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Kontaktumformer mit Mitteln zur Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer
Durch die Anwendung besonderer Mittel, z. B. saugdrosselähnlicher Transformatoren,
Primärventile oder Schaltdrosseln, zur Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer ist
es möglich geworden, mechanische Stromrichter auch für große Stromstärken und Spannungen
betriebssicher und dauerfest zu bauen. Ein Vorteil der mechanischen Stromrichter
gegenüber anderen Stromumformern besteht darin, daß sie in der eigentlichen Gleichrichterstrecke
keinen Spannungsabfall haben, und daß man sie daher mit sehr gutem Wirkungsgrad
bauen kann.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß in manchen Fällen, in
denen der Wirkungsgrad nicht gewisse Werte zu überschreiten braucht, große Einsparungen
im Umspanner und an den Drosseln zu erzielen sind, falls man die Wicklungen dieser
Geräte im Verhältnis zum Strom so schwach bemißt, daB ungewöhnlich hohe Verluste
in ihnen auftreten. In diesem Fall wird die Bauleistung von Umspanner und Drossel
gering, das Gesamtgewicht und der Preis des Umformers werden daher ebenfalls klein,
während auf der anderen Seite der Wirkungsgrad nicht schlechter zu sein braucht,
als der beispielsweise von QuecksilberdampfgleichrichternoderTrockenplattengleichrichtern,
die Verluste an der Ventilstrecke aufweisen, die beim Kontaktumformer nicht vorhanden
sind. Arbeitet beispielsweise ein Quecksilberdampfstromrichter mit einer solchen
Betriebsspannung, daß der Spannungsabfall im Lichtbogen (etwa 2o V) io °/o derNennleistung
ausmacht, so kann bei Verwendung eines Kontakt-
Umformers der Umspanner
derart knapp in der Wicklung ausgelegt sein, daß er zusätzlich io % Wicklungsverluste
hat, d. h. also beispielsweise statt 3 0/0 13 % Wicklungsverluste, ohne daß der
Gesamtwirkungsgrad des Umformers kleiner wird. Zwischen Eigengewicht und Preis eines
Umspanners und den Verlusten besteht die Beziehung
dabei ist G das Gewicht, N die Nennleistung, v die auf die Nennleistung bezogenen
Verluste. Bei einer Erhöhung der Verluste von 3 auf 13 % nimmt also das Gewicht
des Umspanners um einen Faktor
Ähnliche Zusammenhänge gelten auch für die Drosseln. Man sieht also, daß sich an
Umspanner und Drosseln, die einen erheblichen Anteil des Gesamtgewichtes und Gesamtpreises
von Kontaktumformeranlagen ausmachen, ganz beträchtliche Materialeinsparungen erzielen
lassen, ohne daß der Wirkungsgrad unter den der bislang üblichen Geräte absinkt.
Natürlich muß für so ausreichende Abführung der Verlustwärme aus den Wicklungen
Sorge -getragen werden, daß diese durch die Erwärmung nicht beschädigt werden. So
kann man beispielsweise die Drosseln mit blank zusammengeschweißten Wicklungen versehen
und die notwendige Isolation aus feuerfestem, beispielsweise keramischem Material
herstellen. Man kann auch beispielsweise beim Umspanner mit Rücksicht auf die hohen
Verluste gegenüber normaler Ausführung besonders große Kühlflächen vorsehen, ohne
dadurch den oben durch eine Rechnung veranschaulichten Vorteil im Gewicht ganz oder
auch nur zum wesentlichen Teil wieder zu verlieren.
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Mit den hohen Kupferverlusten ist eine mit der Belastung stark abfallende
Kennlinie verknüpft. Bei Geräten, bei denen dies unerwünscht ist, kann man durch
Kompoundierung, beispielsweise durch Vor-
Dabei ist w die Windungszahl und q der Eisenquerschnitt der Drosseln. Aus
dieser Gleichung entnimmt man, das je nach den Umständen der Kommutierungsvorgang
durch den Ohmschen Widerstand R beschleunigt oder auch verzögert werden kann.
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In Fig. 2 bedeutet die Kurve ei' die um den Ohmschen SpannungsabfallvermindertePhasenspannungei,
ebenso e2' die um den Ohmschen Spannungsabfall verminderte Phasenspannung e2. Bei
fehlenden Ohmschen Widerständen ist die Kommutierungsspannung gegeben durch die
Differenz zwischen e2 und e, während des Zeitraumes zwischen tein und tau,. Bei
Ohmschen Widerständen im Kommutierungskreis gilt dagegen die Differenz zwischen
il' und i2'. Da die Differenz zwischen ei und e1' bzw. zwischen e2 und e2' proportional
erregung der Drosseln oder durch selbsttätige Vorverlegung des Steuerwinkels des
Kontaktgerätes, diesen Nachteil ausgleichen. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungsgebieten,
bei denen eine stark abfallende Kennlinie erwünscht ist, beispielsweise bei Schweißumformern,
Scheinwerferspeisung, selbsttätiger Sammlerladung. Besonders bei derartigen Geräten
ist die Erfindung von Bedeutung.
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Bekanntlich besteht bei mechanischen Stromrichtern die besondere Schwierigkeit,
daß die Kontaktzeiten der Kommutierungsdauer angepaßt sein müssen. Man könnte vermuten,
daß durch Widerstände im Kommutierungskreis die Kommutierungsdäuer vergrößert und
daher unerwünscht lange Kontaktzeiten erforderlich sein würden, wenn man die Erfindung
verwirklicht. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dies in vielen Fällen nicht
zutrifft, daß im Gegenteil die Anordnung sogar oft so getroffen werden kann, daß
durch die hohen Widerstände im Kommutierungskreis die Kommutierungsdauer sogar verkürzt
werden kann.
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In Fig. i der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, das sich auf einen dreiphasigen Gleich- oder Wechselrichter bezieht.
Die drei Phasenwicklungen i bis 3 des Umspanners sind über die Schaltdrosseln q.
bis 6 und die periodisch betätigten Kontakte 7 bis g mit den Gleichstromklemmen
io und ii verbunden. Die Primärphasen des Umspanners sind nicht gezeichnet. Die
in den Phasenleitungen liegenden Widerstände i2 bis 14 haben den Widerstand R; die
besonders dargestellten Induktivitäten (einschließlich Streuinduktivitäten) 16 bis
17 mögen den Wert L haben.
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In Fig. 2 sind die beim Stromübergang von einer Phase auf eine andere
sich ergebenden Strom- und Spannungskurven dargestellt. ei ist eine Phasenspannung,
die von der Phasenspannung e, abgelöst wird, der zugehörige Strom ist il bzw. i2.
Im Zeitpunkt lein wird die Phase z geschlossen, im Zeitpunkt t"", die Phase i geöffnet.
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Bezeichnet man mit TI die Magnetisierung des Eisenkernes der Schaltdrossel
der Phase i und mit 1, die Magnetisierung der Schaltdrossel der Phase 2,
so ergibt sich aus dem Spannungsgleichgewicht: dem Strom il bzw. i2 ist, so folgt,
daß die Gesamtkommutierungszeit dann durch Widerstände verkürzt werden kann, wenn
die Kommutierung des Stromes nicht sofort im Einschaltaugenblick t"n beginnt, sondern
erst um eine bestimmte Zeit to = t' - tein verzögert einsetzt, wie dies dann
der Fall ist, wenn die Schaltdrosseln im Zeitpunkt tein noch nicht vollständig gesättigt
sind, was z. B. durch Vorerregung erzwungen werden kann, oder was als unerwünschter
Effekt immer dann auftritt, wenn für die Schaltdrosseln wenig hochwertiges Material,
z. B. Eisensilizium statt Eisennickel, mit nicht so scharf ausgeprägtem Sättigungsknick
verwendet wird. Da eine Beschleunigung der Kommutierung gleichzeitig eine Verminderung
des Spannungsabfalles mit sich bringt, so sieht man,
daß durch Ohmsche
Widerstände der induktive Spannungsabfall verringert werden kann.
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Berechnet man (vgl. E und M 6o (19q.2), S. 368ff.) aus der oben angegebenen
Formel die notwendige
Dabei ist a der Steuerwinkel (Einschaltzeitpunkt tein),
| gL = «) L ' Igi = ind. Luftspannungsabfall |
| 2 # 1 z (E = Phasenspannung), |
| f = Frequenz der Wechselspannung, |
| R ' laa |
| , |
| Ulla, |
| Uoco = 2E = Leerlaufspannung, |
| a = Ä (s. Bild). |
Wie man aus der Zeichnung sieht, wird or = 0, wenn der Stromverlauf während der
Kommutierung linear ist. a) = T - f ;
der Schaltdrosseln unter dem -Scheitelwert der Spannung E,
w = Windungszahl
der Schaltdrosseln,
q = Eisenquerschnitt der Schaltdrosseln, d J3 = für die
Stufe ausnutzbare Magnetisierungsänderung der Schaltdrossel, J,
= Magnetisierung
der Schaltdrossel beim Strom IgL, Jein = Magnetisierung der Schaltdrossel im Einschaltaugenblick.
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Aus obiger Formel entnimmt man, daß die Kommutierung beschleunigt
wird, wenn entweder Q negativ ist oder wenn to größer als t, wird. Letzteres läßt
sich erreichen bei großen Verzögerungszeiten der Kommutierung to.
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Will man, wie beispielsweise bei Schweißumformern, im Kurzschluß ohne
Kontaktfeuer arbeiten können, so müssen bei gegebenen Drosseln und Kontaktzeiten
die Widerstände im Stromkreis einen ganz bestimmten Wert haben. Will man, wie dies
bei Schweißumformern beispielsweise praktisch oft der Fall ist, den Kuizschlußstrom
des Gerätes einstellen können, so kann der Widerstand im Kommutierungskreis regelbar
gemacht werden. Dies läßt sich ohne Anwendung zusätzlicher Widerstände in einfacher
Weise dadurch bewerkstelligen, daß man dem Umspanner und den Drosseln je Phase mehrere
parallel geschaltete Wicklungszweige gibt, die jeder für sich an einen Sternpunkt
geführt werden; je mehr dieser einzelnen Sternpunkte (beispielsweise mit einem Kurbelschalter)
an i1 angeschlossen werden, um so kleiner wird der Widerstand im Kommutierungskreis
und um so größer der Kurzschlußstrom. Umgekehrt kann man dadurch, daß man nur einen
Wicklungszweig anschließt, den Kurzschlußstrom herabsetzen. Man kann Umspanner und
Drossel beide mit mehreren parallelen Stromzweigen ausführen und zwischen Umspanner
und Drossel keine Querverbindungen zwischen den parall-Überdeckung der Kontaktzeiten
ü = taug - tein, so ergibt sich beispielsweise für eine sechsphasige
Sternschaltung bei vollkommener Glättung: elen Wicklungszweigen anordnen. Man kann
die Wicklung derart anordnen, daß beim Abschalten einzelner Wicklungszweige sich
nicht nur der Widerstand sondern auch die Induktivität erhöht, beispielsweise derart,
daß der Ausdruck
obiger Formel konstant bleibt.
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Überhaupt entnimmt man dieser Formel, daß es mit Rücksicht auf kleine
Kontaktzeiten wünschenswert ist, das Verhältnis -9-, d. h. das Verhältnis
von Ohmschem gL zu induktivem Widerstand im Kommutierungskreis, nicht zu groß zu
machen. Praktisch wird man dieses Verhältnis so wählen, daß sich insgesamt günstigste
betriebliche und wirtschaftlicheEigenschaften ergeben. Beispielsweise kann man ungefähr
bis 0,3
ausführen.
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Man kann zur Regelung der Kurzschlußstromstärke bzw. zur Regelung
der Neigung der Kennlinie auch oder zusätzlich auch die bekannte Regelung durch
Vorerregung der Drosseln bzw. durch Verschiebung des Steuerwinkels heranziehen.
Bei der Kombination der Regelverfahren ergeben sich vorteilhafte Möglichkeiten,
die Kommutierungszeit möglichst konstant zu halten, so daß man über weite Betriebsbereiche
mit konstanten Kontaktzeiten arbeiten kann, was eine Vereinfachung der Kontaktgeräte
bedeutet. Beispielsweise kann als Kontaktgerät ein magnetisch angetriebenes Taumelgerät
verwendet werden, das sich durch große Robustheit und Wirtschaftlichkeit auszeichnet.
Legt man beträchtliche Widerstände in die Wicklung des Umspanners, so wird dessen
Typenleistung verhältnismäßig so klein, daß man ohne Schaden auch Schaltungen verwenden
kann, bei denen die Ausnutzung des Umspanners an sich unvorteilhaft ist, wie z.
B. bei drei- oder sechsphasigen Sternschaltungen gegenüber Brückenschaltungen. Die
Erfindung ist von Bedeutung auch in den Fällen, in denen Schaltungen verwendet werden,
die ihrer Natur nach nur begrenzte Kommutierungszeiten zulassen, wie beispielsweise
die dreiphasige Brückenschaltung mit drei Schaltdrosseln. In diesen Schaltungen
tritt bekanntlich die Schwierigkeit auf, daß bei großen Überlastungen, insbesondere
bei großen induktiven Kurzschlußspannungen die Kommutierungsspannung nicht ausreicht,
was zur Folge hat, daß die Kontakte feuern. Wendet man in solchen Fällen die Erfindung
an, d. h. verzichtet man auf höchsten Wirkungsgrad unter gleichzeitiger Verringerung
des Aufwandes für Drosseln und Umspanner, so kann man auf diese Weise die kritische
Belastungsgrenze erweitern, besonders bei Verwendung von wenig hochwertigem Eisen.
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Will man den Wirkungsgrad eines Gerätes, das mit sehr stark abfallender
Kennlinie arbeiten muß, nicht
allznsehr drücken, so kann man einen
Teil der Neigung der Kennlinie in bekannter Weise auch durch Vorerregung der Drosseln
mit dem Laststrom erzielen. Durch Kombination mit der Widerstandsregelung ergeben
sich Möglichkeiten, die sich für die Wirtschaftlichkeit, Einfachheit und Betriebssicherheit
derartiger Geräte ausnutzen lassen.
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Verwendet man für die Wicklungen der Drossel und Umspanner Leichtmetall,
so erhält man Umformer, deren Gesamtgewicht außerordentlich gering ist, so daß man
sie vorteilhaft auf Fahrzeugen und Flugzeugen verwenden kann. Man kann auch die
Wicklungen aus Zink oder anderen billigen Leitmaterialien herstellen, die nicht
in so hohem Maße Sparmetalle sind. Man kann auch zur Feinregelung einen Teil des
Widerstandes außerhalb des Kömmutierungskreises in der Gleichstromleitung unterbringen.