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Kontaktstromrichter zum Arbeiten auf Gegenspannung Bei Stromrichtern,
bei denen die Kommutierungsströme nicht durch elektrische Ventile (Entladungsstrecken),
sondern durch periodisch betätigte Schalter unterbrochen werden, entsteht die Schwierigkeit,
daß bei gewissen Störungen das Fließen von Rückstrom nicht wie bei Ventilen mit
eindeutiger Stromdurchlaßrichtung ohne weiteres verhindert wird. Vielmehr können
hier unter Umständen kurzschlußartige Rückströme entstehen, die Betriebsunterbrechungen
und Beschädigungen der Kontakte zur Folge haben. Besonders unangenehm macht sich
diese Eigenschaft der Kontaktstromrichter bemerkbar bei Anlagen, die nicht dauernd
überwacht werden.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diesen Nachteil der Kontaktstromrichter
gegenüber Ventilstromrichtern zu beseitigen. Sie besteht darin, daß bei Kontaktumformern,
insbesondere mit Schaltdrosseln, saugdrosselähnlichen Transformatoren oder Entladungsstrecken
auf der Wechselstromseite (Patent 73o 644) für Betrieb auf Gegenspannung der Umspanner,
die Schaltdrosseln, saugdrosselähnlichen Transformatoren und Glättungsdrosseln bei
gegebener Kontaktzeit, Voreiregung und gegebenem Nebenweg so reichlich bemessen
sind, daß bei Ausbleiben der treibenden Spannung die am Stromrichter liegenbleibende
Gegenspannung keinen für die Kontakte gefährlichen Rückstrom erzeugen kann.
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Mit Hilfe der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise erläutert
werden.
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r, a, 3 sind die Primär-, q., 5, 6 die Sekundärwicklungen eines Umspanners,
welcher über Schaltdrosseln 7, 8, 9 und Kontakte 13, 1q., =5 auf die
Spannung
23 arbeitet. Parallel zu den Kontakten liegen Nebenwege in Gestalt der Kondensatoren
16, 17, 18. Die Schaltdrosseln sind mit den Wicklungen zo, 1i, 12 vorerregt.
Beim Ausbleiben der speisenden Drehspannung, z. B. infolge Öffnens der Schalter
26, 27, 28, bleibt die Gleichspannung 23 über die jeweils geschlossenen Kontakte
13, 14 oder 15 und über die zugehörige Schaltdrossel 7; 8 oder 9 und die zugehörige
Transformatorphase 4, 5 oder 6 geschlossen. Sie versucht, durch diesen Kreis einen
Rückstrom zu treiben. Durch die Vorerregung zo sei beispielsweise die Drossel ?
in Richtung des Arbeitsstromes gesättigt. Bei geschlossenem Schalter 13 kann durch
7 und 4 ein kurzschlußaitiger Rückstrom erst dann entstehen, wenn die Drossel? und
entsprechend die Transformatorphase 4 umgesättigt sind. Diese Umsättigung kann jedoch
nur erfolgen, solange der Schalter 13 geschlossen ist. Ist T die Schließzeit des
Kontaktes 13, so erhält man als Bedingung dafür, daß - während dieser Zeit die Umsättigung
nicht geändert werden kann, daß also kein kurzschlußartiger Rückstrom entsteht,
folgende Beziehung: wi q, , d Bi -I- w2 q, , d B2 > U - T.
Darin
bedeutet wiql bzw. w1q2 die Windungszahl und den Eisenquerschnitt der Schaltdrossel
7 bzw. der Transformatorphase 4. d Bi bzw. d B2 ist die Änderung der
Induktion im Schaltdrossel- bzw.-Umspannereisen bis zur negativen Sättigung:: U
ist die Gegenspannung und T die Kontaktdauer von 13. Beim Öffnen von 13 wird der
in der Phase 4 entstandene Rückstrom, welcher erfindungsgemäß nach obiger Gleichung
so klein ist, daß der Kontakt ihn noch beherrschen kann, unterbrochen, und die Spannung
U legt sich an die Phase 5 und darauffolgend an die Phase 6. Beim Wiederschließen
von =3 ist inzwischen, z. B. unter dem Einfluß der Vorerregung ro, die Magnetisierung
der Schaltdrossel ? wieder auf einen positiven Wert, z. B. den Höchstwert gestiegen,
so daß die Umspannung U wieder nicht ausreicht, sie während der Zeit T bis an die
negative Sättigung zu bringen. Auf diese Weise wird durch die periodisch schaltenden
Kontakte 13, 14, 15 der Rückstrom auf Werte begrenzt, welche dem Magnetisierungsstrom
der Schaltdrossel bzw. des Umspanners entsprechen und welche erfindungsgemäß von
den Kontakten noch ohne Schaden unterbrochen werden können. Hierzu legt man zweckmäßig
zu den Kontakten parallel Kondensatoren 16, 17, 18, denen nach Möglichkeit je ein
kleinerer Widerstand zg, 2o, 21 vorgeschaltet wird.
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Die obige Gleichung läßt erkennen, daß zur Ausführung der Erfindung
Eisenquerschnitt und Windungszahl der Schaltdrossel eine gewisse Größe aufweisen
müssen, und zwar muß, falls nur die Schaltdrossel und nicht der Umspanner an der
notwendigen Strombegrenzung teilnimmst, die Schaltdrossel größer ausgelegt werden,
als es mit Rücksicht auf den ungestörten Betrieb erforderlich ist. Man erkennt ferner,
daß die Durchführung der Erfindung erleichtert wird durch Schaltungen, in denen
die Kontaktzeit T klein ist, d. h. z, B. in Schaltungen hoher Phasenzahl: Soll auch
der Umspanner für die Verhinderung von Rückstrom wirksam sein, so muß sein Magnetisierungsstrom
kleiner als das Abschaltvermögen-der Kontakte sein. Man wird daher einerseits den
Umspänner mit möglichst kleinem Magnetisierungsstrom auslegen, z. B. durch Wahlhoher
Windungszahl und guter Eisenqualität, andererseits- wird man das Schaltvermögen
der -Kontakte beispielsweise durch große Parallelkapazität erhöhen. Um die Schaltdrossel
für die Rückstrombegrenzung voll auszunutzen, verwendet man zweckmäßig solche Schaltungen,
in denen die Schaltdrosseln durch eine Vorerregung in Richtung des Nutzstromes bis
zum Knie der Magnetisierungskennlinie gesättigt sind. Zweckmäßig ist es, die Magnetisierungsströme
von Schaltdrossel und Umspanner, notfalls auch durch Vorerregung, so auszulegen,
daß sie kleiner als o,5 bis z A sind. In diesem Fälle ist bekanntlich ein stabiler
Lichtbogen, der bei der Kontaktöffnung entstehen könnte, unmöglich.
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Der Erfindungsgedanke hat auch Bedeutung bei Kontaktstromrichtern,
bei denen die Kontakte durch saugdrosselähnliche Transformatoren oder Entladungsstrecken
auf der Seite des Wechselstromnetzes von Schaltfeuer entlastet sind. Bei der ersten
Möglichkeit muß man den saugdrosselähnlichen Transformator reichlich bemessen; es
ist aber, genau wie bei Entlastung der Kontakte durch Schaltdrosseln, günstig, auch
für den Umspanner einen kleinen Magnetisierungsstrom vorzusehen. Beider zweiten
Möglichkeit muß man sogar den Umspanner mit kleinem Magnetisierungsstrom vorsehen.
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Bemißt man erfindungsgemäß die Einzelelemente des Umformers -in gegenseitiger
Abstimmung derart, . daß bei Vollausbleiben der speisenden Spannung kein kurzschlußartiger
Rückstrom entstehen kann, so wird im allgemeinen auch bei einer bloßen Absenkung
dieser Spannung bzw. beim Ausfall einzelner Phasen keine Gefahr von Rückstrom bestehen.
In manchen i Fällen ist es vorteilhaft, die einzelnen Umformerteile derart auszulegen,
däß sie zwar nicht bei Ausbleiben der ganzen Spannung, wohl aber bei Spannungsabsenkungen
bis zu 50 °/o Rückzündungen unterdrücken. Es ist unter Umständen zweckmäßig, mit
i Rücksicht auf unsymmetrische Spannungsabsenkungen auf eine- Glätturig im Gleichstromkreis
zu verzichten. Auch ohne Glättungsdrossel kann zu den Zeiten, in denen die Gegenspannung
25 größer als die Umformerspannung ist, erfindungsgemäß kein Rückstrom fließen,
da die Schaltdrossel auch bei Vorhandensein der speisenden Spannung in voller Höhe
Rückströme bis zu ihrer Umsättigung verhindert. Es ist auch zweckmäßig, zur Spannungs-
bzw. Stromregelurig die speisende Drehspannung künstlich, insbesondere in einer
Phase, zu regeln oder abzuschalten.
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Die Anordnung nach der Erfindung hat besondere Bedeutung für kleinere,
insbesondere wartungslose Ladestromrichter. Sie ergibt ein robustes und Wirtschaftliches
Ladegerät, insbesondere wenn als Kontaktgerät ein magnetisch betätigtes Schwinggerät,
z. B. ein Drehfeldschwinger ohne reibende Teile, verwendet wird. Es ist bei Verwendung
solcher Kontakibetriebsvorrichtungen möglich; Schaltungen auszuführen, bei denen
die Ladung bei beliebigem Anschlüß des Sammlers in richtiger Weise vor sich geht:
Zweckmäßig
führt man die Kontaktgeräte derart aus, daß sie bei
Ausfall der Spannung in geöffneter Stellung sofort stehenbleiben. Nur in diesem
Fall ist der erfindungsgemäße Schutz gegen Rückstrom bei Spannungsausfall voll gewährleistet,
da in diesem Fall in obiger Gleichung die Kontaktzeit T bei Spannungsabsenkungen
verringert wird. Die Erfindung ermöglicht die Fortlassung von Schutzschaltern und
Betrieb ohne Überwachung, wie er z. B. bei automatischer Ladung angewendet wird.
Aber auch bei größeren Leistungen, insbesondere für regelbare Motorantriebe, hat
die Erfindung Bedeutung.
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Bei a11 diesen Anwendungsgebieten ist der Nutzen, den die Rückstromsicherheit
im praktischen Betrieb mit sich bringt, groß gegenüber dem zusätzlichen Aufwand,
der für die erfindungsgemäße Bemessung und Abstimmung der einzelnen Elemente des
Umformers notwendig ist.
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Wird das Kontaktgerät durch einen Motor angetrieben, der bei Spannungsstörungen
langsam ausläuft, so muß, bevor die Kontaktzeit so groß wird, daß die weiter oben
angegebene Gleichung nicht mehr erfüllt ist, die Gleichspannung abgeschaltet werden.