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Wechselrichter mit Transformator In neuerer Zeit werden Wechselrichter
verlangt, welche kurzzeitig hoch belastet werden und nur über eine kurze Zeitspanne
betriebsfähig bleiben sollen. Bei solchen Wechselrichtern hat es sich gezeigt, daß
die Gefahr einer Lichtbogenbildung an dien Kontakten außerordentlich groß ist.
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Bei der Auslegung von Transformatoren für hochbelastete Wechselrichter
ging man gewöhnlich von der zu übertragenden Maximalleistung aus. Sollten beispielsweise
kurzzeitig 8o Wntt übertragen werden, so ergab sich der benötigte Eisenquerschnitt
nach der bekannten Formel Qaffe = 1,2 1 . N
mit etwa i i qcm. @Die
zulässige Induktion in einem solchen Zerhackertransformator wurde mit etwa 55'oo
Gauß angegeben, weil die Wahl einer höheren Induktion erfahrungsgemäß zu Funken
an den Kontakten und damit zu einem vorzeitigen Ausfall des Zerhackers führte.
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Um den Zerhacker nach Möglichkeit nicht induktiv zu belasten, macht
man bei der Beschaltung des ulechselrichters vom Resonanzprinzip Gebrauch, indem
man parallel zum Transformator eine Kapazität anbringt, die entweder ausschließlich
auf der Sekundärseite sich befinden kann oder auch
primär- und sekundärseitig
unterteilt wird. Primärseitig wirken die Kapazitäten gleichzeitig als Licht bogenlöschung.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 die Schaltung eines Zerhackers mit Wechselrichtertransformator
2. Parallel zu dien Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators sind Kapazitäten
C, und! Cp geschaltet, wodurch der Transformator auf :eine bestimmte Resonanzfrequenz
abgestimmt wird.
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Für jeden Zerhacker gibt es nun einen bestimmten Kapazitätswert, bei
dem der Eingangsstromein größtes Maximum erreicht. Untersucht man die Abhängigkeit
des Eingangsstromes von der Resonanzkapazität, so erhält man eine Kurve nach Fig.2.
Auf der Abszisse ist die !Resonanzkapazität aufgetragen, auf der Ordinate der Eingangsstrom.
Wie ersichtlich, gibt es mehrere, sogar unendlich viele Stromminima und ebensoviel
Strommaxima. Dies leuchtet ohne weiteres ein, wenn man sich den Wechse'lrichtervorgang
veranschaulicht. Eine vereinfachte Wechselrichterschaltung zeigt Fig. 3. Ein Resonanzkreis,
bestehend aus L und .C, werde periodisch mittels des Kontaktes S an eine Stromquelle
B angeschlossen. Dabei wird der Strom T beobachtet. Die Frequenz und Schließzeit
von S sei konstant. Beim Schließen von S steigt der Strom I langsam
an, beim Öffnen wird der Resonanzkreis sich selbst überlassen und schwingt mit der
ihm eigenen Frequenz aus.. Natürlich ist es nicht gleichgültig; zu welchem Zeitpunkt
ein neuer Stromimpuls erfolgt, ob zur Zeit eines Schwingungsbergs oder -tals. Dieser
Arbeitspunkt, beidem der Kontakt schaltet, kann durch Veränderung von L und/oder
,durch Veränderung von C und/oder durch Veränderung der Kontaktschließzeit und/oder
durch Veränderung der Kontaktfrequenz geregelt werden. Fig. q. zeigt als Beispiel
eine Stromkurve, bei der der Schwingungskreis während der Öffnungszeit t. dies Kontaktes
genlau zwei Schwingungen ausführt und bei der der neue Impuls im Zeitpunkt des Schwingungsberges
erfolgt. Hierbei wird der Transformator mit +I' vormagnetisiert und der Mittelwert
des -Eingangsstromes erreicht daherein Maximum. Verändert man die Resonanzfrequenz
des Schwingungskreisfies, indem man beispielsweise die Resonanz- :, kapazität vergrößert,
dann erhält man für einen bestimmten Wert von C eine Kurve nach Fig. 5. Während
der Öffnungszeit tri führt der Kreis, genau 1l/2 Schwingungen aus und der Mittelwert
des E'ingangsstromes erreicht ein Minimum. Der Transformator wird mit -I' vormagnetisiert.
Fig. 6 und 7 zeigen den Eingangsstrom bei einer weiteren Vergrößerung der Resonanzkapazität:
In Fig.6 führt der Schwingungskreis während der Kontaktöffnungszeit genau eine Schwingung
aus. Der Transformator wird mit -1-I vormagnetisiert, und der Mittelwert des, Stromes
erreicht wieder ein Maximum, während bei Fig.7 der Kreis genau 1/2 Schwingung ausführt
und der Strom ein Minimum erreicht. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß der Zustand
nach Fig. 6 der denkbar ungünstigste ist. Bei diesem Zustand wird! derZerhacker
bei hochbelastbaren Wiechselrichtern in kürzester Zeit zerstört. Durch die stark
positive Vorma:gnetisierung steigt die Induktion in einem normalen Transformator
mit geschlossenem Eisenkern, wie er bis jetzt bei normalen #Wechselridhterschaltungen
verwendet wurde, steil an. Der Zerhacker wird stark induktiv belastet. An den Kontakten
entstehen Funken, die zu einem Lichtbogen führen, so daß in einigen Sekunden die
Kontakte zusammengeschweißt werden. Nun liegen -der günstige Zustand nach Fig. 7
und der kritische nach Fig. 6 derartig dicht beieinander, daß bereits :eine kleine
Veränderung der Frequenz, Schließzeit, Resonanzkapazität oder Impedanz den Zustand
nach Fig. 6 in den Zustand nach Fig. 7 überführt, was wegen der ungünstigen Vormagnetisierung
des Transformators das, Ende des Zerhackers durch Verbrennung der Kontakte bedeuten!
kann.
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Diese Verbrennung der Kontakte geht folgendermaßen vor sich: Durch
irgendeine Zufälligkeit, sei es durch einem Grat am Kontakt oder durch ein Staubkörnchen,
entsteht plötzlich an einer der Berührungsstellen des Kontaktes ein Funke, der zu
einer Vergrößerung der Kathodenflecktemperatur führt. Übersteigt die angelegte Spannung
die Lichtbogenspannung, dann sind bereits die Vorbedingungen zu einem zunächst kurz
andauernden Lichtbogen gegeben!. Hierdurch wird die Schließzeit des Zerhackers vergrößert
bzw. die Öffnungszeit verkleinert, so daß der Magnetisierungsstrom bei normalem
Transformator mit geschlossenem Eisenkern steil ansteigt. Hierdurch wird die Temperatur
dies Kathodenflecks weiter vergrößert, so diaß der Lichtbogen auch beim Öffnen des
Kontaktes nicht mehr abreißt, was aber gleichbedeutend ist mit einer weiteren Schließzeitvergrößerung.
Bereits nach r bis 2 Sekunden sind dann die Kontakte vollständig zerstört und zusammengeschweißt.
Nun bedeutet aber, wie man mathematisch nachweisen; kann, auch eine Schließzeitverkleinerung
eine ungünstige Gleichstromvormagnetisierung des Transformators, so dä.ß auch für
diesen Fall der Magnetis:ierungsstrom steil ansteigt.
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Beider Fabrikation von Zerhackern und Wechselrichtern treten außerdem,
unvermeidliche Toleranzen, z. B. infolge der Abweichungen zwischen den verwendeten
Eisensorten, Drahtstärken, Widerständen, Kapazitäten usw., auf, so .daß es ganz
unmöglich ist, für jeden unter Umständen in großen Stückzahlen gebauten Wechselrichter
den passenden Zerhacker herauszusuchen. Wenn ein hochbelasteter Zerhacker in Betrieb
gesetzt wird, dessen mechanische Daten nicht dem Wedhs:elric'htertransformator,
mit dem er betrieben werden soll, angepaßt sind, dann befindet sich die Schaltung
nicht mehr in einem Gleichgewichtszustand, so daß der Eingangsstrom, der ja bekanntlich
ein Maß für dessen Resonanzzustand ist; nicht mehr ein Minimum erreicht, Diese Schwierigkeiten
werden der Erfindung gemäß dadurch behoben, daß der Transformator mit einem Luftspalt
versehen ist, so däß die Induktivi.tät bei verschiedenen Geiehstromvorbelastungen
und verschiedenen Magnetisierungsströmen über
einen größeren Bereich
in zulässigen Grenzen angenähert konstant bleibt und! die Fabrikationstoleranz der
Zerhacker, die Schließzeit, der Zeitpunkt dies Kontaktschlusses und die Frequenz
sich nicht ungünstig auswirken können.
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Dadurch wird die Resonanzkurve der Schaltanordnung des Wechselrichters
verflacht, so daß bei einem Transformator mit Luftspalt sich keine Gleichstromvormagnetisierung
ungünstig auswirken kann. Beim Gegenstand vorliegender Anmeldung kann der Transformator
für die gleiche Belastung außerdem erheblich kleiner gewählt werden, weil durch
den angebrachten Luftspalt die Induktivität über einen großen Bereich angenähert
konstant bleibt, so daß beispielsweise eine sehr hohe Schließzeit des Zerhackers.,
die bei einem normalen Transformator ohne Luftspalt unweigerlich zu einer Sättigung
des Eisens führt, in diesem Fall unschädlich bleibt.
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In Fig. 8 veranschaulicht die Kürve a die Resonanzkurve eines normalen.
Transformators, mit geschlossenem Eisenkern. Dler Magnetisierungsstrom wird nur
während eines kleinen Zeitraumes auf einer zulässigen, geringen Höhe gehalten. Die
Kurve b zeigt den Verlauf des, Magnetisierungsstromes bei Verwendung eines Transformators
gemäß der Erfindung mit Luftspalt. Die Resonanzkurve b ist abgeflacht und zeigt
über einen größeren Zeitraum eine geringe Stromstärke, die zwar über dem Minimum
der Resonanzkurve a liegt, aber immer noch durchaus, zulässig ist, so daß sich insbesondere
eine Vormagnetisierung infolge der Fabrikationstoleranzen: des Zerhackers, der Schließzeit,
des Zeitpunktes des Kontaktschlusses und der Frequenz nicht ungünstig auswirken
können.
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Selbstverständlich beträgt der Leerlaufeingangs-Strom bei einem mit
Luftspalt versehenen Wechselrichter ein Vielfaches von demjenigen Wert, der bei
einem normalen Wechselrichter erreicht werden kann, so daß der Leerlaufwirkurngsgrad
schlechter wird. Wie Versuche ergeben haben, ist jedoch der Eingangsstrom beim belasteten
Wechselrichter mit Luftspalttransformator wesentlich kleiner als beim normalen Wechselrichter.
Dies wird dadurch bedingt, daß für den Aufbau des Transformators sehr viel weniger
Eisen benötigt wird, wodurch die Verlustwattz:ahl kleiner bleibt. Der Betriebswirkungsgrad
eines solchen Wechselrichters im belasteten Zustand ist sogar um einige Prozent
höher als beim Wechselrichter mit normalem Transformator ohne Luftspalt. Der schlechtere
Wirkungsgrad im unbelasteten Zustand ist jedoch bei einem Wechselrichter unter anderem
deshalb nicht von Nachbeil, weil der Wechselrichter nicht im unbelasteten Zustand
arbeitet.