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Mechanischer Stromrichter Bekanntlich besteht ein Problem mechanischer
Stromrichter (Kontaktumformer) darin, daß mit wachsender Belastung die Kommutierungszeit
sich verlängert, während die mechanischen Kontaktzeiten nicht ohne weiteres, d.
h. nicht ohne zusätzlichen Aufwand, stromabhängig gebaut werden können. Aus diesem
Grunde müssen Mittel zum Entlasten der Kontakte von Schaltfeuer, z. B. saugdrosselähnlichen
Transformatoren oder Schaltdrosseln, so reichlich bemessen werden, daß sie im ganzen
Belastungsspielraum eine genügende Sicherheit der Stromunterbrechung gewährleisten.
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Je nach dem Verwendungszweck werden Stromrichter benötigt, welche
entweder eine steife (schwach fallende) oder eine mit der Belastung stark .fallende
Kennlinie aufweisen. Versucht man, die stark fallende Kennlinie durch induktive
Widerstände im Kommutierungskreis zu erreichen, so ergibt sich die Schwierigkeit,
daß mit zunehmender Induktivität die Kommutierungszeit mit zunehmender Belastung
anwächst, was zur Folge hat, daß bei solchen Gleichrichtern ein besonders großer
Aufwand an Drosseln zur Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer erforderlich ist.
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Andererseits ist es bekannt, daß bei einer Verzögerung der Einschaltzeitpunkte
(entsprechend der Gittersteuerung von Ventilstromrichtern) mit einer Verringerung
der Gleichspannung gleichzeitig eine Verringerung der Kommutierungszeit verbunden
ist. Dies
hat seinen Grund darin, daß die Augenblickswerte der Kommutierungsspannung
bei verspäteter Einleitung der Kommutierung größer sind.
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Nach der Erfindung wird bei mechanischen Stromrichtern, bei denen
die Kontakte durch ein magnetisches Wechselfeld betätigt werden, die Phasenlage
der Kontaktbetätigung durch eine zusätzliche Erregung des Magnetfeldes vom Laststrom
oder einem vom Laststrom abhängigen Strom beeinflußt. Dies kann z. B. dadurch geschehen,
daß die Anodenströme oder der Primärstrom des Gleichrichterumspanners in passender
Windungszahl und Phasenlage zur zusätzlichen Erregung des antreibenden Magnetfeldes
verwendet werden. Erfolgt der Antrieb der Kontakte durch einen Synchronmotor, so
muß die Ankererregung dieses Motors außer der üblichen festen Erregung noch eine
vom Anodenstrom oder Primärstrom durchflossene Wicklung aufweisen. Erfolgt die Bewegung
der Kontakte ohne Verwendung eines Motors direkt durch ein Magnetfeld, beispielsweise
bei Schwinggeräten oder magnetisch angetriebenen Wälzkontaktgeräten, so läßt sich
die Erfindung leicht verwirklichen, da letztere Geräte für die einzelnen Phasen
einzelne Erregerspulen aufweisen, um die man ohne Schwierigkeiten den Laststrom
oder einen vom Laststrom abhängigen Strom in einigen Windungen herumführen kann.
Hat das antreibende Magnetfeld außer der Wechselstromerregung auch eine Gleichstromerregung,
so kann man auch den Belastungsgleichstrom zur Verstärkung oder Schwächung dieses
Feldes benutzen, da im allgemeinen von der Stärke des Gleichstromfeldes die Phasenlage
des Kontaktgerätes etwas abhängt. Man kann auch den Belastungsgleichstrom zur Vorerregung
einer Sättigungsdrossel benutzen, die z. B. gleichzeitig Glättungsdrossel sein kann,
und kann der Erregung des Kontaktgerätes über diese Sättigungsdrossel eine zusätzliche
Erregung aus einer gesonderten Stromquelle zuführen. Der Zusatzstrom ändert sich
dabei abhängig vom Sättigungsgrad der Sättigungsdrossel, d. h. abhängig vom Belastungsgleichstrom,
und zwar kann man auf diese Weise außer einem angenähert linearen Zusammenhang auch
nichtlineare Abhängigkeit der Zusatzerregung vom Belastungsgleichstrom erzielen.
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Die Erfindung ermöglicht es, eine Reihe von praktischen Anforderungen
auf einfache und betriebssichere Weise zu erfüllen. Legt man z. B. bei Gleichrichterbetrieb
die zusätzliche Erregung derart aus, daß bei wachsender Belastung die Kontaktbetätigung
derart verzögert wird, daß die Kommutierungszeit angenähert oder genau konstant
bleibt, so läßt sich dadurch das mögliche Belastungsspiel des Gleichrichters erheblich
erweitern bzw. bei gegebenem Belastungsspiel die Sicherheit des Betriebes erhöhen
oder die notwendige Größe der Entlastungsdrosseln verringern.
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Zur Erläuterung dieses Verfahrens diene folgende Rechnung: Bekanntlich
besteht zwischen der Überdeckungüo der Kontaktzeiten, dem Steuerwinkelß, dem bezogenen
induktiven Luftspannungsabfall gL, dem Belastungsgrad
der bezogenen Stufenlänge d 1, der Entlastungsdrosseln und den Augenblickswerten
Jein und Jaus
der Magnetisierung der Drosseln in den Zeitpunkten ß und ß +
ü folgende Beziehung (vgl. E und M, 1942, S.368): cos (ß -(- ü0) = cos ß
- (2 gj Ü -f- d) (i)
Dabei ist J, die Magnetisierung der Drossel bei der jeweiligen Belastung I91 und
4 J3 die für die Stufe d 1s ausnutzbare Magnetisierungsänderung der Drossel.
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Setzt man für anzenäherte Berechnunzen und kleine
| Werte von ß, ß G 6o: cos ß s@ i - , so ergibt
sich |
f aus (i)
Diese Gleichung gestattet, den Steuerwinkel ß abhängig von der Belastung Ü zu ermitteln,
wenn sowohl die Kontaktzeit ü. als auch die Magnetisierung der Entlastungsdrossel
im Ausschaltzeitpunkt Jaus
, d. h. die Sicherheit, konstant bleiben soll,
wie dies eine Aufgabe der Erfindung ist.
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Bei Grundlast sei der Steuerwinkel ß, eingestellt. Durch die Veränderung
des Steuerwinkels ß mit veränderlicher Last tritt ein zusätzlicher induktiver Spannungsabfall
auf, d. h. die Neigung der Kennlinie wird durch die Anwendung der Erfindung beeinflußt.
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In Fig. i und 2 der Zeichnung ist der Verlauf des Stromes über der
Zeit dargestellt. ß" bedeutet den Zeitpunkt, bei dem bei Leerlauf die Kommutierung
beginnt, also der Kontakt einer Folgephase geschlossen wird. Bei Grundlaststrom
I, ist die Kommutierung verhältnismäßig schnell beendet. Behält man bei großem Strom
den Zeitpunkt ß, für den Beginn der Kommutierung bei, wie dies in Fig. i vorausgesetzt
ist, so benötigt die Kommutierung bei großem Strom I.", eine bedeutend längere Zeit.
Man muß eine Kontaktüberdeckung ü,' wählen, damit bei großem Strom die Kontaktunterbrechung
erst im Augenblick ßo -(- iio' erfolgt, nachdem der Strom I."" bereits auf den Stufenstrom
der Entlastungsdrossel abgesunken ist. Da bei Grundlaststrom I, die Stufe früher,
d. h. in der Zeichnung weiter links, liegt, so bleibt bei Grundlaststrom nur ein
verhältnismäßig kleiner Bruchteil der Stufe hinter dem Ausschaltzeitpunkt, d. h.
die Leerlaufsicherheit z' ist verhältnismäßig klein.
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Fig. 2 zeigt demgegenüber die Verhältnisse bei Anwendung der Erfindung.
Es wird eine Kontaktüberdeckung ü. gewählt, welche sehr klein ist und gerade i ausreicht
für den Betrieb mit Grundlaststrom I, beim Steuerwinkel ß.. Demgemäß ergibt sich
eine sehr große Leerlaufsicherheit z. Bei großem Strom im,ax wird der Steuerwinkel
ß, automatisch auf den Winkel ß vergrößert. Bei diesem vergrößerten Steuerwinkel
i erfolgt die Kommutierung des größten Stromes I,nax
ebenso schnell
wie die Kommutierung des Grundlaststromes 1o beim Steuerwinkel ßo. Im Zeitpunkt
ß + iio ist infolgedessen die Kommutierung bereits beendet und der Strom bereits
auf den Stufenstrom abgesunken, so daß der Kontakt ohne Schaltfeuer öffnen kann.
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Wählt man ßo = o, d. h. lädt man die Kommutierung bei Grundlaststrom
im Schnittpunkt der Phasenspannungen beginnen, so tritt nach Gleichung (4) ein zusätzlicher
Spannungsabfall
auf, welcher die Neigung der Kennlinie vergrößert. In Fig. 3 ist die Größe der Gleichspannung
Uet abhängig vom Steuerwinkel ß aufgetragen. Sie bildet bekanntlich eine Kosinuslinie.
Gleichzeitig ist nach Gleichung (i) die notwendige Kontaktüberdeckung ü. mit äufgetragen.
Sie wächst mit abnehmendem ß stetig an, und zwar auch bei negativen Werten ß. Wählt
man ß) = o, so tritt, wie schon gesagt, ein zusätzlicher Gleichspannungsabfall g+
= d Ugt bei größtem Strom auf. Man kann jedoch bei Grundlast den Steuerwinkel
negativ wählen, z. B. auf den Wert ß' einstellen. Dazu ist eine verhältnismäßig
große Kontaktüberdeckung ü,' erforderlich. Gleichzeitig verringert sich die Spannung
bei Grundlast um den Betrag d U"'. Wird jetzt der Gleichrichter belastet,
so vergrößert sich der Steuerwinkel nach der Erfindung. Gleichzeitig nimmt damit
die Gleichspannung entsprechend der Konuslinie zu, d. h. man kann durch Anwendung
der Erfindung nicht nur die Neigung der Kennlinie vergrößern, sondern man kann sie
auch verringern. In Fig, 4 ist dies dargestellt. a sei die Kennlinie ohne Anwendung
der Erfindung. Sie fällt im wesentlichen mit wachsendem Strom geradlinig ab. b ist
die abgeänderte Kennlinie für den Fall, daß ß, = o gewählt wird und mit wachsender
Belastung größere Werte ß automatisch eingestellt werden, so daß die Kommutierungsdauer
konstant bleibt. Da nach Gleichung (4) der zusätzliche Spannungsabfall g+ etwa quadratisch
mit ß anwächst und andererseits ß nach Gleichung (3) vor allem bei kleinen Werten
d, d. h. bei scharf geknickter Eisenkennlinie für die Entlastungsdrosseln, proportional
mit der Belastung anwächst, so wächst g+ angenähert quadratisch mit der Belastung,
d. h. man erhält eine Kennlinie, deren Neigung mit zunehmender Belastung zunimmt.
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Wählt man ß, negativ, so erhält man eine Kennlinie entsprechend dem
Verlauf c, z. B. bei Nennlast dieselbe Spannung wie ohne Anwendung der Erfindung;
bei kleineren Belastungen und bei größeren Belastungen ist jedoch die Spannung verringert,
weil ß kleiner oder größer als Null wird, was beides eine Verringerung der Spannung
zur Folge hat.
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Es ist bekannt, daß man nicht nur durch den Steuerwinkel, sondern
auch durch die Vorerregung der Entlastungsdrosseln die Gleichspannung beeinflussen
kann, und zwar wirkt dieses Verfahren derart, daß die Vorerregung die Entlastungsdrosseln
kurz vor dem Einschalten einer Phase entgegen der Richtung des Laststromes magnetisiert.
Vom Augenblick des Einschaltens an muß also zuerst eine gewisse Zeit verstreichen,
während welcher die Entlastungsdrosseln in Richtung des Laststromes gesättigt und
um welche die Kommutierung verzögert wird. Man erhält also eine Verringerung der
Gleichspannung, gleichzeitig jedoch eine Vergrößerung der notwendigen Kontaktschließzeit.
Macht man die negative Vorerregung der Entlastungsdrossel kurz vor dem Einschaltaugenblick
lastabhängig, so kann man erreichen, daß die Neigung der Kennlinie vergrößert wird.
Gibt man zusätzlich der Entlastungsdrossel kurz vor dem Einschaltaugenblick eine
konstante positive Erregung, so tritt die Wirkung der lastabhängigen, negativen
Erregung erst bei einer ganz bestimmten Stromstärke auf, bei der sie nämlich die
lastunabhängige, positive Erregung angenähert bis auf die Koerzitivkraft kompensiert.
Dies wirkt sich auf die Kennlinie derart aus, daß bei einer bestimmten Stromstärke
ein Abknicken erfolgt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Gleichzeitig mit dem Abknicken
tritt eine starke Vergrößerung der notwendigen Kontaktzeiten auf, welche die praktische
Anwendung des beschriebenen Verfahrens nur mit sehr großen Entlastungsdrosseln ermöglicht.
Wendet man jedoch gleichzeitig die Erfindung an, so lädt sich dieser Nachteil vermeiden,
und zwar hat man die Phasenlage des antreibenden Magnetfeldes abhängig vom Belastungsstrom
nicht stetig zurückzudrehen, sondern bei der Belastung, bei der das Abknicken der
Kennlinie in Fig. 5 erfolgt, muß plötzlich diese bei Steigung der Belastung sehr
stark zunehmen. Dies kann man dadurch erreichen, daß man, wie schon erwähnt wurde,
mit dem Belastungsgleichstrom eine Sättigungsdrossel derart vorerregt, daß diese
sich bei einer bestimmten Belastung plötzlich sättigt und infolgedessen einen geringen
Widerstand annimmt. Legt man eine zweite Wicklung auf die Sättigungsdrossel in den
Zusatzerregerkreis des antreibenden Magnetfeldes und speist man diesen Zusatzkreis
von einer konstanten Spannung, so lädt sich erreichen, daß diese Zusatzerregung
sich mit wachsender Belastung des Gleichrichters bei einer bestimmten Last plötzlich
sehr viel stärker ändert. Auf diese Weise kann man stark geknickte Kennlinien wie
in Fig. 5 auch mit kleinen Entlastungsdrosseln und ohne Einbuße an Sicherheit praktisch
verwirklichen.
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In Fig. 6 ist dargestellt, wie sich die Zusatzerregung awi, die vom
Laststrom abhängig ist, zu der Grunderregung des Magnetfeldes aw, addiert, und zwar
ist in Fig. 6 der Winkel y zwischen beiden beispielsweise 6o° gewählt. Die Summe
aus aw, und aw, ergibt aw, welches mit aw, den Winkel ß -ß, bildet. Man sieht, daß
sich die Gesamterregung aw in dem gewählten Beispiel in ihrer Größe wenig mit dem
Belastungsstrom ändert und daß die Zunahme des Winkels ß - ß, angenähert proportional
mit awl anwächst.
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Statt eines plötzlichen Absinkens der Kennlinie wie in Fig. 5 kann
man durch sinngemäße Kombination der beschriebenen Mittel auch ein plötzliches Heraufspringen
erreichen, ohne daß die Sicherheit des Betriebes unnötig verringert würde. Durch
die Erfindung wird bei Geräten mit stark fallender Kennlinie, beispielsweise Ladegeräten,
Schweißumformern, Scheinwerferspeisung, Konstantstromverbrauchern, die Verwendung
mechanischer Stromrichter ohne großen Aufwand an Entlastungsmitteln und ohne Einbuße
an Betriebssicherheit möglich. Darüber hinaus verschwinden
durch
Verwendung der Erfindung bei diesen Umformern die Nachteile, welche Entlastungsdrosseln
mit Eisenkernen mit nicht scharfem Sättigungsknie normalerweise aufweisen. Denn
diese Nachteile liegen einmal darin, daß solches Eisen zusätzlichen induktiven Spannungsabfall
verursacht. Dieser wird in den genannten Geräten zur Neigung der Kennlinie ausgenutzt.
Der Nachteil liegt weiter darin, daß durch die schleichende Sättigung des Eisens
normalerweise das Belastungsspiel stark eingeschränkt wird. Dieser Nachteil wird
durch die Anwendung der Erfindung vollkommen beseitigt. Es kann sogar für die genannten
Zwecke Eisen mit nicht geschärftem Sättigungsknie geeigneter sein als die bislang
für ideal geltenden Eisenkennlinien mit fast rechtwinkligem Sättigungsknie. Nach
Gleichung (i) und (3) hat der Luftspannungsabfall gz erheblichen Einfluß auf die
Wirkungsweise der Erfindung. Man kann diesen, wenn er wie bei Anwendung der Erfindung
für Gleichrichter mit stark geneigter Kennlinie nicht extrem klein zu sein braucht,
in weiten Grenzen durch Auslegung der Wicklung der Sättigungsdrossel frei wählen.
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Die Erfindung stellt ein Mittel dar, eine der unangenehmsten Eigenschaften
mechanischer Stromrichter, nämlich ihr begrenztes Belastungsspiel, mit einfachen
Mitteln zu beseitigen. Dementsprechend kommt ihr auf dem Gebiet der mechanischen
Stromrichter hohe Bedeutung zu. Sie ermöglicht es, mit einfachsten Kontaktgeräten,
nämlich Kontaktgeräten mit konstanter Kontaktzeit, zu arbeiten, wie z. B. magnetisch
angetriebenen Wälzkontaktgeräten.
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Soll bei einem mechanischen Stromrichter nicht nur durch Anwendung
der Erfindung die Leerlaufsicherheit auf den größtmöglichen Wert gebracht und die
Kennlinie im Sinne stärkerer oder geringerer Neigung beeinflußt werden, sondern
soll außerdem die Spannung regelbar sein, so kann man diese auch mit konstanter,
unveränderlicher Kontaktzeit ausführen, indem man die Verringerung der Gleichspannung
teilweise durch Änderung des Steuerwinkels und teilweise durch Vorerregung der Entlastungsdrosseln
bewerkstelligt und beide Mittel so aufeinander abstimmt, daß die Kommutierungszeit
konstant bleibt. Man erhält auf diese Weise mechanische Stromrichter, welche sowohl
bei wechselnder Last als auch bei wechselnder Spannung mit konstanter Kommutierungszeit
arbeiten. Man wird außer den beschriebenen unter Umständen alle Einrichtungen anwenden,
die zur Verbesserung des Betriebes von Kontaktumformern bekannt sind, wie z. B.
Löschkondensatoren, Einschaltdrosseln usw.