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Kontaktumformer zum Umformen von Wechselströmen in solche anderer
Frequenz Es ist in letzter Zeit gelungen, das Problem der Umformung von Strömen
und Spannungen mittels mechanischer Schaltkontakte einer brauchbaren Lösung zuzuführen.
Das gelingt mit Hilfe von sogenannten Schaltdrosseln, d. h. von Drosselspulen, die
den Schaltkontakten vorgeschaltet sind, und die im entsättigten Zustand eine sehr
hohe Induktivität besitzen, diese jedoch bereits bei sehr geringen Strömen infolge
Sättigung bis auf einen verschwindend geringen Restbetrag verlieren. Mit der Schaltdrossel
läßt sich jede Funkenbildung bei der Kontaktöffnung und -schließung vermeiden, insbesondere
dann, wenn parallel zu den Kontakten noch Nebenwege vorgesehen sind, die einen geringen
Strom durch die Schaltdrossel auch bei geöffnetem Kontakt noch zulassen. Die Schaltdrossel
gestattet es unter anderem, den Schließungszeitpunkt der Kontakte innerhalb der
Periode der Wechselspannung beliebig zu verschieben, wobei unter Umständen noch
eine veränderliche Vormagnetisierung der Schaltdrosseln zu Hilfe genommen werden
muß. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Ausnutzung dieser Möglichkeit
einen Kontaktumformer aufzubauen, welcher nach dem bekannten Prinzip des Steuerumrichters
Wechselströme bzw. Wechselspannungen gegebener Frequenz in ebensolche beliebig regelbarer
anderer Frequenz umformt. Beim Steuerumrichter werden bekanntlich aus den Spannungskurven
der umzuformenden Wechselspannung Stücke so ausgewählt, daß sie bei zeitlicher Aneinanderreihung
eine umgeformte mittlere Spannungskurve von dem
gewünschten; beispielsweise
sinus.förmigen mittleren Verlauf ergeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Umformer wird analog dem Steuerverfahren
des mit Entladungsstrecken arbeitenden Stauerumrichters die Schlii.eßung der Umformerphasen
in Abhängigkeit von zwei Größen, von denen sich die eine im Takte der primären,
die andere im Takte der sekundären Frequenz ändert, jeweils dann vorgenommen, wenn
die Summe dieser beiden Größen einen vorgegebenen Betrag über- bzw. unterschreitet.
Kennzeichnend für die Erfindung ist es, daß die Unterbrechung der Umformerzweige
unabhängig von den genannten; den Schließungszeitpunkt bestimmenden Größen jeweils
dann erfolgt, wenn der Strom in der betreffenden Phase einen bestimmten Kleinstwert
unterschritten hat. Die Erfindung läßt sich am einfachsten in rder Weise verwirklichen,
daß die Umformerkontakte mit stromabhängigen Haltevorrichtungen versehen werden,
die den einmal geschlössenen Kontakt so lange für der Einschaltstellung festhalten,
bis der Strom in ihm den vorgegebenen Mindestwert unterschritten hat. Durch,die
Erfindung wird erreicht"daß jeder Kontakt .nur so lange geschlossen bleibt, wie
es imHinblick auf die Ablösung durch die Folgephase und die Kommntierungszeit erforderlich
ist. Ohne die stromabhängige Steuerung,des Öffnungszeitpunktes der Kontakte würde
der Kontaktantrieb auf erhebliche Schwierigkeiten stoßen, wenn man nicht zulassen
will; daß die Kontakte übermäßig lange geschlossen bleiben, was eine erhebliche
Vergrößerung der Schaltdrosseln erforderlich machen würde.
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Man kann die Schließung der Umformerphasen auf rein mechanischem Wege
in dem jeweils richtigen Zeitpunkt dadurch bewirken, daß man die Kontaktbewegung
aus der Überlagerung zweier hin und her gehender Hubbewegungen zusammensetzt, von
denen die eine mit Primär-, die andere mit Sekundärfrequenz erfolgt. Für den Antrieb
der Kontakte haben sich zur Steuerung der Schließungsbewegung die sogenannte Taumelscheibe
und die Exzenterwelle als vorteilhaft erwiesen. In beiden Fällen kann man den Antrieb
so ausgestalten, daß Man außer der mit Primärfrequenz laufenden Taumel- oder Exzenterscheibe
noch ein zweites derartiges Gebilde vorsieht, welches mit Sekundärfrequenz läuft,
und der ersten Taumel- bzw. Exzenterscheibe eine zusätzliche Hub- bzw. exzentrische
Drehbewegung erteilt. Aber auch mit einem elektromagnetischen Antrieb der Kontakte
kann die Erfindung verwirklicht werden. Hierzu können die Schaltkontakte mit Einschaltmagneten
versehen werden, die durch zwei Spannungen von den verschiedenen Frequenzen erregt
werden und so bemessen sind, daß sie den Schalter in die Einschaltstellung bewegen,
wenn die Gesamterregung einen bestimmtenGrenzwert überschreitet. NähereEinzelheiten
der Erfindung sind aus den Zeichnungen zu ersehen.
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Fig. i stellt ein Ausführungsbeispiel für den Fall dar, daß der Kontaktantrieb
durch eine Taumelscheibe erfolgt. Mit i sind in ihrer Längsrichtung verschiebbare
Kontaktstößel bezeichnet, die an ihrem oberen Ende ein Kontaktstück tragen. Wird
der Kontaktstößel um ein bestimmtes Maß gehoben, so kommt -derKontakt mit einem
federnd gelagerten Gegenkontakt 2 in Berührung. Die Auf- und Abwärtsbewegung der
Kontaktstößel i wird durch die schematisch dargestellte Taumelscheibe 3 bewirkt.
Diese wird von einem Motor 6 mit der Primär-' frequenz fl angetrieben. Das zwischen
den Motor und die Taumelscheibe geschaltete Zahnradgetriebe ist so ausgebildet,
.daß das Zahnrad 4. in axialer Richtung ohne Änderung- des Eingriffes gegenüber
dem Zahnrad 5 verschoben werden kann. Die Lagerung der Taumelscheibe 3 ist ebenfalls
so ausgebildet, daß eine axiale Verschiebung möglich ist. Die Achse der Taümelschebe
3 wird nun durch die zweite Taumelscheibe 7 auf- und abbewegt, und zwar im Takte
der Frequenz f2, mit welcher der Synchronmotor 8, der die Taumelscheibe 7 antreibt,
gespeist wird. Für die Kontaktstößel i addieren sich infolgedessen die Hübe, die
einerseits durch die mit der Frequenz f1 erfolgende Drehung der Taumelscheibe 3
und andererseits durch, die mit der Frequenz f2 verfolgende Drehung der Taumelscheibe
7 zu.standekommen. Die Kontakte schließen sich, wenn die Größe des Gesamthubes einen
bestimmten Wert überschreitet. An Stelle des Antriebes der Taumelscheibe 3 durch
ein die Verschiebung zulassendes Getriebe kann man den Antrieb auch durch eine biegsame
Welle vornehmen.
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Eine andere mechanische Ausführungsform unter Verwendung von Exzentern
als Antriebsmittel zeigt schematisch Fig. 2. In dem Gehäuse 17 sind in radialer
Richtung verschiebbar die Kontaktstößel i i sternförmig angeordnet. Die Kontaktbrücken
i9 sind mit diesen Stößeln verbunden und überbrücken die Schaltkontakte 2o leitend,
sobald der Hub der Stößelstange, die durch die Exzenterscheibe 12 freigegeben wird,
infolge der Einwirkung einer Rückstellkraft (durch Feder io angedeutet) Null geworden
ist. Die Exzenterscheibe 12 wird von dem Motor 13 entsprechend der Primärfrequenz
angetrieben. Der Motor 13 ist seinerseits wiederum exzentrisch zu einer Welle 18
gelagert, die durch den Motor 15 mit Sekundärfrequenz angetrieben wird. Die Stromzuführung
zu dem Motor 13 erfolgt dabei über Schleifringe 16. Das Gehäuse 1,4, in welchem
der Motor 13 gelagert ist, ist so ausgebildet, daß die Exzentrizität e dieses Motors
werstellt werden kann. Nach unten hin ist an den Motor 15 noch einmal die gleiche
Anordnung angekuppelt, wie sie soeben beschrieben wurde. Die Exzenterscheibe ist
hier mit 12' und der sie antreibende Motor mit 13' bezeichnet. Die unteren Kontaktstößel
sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Diese Doppelausführung der Kontakteinrichtung
ist dadurch begründet, daß für die Erzeugung der positiven und der negativen Halbwelle
der umgeformten Spannung je ein besonderer Satz von Schaltkontakten erforderlich
ist, wenn ein asynchroner Betrieb mit stetigem Übergang von der positiven zur negativen
Halbwelle erreicht -werden soll. Für die Kontaktstößel i i ergibt sich ia5
auch
hier wiederum eine resultierende Hubbewegung, die sich aus zwei Hubbewegungen zusammensetzt,
die beide mit verschiedenen Frequenzen erfolgen. Der Hub, der mit Sekundärfrequenz
erfolgt, muß dabei geringer sein als der Hub durch die Exzentrizität der mit -der
Primärfrequenz umlaufenden Scheibe 12. Eine Regelung der umgeformten Spannung ist
dadurch möglich, daß die Exzentrizität e verändert wird. Ist die Exzentrizität
e gleich der Exzentrizität a der Scheibe 12, so wird die höchste aus
den Kurven der Primärspannung aussteuerbare Spannung der Sekundärfrequenz erreicht.
Durch Verkleinerung von e bis zum Nullpunkt kann die umgeformte Spannung verhältnisgleich
bis Null geregelt werden.
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Die Schaltung eines Kontaktumformers nach der Erfindung zeigt Fig.3.
Der Umformer dient zur Umformung einer dem Drehstromnetz 30 entnommenen Mehrphasenspannung
in eine Einphasenspannung anderer Frequenz, die dem Netz 35 zugeführt wird. An den
Umformertransformator 31 sind zu diesem Zweck zwei Umformerhälften A und B angeschlossen,
die vollkommen gleichartig aufgebaut sind, und von denen die eine die positive,
die andere die negative Halbwelle der umgeformten Spannung liefert. An sich wäre
es möglich, mit nur einem Kontaktsystem auszukommen, da ja im Gegensatz zu Entladungsstrecken
die Umformerkontakte imstande sind, in beiden Richtungen Strom zu führen. Es ist
jedoch zu bedenken, daß, wenn der umgeformte Strom gegenüber der umgeformten Spannung
phasenverschoben ist, innerhalb ein und derselben Halbwelle der umgeformten Spannung
zeitweise Gleichrichter- und zeitweise Wechselrichterbetrieb herrscht. Da diese
beiden Betriebsarten bei gleicher ausgesteuerter Spannung eine verschiedene Lage
der Schaltzeitpunkte erfordern, so würde das bedeuten, daß beim Vorhandensein nur
eines Umformersystems jeweils im Nulldurchgang des Stromes die Steuerung geändert
werden müßte. Das wäre jedoch praktisch nur sehr schwer durchzuführen. Sind dagegen
zwei Umformerhälften vorhanden, so können diese so gesteuert werden, daß die eine
in der positiven Spannungshalbwelle der umgeformten Spannung als Gleichrichter,
in der negativen Halbwelle als Wechselrichter, die andere dagegen in der negativen
Halbwelle als Gleichrichter und in der positiven Halbwelle als Z@'echselrichter
zu arbeiten imstande ist. Dann geht die Stromführung innerhalb ein und derselben
Halbwelle, wenn der Strom sein Vorzeichen wechselt, von der einen auf die andere
Umformerhälfte über. Die Schaltkontakte, deren Einschaltung in der oben angegebenen
Weise, sei es rein mechanisch, sei es elektromagnetisch, bewirkt wird, sind mit
21 bezeichnet. In Reihe mit ihnen liegen die Schaltdrosseln 24 und parallel zu ihnen
die Nebenpfade 23, die aus Widerständen und Kapazitäten bestehen.
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In Reihe mit jedem Hauptkontakt 21 liegt nun noch ein weiterer Kontakt
25, der die Wiederausschaltung der betreffenden Phase übernimmt. Verfolgt man nämlich
die aus den oben angegebenen Gesetzmäßigkeiten sich ergebenden Schließungszevten
der Hauptkontakte 21, so zeigt es sich, daß diese zum Teil erheblich länger sind
als es,die dem Schließungsaugenblick folgende Stromführung und der Kommutierungsvorgang
erfordern. Die Schließung darf ja nur so lange andauern, bis die Stromführung auf
die Folgephase übergegangen ist, und die Unterbrechung der Phase muß in einem Zeitintervall
erfolgen, in welchem die der betreffenden Phase vorgeschaltete Schaltdrossel entsättigt
ist.
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Diese Bedingungen werden durch die Hauptkontakte allein nicht ohne
weiteres erfüllt. Das läßt sich aus Fig. q. erkennen. Dort sind die beiden Hubbewegungen
der Kontakte kurvenmäßig über der Zeit mit f1 entsprechend der Primärfrequenz und
f2 entsprechend der Sekundärfrequenz dargestellt. Als resultierende Bewegung ergibt
sich dann die mit R bezeichnete Kurve. Nimmt man an, daß bis zur Erreichung der
Einschaltstellung ein Hub s erforderlich ist, so hält -der Antrieb die Kontakte
geschlossen, sobald bzw. solange die Kurve R die Nullinie um mehr als den Betrag
s überschreitet. Beispielsweise wird im Punkt a der Kontakt, für den die Kurven
gelten, ,geschlossen. Aus dem darunter gezeichneten Diagramm, welches die vollständige
umgeformte Spannungskurve zeigt, ergibt sich, daß im Punkt b bereits die nächstfolgende
Phase mit der Stromführung beginnt. Der betrachtete Kontakt müßte also um das Maß
der Kommutierungsdauer hinter dem Zeitpunkt b wieder geöffnet werden, während ihn
aber, wie die Kurve R zeigt, der Antrieb auch weiterhin geschlossen hält.
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Es müssen infolgedessen die Hilfskontakte 25 so gesteuert werden,
daß sie ihrerseits die Unterbrechung .der Phasen im richtigen Zeitpunkt vornehmen.
In Fig. 3 ist angenommen, daß die Hilfskontakte 25 auf magnetischem Wege durch Haltespulen
in ihrer Einschaltstellung gehalten werden. Die Haltespule 26 wird dabei durch die
Wicklung 27 von dem Phasenstrom erregt, so daß sich der Hilfskontakt 25 in dem Augenblick
öffnet, in dem der Phasenstrom einen bestimmten Kleinstwert unterschritten bzw.
den Wert Null erreicht hat. Die Öffnung der Hilfskontakte 25 kann auch nach einer
anderen Vorschrift erfolgen, z. B. in der Weise, daß die Hilfskontakte nach einem
bestimmten Zeitintervall, welches der maximal auftretenden Dauer des Kommutierungsvorganges
nach entweder konstant ist oder vom Belastungsstrom abhängig gemacht wird, wieder,
geöffnet werden. Die Hilfskontakte können auch von Strömen und Spannungen beeinflußt
werden, die ihrerseits ebenfalls eine Modulationsspannung der Frequenzen f1 und
f2 darstellen. Dabei ist es erforderlich, daß die Frequenz f1 bei dem betrachteten
Einphasenumrichter nicht dieselbe Phase hat wie die an die Kontakte gelegte Phasenspannung,
sondern um einen bestimmten Winkel dagegen verschoben ist.
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Die Hilfskontakte 25 müssen, um die Betriebsbereitschaft der Phase
zu sichern, geschlossen werden, bevor sich der zugehörige Hauptkontakt schließt.
Diese Schließung der Hilfskontakte kann
auf verschiedene Weise bewirkt
werden, z. B. kann man die Hilfskontakte 25 mit den Hauptkontakten 21 mechanisch
so kuppeln bzw. werklinken, daß sie geschlossen werden, wenn der zugehörige Hauptkontakt
nach dem Hubgesetz wieder geöffnet wird. Dasselbe Ziel kann auch durch elektrische
Hilfskreise erreicht werden. So ist es in Fig: 3 dargestellt. Hier arbeiten die
Hauptkontakte 21 mit Hilfskontakten 22 zusammen, die sie nach erfolgter Öffnung
schließen, und die in einer Erregerspule 29 ,einen Strom zustandekommen lassen,
der den Hilfskontakt 25 wieder einschaltet.
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Auf den Kernen der Erregerspulen 26 für die Hilfskontakte 25 sind
noch Wicklungen 28 vorgesehen, die über einen Stromwandler 33 und ein Ventil 34
mit einem von dem Belastungsstrom abhängigen Strom gespeist werden. Durch .diese
Spule kann erreicht werden, daß die Hilfskontakte während derjenigen Stromhalbwellen,
in denen der umgeformte Strom über die andere Umformerhälfte fließt, offen bleiben,
um soeinüberflüssigesSchalten zu vermeiden.
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Bei elektromagnetischer Steuerung der Kontakte kann man die Hilfskontakte
vermeiden, da es ohne Schwierigkeiten möglich ist, dieselbe Gesetzmäßigkeit der
Phasenunterbrechung, wie sie bei mechanischem Antrieb der Hauptkontakte durch die
Hilfskontakte bewirkt wird, auch auf die Hauptkontakte zur Wirkung zu bringen. Hierbei
ist jedoch die Möglichkeit gegeben, daß ein sogenanntes Pumpen .eintritt, d. h.,
daß die Kontakte unmittelbar nachdem sie geöffnet wurden, wieder einen Schließungsimpuls
erhalten und so fort. Woran das liegt, zeigt Fig. d., wenn man die dortigen Kurven
als Erregerspannungen des Einschaltmagneten eines Kontaktes betrachtet. plan sieht
nämlich, d@aß die Einschaltbedingungen so lange gegeben sind, wie die resultierende
Kurve R oberhalb des Wertes s liegt. Die Einschaltbewegung der Kontakte muß infolgedessen
noch von einer zusätzlichen Bedingung abhängig gemacht werden. Diese zusätzliche
Bedingung kann z. B. darin bestehen, daß eine Kontaktschließung nur dann erfolgen
darf, wenn nicht nur die Gesamterregung einen bestimmten Wert überschreitet, sondern
wenn sie auch vorher Werte angenommen hat, die unter diesem Grenzwert lieben. Der
Grenzwert muß also mit anderen Worten in Richtung von kleineren auf größere Werte
von der Erregungskurve durchlaufen werden. Schließt der Kontakt z. B. im Punkt a
und öffnet er nach beendeter Kommutierung im Punkt b, so wird `his zum Punkt c die
resultierende Erregung noch immer den für die Schließung erforderlichen Wert übersteigen.
In diesem Bereich darf nach erfolgter Öffnung ein Wiederschließen nicht erfolgen.
Der Kontakt darf erst dann wieder geschlossen werden, wenn im Punkt d die Kurve
R erneut von unten her den Wert s überschreitet.
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Zu Fig. 3 sei noch bemerkt, daß die dort dargestellte Schaltung nur
als Beispiel aufzufassen ist. Die Erfindung ist selbstverständlich auch bei anderen
Umformerschaltungen anwendbar, insbesondere auch dann, wenn beispielsweise der Ausgangstransformator
32 unter entsprechender Änderung der Schaltung fortgelassen ist. Die Schaltungen
können auch zur Erzeugung mehrphasiger Spannungen verwendet werden, und an die Stelle
von Nullpunktschaltungen können auch Graetz-Schaltungen treten.