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Kontaktumformer Mechanische Umformer zur Gleichrichtung von Drehstrom
können gewöhnlich auch zur Energieübertragung in umgekehrter Richtung vom Gleichstromnetz
ins Drehstromnetz benutzt werden, indem der Beginn der Kommutierungszeit, der bei
Gleichrichtung hinter dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit von abgehender und übernehmender
Phase liegt, auf einen davor liegenden Zeitpunkt vorverlegt wird. Hierbei macht
sich jedoch, abgesehen von schädlichem Schaltfeuer an den Kontakten, dessen Herabsetzung
auf ein erträgliches Maß mit verschiedenen an sich bekannten Mitteln möglich wäre,
ein weiterer Übelstand bemerkbar in Gestalt einer unverhältnismäßig großen Blindleistungsaufnahme
aus dem Drehstromnetz, die wiederum eine unerwünschte Erhöhung der Verluste zur
Folge hat und dazu zwingt, unter Umständen besondere Blindleistunzserzeuger aufzustellen
sowie die Leitungen und Geräte, insbesondere den Zwischentransformator, wesentlich
größer zu bemessen, als es für die Wirklast allein erforderlich wäre. Durch die
Benützung von veränderlichen Widerständen, die in Reihe mit den Kontaktstellen des
Umformers geschaltet sind und während des Kommutierungsvorganges jedesmal von einem
verschwindend geringen Widerstandswert in einer Zeit von etwa z bis 2 ms durch synchron
mit den Phasenspannungen des Wechselstromnetzes arbeitende Steuereinrichtungen auf
einen sehr großen Betrag gebracht werden, erreicht man eine gewisse Unabhängigkeit
in der Wahl des Zeitpunktes für den Kommutierungsbeginn, weil ein Teil der zur Stromänderung
erforderlichen Kommutierungsspannung statt auf . natürlichem Wege von der Differenz
der treibenden Spannungen der einander ablösenden Phasen, von der künstlich am Widerstand
durch den Kommutierungsstrom
erzeugten Spannung geliefert wird.
Dann kann also durch geeignete Wahl der Lage des Kommutierungsabschnittes innerlialb
eines begrenzten Bereiches die Blindleistungsaufnahme herabgesetzt werden. Damit
sind jedoch erhöhte Verluste am Kommutierungswiderstand verbunden. Diese wachsen
um so stärker an, je später der Kommutierungsabschnitt einsetzt, bis sie schließlich
unerträglich hoch werden.
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Nach der Erfindung wird nun das günstigste Gesamtergebnis für das
Arbeiten eines derartigen mechanischen Umformers als Wechselrichter erzielt, indem
bei Anwendung von veränderlichen und selbsttätig synchron mit der Wechselspannung
gesteuerten Kommurtierungswiderständen die Antriebsvorrichtung für die Kontakte
so ausgeführt bzw. eingestellt wird, daß bei Nennbetrieb von der gesamten Kömmutierungszeit
ein solcher Teil vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der einander ablösenden
Phasen liegt, daß einerseits die an den Kommutierungswiderständen entstehenden Verluste
in erträglichen Grenzen (etwa i bis 2 0/° der Gesamtleistung) bleiben und daß andererseits
die Blindleistungsaufnahme aus dem Netz auf einen Bruchteil des bei reiner Spannungskommutierung
erforderlichen Betrages herabgesetzt wird. DiQs ist für gewöhnlich dann der Fall,
wenn von der gesamten Kommutierungszeit etwa 2/3 vor und etwa 1/3 hinter dem ,Zeitpunkt
der Spannungsgleichheit der einander ablösenden Phasen liegen. ' In der Zeichnung
ist in Fig. i ein Ausführungsbeispiel für einen mehrpliasigen Kontaktumformer mit
synchron gesteuerten Schaltwiderständen und einstellbarer Antriebsvorrichtung für
die Kontakte schematisch dargestellt. Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausschnitte aus den
Spannungskurven in der Nachbarschaft eines Kommutierungsvorganges, und in den Fig.
q. und 5 ist der Verlauf von Strom, Spannung und Leistung während eines Kommutierungsvorganges
für verschiedene Lagen der Kommutierungszeiten graphisch aufgezeichnet.
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Nach Fig. i liegt an einem Drehstromnetz RST die Primärwicklung I
eines Transformators, dessen Sekundärwicklung II über die in Grätzschaltung angeordneten
Kontaktstellen K1 bis K, mit einem Gleichstromnetz NP in Verbindung steht. Die Kontakte
werden z. B. über eine Nockenwelle WK durch einen Synchronmotor MK angetrieben,
der über einen Drehtransformator DK an das Drehstromnetz angeschlossen sein kann.
In Reihe mit den Kontaktstellen liegen drehstromseitig veränderliche Vorschaltwiderstände
R1, R2, R3, die etwa mittels Wälzsegmente von einem weiteren Synclironmotor.MR,
der ebenfalls über einen Drehtransformator DR an, das Drehstromnetz angeschlossen
ist, z. B. über eine weitere Nockenwelle WR synchron mit der Wechselspannung derart-
gesteuert werden, daß der in den Kommutierungskreis eingeschaltete Widerstandsbetrag
innerhalb der Kommutierungszeit von Null auf einen so großen Betrag anwächst, daß
schließlich der noch zu unterbrechende Reststrom etwa i Amp. oder weniger beträgt.
Mit Lp sind die symbolisch dargestellten Streuinduktivitäten des gesamten Drehstromkreises,
bezogen auf eine Phase, bezeichnet. Gleichstromseitig sind Glättungsdrosseln G angeordnet.
U bezeichnet die verkettete ' Wechselspannung, U1, U2, U3 sind die drei Phasenspannungen;
UR ist die Spannung am Vorschaltwiderstand ; mit J- ist der Gleichstrom bezeichnet.
Die in der Figur dargestellte Stellung der Kontakte und die eingezeichneten Pfeile
entsprechen demjenigen Zeitabschnitt tk, in dem die Stromübertragung von der Phase
i auf die Phase ?,übergeht.
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In Fig. 2 ist angenommen, daß dieser Zeitabschnitt tk j edesmal vollständig
vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegt. Nimmt man an, d aß das Wechselstromnetz
eine normale Frequenz von 50 Perioden in der Sekunde hat und daß der Zeitabschnitt
il, von Beginn bis zum Ende des Kommutierungsvorganges insgesamt = ms umfaßt, so
beträgt der Winkel ß, zwischen dem Beginn der Kommutierung und dem Schnittpunkt
der beiden Spannungskurven - i8° (er sei für diesen Fall als negativ definiert),
der Winkel i32 ist gleich Null, da das Ende der Kommutierung mit dem Schnittpunkt
der Spannungskurven zusammenfällt.
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In Fig. 3 ist ein anderer Fall dargestellt, in welchem die Kommutierungszeit
zur Hälfte vor und zur anderen Hälfte hinter dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
liegt, also #1 = -9° und ß2 - -f- 9°. Dieser Fall ist im Hinblick auf den Blindleistungsbedarf
der günstigste, denn es wird Blindleistung weder aufgenommen noch abgegeben. Jedoch
sind die Verluste am Vorschaltwiderstand im zweiten Fall größer als im ersten. Das
ergibt sich aus dem Vergleich der- Fig. q. und 5, die diesen beiden Fällen entsprechen,
und in denen die gesamte zur Kommutierung erforderliche Energie sowie der auf .die
natürliche Kommutierungsspannung und der auf die künstlich am Kommutierungswiderstand
erzeugte Spannung entfallende Anteil aufgetragen sind. Die Fig. q. und 5 beruhen
auf der Annahme, daß die Streuspannung des gesamten Drehstromteiles 8 % beträgt.
Sie kann bei einer derartigen Anordnung verhältnismäßig klein sein im Vergleich
zu den bisher üblichen Wechselrichtern, welche mit einem Quecksilberlichtbogen arbeiten
und gegen zu hohe Kurzschlußströme durch eine besonders große Streuinduktivität
geschützt werden müssen. Die Kommutierungsleistung Nk ist der Streuspannung a in
°/, direkt proportional, sie beträgt in Hundertteilen der Gleichstromleistung N-,
die vom Umformer aus dem Gleichstromnetz entnommen wird: Nk[N- = 1/2 s (°/o).
Dies folgt bei Annahme stets gleicher Kommutierungsdauer aus der Tatsache, daß der
insgesamt für die Kommutierung aufzubringende Impuls von der prozentualen Streuspannung
abhängig ist, Derjenige Anteil, der von dem -Schaltwiderstand aufgebracht werden
muß, ist um den natürlichen Anteil kleiner, den die Differenzspannung der einander
ablösenden Phasen selbst aufbringt. Hieraus kann auf den Mittelwert der Spannung
am Schaltwiderstand während der Kommutierungszeit geschlossen werden. Dieser beträgt
für die oben bezeichneten Fälle nach rechnerischer Ermittlung ii bzw. 27 °/o von
der Spannung auf der Gleichstromseite: Da aus praktischen Gründen die Spannung am
Widerstand nicht gleich zu Beginn der Kommutierung den vollen Wert haben kann, ist
annähernd mit einem derartigen zeitlichen Verlauf dieser Spannung zu rechnen, daß
sie von dem Werte Null aus im ersten Drittel der Kommutierungszeit auf einen bestimmten
Wert anwächst,
bis die an der Induktivität liegende Kommutierungsspannung
einen bestimmten Wert erreicht hat, der dann während der übrigen zwei Drittel der
Kommutierungszeit konstant gehalten wird. Der zuerst genannte Spannungswert am Schaltwiderstand
muß so groß sein, daß der Strom der abgehenden Phase am Schluß der Kommutierungszeit
tk den Wert Null erreicht hat. Daraus sind die Kurven der Fig. 4 und 5 rechnerisch
bzw. auf graphischem Wege ermittelt. Diese Kurven geben verschiedene während eines
Kommutierungsvorganges von beispielsweise i ms Dauer auftretende Teilspannungen
und Leistungsanteile sbwie den Strom der abgebenden Phase in Abhängigkeit von der
Zeit wieder. Die genannten Kommutierungsgrößen sind dabei nicht in absoluten Werten
angegeben, sondern in Anteilen des Nennwertes der entsprechenden Größen auf der
Gleichstromseite. Die nach links unten schraffierten Flächen stellen die natürliche
Kommutierungsarbeit unter der Wirkung der Differenz der Phasenspannungen dar, die
nach rechts unten schraffierten Flächen die Kommutierungsarbeit des Schaltwiderstandes.
Die gesamte Kommutierungsleistung beträgt in beiden Fällen 4 °/o, was sich nach
den oben dargelegten Zusammenhängen aus der Annahme einer Streuspannung von 8 °/o
unmittelbar ergibt. Von der Gesamtleistung von 4 °/o entfallen nach Fig. 4 auf die
natürliche Kommutierung 3,16 °/o, so daß in den Schaltwiderständen eine Verlustleistung
von 0,84 °/o zu vernichten ist. Nach Fig. 5 entfallen auf die natürliche Kommutierung
nur o,86°/0; so daß 3,14 °/o in den Schaltwiderständen verlorengehen. Dadurch würde
die Wirtschaftlichkeit des Betriebes gefährdet sein, insbesondere gegenüber den
bekannten Wechselrichtern. Erträglich wäre dagegen ein Verlust von etwa 10/"
selbst wenn dafür eine gewisse Blindleistungsaufnahme in Kauf genommen werden muß.
Der Leistungsfaktor beträgt in dem der Fig. q. entsprechenden Fall o;985, was einer
Blindleistungsaufnahme von =7 °/o entspricht. In dem der Erfindung entsprechenden
Fall, der zwischen den beiden dargestellten Fällen liegt, ist die Blindleistungsaufnahme
noch geringer, dafür sind die Verluste in den Schaltwiderständen etwas größer. Sie
betragen jedoch nicht viel mehr als i °/o und sind daher ebenfalls erträglich.
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Die für Nennstrom bemessene Abstufung der Schaltwiderstände ergibt
bei anderen Strömen eine andere zusätzliche Spannung, während die natürliche Kommutierungsspannung
die gleiche bleibt. Soll erreicht werden, daß die zusätzliche Spannung am Widerstand
bei Überstrom bzw. bei Teillast nicht wesentlich verschieden ist von der bei Nennstrom
erforderlichen, so ist es erforderlich, daß sich die Kommutierungszeit mit dem Strom
ändert. Liegt, wie' vorstehend angegeben, ein größerer Teil der Kommutierungszeit
vor dem Schnittpunkt der Phasenspannungen, so müssen Überströme eine längere Kommutierungszeit
haben; bei Teilbelastung ist die Kommutierungszeit kürzer zu bemessen. Zu diesem
Zweck kann die Steuerung des Kontaktantriebes durch eine selbsttätig in Abhängigkeit
von der Belastung gesteuerte Verstelleinrichtung zur Veränderung der Überlappungszeit
der Kontakte geregelt werden, wie sie bereits früher vorgeschlagen worden ist.