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Schaltanordnung zur Unterbrechung von Wechselstrom Die Erfindung bezieht
sich auf die Verbesserung einer Schaltanordnung zur Unterbrechung von Wechselstrom,
bei der in Reihe mit der Unterbrechungsstelle eine Schaltdrossel mit bei Nennstrom
hochgesättigtem Magnetkern angeordnet ist, durch dessen Entsättigung jedesmal in
der Nähe eines Stromnullwertes eine stromschwache Pause hervorgerufen wird, während
welcher der Strom unter erleichterten Bedingungen und daher ohne schädliches Schaltfeuer
unterbrochen werden kann. Bekanntlich kann durch eine zusätzliche Vormagnetisierung
des Magnetkernes die Lage der stromschwachen Pause gegenüber dem Nulldurchgang des
Stromes verändert werden. Die Erfindung besteht darin, daß durch die Vormagnetisierung
der zu unterbrechende Strom während der stromschwachen Pause auf einen nahezu konstanten
Wert gehalten wird. Dies hat den Vorteil, daß auch bei verschiedener Lage des Schaltzeitpunktes
innerhalb der stromschwachen Pause stets gleich günstige Unterbrechungsbedingungen
herrschen.
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Das Wesen der Erfindung soll an Hand der Fig i bis 7 erläutert werden,
von denen Fig. i den Magnetisierungsverlauf einer Schaltdrossel ohne und mit Anwendung
der Erfindung, die Fig.2 und 5 bis 7 den zeitlichen Verlauf des= zu unterbrechenden
Stromes bei verschiedener Vormagnetisierung und die Fig. 3 und q. schematische Schaltungsbeispiele
zeigen.
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Die Magnetisierungskurve des Schaltdrosselkernes soll im ungesättigten
Gebiet möglichst wenig gegen die Induktionsachse,geneigt sein, an den
Übergangsstellen
zu den gesättigten Gebieten einen möglichst scharfen Sättigungsknick aufweisen und
in den gesättigten Gebieten bei möglichst hoher Induktion nahezu parallel zur Erregerachse
verlaufen. Dieser Idealgestalt kommt die Magnetisierungskurve ausgeführter Kerne
mehr oder weniger nahe. Insbesondere läßt sich eine geringe Neigung gegen die Induktionsachse
im ungesättigten Gebiet nicht vermeiden, wie sie beispielsweise die Magnetssierungskennlinie
eines praktischuntersuchtenRingbandkernes aufweist, deren einer Ast in Fig. i als
ausgezogene Linie dargestellt ist. Hieraus ergibt sich bei sinusförmiger treibender
Spannung etwa ein Verlauf des zu unterbrechenden Wechselstromes gemäß Kurve J in
Fig. 2. Ein Teil dieser Kurve, die stromschwache Pause nämlich, ist in Fig. 5 in
vergrößertem Maßstabe herausgezeichnet. Diese nimmt ohne jede Vormagnetisierung
den mit J' bezeichneten und durch eine gestrichelte Linie dargestellten Verlauf,
wobei die sprunghafte Entsättigung erst nach dem Stromnulldurchgang stattfindet.
Mit Hilfe einer zusätzlichen Vormagnetisierung mit Gleich- oder Wechselstrom gelingt
es in an sich bekannter Weise, den Eintritt der Entsättigung zu verlagern, so daß
der Strom etwa nach der in Fig. 5 mit J bezeichneten ausgezogenen Kurve verläuft.
Wird hierbei zur Vormagnetisierung ein Wechselstrom i" verwendet, so bleibt die
Stromkurve symmetrisch zur Nullinie, indem die stromschwache Pause am Ende beider
Halbwellen dem Stromnulldurchgarng vorausgeht. Jedenfalls hat aber der abgeflachte
Kurventeil eine gewisse Neigung gegenüber der Nullinie. Daraus folgt, daß der Strom
je nach der Lage des Augenblicks, in welchem er unterbrochen wird, einen größeren
oder kleineren Wert hat. So betrage beispielsweise in Fig. 5 der Augenblickswert
des Stromes J, wenn die Unterbrechung zur Zeit t1 stattfindet, o,5 Amp., während
er zur Zeit t2 nur o,2 Amp. betragen möge. Es handelt sich hier zwar, wie man sieht,
gegenüber dem Nennstrom um sehr kleine Werte, -die größenordnungsmäßig nur einen
geringen Bruchteil von 1/ioo oder 1/iooo des iEffelctivwertes betragen; allein für
eine funkenfreie Unterbrechung kommt es auf den Absolut-,vert des Stromes, der unterbrochen
werden soll, genau an. Wenn unter gegebenen äußeren Umständen, z. B. in Luft von
atmosphärischem Druck und bei metallischer Beschaffenheit der Kontakte, deren Berührungsflächen
insbesondere aus Silber oder Kupfer bestehen mögen, ein Strom von o,2 Amp. ohne
weiteres funkenfrei unterbrochen werden kann, so können sich bei 0,5 Amp. schon
kleine Fünkchen einstellen, die die Dauerbetriebsfähigkeit einer Schalteinrichtung,
die beispielsweise als Umformer mehrere Millionen Schaltungen täglich auszuführen
hat, merklich beeinträchtigen können, oder wenn beispielsweise 0,5 Amp: mit Hilfe
eines zur Unterbrechungsstelle parallel geschalteten, vorzugsweise kapazitiven Strompfades
noch einwandfrei beherrscht werden, so braucht das bereits nicht mehr der Fall zu
sein bei i Amp., es sei denn, daß für den Parallelpfad ein größerer Aufwand gemacht
werde. Vor allen Dingen ist aber die Sicherheit für eine funkenfreie Unterbrechung
verschieden, j e nachdem, an welches Stelle der stromschwachen Pause die Kontakte
sich voneinander zu- entfernen beginnen. Da nun dieser Augenblick mit der Belastung
veränderlich ist, sc würden sich während des Betriebes verschiedene Unterbrechungsbedingungen
einstellen können, und es würde somit kein fest bestimmter Sicherheitsgrad gegen
schädlichen Kontaktabbrand gegeben sein.
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Dieser Nachteil kann beispielsweise dadurch vermieden werden, daß
gemäß Fig. 3 mindestens ein Teil des Vormagnetisierungsstromes aus einem zur Schaltdrossel
14 parallel liegenden Kondensator 16 entnommen wird. Bei passender Wahl der Kondensatorgröße,
die sich auch nach der von der treibenden Spannung abhängigen Geschwindigkeit der
Ummagnetisierung des Schaltdrosselkernes 13 zu richten hat, kann dessen Magnetisierungskurve
beispielsweise den in Fig. i gestrichelt .eingezeichneten Verlauf nehmen, bei welchem
der in Amperewindungen gemessene Erregerwert um einen Mittelwert H1 in geringem
Maße schwankt. Die Schwankungen bzw. Schwingungen können mit Hilfe eines Ohmschen
Widerstandes 17 im Parallelkreis gedämpft werden. Wird der Dämpfungswiderstand so
groß bemessen, daß der Parallelkreis aperiodisch ist, so kann z. B. ein Verlauf
der Magnetisierungskurve nach der in Fig. i strichpunktiert eingezeichneten Linie
erzielt werden, bei dem ein Mittelwert H2 der Erregung fast während der ganzen stromschwachen
Pause konstant eingehalten wird, so daß die Öffnung der Schaltstelle 12 während
der stromschwachen Pause in jedem Zeitpunkt unter annähernd gleich günstigen Bedingungen
geöffnet werden kann.
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Es ist grundsätzlich möglich, für eine bestimmte Form des Spannungsverlaufes
an der Spule 14 den Parallelpfad so auszubilden, daß der -von diesem aufgenommene
Strom den Erregerstrom des Magnetkernes 13 beim Durchlaufen des ungesättigten
Gebietes zu einem konstanten Wert ergänzt. Zu diesem Zweck ist durch Kombination
von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten die Frequenzabhängigkeit des
Parallelpfades geeignet auszubilden. So können z. B. die sich aus der Fourierzerlegung
des erforderlichen Zusatzstromes ergebenden Teilströme verschiedener Frequenz durch
je einen geeigneten Schwingungskreis erzeugt werden. Die Überlagerung aller Einzelschwingungen
ergibt den gewünschten Zusatzstrom. Für einen beliebigen anderen Betriebsfall, d.
h. anderen Verlauf der Spannung an der Schaltdrossel, ist dann der Ausgleich nicht
vollkommen, jedoch, wie schon aus den einfachen Beispielen der Fig. i geschlossen
werden kann, in weiten Grenzen praktisch ausreichend.
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Eine andere Möglichkeit, die Neigung des abgeflachten Teiles der Stromkurve
während der stromschwachen Pause auszugleichen, sei an Hand eines einphasigen Schaltschemas
einer Umformungsanordnung gemäß Fig. 4. näher erläutert. Hier besteht die Schaltstelle
i2 aus zwei ruhenden
Kontakten und einer beweglichen Schaltbrücke,
die von einem Synchronmotor 2i über eine Nocken-oder Exzenterwelle 22 od. dgl. über
Zwischenstößel 23 angetrieben wird, wobei die Phasenlage z. B. mittels eines Drehtransformators
2¢ so eingestellt werden kann, daß die Unterbrechung des Stromes bei verschiedenen
Belastungszuständen innerhalb der stromschwachen Pause stattfindet. Parallel zur
Schaltstelle 12 liegen zur 'Verzögerung des Anstieges der wiederkehrenden Spannung
an den Kontakten ein Kondensator 26 und ein Dämpfungswiderstand 25. Die Schaltstelle
ist einerseits über die Schaltdrossel 1q. und einen Transformator i i an ein Wechselstromnetz
io angeschlossen, andererseits an ein anderes Stromsystem 3o. Falls letzteres ein
Gleichstromnetz ist, kann eine Glättungsdrossel27 vorgesehen sein, die bei mehrphasigen
Anordnungen hinter den Vereinigungspunkt der von den Kontakteinrichtungen der verschiedenen
Phasen kommenden Leitungen in die gemeinsame Gleichstromleitung zu legen ist. Zur
Vormagnetisierung des Drosselkernes 13 ist hier eine besondere Wicklung 18
vorgesehen (was natürlich auch bei der Anordnung nach Fig. 3 an Stelle eines unmittelbar
parallel geschalteten Strompfades möglich wäre). Der Vormagnetisierungsstrom werde
in an sich bekannter Weise aus dem speisenden Netz io bzw. Transformator i i über
einen Phasenregler 2o entnommen. Eine Grobeinstellung des erforderlichen Phasenwinkels
kann gegebenenfalls durch Phasenkombination mittels auf verschiedenen Schenkeln
des Speisetransformators sitzender Hilfswicklungen vorgenommen werden. Wird für
die Vormagnetisierung eine besondere Spannungsquelle benutzt, die nicht mit dem
Netz io gekoppelt ist, so kann der zusätzliche Vormagnetisierungsstrom ähnlich wie
in Fig.3 durch die Hauptwicklung 1q. der Schaltdrossel selbst geschickt werden,
so daß die zusätzliche Wicklung 18 nicht erforderlich ist. Amplitude und Phasenwinkel
des Vormagnetisierungsstromes gegenüber dem zu unterbrechenden Strom können so eingestellt
werden, daß der Vormagnetisierungsstrom während der stromschwachen Pause gerade
die gleiche Neigung hat wie der Erregerstrom der Schaltdrossel. Fig.6 zeigt ein
Beispiel hierfür unter Annahme eines sinusförmig verlaufenden Vormagnetisierungsstromes
i"8. Hier stimmt nicht nur die Neigung, sondern auch die Größe der Augenblickswerte
des Vormagnetisierungsstromes i"6 mit dem erforderlichen Erregerstrom J' überein,
so daß der zu unterbrechende Strom J zur Erregung der Schaltdrossel während er stromschwachen
Pause nichts beizutragen braucht und deshalb Null wird.
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Soll das gleiche Ergebnis mit einem Parallel-Pfad gemäß Fig.3 erzielt
«-erden, so kann dazu noch eine weitere Vormagnetisierung mittels einer Hilfswicklung
28 verwendet werden, deren Stromwerte während der stromschwachen Pause annähernd
konstant sind, einerlei ob der zusätzliche Vormagnetisierungsstrom für die Hilfswicklung
28 einer Gleichstromquelle oder Wechselstromquelle entnommen wird. Es empfiehlt
sich hierbei, zwecks Stabilisierung der Zusatzerregung eine Drossel 29 in dem gegebenenfalls
regelbaren Vormagnetisierungskreis der Spule 28 vorzusehen. Ebenso ist es ratsam,
zur Speisung der Wicklung 18 eine überhöhte Spannung anzulegen und den Vormagnetisierungsstrom
durch zusätzliche Induktivität i9 zu begrenzen bzw. einzustellen.
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Das Ideal eines völligen Ausgleiches derart, daß der zu unterbrechende
Strom während der ganzen stromschwachen Pause genau den Wert Null hat, ist praktisch
nicht ohne großen Aufwand erreichbar; meist werden daher geringe Schwankungen in
Kauf genommen. Es ist nun aber zur Erzielung eines günstigen Verlaufes der wiederkehrenden
Spannung an der Unterbrechungsstrecke erwünscht, daß die Stromkurve am Schluß der
stromschwachen Pause einen Nulldurchgang aufweist, der dem erneuten steilen Anstieg
nach der entgegengesetzten Richtung hin unmittelbar vorausgeht, da mit einem solchen
Stromnulldurchgang eine Richtungsumkehr der wiederkehrenden Spannung und infolgedessen
eine Verzögerung ihres Anstieges auf gefährliche hohe Werte verbunden sind. Gegenüber
dem Bestreben, den zu unterbrechenden Strom während der stromschwachen Pause zu
Null werden zu lassen, kann es daher vorteilhafter sein, ihm einen kleinen endlichen
positiven Wert zu geben, wobei als positiv die Richtung des Stromes während des
vorangegangenen Übertragungsabschnittes bezeichnet sei. Zu diesem Zweck kann z.
B. in der Schaltanordnung nach Fig. q. die Phasenlage des Vormagnetisierungsstrotnes
gegenüber Fig.6 so verändert werden, daß, wie Fig. 7 zeigt, durch die Differenz
aus dem zugeführten Erregerstrom i,,7 und dem erforderlichen Erregerstrom J' eine
endliche Größe des zu unterbrechenden Stromes J während der stromschwachen Pause
bedingt ist. Die vollständige Kurve des hier zugeführten Erregerstromes i,,7 ist
in Fig. 2 mit eingezeichnet.
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In Verbindung mit einem Parallelpfad, etwa wie er in Fig.3 dargestellt
ist, kann ein endlicher positiver Wert des zu unterbrechenden Stromes während der
stromschwachen Pause in der Weise erzielt werden, daß eine zusätzliche Vormagnetisierung
mit Gleich- oder Wechselstrom angewendet wird, die während der stromschwachen Pause
annähernd konstant und um einen geringen Betrag größer ist als der erforderliche
Wert des Erregerstromes, also größer als beispielsweise Hl oder H2 in Fig. i. Eine
zusätzliche Wechselstromvormagnetisierung, die diese Bedingungen erfüllt, ist beispielsweise
durch die schon erwähnte Kurve i"5 in Fig. 2 gegeben.
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Die Kurven des zu unterbrechenden Stromes gemäß den Fig. 2 und 5 bis
7 weisen in Übereinstimmung mit der Magnetisierungskurve gemäß Fig. i die Eigentümlichkeit
auf, daß zwar der Beginn der stromschwachen Pause durch einen ziemlich scharfen
Knick deutlich festgelegt ist, daß jedoch die Kurven am Ende der stromschwachen
Pause in einem verhältnismäßig flachen Bögen verlaufen, so daß hier verschwommene
Verhälthisse
herrschen. Die stromschwache Pause ist daher nur bis
zum Beginn der erwähnten flachen Krümmung für den Unterbrechungsvorgang ausnutzbar.
Dies bedingt aber, wenn eine bestimmte Länge der stromschwachen Pause verlangt wird,
einen erhöhten Materialaufwand, der vermieden werden könnte, wenn es gelänge, den
Magnetisierungsstrom so auszugleichen, daß der zu unterbrechende Strom auch am Ende
der stromschwachen Pause einen scharfen Knick aufweist. Das ist tatsächlich möglich,
und zwar bei der Schaltung mit Parallelpfad gemäß Fig.3 durch geeignet abgestimmte
Schwingungskreise oder bei der Schaltung gemäß Fig. 4 durch Speisung der Vormagnetisierung
durch eine gegenüber der Sinusform verzerrte Spannung derart, daß der Vormagnetisierüngsstrom
einen von .der Sinusform abweichenden und dem Verlauf des erforderlichen Erregerstromes
des Magnetkernes während der ganzen stromschwachen Pause, und zwar insbesondere
an deren Ende, möglichst vollkommen angepaßten Verlauf zeigt.
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Es ist empfehlenswert, in den Fällen, in denen eine Regelung der elektrischen
Betriebsgrößen, z. B. eine Spannungsregelung entweder durch Änderung der Speisespannung
oder (bei Umformerbetrieb) durch Verschiebung der Phasenlage der Schaltzeitpunkte
gegenüber der Phasenlage der Wechselspannung, vorgesehen ist, Amplitude und Phasenlage
des Vormagnetisierungsstromes so zu wählen, daß möglichst über den ganzen vorbestimmten
Regelbereich eine befriedigende Ergänzung des die Schaltdrossel während der stromschwachen
Pause durchfließenden Stromes zu annähernd konstanten Augenblickswerten des zu unterbrechenden
Stromes erhalten bleibt, so daß bei Regelung des Betriebszustandes eine gleichzeitige
Regelung der Vormagnetisierung nicht erforderlich ist.