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Umformer
Es ist bereits angegeben worden, daß bei der Unterbrechung von Wechselstrom eine
Rückzündung nach einem Stromnulldurchgang dadurch mit Sicherheit vermieden werden
kann, daß die Kontakte zu einem solchen Zeitpunkt vor dem Stromnulldurchgang auseinanderbewegt
werden, daß sie im Augenblick des Stromnulldurchganges bereits die durch die Eigenheit
der Unterbrechungseinrichtung bestimmte sogenannte Löschdistanz erreicht haben.
Bei einer derartigen Steuerung von Unterbrechungseinrichtungen wird bei der Auseinanderbewegung
der Kontakte ein Lichtbogen, wenn auch mit geringer Lichtbogenarbeit, gezogen. Die
Arbeitsbedingungen für derartige Schalteinrichtungen werden um so günstiger, je
mehr es gelingt, die Leistung bzw. die Dauer des Lichtbogens zu verringern. Da das
Ende der Dauer durch den Stromnulldurchgang bestimmt ist, ist eine Verringerung
der Lichtbogenarbeit z. B. noch dadurch möglich, daß der Augenblick der Kontakttrennung
näher an den Stromnulldurchgang gelegt wird. Dies setzt bei gegebener Löschdistanz
voraus, daß die Geschwindigkeit, mit der die Kontakte auseinanderbewegt werden,
gesteigert wird, da, je größer die Geschwindigkeit ist, die Trennung der Kontakte
um so später einsetzen kann, wodurch also die Lichtbogenarbeit entsprechend herabgesetzt
wird. Von bestimmten Grenzen an bietet eine Steigerung
der Bewegungsgeschwindigkeit
aber insofern Schwierigkeiten, als unverhältnismäßig große Beschleunigungskräfte
für die Betätigung der Kontakte eingesetzt werden müssen. Wenn man beispielsweise
annimmt, daß der erforderliche Kontaktabstand entsprechend der Löschdistanz i cm
ist und hierbei die Aufgabe stellt, die Zeit zwischen der Trennung der Kontakte
und der Erreichung dieses Kontaktabstandes auf i ms zu verringern, so ist bereits
die aooofache Erdbeschleunigung erforderlich, was einen hohen Kraftaufwand bedingt
und insbesondere hohe Beanspruchungen der Auslöse-, Verklink- und Kontaktelemente
mit sich bringt.
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Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß die
Unterbrechungseinrichtung in an sich bekannter Weise in Vakuum gelegt, die Kontaktbewegung
,aber hierbei auf Bruchteile von Millimetern, z. B. o, i mm und darunter, beschränkt
wird. Bei Untersuchungen, die auf Grund der Erfindung angestellt worden sind, hat
sich gezeigt, daß in gutem Vakuum bereits bei so kleinem Kontaktweg Spannungen von
vielen tausend Volt einwandfrei unterbrochen werden können. Ein so kleiner Kontaktweg
kann in i ms mit zofacher Erdbeschleunigung erreicht werden. Da aber auch noch größere
Kräfte zugelassen werden können, erschließt die Erfindung die Möglichkeit, die Zeit
zwischen Kontakttrennung und Stromnulldurchgang noch weiter zu verringern. Unterbrechungseinrichtungen
dieser Art eignen sich deshalb vorzüglich auch für Umformer, Gleichrichter, Wechselrichter,
Frequenzumformer usw. für die hierbei periodisch durchzuführende Stromunterbrechung.
Mit besonderem Vorteil kann die Anwendung des Erfindungsgedankens (Begrenzung des
Kontakthubes auf Bruchteile von Millimetern) auf Umformer angewendet werden, bei
denen, wie dies in dem Hauptpatent angegeben ist, die Kontaktbewegung in Abhängigkeit
von Größe und Verlauf des zu unterbrechenden Stromes eingeleitet bzw. durchgeführt
wird. Vorteilhaft kann hierbei der Umformer noch, wie dies bereits vorgeschlagen
ist, mit Einrichtungen versehen werden, durch die die stromschwache Pause im Bereich
des Stromnulldurchganges künstlich verlängert wird, um den Unterbrechungsvorgang
zu erleichtern. Mit Vorteil kann hierbei außerdem, wie dies gleichfalls vorgeschlagen
ist, die Unterbrechungseinrichtung mit Abhebekontakten ausgeführt werden, deren
Steuerung etwa entgegen der Wirkung einer geeigneten Gegenkraft, Federn od. dgl.,
mit Hilfe von elektromagnetischen oder elektrodynamischen Einrichtungen erfolgt,
die ihrerseits in Abhängigkeit von dem Belastungsstrom erregt werden, wobei die
Kontakte (Kontaktbrücke) gegebenenfalls auch noch unter dem Einfluß von periodisch
angetriebenen mechanischen Einrichtungen stehen können.
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Als weitere Verbesserung kann hierbei als Vakuumbehälter für die Unterbringung
der eigentlichen Unterbrechungseinrichtung eine Glocke aus hochwertigem Porzellan
verwendet werden, die durch eine vakuumdicht angelötete Membran abgeschlossen ist,
die ihrerseits die als Abhebekontakt wirkende Kontaktbrücke trägt. Mit besonderem
Vorteil werden die Kontakte innerhalb dieser Glocke von Kontaktträgern getragen,
die als verhältnismäßig kurze Stücke mit großer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sind
und durch entsprechende öffnungen in der Porzellanglocke abgedichtet, z. B. eingeschliffen,
eingeschmolzen oder eingelötet, hindurchgeführt sind, derart, daß die in den Kontakten
entwickelte Wärme auf kürzestem Weg aus der Vakuumglocke herausgeführt wird und
dort durch die benachbarte Luft oder durch besondere Kühlmittel abgeführt werden
kann. In Hinblick auf die große Spannungsfestigkeit einer Trennstrecke im Vakuum
wird es hierbei ermöglicht, mit sehr kurzen stromschwachen Pausen zu arbeiten, so
daß der Aufwand für die hierfür erforderlichen Drosseln verhältnismäßig gering gehalten
werden kann.
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In Anbetracht der erwähnten hohen Spannungsfestigkeit besteht die
Gefahr von Überschlägen, Rückzündungen u. dgl. praktisch ausschließlich außerhalb
der Vakuumglocke. Um die Spannungsfestigkeit innerhalb der Glocke voll ausnutzen
zu können, wird daher die Glocke nach der weiteren Erfindung mit Einrichtungen zur
Verlängerung des Kriechweges bzw. Überschlagweges zwischen den spannungsführenden
Teilen außerhalb der Glocke ausgerüstet. Hierzu können beispielsweise Rippen verwendet
werden, die quer zur überschlagsrichtung verlaufen und als Ionenbarrieren ausgebildet
sein können. Als weitere Verbesserung kann die Glocke samt den Zuführungen innerhalb
eines Mediums erhöhter Spannungsfestigkeit, insbesondere eines solchen guter Wärmeleitfähigkeit,
untergebracht werden. So kann beispielsweise die Anordnung innerhalb eines ölbehälters
angeordnet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Mit i .und a sind die beiden feststehenden Kontakte bezeichnet, die mit einer Kontaktbrücke
3 zusammenarbeiten. Die Kontakte sind innerhalb einer vakuumdichten Glocke q. angeordnet,
wobei die Stromzuführungen, die- mit den Kontaktträgern i i und 12 aus einem Stück
bestehen, durch die Glocke gleichfalls vakuumdicht hindurchgeführt sind. Die Kontaktbrücke
sitzt auf einer Membran 5, die an der Glocke; die ihrerseits z. B. aus Porzellan
besteht, vakuumdicht angelötet ist. Die Glocke kann durch einen abschmelzbaren Stutzen
6 'hindurch auf Vakuum ausgepumpt werden, worauf dieser Stutzen dicht abgeschmolzen
wird: Sie kann aber auch dauernd mit einer Vakuumpumpe verbunden bleiben. Im Innern
der Vakuumglocke kann bei sehr geringem Hub der Kontaktbrücke eine sehr große Spannung
unterbrochen werden, sofern die Stromstärke während der Kontakttrennung unterhalb
der von der Art der Kontaktausbildung abhängigen kritischen Werte, z. B. io bis
ioo Amp.; gehalten wird, so daß die Durchschlagsfestigkeit des Vakuums nicht durch
Metalldampfbildung verschlechtertwird.Die Maximalamplitude kann hierbei dank der
Synchronschaltung erheblich höher liegen, z. B. 500, 1 ooo und mehrAmpere. Es ist
auf diese Weise möglich, mit einem Hub in
der Größe von Bruchteilen
eines Millimeters Spannungen von 5o ooo und mehr Volt zu schalten. Um flberschläge
zwischen den Zuführungen außerhalb der Glocke zu verhindern, ist die Anordnung so
gestaltet, daß auch an dieser Stelle die Spannungsfestigkeit möglichst hoch wird.
Hierzu wird die Glocke q. z. B. mit als Ionenbarrieren wirkenden Rippen 7 versehen,
die die Schlagweite (den Bindfadenabstand) zwischen den äußeren Kontakten vergrößern
und dadurch die Spannungsfestigkeit der Anordnung erhöhen. Die Glocke q. kann ihrerseits
in einem Behälter untergebracht werden, der mit einem Medium erhöhter Spannungsfestigkeit
gefüllt ist, wie beispielsweise Öl, gechlorte Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Druckluft,
Druckgas, Frigen usw., wobei bei der Verwendung von Flüssigkeiten dafür Sorge getragen
wird, daß in den an die Membran anschließenden Raum keinerlei Flüssigkeit gelangt,
da sonst die Bewegungsfreiheit der Membran beeinträchtigt würde. Hierzu kann die
Glocke beispielsweise unterhalb des Antriebes angeordnet sein und in einen entsprechenden
Behälter hineinragen. Auf diese Weise wird auch eine gute Zugänglichkeit der Antriebsanordnung
bei verhältnismäßig geringen Baumaßen erreicht.
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Durch die angegebene Anordnung wird es also ermöglicht, mit einer
geringen Anzahl von Unterbrechungsstellen sehr hohe Spannungen zu unterbrechen,
so daß die "Zahl der hintereinanderarbeitenden Anordnungen .auch bei extrem hohen
Spannungen verhältnismäßig niedrig wird.
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Bei der Gestaltung der Kontakte soll darauf Rücksicht genommen werden,
daß diese die entwickelte Stromwärme nach außen abführen, wobei durch an den Kontaktträgern
angesetzte Kühlfahnen eine gute Wärmeabfuhr sichergestellt werden kann. Es ist hierbei
von Vorteil, daß trotz der hohen; Betriebsspannungen infolge des unverhältnismäßig
kleinen Spannungsabfalls die Wärmeentwicklung in verhältnismäßig niedrigen Grenzen
bleibt. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, innerhalb der feststehenden
Kontakte bzw. deren Träger besondere, von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle
i i, 12 vorzusehen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern, wobei jedoch besondere Rücksicht
auf die Vakuumdichtigkeit der Kontakte genommen werden muß. Es kann zweckmäßig sein,
an Stelle der Doppelunterbrechung innerhalb der Vakuumglocke eine Mehrfachunterbrechung
vorzusehen.
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Die Steuerung der Membran erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit
Hilfe eines an dieser angesetzten Magnetankers 8, der von einem Magneten 9 etwa
entgegen der Wirkung ihrer Eigenfederung angezogen wird. Die Erregung des Magneten
kann mit Hilfe einer Röhre io in dem erforderlichen Takt gesteuert werden.
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Die Bewegung der Kontaktbrücke kann auch auf beliebige andere Weise
erfolgen, beispielsweise durch zwei zusammenarbeitende Magnetsysteme oder auch mit
Hilfe von mechanisch angetriebenen btößeln, die von umlaufenden Einrichtungen bewegt
werden können. In Anbetracht des geringen Hubes ist es auch möglich, die Bewegung
der Kontaktbrücke durch Magnetostriktion; das sind die durch Erregung bzw. Entregung
bedingten Längenänderungen eines Eisenkörpers, zu bewirken. Besonders vorteilhaft
ist es, bei der Verwendung von Drosseln mit scharfem Knick in der Magnetisierungskurve
die Steuerung von dem Spannungsabfall an der Drossel abzuleiten.
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Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, daß Drosseln oder ähnliche
Mittel zur Erzielung bzw. Verlängerung einer stromschwachen Pause im Bereich des
Stromnulldurchganges angewendet werden; deren Verwendung bietet jedoch erhebliche
Vorteile, zumal es in Anbetracht der Charakteristik der Unterbrechung unter Vakuum
genügt, innerhalb der stromschwachen Pause den Strom unter verhältnismäßig hochliegenden
Werten, wie z. B. i o, evtl. auch 5o Amp., zu halten, so daß der Aufwand für die
Drossel sehr gering wird, um so mehr; als dank der hohen Geschwindigkeit, mit der
der erforderliche Kontaktabstand erreicht wird, auch die Dauer einer solchen stromschwachen
Pause klein bemessen sein kann.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die angegebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können mit Vorteil auch die Maßnahmen
mit Anordnungen kombiniert werden, die bereits früher vorgeschlagen wurden.