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Umformungsanordnung Die Erfindung-betrifft eine Anordnung zur Umformung
von Gleich- in Wechselstrom oder umgekehrt mittels mechanisch bewegter Kontakte,
die sich periodisch jedesmal während einer stromschwachen Pause öffnen. Es ist bekannt,
in einer derartigen Anordnung eine abschaltbare Grundlast auf der Gleichstromseite
vorzusehen, um bei einem Absinken -der Hauptbelastung zu verhindern, daß eine völlige
Entlastung eintritt, die infolge der hiermit verbundenen Verlagerung der stromschwachen
Pause gegenüber der Phasenlage der die Kontaktbewegung steuernden Spannung eine
Gefährdung der Kontakte durch Öffnung außerhalb der stromschwachen Pause verursachen
kann. Erfindungsgemäß wird eine Verbesserung dadurch erzielt. daß die Grundlast
mittels eines in Abhängigkeit von der Hauptbelastung erregten Relais bei Unterschreitung
eines vorbestimmten Belastungswertes selbsttätig so rechtzeitig zugeschaltet wird,
daß der Gleichstrom selbst bei völligem Verschwinden der Hauptbelastung in keinem
Augenblick unter einen vorbestimmten Kleinstwert sinkt.
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In der Zeichnung ist in Fig. @r ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
schematisch dargestellt und an Hand von Stromkurven gemäß Fig. a erläutert.
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Nach Fig. z sind zum Energieaustausch zwischen einem Drehstromnetz
ro und einem Gleichstromnetz zwanzig Kontakteinrichtungen r bis 6 vorgesehen, die
durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte
Antriebsvorrichtung
abwechselnd in der Reihenfolge ihrer Bezifferung geöffnet und geschlossen werden,
wobei sich die Schließungszeiten .der Kontakte der einander ablösenden Phasen überlappen,
so daß während der Überläppungszeit die Kommutierung vor sich gehen kann. Als Antriebsvorrichtung
kann beispielsweise eine Nöcken- oder Exzenterwelle dienen, die von einem _ an das
Drehstromnetz angeschlossenen Synchronmotor mit regelbarer Phasenlage seines Drehfeldes
angetrieben wird. Die Kontakteinrichtungen sind über einen Transformator mit den
Primärwicklungen i i und den Sekundärwicklungen 12 und über Schaltdrosseln 13 mit
bei Nennstrom hochgesättigten Magnetkernen 1q. an das Drehstromnetz io angeschlossen.
Die Magnetkerne 14 bestehen vorzugsweise aus einer magnetisch hochwertigen Eisenlegierung,
deren Magnetisierungskennlinie im ungesättigten Gebiet möglichst wenig zur Flußachse
geneigt sein, an den übergangsstellen in die gesättigten Gebiete einen möglichst
scharfen Knick aufweisen und in den gesättigten Gebieten bei möglichst hoher Induktion
annähernd parallel zur Erregerachse verlaufen soll. ' Duich die Schaltdrosseln 13
wird jedesmal in der Nähe eines Stromnulldurchganges infolge sprunghafter Entsättigung
ihres Magnetkerns eine -stromschwache Pause hervorgerufen, während welcher der Strom
ohne für die Kontakte schädliches Schaltfeuer unterbrochen werden kann. Auf den
Magnetkernen 1d. können zur Beseitigung störender Hysteresiserscheinungen in der
Zeichnung nicht dargestellte Vormagnetisierüngswicklungen angeordnet sein. Jede
der Kontakteinrichtungen i bis 6 kann beispielsweise aus einem Kontaktsatz i5 und
einem hierzu parallel geschalteten, vorzugsweise kapazitiven Nebenpfad bestehen,
der in Fig. i durch einen Kondensator 16 und einen Dämpfungswiderstand
17 verkörpert ist und dazu dient, den Anstieg der an den Kontakten wiederkehrenden
Spannung beim Öffnungsvorgang zu verzögern. Auf der Gleichstromseite sind nach der
bekannten Graetzschaltung je drei Kontakteinrichtungen zu einem Gleichstrompol vereinigt
und über eine Glättungsdrosscl ig sowie einen Schalter 18 an das Gleichstromnetz
2o angeschlossen.
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Da die Kontaktbewegung durch den Synchronmotor , mit der Spannung
des Wechselstromnetzes io in. Beziehung steht, und da ferner der Verlauf des Kommutierungsstromes
und somit auch die Lage der von den Schaltdrosseln 13 verursachten stromschwachen
Pausen gegenüber der Phasenlage .der Wechselspannung je nach der Höhe des Belastungsstromes
verschieden ist, so kann es sich bei einer plötzlich auftretenden gleichstromseitigen
Entlastung ereignen, daß der auf Nennlast eingestellte Ausschaltzeitpunkt nicht
mehr in die stromschwache Pause fällt und daß infolgedessen Rückzündungen eintreten,
durch die die Kontakte in wenigen Sekunden bis zur völligen Unbrauchbarkeit beschädigt
werden können. Durch Nachstellung der Kontaktzeitpunkte mittels- Regelung der Drehfeldphasenlage
des. Antriebsmotors würde diese Gefahr nicht immer beseitigt werden können, weil
der durch diese Regelung bewirkte Nachstellvorgang wegen der Massenträgheit der
umlaufenden Teile zuviel Zeit in Anspruch nimmt.
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Aus diesem Grunde ist eine Grundlast 2i an die Gleichstrompole angeschlossen.
Durch diese wird ein Gleichstrom von solcher Höhe aufrechterhalten, daß die Lage
der Ausschaltzeitpunkte innerhalb der stromschwachen Pausen auf jeden Fall gesichert
ist. In dem Grundlastkreis ist vorteilhaft auch eine Glättungsdrossel22 anzuordnen,
weil durch einen wellenförmigen Verlauf des Grundlaststromes der beabsichtigte Erfolg
unter Umständen vereitelt werden könnte. Die Grundlast stellt nun aber einen Verlust
.dar, der bei lang dauerndem Betriebe mit voller Belastung unerwünscht ist. Man
hat deshalb die Grundlast abschaltbar gemacht. Es muß dann aber dafür gesorgt sein,
daß die Grundlast bei plötzlichem Absinken der Hauptbelastung rechtzeitig zugeschaltet
wird. Zu diesem Zweck ist ein schnell schaltendes Relais vorzusehen, dessen Magnetkern
23 vom Hauptlaststrom oder von einem Teil desselben derart erregt wird, daß sein
Anker 24, der bei Wegfall der Hauptbelastung die Relaiskontakte 25 unter dem Zug
einer Feder 26 geschlossen hält; oberhalb eines vorbestimmten Wertes der Hauptbelastung
angezogen wird.
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Für die rechtzeitige Zuschaltüng der (Grundlast bei sinkender Hauptbelastung
soll der ungünstigste Fall zugrunde gelegt werden, daß nämlich die Hauptbelastung
beispielsweise durch Öffnung .des Schalters 18 völlig zum Verschwinden gebracht
wird. Maßgebend für das Zuschalten der Grundlast ist der in Fig.2 beispielsweise
dargestellte zeitliche Verlauf des abklingenden Stromes TB im Hauptbelastungsstromkreis
und: des ansteigenden Stromes i. im Grundlastkreis, der in Fig. 2 für verschiedene
Fälle durch die Kurven i und 2, bis 2. dargestellt ist. Die einzelnen Stromwerte
i sind in Fig. 2 in Hundertteilen des Nennstromes 1"
angegeben, wobei die
Werte bis q.°/0 in gewöhnlichem Maßstab, die darüberliegenden Werte in logarithmischem
Maßstab aufgetragen sind. Der abklingende Hauptlaststrom verläuft nach einer logarithmischen
Linie entsprechend
Hierin bedeutet
die Zeitkonstante des Hauptbelastungskreises, die durch dessen Induktivität LB und
Ohmschen Widerstand RB gegeben ist und beispielsweise in dem am Anfang der Zeitachse
angegebenen Zeitmaßstab gerade ii ms betragen möge. Es sei ferner äilgenommen; daß
der Mindestwert J.;" des Stromes auf der Gleichstromseite, der nicht, auch vorübergehend
nicht, unterschritten werden darf, i °/o des Nennstromes ln betragen möge. Den gleichen
Wert muß also der Endwert J, des Grundla"ststromes mindestens haben.
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Der späteste Zeitpunkt, in dem der Grundlastkreis geschlossen werden
muß, ist derjenige Augenblick,
in welchem der Hauptlaststrom TB
auf J"i" herabgesunken ist, d. h. nach Fig. 2 etwa 4,7 ms nach dem Beginn der Unterbrechung
des vorher Nennstrom führenden Hauptbelastungskreises. Da das Relais 23, 24 nicht
trägheitslos arbeitet, sondern beispielsweise eine Eigenzeit von tei = 2
ms hat, so muß sein Ansprechwert auf denjenigen Wert -des Hauptbelastungsstromes
JB eingestellt werden, der im Beispiel um 2 ms vor der Erreichung des Wertes 1""i"
liegt, also nach Fig. 2 auf 71/9 des Nennstromes J". Damit sind aber noch nicht
alle Anforderungen erfüllt. Es muß vielmehr ferner noch dafür gesorgt sein, daß
der Strom im Grundlastkreis mindestens ebenso schnell ansteigt, wie er im Hauptbelastungskreis
sinkt. Der Anstieg des Grundlaststromes folgt dem ,Gesetz.
wobei wiederum
die, Zeitkonstante des Grundlastkreises bezeichnet, die durch seine Induktivität
L, und seinen Ohmschen Widerstand R0 gegeben ist und die die Anstiegsgeschwindigkeit
des Grundlaststromes bestimmt. Für To = TB verläuft der Grundlaststrom nach
der Kurve i. Die Summe aus Grundlaststrom und Hauptbelastungsstrom ist dann vom
Augenblick der Zuschaltung des Grundlastkreilses in jedem Augenblick TB + i0 = 1.i"
= Jo. Damit ist die aufgestellte Forderung, daß der Gleichstrom in keinem Augenblick
unter den Wert J"ti" sinken darf, erfüllt.
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Der Ohmsche Widerstand R, des Grundlastkreises ist durch die gegebene
Gleichspannung und den Grundlaststrom J, fest bestimmt. Seine Induktivität L0 ist
durch die Glättungsdrossel 22 gegeben und soll deshalb, wie oben bereits angedeutet,
eine bestimmte Mindestgröße haben. Dieser Grenzwert kann insbesondere dann, wenn
die Spannung auf der Gleichstromseite des Umformers, sei es durch Verstellung der
Kontaktzeiten, sei es durch Veränderung der zugeführten Wechselspannung, geregelt
werden soll, eine solche Höhe haben, daß die Zeitkonstante To des Grundlastkreises
größer ist als die Zeitkonstante TB des Hauptbelastungskreises. In diesem
Falle würde der Grundlaststrom z. B. nach einer in Fig. 2 gestrichelt eingetragenen
Kurve 2," ansteigen, für die eine Zeitkonstante von 1,5 ms angenommen ist. Die Summe
aus Grundlaststrom und Hauptbelastungsstrom würde dann der ebenfalls gestrichelt
eingetragenen Kurve 2A folgen und somit während mehrerer Millisekunden kleiner sein
als der zulässige Grenzwert J.1". In dieser kurzen Zeit könnten die Kontakte durch
Rückzündungen unter Umständen so schwer beschädigt werden, daß der Weiterbetrieb
der Umformungsanordnung dadurch gestört wird. Gegen diesen übelstand kann auf verschiedene
Weise Abhilfe geschaffen werden. Beispielsweise kann der Dauerwert des Grundlaststromes
auf den Wert 1, heraufgesetzt werden. Bei gleicher Zeitkonstante To = 1,5
ms verläuft dann der Grundlaststrom nach der Kurve 26 und die Summe. aus Grundlaststrom
und Hauptbelastungsstrom nach der Kurve 2B. Diese Vergrößerung des Endwertes des
Grundlaststromes soll im selben Verhältnis stehen wie die Zeitkonstanten der beiden
Stromkreise. Bei dem in Fig.2 dargestellten Beispiel muß also Jö = 1,5 Jo oder größer
sein.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Zeitpunkt, in dem die Grundlast
zugeschaltet wird, vorzuverlegen, so daß sich beispielsweise ein Verlauf des Grundlaststromes
nach der Kurve 2, ergibt. Der Anstieg des Grundlastsromes beginnt hier bereits,
wenn der Hauptbelastungsstrom -den Wert 3,3% unterschreitet. Der Summenstrom verläuft
dann näch :der Kurve 2C. Bei gleicher Eigenzeit t,i des Zuschaltrelais 23, 24 ist
hier dessen Ansprechwert wesentlich höher einzustellen, nämlich, wie sich aus Fig.2
ergibt, auf 24% des NTennstromwertes. Die Vorverlegung des Zuschaltzeitpunktes ist
daher hier nur dann empfehlenswert, wenn sich aus den im Einzelfalle gegebenen Betriebsumständen
ergibt, daß die Hauptbelastung bei dem behandelten Beispiel nur selten unter ein
Viertel ihres Nennwertes sinkt. Kommen jedoch Fälle niedrigerer Belastung im Betrieb
der Umformungsanordnung häufig vor, so ist eine Vergrößerung der Grundlast vorzuziehen,
sofern nicht mit längeren Zeiten gänzlich oder nahezu gänzlichen Leerlaufes zu rechnen
ist.
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Eine wesentliche Verbesserung kann unter Umständen dadurch erzielt
werden, daß die Eigenzeit des Zuschaltrelais 23, 24 besonders klein gemacht wird.
Dadurch kann die Vorverlegung des Zuschältpunktes und die damit verbundene Erhöhung
des. Ansprechwertes ganz oder wenigstens zum Teil ausgeglichen werden. Beträgt beispielsweise
in .dem zuletzt beschriebenen Falle die Eigenzeit t12 nur 1,25 ms statt 2 ms, so
kann gemäß Fig. 2 der Ansprechwert von 24% auf iio/o des Nennstromes herabgesetzt
werden. Es ist natürlich ohne weiteres möglich, die vorbeschriebenen Maßnahmen in
beliebiger Kombination miteinander anzuwenden, um das Absinken des Gleichstromes
unter den zugelassenen Wert J"Zi" in jedem Augenblick zu verhindern.
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Für die Abschaltung der Grundlast sind die Bedingungen weniger streng,
weil das Anwachsen des Hauptbelastungsstromes gewöhnlich nicht so plötzlich erfolgt
wie sein Verschwinden, das beispielsweise durch Selbstauslösung @deis Hauptschalters
i8 des Gleichstrombelas.tungskreises infolge einer Störung herbeigeführt werden
kann. Die Steigerung der Belastung wird meistens willkürlich vorgenommen und kann
infolgedessen beliebig verlangsamt werden. Die Abschaltung der Grundlast kann hierbei
durch den gleichen Magneten 23 bewirkt werden, indem dieser seinen Anker 24 bei
einem dem vergrößerten Luftspalt
entsprechenden höheren - Belastungswert
anzieht und dadurch die Kontakte 25 öffnet.
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Werden zur Erzielung möglichst kleiner Eigenzeit die Relaiskontakte
besonders leicht und einfach ausgeführt und der Hubweg des Ankers 24. möglichst
klein gemacht, so können sich bei der Abschaltung des Grundlastkreises Schwierigkeiten
hinsichtlich ,der Löschung des hierbei auftretenden Gleichstromlichtbogens ergeben.
Um dieser Schwierigkeiten Herr zu werden, kann man zur Unterbrechung des Grundlastkreises
ein besonderes Schütz 27 benutzen, und zwar ein gewöhnliches Schütz mit entsprechendem
Löschvermögen. Die Kontakte dieses Schützes sind zu den Relaiskontakten 25 parallel
geschaltet. Seine Erregerspule ist an die beiden Gleichstrompole angeschlossen und
außerdem mit einer Überbrückungseinrichtung versehen, durch die. sie beim Abschalten
der Grundlast kurzgeschlossen wird. Zu diesem Zweck können am Relais. 2,3,:24: '
Hilfskontakte vorgesehen sein, die sich beim öffnen der Hauptkontakte 25 schließen:
Statt dessen können der Magnet 23 und der Anker 2q. des Relais, die beim öffnen
der Kontakte 25 miteinander in Berührung kommen, zur Überbrückung der Schätzspule
herangezogen werden. Zur Vermeidung eines unmittelbaren Kurzschlusses zwischen den
Gleichstrompolen ist ein Strombegrenzungswiderstand 28 im Stromkreis der Schüttspule
angeordnet. Diese verbesserte Anordnung wirkt so, daß beim Absinken der Hauptbelastung
zuerst die Relaiskontakte 25 rasch geschlossen werden, worauf die Erregerspule des
Schützes 27, deren Überbrückung nunmehr aufgehoben ist, nachträglich auch die Schließung
der Schutzkontakte veranlaßt. Bei ansteigender Hauptbelastung öffnen sich wieder
zuerst die Relaiskontakte 25, und zwar stromlos, weil der Grundlastkreis zunächst
über die Schutzkontakte geschlossen bleibt. Er wird erst nachträglich durch die
Schutzkontakte unter Löschung des Lichtbogens unterbrochen, nachdem die Schutzspule
durch die Hilfskontakte des Relais kurzgeschlossen worden ist, wobei zugleich auch
der über den Widerstand 28 führende Stromkreis zur Schutzbetätigung mit abgeschaltet
wird.