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Der gleichbleibende Anteil der Vormagnetisierungsdurchflütung wird zugeführt durch
die Hilfswicklung 6, ,die' von der Gleichstromquelle 7 über einen Einstellwiderstand
8 und eine Stabilisierungsdrossel: g gespeist wird. Der spannungsabhängige Anteil
wird geliefert durch die Hilfswicklurng io, die über einen Widerstand ii an die
Reihenschaltung von Schaltdrosselhauptwicklung 3 und Kontakt 4. gelegt ist. In Reihe
mit der Wicklung io und dem Widerstand i i ist noch ein Ventil 12! dargestellt,
das z. B. aus einem Trockengleichrichter bestehen kann. Dieses Ventil kann erforderlich
werden, wenn die Schaltdrossel nicht nur zur Erzeugung der Ausschaltstufe benutzt
werden soll, sondern mit ihr auch noch eine Einschaltstufe erzeugt werden soll.
Ohne ein solches Ventil würde die Schaltdrossel bei Spannungsregelung durch Teilaussteuerung
unter Umständen bereits vor dem Schließen des Kontaktes in der Richtung des anschließend
fließenden Belastungsstromes gesättigt werden und die Einschaltstufe somit unterdrückt
werden. Ist dagegen eine Einschaltstufe nicht erforderlich oder wird diese durch
eine getrennte Einschaltdrossel -erzeugt, so ist es gerade erwünscht, die Ausschaltidrossel
bereits vor dem Einschalten in Richtung des kommender Be:lastunigsstromes zu sättigen.
In diesem Fall fällt das Ventil 12 fort, und die Wirkung der Vormagnetisierun:gswicklung
io kann noch durch einen weiteren, an sich an anderer Stelle bereits vorgeschlagenen
Vormagnietisierungskreis unterstützt wenden, der aus der Wicklung 13, einem
Widerstand 14 und einem Ventil 1s besteht und der beispielsweise an die Spannung
der betreffenden Transformatorphase gelegt ist. Das Ventil i5 kann dabei ebenfalls
ein, Trockengleichrichter sein. Wird schließlich unter Beibehaltung cbes Ventils
i2 als Ventil 15 ein steuerbares Ventil, z. B. ein gittergesteuertes Quecksilberdampfventil
verwendet, so kann mit Hilfe des letztgenannten Vormagnetisierun:gskreises auch
eine Beeinflussung der Länge und der Höhe der durch die Ausschaltdrossel erzeugten
Einschaltstufe bewirkt werden, wenn der Steuerzeitpunkt: des Entladungsgefäßes in
eine bestimmte Beziehung zum Einschaltzeitpunkt ,des Kontaktes gebracht wird, wobei
die Einstellung der erforderlichen Höhe des Stromes durch den Widerstand: 14 erfolgt.
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In Fig.3 ist noch :gezeigt, daß an Stelle getrennter Hilfswicklungen
auch die Hauptwicklung selbst oder Teile von ihr in Sparschaltung zum Zweck der
Vormagnetisierung benutzt werden können. Die Bezifferung in Fig. 3 ist die gleiche
wie in Fi:g.2. .Für die spannunigs,abhängige Vormagnetisierung kann z. B. ein Anteil
io der Hauptwicklung benutzt werden, da die Windungszahl dieser Vormagnetiserung
stets kleiner als diejenige der Hauptwicklung sein muß. Zur Sättigung des Eisenkernes
vor dem Einschalten dagegen kann die ganze Hauptwicklung 13 oder auch ein. Teil
von ihr verwendet werden. In Fig. 3 ist ferner noch ein,Beispiel für,die Schaltung
der bereits erwähnten Strecld:reise dargestellt, und zwar sind hier zwei Kreise
17 und i8 in Parallelschaltung an eine
weitere Hilfswicklung 16
angeschlossen. Der eine Streckkreis 17 hesteht aus der Reihenschaltung eines
Kondensators mit einem Widerstand und der andere Streckkreis i8 aus einem gedämpften
Schwingungskreis.
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Der Vorteil der neuen Vormagnetisieruhg gegenüber den bisher vorgeschlagenen
Vormagn.etisierungsschaltungen besteht erstens darin, daß eine selbsttätige Anpassung
der Vormagnetisierung an die im Öffnungszeitpunkt gerade vorhandene Ummagnetisierungsgeschwirndigkeit
der Schaltdrossel erfolgt. DurcUdiese Anpassung werden auch Spannungsschwankungen
des .speisenden Wechselstromnetzes und Änderungen .der vom Transformator abgegebenen
Wechselspannung infolge von Stufenschalterregelung ohne weiteres erfaßt. Zweitens,
sind die Leistungverluste in den Vormagnetisierungskreisen kleiner als bei der bisher
verwendeten, sogenanrnten elastischen Vormagnetisierung, bei der die Vormagrnetisierungswicklung
über einen Widerstand an eine Spannung gelegt wird, die aus. der Reihenschaltung
.der verketteten Transformatoraparnnung mit einer Zusatzspannung besteht.