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Mehrphasige Umformungsanordnung für Starkstrom mit mechanisch bewegten
Kontakten Die Erfindung bezweckt vornehmlich die Verbesserung einer mehrphasigen
Umformungsanordnung für Starkstrom mit mechanisch bewegten Kontakten, deren Schließungszeiten
einander zwecks Phasenablösung überlappen. Die Stromübergabe von einer Phase auf
die folgende geht hierbei gewöhnlich so vor sich, daß in dem Kommutierungskreis,
der während der überlappungsdauer von den beiden gleichzeitig geschlossenen Phasen
gebildet wird, ein Kurzschlußstrom entsteht, der dem Strom in der abgebenden Phase
entgegengesetzt gerichtet ist und diesen zum Verschwinden bringt, wobei der Kurzschlußstromkreis
geöffnet wird, sobald der Kurzschfußstrom die Höhe des vor der Kurzschließung in
der abgebenden Phase vorhandenen Stromes erreicht hat. Damit ein Kurzschlußstrom
von der richtigen Richtung und Größe entsteht, muß @in dem Kommutierungsstromkreis
eine Kommutierungsspannung von bestimmter Höhe eine vorgeschriebene 7eit lang vorhanden
sein. Hierzu kann die an sich vorhatidene Differenz der beiden Phasenspannungen
ausgenutzt werden. Dazu ist es jedoch erforderlich, den Zuschaltaugenblick der übernehmenden
Phase wie auch den Abschaltaugenblick der abgebenden Phase je nach der gewünschten
Betriebsart (Gleich-oder
Wechselrichtung) bzw. je nach dem gewünschten
oder gegebenen Belastungszustand jeweils mit einem bestimmten Augenblick innerhalb
einer Wechselspannungsperiode zusammenfallen. zu lassen. In der Wahl des Ausschaltzeitpunktes
gewinnt man bekanntlich innerhalb eines begrenzten Bereiches Freiheit, wenn in Reihe
mit den Kontakten Wicklungen oder Impedanzen mit veränderlichem Widerstandswert
liegen, durch dessen selbsttätige oder selbsttätig gesteuerte periodische Veränderung
eine die Stromunterbrechung erleichternde stromschwache Pause hervorgerufen wird.
,Der---gewonnene Freiheitsbereich ist jedoch durch dig Größe der besagten stromabflachenden
Wicklungen,oder :Impedanzen beschränkt. Die Größe der_ stromabflachenden Wicklungen
oder Impedanzen ist ihrerseits nicht nur durch den dafür erforderlichenWerkstoffaufwand,
sondern auch durch andere widrige Umstände einer Beschränkung unterworfen, z. B.
durch die von ihnen verursachten Verluste, falls es sich um Ohmsche, bzw. durch
die Vergrößerung des magnetischen Streufaktors des Kommutierungskreises, falls es
sich um induktive Widerstände handelt. Außerdem bringt die Festlegung des Zuschaltzeitpunktes
verschiedene Nachteile mit sich in Gestalt eines bestimmten Blindstrombedarfs, durch
den der Leistungsfaktor verschlechtert werden kann, und einer mehr oder minder großen
Störanfälligkeit gegen unerwartete Unsymmetrien der Wechselspannungen, die unter
Umständen sehr plötzlich auftreten können.
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Durch periodische Einführung einer zusätzlichen Fremdspannung in die
Kommutierungskreise ist es bekanntermaßen möglich, den Zeitpunkt für die Zuschaltung
der Folgephase aus seiner Bindung an einen bestimmten Augenblick der Wechselspannungsperiode
zu lösen. Hierdurch kann zwar der Blindstrombedarf verringert und somit ein günstiger
Leistungsfaktor erzielt werden, jedoch ist hierdurch die Störanfälligkeit gegen
Unsymmetrien und Fehlschaltungen eher erhöht als gemildert, weil die zusätzlich
eingeführte Fremdspannung auf die in dem gewünschten Zuschaltaugenblick an. sich
vorhandene Spannung im Kommutierungskreis und auf deren Verlauf während der Kommutierungszeit
genau abgestimmt sein rnuß. Außerdem ist für verschiedene gegebene oder gewünschte
Änderungen des Belastungszustandes oder der Betriebsart jeweils eine genau entsprechende
Änderung der zusätzlich eingeführten Fremdspannungen erforderlich. Wenn es schon
schwierig ist, die zusätzlich eingeführte Fremdspannung derartigen beabsichtigten
Änderungen anzupassen, so ist es erst recht praktisch kaum möglich, ungewollten
oder gar unerwartet eintretenden Änderungen schnell genug zu folgen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zuschaltaugenblick
für die Folgephase von allen 'Bindungen frei zu machen, und zwar auch unabhängig
von der zusätzlich eingeführten Fremdspannung. Die Lösung dieser Aufgabe beruht
auf dem Gedanken, die bekannten INlaßnahmen in bestimmter Weise miteinander und
mit den Ausschaltzeitpunkt erfassenden Mitteln zu kombinieren.
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Erfindungsgemäß wird bei einer mehrphasigen Umformungsanordnung für
Starkstrom mit mechanisch bewegten Kontakten, deren Schließungszeiten einander zwecks
Phasenablösung überlappen, und mit in Reihe mit den Kontakten liegenden Wicklungen
oder Impedanzen mit veränderlichem Widerstandwert, durch .dessen selbsttätige oder
selbsttätig gesteuerte periodische Veränderung eine die Stromunterbrechung erleichternde
stromschwache Pause hervorgerufen wird, eine zusätzliche Fremdspannung, die größer
ist als die höchste Differenzspannung zwischen zwei einander ablösenden Phasen,
mit der im Betriebe zu rechnen ist, in die Xommutierungskreise periodisch eingeführt,
und die Kontakte werden selbsttätig in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Augenblickswert
oder/und von dem Verlauf des während der Überlappungszeit der Kontakte fließenden
Stromes derart gesteuert, daß die das Ende dieser Überlappungszeit herbeiführende
Kontaktöffnung mindestens zum Teil während der stromschwachen Pause stattfindet.
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Die erwähnte selbsttätige Steuerung der Kontaktöffnung ist zwar ebenfalls
an sich bekannt, ebenso die damit erzielbare vorteilhafte Möglichkeit, die stromabflachenden
Wicklungen oder Impedanzen mit veränderlichem Widerstandswert verhältnismäßig klein
zu machen sie bietet aber in der neuen Kombination den weiteren Vorteil, daß die
zusätzlich eingeführte Fremdspannung nicht auf einen bestimmten vorgesehenen Belastungsfall
zugeschnitten zu sein braucht. Infolgedessen ist die Umformungsanordnung mit einer
ein für allemal gewählten Zusatzspannung allen gewollten oder zufälligen, langsamen
oder plötzlichen Belastungsänderungen und möglicherweise auftretenden Störungen
gewachsen. Insbesondere werden bei ihnen auch Kurzschlüsse mit Sicherheit vermieden,
während dagegen z. B. bei den bekannten Umformern mit fremd eingeführter Kommutierungsspannung
infolge unzeitiger Kontaktöffnung und bei den bekannten Umformern mit selbsttätiger
Kontaktsteuerung infolge Verbleibens der Kontakte mehrerer Phasen in Schließstellung
außerhalb derjenigen Zeiten, in denen natürliche Komimutierungsspannungen richtiger
Größe und Richtung vorhanden sind, Kurzschlüsse oder kurzschlußähnliche Betriebszustände
vorkommen können, die zu einer mindestens vorübergehenden Außerbetriebsetzung der
bekannten Umformer nötigen.
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Als stromabflachende Wicklungen sind im Rahmen der neuen Kombination
vor allem Drosseln. mit beim Nennwert des Stromes hochgesättigtem Magnetkern geeignet,
durch dessen Entsättigüng in der Nähe der Stromnullwerte eine stromschwache Pause
in- der Größenordnung von einer oder mehreren Millisekunden Dauer hervorgerufen
wird. Der Magnetkern kann vorzugsweise aus einem spiralig aufgewickelten möglichst
dünnen Band einer magnetisch hochwertigen Eisensorte bestehen; seine Magnetisierungskennlinie
soll in ungesättigtem,
Gebiet möglichst wenig gegen die Fl:ußachse
geneigt sein, an den Übergangsstellen in die gesättigten Gebiete je einen möglichst
scharfen Knick aufweisen und in den. gesättigten Gebieten möglichst parallel zur
Erregerachse verlaufen. Vornehmlich geeignet sind hierzu Silizium-Eisen-Legierungen
sowie eine Legierung von 5o0/9 Fe und 59% Ni, die einer besonderen Glühbehandlung
während und nach der Herstellung des Bandwickels unterworfen worden sind. Der Ma:gnetisierungsverlauf
des Drosselkerns kann während des Umformerbetriebes z. B. mittels einer auf dem
Kern angebrachten besonderen Vormagnetisierungswicklung mit Gleich- oder Wechselstrom
zusätzlich gesteuert «erden, insbesondere derart, daß der ,die Hauptwicklung der
Drossel durchfließende Strom am Ende der stromschwachen Pause den Nullwert durchläuft,
wenn sich der Drosselkern in entgegengesetztem Sinn wie während .der vorangegangenen
Übertragungsperiode sättigt. Hierdurch wird erreicht, daß auch die wiederkehrende
Spannung an den sich öffnenden Kontakten den Nullwert durchlaufen muß, bevor sie
sich zu voller Höhe zu erheben beginnt. Die Wicklung der Drossel ist möglichst streuungsarm,
z. B. in einer Reihe paralleler Wicklungszweige unterteilt auszuführen. Windungszahl
und Kernquerschnitt der Drossel können so bemessen sein, d:aß oder Strom während
einer zum Trennen der Kontakte ausreichenden, Zeit unterhalb desjenigen Grenzstromwertes
gehalten wird, der zur Ausbildung eines Lichtbogens von unendlich kleiner Länge
erforderlich wäre. Dieser Grenzwert ist bekanntlich von der Art und Beschaffenheit
der Kontakte an den Berührungsstellen sowie von der Art und dem Zustand dies umgebenden
Mediums abhängig. Gegebenenfalls kann der Strom während der stromschwachen Pause
auch durch einen zur Drossel parallel geschalteten gedämpften Schwingungskreis annähernd
zu Null kompensiert werden. Zwecks Verzögerung des Anstieges der an den Kontakten
wiederkehrenden Spannung kann ein vorzugsweise kapazitiver Parallelpfad zur Unterbrechungsstelle
parallel geschaltet sein, gleichzeitig hiermit ist eine Summe von einzelnen, vorzugsweise
kapazitiven Parallelpfaden, die den hauptsächlichsten, im Kommutierungskreis vorhandenen
Induktivitäten einzeln zugeordnet sind.
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Dadurch, daß die in die Kommutierungskreise zusätzlich eingeführte
Fremdspannung um einen zur Kommutierung eines vorgeschriebenen Höchstbelastnxngsstromes
innerhalb einer vorbestimmten längsten Kommutierungsdauer ausreichenden Betrag größer
gemacht wird als die. höchste Differenzspannung, die zwischen zwei einander ablösenden
Phasen in einem vorher festgelegten Betriebsbereich vorkommen kann, sind alle im
Einzelfall vorgesehenen Betriebsbedingungen erfüllbar. Wird als höchste Differenzspannung
der Maximalwert der verketteten Phasenspannung zugrunde gelegt, so kann die Umformungsanordnung
in allen vier Quadranten der Wechselspannungsperiode auf jede gewünschte Art, d.
h. als Gleichrichter, Wechselrichter oder Umrichter (Frequenzwandler), betrieben
werden, und zwar mit beliebigen, durch Änderung des Aussteuerwinkels vom erreichbaren
Höchstwert bis Null regelbaren Ausgangsspannungen. Der Augenblick der Kontaktschließung
ist also an keinerlei Vorschrift gebunden; es kann hierfür je nach dem gewünschten
Betriebszustand jeder Augenblick der ganzen Wechselstromperiode gewählt werden.
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Die in die Kommutierungskreise zusätzlich einzuführende Fremdspannung
kann in an sich bekannter Weise durch besondere umlaufende Maschinen oder durch
Schwingungskreise erzeugt werden. Sie kann auch mit Hilfe von sich sättigenden Drosseln
oder Transformatoren induktiv hervorgerufen werden. Sie kann höhere, insbesondere
dreifache Frequenz der normalen besitzen und eine von der Sinusform abweichende
Kurvenform, insbesondere Rechteckform, haben, derart, daß sie außerhalb der Überlappungszeit
dieser Kontakte keine Wirkung von Belang auf die angeschlossenen Stromsysteme ausübt.
Von einer bestimmten Kurvenform wird man unabhängig, wenn die Fremdspannung jedesmal
erst bei der Kontaktschließung der übernehmenden Phase zugeschaltet wird. Sie braucht
nur jedesmal während einer begrenzten Zeit, die mindestens gleich einer gewünschten
längsten Kommutierungsdauer ist, zur Verfügung zu stehen. Je höher die Augenblickswerte
der Fremdspannung sind, -desto kürzer ist die längste in Betracht kommende Kommutierungsdauer.
Je kürzer die letztere gemacht wird, desto geringer sind naturgemäß auch die absoluten
Unterschiede der Kommutierungsdauer bei verschiedener Lage der Einschaltzeitpunkte
und bei verschiedenen Belastungszuständen. Ferner wird mit einer Verkürzung der
Kommutierungsdauer durch Einführung einer verhältnismäßig hohen Fremdspannung der
weitere Vorteil erzielt, daß ein Vollwellenbetrieb, bei dem die Wicklungen des Wechselstromsystems
und gegebenenfalls der sich sättigenden Drosseln in jeder der beiden Halbwellen
einer Wechselstromperiode von Strom durchflossen werden (z. B. Graetz-Schaltung),
mit besonders hoher Betriebssicherheit durchgeführt werden kann, weil in jeder Halbwelle
eine entsprechend längere Restzeit völliger Sperrung für jede Phase zur Verfügung
steht, während welcher die Induktivitäten sowie die kapazitiven Hilfskreise in den
für das Einschalten erwünschten Ausgangszustand gelangen können. Man kommt infolgedessen
mit verhältnismäßig kleinen Kondensatoren in den Hilfskreisen aus.
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Die Fremdspannung kann, damit sie während der Sperrzeiten keinen unerwünschten
Einfluß ausübt, bei der Kontaktöffnung der stromabgebenden Phase abgeschaltet werden.
Zwecks rechtzeitiger Zu- und Abschaltung der Fremdspannung kann die Steuereinrichtung
für diese mit der Antriebsvorrichtung für die Hauptkontakte mechanisch oder elektrisch
gekuppelt sein. Erforderlichenfalls können Verzögerungseinrichtungen vorgesehen
sein, damit insbesondere nach der Kontaktöffnung
die Fremdspannung
noch eine begrenzte Zeit lang wirksam ist, um beispielsweise den Magnetisierungsverlauf
der Sättigungsdrosseln mit Hilfe der erwähnten Parallelpfade zu steuern und dadurch
vor allem zu verhindern, daß nach dem Aufhören der Kontaktberührung durch die natürlichen
Wechselspannungen ein dem beabsichtigten entgegengesetzter Ablauf der Magnetisierungsvorgänge,
insbesondere in den Sättigungsdrosseln, verursacht werden könnte, der den gewünschten
Verlauf der an den Kontakten wiederkehrenden Spannung stören und dadurch die Sicherheit
des Betriebes beeinträchti-°n könnte: Die Verzögerungszeit vom öffnun.gsbeginn der
Hauptkontakte bis zur Abschaltung der zusätzlichen Fremdspannung kann von einer
der in dem Kommutierungskreis wirksamen Spannungen oder auch von der geometrischen
Summe mehrerer oder aller dieser Spannungen abhängig gemacht werden, z. B. in der
Weise, daß die Verzögerungszeit um so kleiner ist, je höher die die Kommutierung
bewirkende Restspannung ist. Dadurch wird also die Verzögerungsdauer von Fall zu
Fall in gleichem Sinn geändert, wie sich die Kommutierungsdauer ändert.
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Als Antrieb für die Schließbewegung der Kontakte kann in an sich bekannter
Weise ein Synchronmotor mit Ständerphasenverstellung benutzt werden, der die bewegten
Teile der vorzugsweise als rein metallische Abhebekontakte ausgeführten Hauptkontakte
über Nocken, Exzenter od. dgl. über nur in Schließrichtung kraftschlüssig wirkende
Zwischenstößel steuert. Ebensogut kann auch eine elektromagnetische Steuerung, gegebenenfalls
mit zwischengeschalteten Verstärkerrelais, verwendet werden. Die letztgenannte Art
der Steuerung ist auch für die Kontaktöffnung geeignet, wobei der Steuerimpuls unmittelbar
oder mittelbar dem Hauptstrom entnommen wird, indem er entweder von einem bestimmten
Augenblickswert desselben oder von einer Neigungsänderung des Stromkurvenverlaufs
verursacht wird. Eine solche plötzliche Neigungsänderung und damit ein kräftiger
Steuerimpuls können am Ende der Kommutierungszeit besonders vorteilhaft durch eine
bei Nennstrom hochgesättigte und sich in der Nähe des. Nullwertes plötzlich entsättigende
Hilfsdrossel hervorgerufen werden.. Gegebenenfalls kann der Steuerimpuls auch der
bereits vorhandenen und obenerwähnten Sättigungsdrossel entnommen werden. Eine weitere
Vereinfachung kann dadurch erzielt werden, daß die zur Steuerung der selbsttätigen
Kontaktöffnung dienenden Elektromagneten als Drosseln mit bei Nennstrom hochgesättigtem
Magnetkern ausgeführt wird. Hierdurch können unter Umständen besondere Sättigungsdrosseln
erspart werden. Die Stromabflachung ist dann zwar' nicht so scharf ausgeprägt, insbesondere
ihrAnfang und ihr Ende nehmen die Form eines allmählichen überganges an, jedoch
kann bei nicht allzu hohen Ansprüchen auch diese unvollkommene Stromabflachung wegen
des durch die zusätzlich eingeführte Kommutierungsspannung und die selbsttätige
Kontaktsteuerung in bestimmten verhältnismäßig engen Grenzen festgelegten Strornübergabeverlaufs
für einen sicheren Dauerbetrieb ausreichend sein.