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Umformer mit mechanisch bewegten Kontakten Es ist bekannt, zur Umformung
von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt mit Hilfe mechanisch bewegter Kontakte
Schaltdrosseln mit bei Nennstromwert hochgesättigten Magnetkernen, durch deren Entsättigung
in der Nähe der Stromnullwerte jedesmal eine stromschwache Pause hervorgerufen wird,
in Reihe zu schalten und die Kontakte synchron zur Phase des zu unterbrechenden
Stromes derart zu steuern, daß sie sich während einer stromschwachen Pause zu öffnen
beginnen. Zwecks Erzielung eines stetigen Gleichstromes müssen sich die Schließungszeiten
der in der Stromführung einander ablösenden Kontakteinrichtungen überlappen. Man
kann in an sich bekannter Weise entweder die Steuerung der Kontakte unmittelbar
von dem zu unterbrechenden Strom abhängig machen (Selbstdenkerprinzip) oder die
Wechselspannung, die ja synchron zum Strom verläuft, zur Steuerung der Kontakte
heranziehen, indem man beispielsweise einen Synchronmotor zum Antrieb der Kontakte
verwendet. In diesem Falle ist zu beachten, daß sich beim Wechsel des Belastungszustandes
die zeitliche Lage der von den Schaltdrosseln durch die Entsättigung ihrer Magnetkerne
hervorgerufenen stromschwachen Pause gegenüber der Phasenlage der Wechselspannung
ändert. Man kann Windungszahl und Kernquerschnitt der Schaltdrosseln, die für die
Dauer der stromschwachen Pause bei gegebener Spannung maßgebend sind, so groß machen,
daß der Beginn der Kontakttrennung bei gleichbleibender Dauer der Schließungszeiten
der einander ablösenden Kontakteinrichtungen
sowohl bei der größten
als auch bei der kleinsten betriebsmäßig vorkommenden Belastung in die stromschwache
Pause fällt. Da aber der für die Schaltdrosseln erforderliche Aufwand mit der Länge
der zu erzielenden stromschwachen Pause wächst und da ferner die Kosten der Schaltdrosseln
gegenüber den übrigen Teilen, insbesondere gegenüber dem mechanischen Teil der Umformungsanlage,
bedeutend ins Gewicht fallen können, so ist man geneigt, unter Umständen mit veränderlichen
Überlappungszeiten zu arbeiten, um mit kleineren Schaltdrosseln auszukommen, obwohl
dafür zusätzliche Hilfseinrichtungen an der Antriebsvorrichtung in Kauf genommen
werden müssen. Ändert man die Überlappungszeiten in stetiger Abhängigkeit von der
Belastung derart, daß sie in jedem Falle nicht wesentlich länger sind als die Kommutierungszeit
des jeweiligen Belastungsstromes, so bedeutet das, daß sich die Kontakte der abgebenden
Phase stets am Anfang einer stromschwachen Pause zu öffnen beginnen. Die Schaltdrosseln
haben dann lediglich zur Verzögerung des Spannungsanstieges an den Kontakten beizutragen
und einen gewissen Sicherheitsbereich für Fehlschaltungen zu gewährleisten und können
daher verhältnismäßig klein ausfallen. Dafür würden aber die Hilfseinrichtungen
einen verhältnismäßig großen Aufwand erfordern, wollte man die Antriebsvorrichtung
allen Änderungen der Belastung vollkommen anpassen, da sich die Belastung sehr häufig
und schnell ändern kann. Allen diesen Änderungen innerhalb von Zeiten in der Größenordnung
einer Halbwelle des Wechselstromes, also innerhalb von Sekundenbruchteilen, durch
Verlagerung der Kontaktzeitpunkte gerecht zu werden, bereitet erhebliche konstruktive
Schwierigkeiten.
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Demgegenüber kann mit geringerem Aufwand an Hilfseinrichtungen eine
bedeutende Verkleinerung der Schaltdrosseln gegenüber Umfarmern mit ein für allemal
festliegender Überlappungszeit erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, daß die Überlappungszeit
der Kontakteinrichtungen für verschiedene Belastungsbereiche in groben Stufen verstellbar
gemacht wird. Innerhalb jeder Stufe, d. h. also jeweils innerhalb eines vorbestimmten
Belastungsbereiches bleibt hierbei die Überlappungszeit konstant. In der Zeichnung
ist in Fig. i ein dreiphasiger Kontaktumformer zur Gleichrichtung von Wechselstrom
als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt; Fig. 2 bis ¢ zeigen Einzelheiten
der Antriebsvorrichtung,und Fig. 5 und 6 dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise.
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Der Kontaktumformer nach Fig. i ist an ein Drehstromnetz über einen
Transformator ii und über Schaltdrosseln 13 mit Ringbandkernen 1a. angeschlossen.
Er hat sechs Kontakteinrichtungen i bis 6 in Brückenschaltung. Die Kontakteinrichtungen
sind der Übersichtlichkeit halber vereinfacht dargestellt. Sie können beispielsweise
Abhebekontakte mit zwei ruhenden Kontaktstücken und einer beweglichen Kontaktbrücke
aufweisen und mit vorzugsweise kapazitiven Nebenpfaden zur Verzögerung des Anstieges
der wiederkehrenden Spannung ausgestattet sein. Sie werden in der Reihenfolge ihrer
Bezifferung abwechselnd in gleichmäßigen Abständen von 6o° elektrisch geschlossen
bzw. geöffnet, wobei sich die Schließungszeiten der einander ablösenden Kontakteinrichtungen
überlappen. Der Antrieb erfolgt von einem Synchronmotor 26 über eine Welle 24 mit
in Drehrichtung gegeneinander versetzten Exzentern, die über Zwischenstößel auf
die beweglichen Kontaktbrücken einwirken. Die Synchronlage des Schalttaktes kann
gegenüber der Phasenlage der Wechselspannung mittels eines Drehreglers 81 verstellt
werden. Von den Schaltdrosseln 13 mit Ringkernen 14 ist z. B. je eine für die beiden
Kontakteinrichtungen einer Phase vorgesehen und vor dem Verzweigungspunkt der Zuleitungen
zu den Kontakteinrichtungen angeordnet (Drehdrosselschältung). Die Schaltdrosseln
werden also ebenso wie die Transformatorwicklüngen in beiden Halbwellen einer Wechselstromperiode
vom Strom durchflossen und sind daher besonders gut ausgenutzt. Einschaltdrosseln
und Anordnungen zur besonderen Vormagnetisierung der einzelnen Schaltdrosselkerne
können ergänzt werden. Die grobstufige Verstellung der Kontaktüberlappungszeiten
kann beispielsweise durch eine Verlängerung bzw. Verkürzung der Stößel bewirkt werden.
Zu diesem Zwecke können gemäß Fig. 2 die Stößel 36 aus zwei gegeneinander verdrehbaren
Teilen 63 und 64 bestehen. Der Teil 63 ist in der schematisch angedeuteten und mit
dem ruhenden Grundgestell verbundenen Führung mittels einer Nase 65 unverdrehbar
geführt. Der obere Teil 64 ist im unteren Teil 63 axial geführt und mittels eines
an ihm befestigten Hebels 66 verdrehbar, in den der Stift 67 einer Stange 68 eingreift.
In Fig.3 sind die beiden Stellungen des Hebels 66 angedeutet. Da die aneinanderstoßenden
Stirnflächen der beiden Teile 63 und 64 schräg gegeneinander abgesetzt sind, wie
Fig. 2 zeigt, so wird der obere Teil 64. bei der erwähnten Drehung um einen durch
den Höhenunterschied der gegeneinander abgesetzten Flächen gegebenen Betrag angehoben,
wie Fig. q. erkennen läßt, und damit der Stößel um den gleichen Betrag verlängert.
Dies ist gleichbedeutend mit einer entsprechenden Verkürzung der Kontaktüberlappungszeiten
und tritt ein, wenn der Gleichstrom unter einen vorbestimmten Betrag sinkt. Dann
öffnet nämlich das mit einem mittels Shunt vom Gleichstromkreis abgezweigten Strom
erregte Relais 77 (Fig. i) den vorher geschlossenen Erregerstromkreis des Magneten
78, so daß die Stange 68 von einer kräftigen Feder 79 mit möglichst großer
Geschwindigkeit so verstellt wird, daß die oberen Teile sämtlicher Stößel aus der
in Fig. 2 gezeichneten in die in Fig. q. gezeichnete Stellung gebracht werden. Die
Rückstellung erfolgt, wenn der Belastungsstrom wieder auf einen vorbestimmten Wert
gewachsen ist, durch Schließen des Relais 77 und Ansprechen des Ankers des Magneten
78 entgegen der Federkraft 79.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise sind in Fig. 5 Spannungen
U und Ströme J zweier einander ablösender Phasen; z. B. S und T, vor,
während und nach der Stromübergabe in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen, die
bei gegebener Frequenz auch als Winkel a in elektrischen Geraden gemessen werden
kann. Der links unten angegebene Zeitmaßstab für i ms gilt für eine Wechselströmfrequenz
von 50 Per./Sek. (i Halbwelle
= ro ms). Die Indizes S und
T beziehen sich auf die Phasen der Umformungsanordnung, die an entsprechende Phasen
des Wechselstromnetzes RS T angeschlossen sind. A U = UT - Us ist
die Kommutierungsspannung, die in dem beispielsweise von der stromabgebenden Phase
S und der stromübernehmenden Phase T gebildeten Kurzschlußkreise wirksam und mit
der verketteten Spannung identisch ist. Längs der Kurve für A U sind mit
Kleinbuchstaben einzelne Augenblicke bezeichnet, in denen sich die Schaltdrosseln
13, 1q. bei den verschiedenen, im folgenden zu besprechenden Betriebszuständen entsättigen
bzw. sättigen und die somit den Anfang bzw. das Ende einer stromschwachen Pause
bedeuten. Es ist die vereinfachende Annahme getroffen, daß der Strom auf der Gleichstromseite
z. B. durch eine sehr große Glättungsdrossel 41 vollkommen geglättet sei, so daß
die Summe der Kommutierungsströme zweier einander ablösender Phasen während der
Kommutierungszeit in jedem Augenblick gleich dem konstanten Wert des äußeren Gleichstromes
ist.
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Betrachtet werde der Fall, daß die Kontakteinrichtung der übernehmenden
Phase kurz nach dem als Nullpunkt der Winkelskala angenommenen Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
der einander ablösenden Phasen geschlossen wird, daß also z. B. die Phase T im Augenblick
ET, zugeschaltet wird, der dem Schnittpunkt der punktiert eingezeichneten Phasenspannungskurven
Us und UT um einen kleinen Winkel ao nacheilt. Führt die Stromumformungsanordnung
den höchsten betriebsmäßig vorkommenden bzw. zugelassenen Gleichstrom, der am Anfang
des in Fig. 5 dargestellten Zeitabschnittes in Phase S allein fließt, so beginnt
nach der Zuschaltung der Phase T in dem Kommutierungskreis ein Strom JT max anzusteigen
mit einer Geschwindigkeit, die in jedem Augenblick der Spannung U proportional ist.
In der Phase S überlagert sich dieser Kurzschlußstrom dem vorher vorhandenen Gleichstrom
und bringt diesen gemäß einer symmetrisch zu JT.ax verlaufenden Kurve Js,md, zum
Verschwinden. Sobald js max im Absinken den Wert erreicht, bei welchem sich die
Schaltdrossel der Phase S entsättigt, wird durch deren sprunghaft vergrößerte Induktivität
die weitere Stromänderung stark verzögert. Dem gezeichneten Beispiel ist die Annahme
zugrunde gelegt, daß die Entsättigung der Schaltdrossel bei einem kleinen positiven
Augenblickswert des Stromes eintritt, was durch geeignete Vormagnetisierung der
Drosselkerne erreicht werden kann und einen besonders günstigen Verlauf der wiederkehrenden
Spannung an den Kontakten zur Folge hat. Die plötzliche Abnahme der Änderungsgeschwindigkeit
erfaßt aber auch den Strom JT ."x, der ja während der Kommutierungszeit eine Komponente
des Stromes Js ",ax bildet und infolgedessen auch über die Schaltdrossel der Phase
S fließen muß. Für die Phase S beginnt also nach Fig. 5 im Augenblick g eine stromschwache
Pause, während welcher die Stromkurve etwa den gestrichelt eingezeichneten Verlauf
nehmen, d. h. vom Nullwert praktisch kaum abweichen würde, bis die Schaltdrossel
der Phase S sich im entgegengesetzten Sinne sättigen würde, womit die stromschwache
Pause ihr Ende finden würde, dem ein neuer steiler Anstieg des Stromes in entgegengesetzter
Richtung zu folgen hätte. Das Ende der stromschwachen Pause, z. B: im Augenblick
r, kann errechnet werden aus der Gleichung
In dieser bedeutet w die Windungszahl der Schaltdrosselwicklung 13, q den
Querschnitt des Kernes 1q. und A B die Änderung der Induktion zwischen den
beiden Knickpunkten der Magnetisierungskennlinie, die die Übergänge vom ungesättigten
Gebiet in die gesättigten Gebiete kennzeichnen. A B ist also von der Eisensorte
abhängig, aus der der Schaltdrosselkern 1q. besteht. Bei magnetisch unvollkommenen
Eisensorten, bei denen die Sättigungsübergänge mehr oder weniger abgerundet und
allmählich verlaufen, werden die Grenzpunkte für A B dadurch bestimmt, daß ein Sättigungsstromwert
i, gewählt wird mit der Maßgabe, daß Stromunterbrechungen nur stattfinden dürfen
bei Werten, die kleiner sind als dieser Sättigungswert i.. Auf die Wahl dieses Grenzwertes
können die Kontaktwerkstoffe und die Durchschlagsfestigkeit des umgebenden Mediums,
die Trenngeschwindigkeit der Kontakte und die Anstiegsgeschwindigkeit der an den
Kontakten wiederkehrenden Spannung merklichen Einfluß ausüben. Dem gewählten Werte
von ± i8 entsprechen auf der Magnetisierungskennlinie zwei Wertepaare -f- Bi und-BZ
bzw. - B1 und + B2. Dann ist A B
= J B1 + B,1 derAbsolutwert der Differenz
beider Werte. In Fig. 5 ist das so ermittelte Spannungsintegral von g bis rmit Linksschraffur
umrandet; die Länge der stromschwachen Pause beträgt hiernach rund 1,5 ms. Der betrachtete
Fall größter betriebsmäßig'vorkommender Belastung ist derjenige, bei dem die zeitliche
Lage der stromschwachen Pause der Phasenlage der Wechselspannung am meisten nacheilt;
denn bei geringerer Belastung ist der Ausgangswert von js kleiner, und der Stromwert,
bei dem sich die Schaltdrossel entsättigt, wird daher früher erreicht. Die Abschaltung
der Phase S wird daher vorteilhaft am Anfang der stromschwachen Pause g-r im Zeitpunkt
As, vorgenommen. Während der Zeit von ET 1 bis As, sind also die Kontakteinrichtungen
der einander ablösenden Phasen gleichzeitig geschlossen. Diese Zeit wird als Überlappungszeit
der Kontakte mit B bzw. im vorliegenden Fall mit 61 bezeichnet. Sie ist bei gegebener
Länge der Stößel 36 durch den Abstand der Welle 24 von den ruhenden Teilen der Kontakteinrichtung
festgelegt. Soll die Überlappungszeit 0, für alle betriebsmäßigen Belastungsfälle
bis herab zu dem kleinsten Strom, der beispielsweise durch eine Grundlast gegeben
sein kann, unverändert beibehalten werden, so muß dem durch die Bemessung der Schaltdrosseln
13, 1q. Rechnung getragen werden. Ein Grenzfall wäre beispielsweise der, daß die
Mindestbelastung gerade dem Sättigungswertig der Schaltdrossel entspricht. Dann
würde im Zuschaltaugenblick ET, sofort die stromschwache Pause beginnen.
Ihr Ende soll dann hinter dem unverändert gebliebenen Abschaltaugenblick As, liegen.
Die Länge der stromschwachen Pause muß daher mindestens gleich der sich beim größten
Belastungsstrom ergebenden Kommutierungsdauer, vermindert um die sich
beim
kleinsten Belastungsstrom ergebende Kommutierungsdauer sein. Aus dieser Bedingung
folgt die Bemessungsgleichung ZZ' - C1 . d B ' io $ = L (Imam
- Jmin), worin L die Induktivität des Kommutierungskreises ist, die sich
im wesentlichen aus der Induktivität der Transformatorwicklungenzweier Phasen und
der Restinduktivität (Streu- bzw. Luftinduktivität, bei magnetisch unvollkommenem
Material des Schaltdrosselkernes vermehrt um die oberhalb des gewählten Sättigungspunktes
vorhandene Eiseninduktivität) der gesättigten Schaltdrosseln zweier Phasen zusammensetzt,
und Jmax bzw. Jmin, der größte bzw. kleinste betriebsmäßig vorkommende Belastungsgleichstrom.
Da der Idealfall vollkommener Glättung praktisch nicht erreicht wird, so empfiehlt
es sich, einerseits die Kommutierungszeit des Mindeststromes bei der Bemessung der
Schaltdrosseln nicht in Rechnung zu stellen, sondern diese für die gesamte Kommutierungszeit
des Höchststromes nach der Gleichung ic)$ - L - J"ax zu bemessen, andererseits
bei der Festlegung der Grundbelastung und des durch sie bedingten Mindeststromes
nicht bis auf den Sättigungsstromwert is der Schaltdrosseln herabzugehen. Nach Fig.
5 ist ein Mindeststrom L d. von etwa dem Dreifachen des Sättigungsstromes angenommen.
Die stromschwache Pause beginnt infolgedessen im Augenblick a. Ihr Ende im Augenblick
n wird für das gewählte Beispiel wiederum aus der Gleichung
gefunden. Die entsprechende Fläche ist in Fig. 5 mit Rechtsschraffur umrandet. Da
die Augenblickswerte der Spannung .4 Ü zwischen ä und -n im Mittel kleiner
sind als zwischen den-Punkten g und y, so ist die stromschwache Pause dementsprechend
länger, nämlich 2,1 ms. Sie ist also reichlich bemessen. Dies kann insbesondere
bei hoher Betriebsspannung auch mit Rücksicht darauf geboten erscheinen, daß im
Laufe des Betriebes ungewollte Änderungen der Überlappungszeiten, z. B. infolge
von Wärmedehnungen oder Abnutzung der mechanischen Antriebsteile od. dgl. vorkommen
können.
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In Fig. 6 sind die Kommutierungskurven für verschiedene Belastungen
mit Änderung der Kontaktüberlappungszeit 0 in einer groben Stufe dargestellt. Für
die Größt- und Kleinstbelastung verlaufen die Ströme JSmaxundJT max bzw. JSmin und
JT ",in vomBeginn der Stromübergabe im Zuschaltzeitpunkt ET i bis zur Entsättigung
der Schaltdrossel der Phase S im Zeitpunkt g bzw. a genau wie die entsprechenden
Stromkurven in Fig.5. Es ist jedoch eine kleinere Bemessung der Schaltdrosseln angenommen,
so daß die stromschwache Pause bereits nach o,7 ms im Zeitpunkt in statt y bzw.
nach i, i ms im Zeitpunkte statt n beendet ist. Die Überlappungszeit 01,
die bei Höchststrom angewendet wird und den Abschaltzeitpunkt As, ergibt, kann also
bei Mindestlast nicht beibehalten werden, weil As,
später als e und somit
außerhalb der stromschwachen Pause liegt, so daß die Kontakte durch Rückzündungslichtbögen
beschädigt werden würden. In Fig. 6 sind nun noch die Kurven eines mittleren Belastungswertes
mit den Strömen js m und JT ", eingetragen. Die stromschwache Pause von o,8
ms liegt hier zwischen den Zeitpunkten d und h, so daß derAusschaltzeitpunktAsi
noch in die stromschwache Pause fällt. Bei dieser Belastung kann die Überlappungszeit
von 01 durch Vorverlegung des Ausschaltzeitpunktes auf A'sl bis auf den Wert
01' verkürzt werden. Dieser Wert kann für sämtliche kleineren Belastungen
beibehalten werden, weil A'sl vor e liegt und infolgedessen auch bei Mindestbelastung
noch in die stromschwache Pause fällt. Der mittlere Belastungswert, bei dessen Durchschreitung
die Überlappungszeit stufenförmig verändert wird, stellt somit den größten Stromwert
des mit der Überlappungszeit 01' betriebenen Belastungsbereiches dar, womit für
diesen Bereich ebenfalls die Bedingung erfüllt ist, daß die -Kontaktöffnung beim
größten betriebsmäßig vorkommenden Strom am Anfang der stromschwachen Pause beginnen
soll.
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Gleichzeitig mit der grobstufigen Änderung der Länge der Stößel 36
kann jedesmal durch eine geringe Winkelverstellung des Motorständers 26 die Phasenlage
des Einschaltzeitpunktes ET, auf den vorher vorhandenen Stand korrigiert
werden. Ein merklicher Schaden entsteht jedoch nicht, wenn diese Korrektur unterbleibt
oder zeitlich nachhinkt.
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Da Entlastungen sehr plötzlich auftreten können, muß die beschriebene
Vorrichtung durch Anwendung großer Kräfte und kleiner bewegter Massen sehr schnell
arbeiten. Die in Fig. = bis q. dargestellte Konstruktion ist nur ein Beispiel. Unter
Verwendung bekannter Konstruktionselemente lassen sich weitere Konstruktionen entwickeln,
welche die geforderten Verstellungen in Zeiten von der Größenordnung io-3 Sekunden
ausführen. Jedenfalls soll die Eigenzeit der Verstelleinrichtung kleiner sein als
die Zeitkonstante der Stromabnahme bei Entlastung. Insbesondere kann das Relais
77 unter Umständen vermieden werden und statt dessen der Hauptstrom direkt auf ein
Magnetsystem 78 einwirken. Man kann dieses Magnetsystem vorteilhaft so ausführen,
daß bei großem Strom die Stößel in ihrer Stellung mit verkürzter Länge gemäß Fig.
2 festgehalten werden, während bei Absinken des Stromes unter einen bestimmten Wert
beim Loslassen des Ankers des Magneten 78 die Stößel sehr schnell in die Verlängerungsstellung
der Fig. q. gelangen. Statt einer Änderung der Stößellänge kann z. B. auch eine
Veränderung des Abstandes der gemeinsamen Welle24, welche die Exzenter trägt, von
den ruhenden Teilen der Kontakteinrichtung 12 vorgenommen werden.
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Verstelleinrichtungen arbeiten gewöhnlich in einer Richtung schneller
als in der anderen. Darauf kann auch im vorliegenden Fälle Rücksicht genommen werden,
indem die schnellere Arbeitsrichtung der Verstellung im Sinne einer Verkürzung der
Überlappungszeiten zugeordnet wird, weil die Gefahr von Rückzündungen und Kontaktbeschädigungen
bei Stromunterbrechungen, die nach Ablauf der stromschwachen Pause erfolgen, größer
ist als bei vorzeitigen Stromunterbrechungen; denn bei vorzeitigen Stromunterbrechungen
tritt
nach der Kontaktöffnung erst noch eine stromschwache Pause ein, während welcher
ein etwa an den Kontakten gebildeter Lichtbogen von selbst erlöschen und der anschließende
Anstieg der wiederkehrenden Spannung nur allmählich vor sich gehen kann.
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Die beschriebene grobstufige Verstellung der Überlappungszeiten kann
auch bei Umformern mit regelbarer Aussteuerung in Verbindung mit der letzteren vorteilhaft
angewendet werden.