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Elektrischer Umformer Zusatz zum Patent 84'7 036 Das Hauptpatent betrifft
einen elektrischen Umformer, bei dem die Stromumformung mittels magnetischer Schalter
unter Verwendung von mindestens einer Schaltdrossel und einem Steuerventil bewirkt
wird, wobei neben der Hauptstromwicklung des elektromagnetischen Schalters auch
noch Zusatzeinschalt- und -ausschaltspulen zur Verwendung gelangen. Einige Anordnungen
zur Einleitung der Erregung dieser Zusatzwicklungen durch den beim Ummagnetisieren
einer gesättigten Drossel auftretenden Spannungsimpuls sind bereits vorgeschlagen
worden. Es sind nun aber Fälle denkbar, bei denen diese Art der Steuerung zu Fehlschaltungen
führen kann, z. B. dadurch, daß die gesättigte Drossel durch Rückmagnetisierung
in einen vorgeschriebenen Sättigungszustand gebracht wird. Hierbei können Spannungen
an der Steuerwicklung auftreten, die zu vorzeitiger Ein- oder Ausschaltung des zugehörigen
Schalters führen. Es ist auch denkbar, daß die zur Steuerung dienende Drossel bereits
gesättigt ist, so daß im Moment des Einschaltens überhaupt kein Steuerimpuls mehr
zustande kommt.
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Die Erfindung befaßt sich mit einer besonders betriebssicheren Ausführung
eines solchen Umformers. Ihr Kennzeichen besteht darin, daß die Erregung der Zusatzeinschaltwicklung
vom Spannungsabfall an einer im Hauptstromkreis liegenden,
wenigstens
annähernd stromunabhängigen Zusatzimpedanz eingeleitet wird. Anders ausgedrückt
bedeutet dies, daß der im Hauptpatent zum Ausdruck gebrachte Grundgedanke, wonach
die Einschaltung unter allen nur denkbaren Betriebsverhältnissen unmittelbar nach
Einsetzen des Vorwärtsstromes erfolgen soll, durch entsprechende, vom Hauptstrom
unabhängige Erregung einer Zusatzeinschaltwicklung bewirkt wird.
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Ordnet man im Hauptstromkreis beispielsweise einen ohmschen Widerstand
an, so tritt im Augenblick, da der Hauptstrom über das Parallelventil zu fließen
beginnt, ein ohmscher Spannungsabfall auf, der, wie weiter unten beschrieben wird,
zur Einleitung der Erregung der Zusatzeinschaltspule Verwendung findet. Damit dieser
Widerstand nur vorübergehend belastet wird, ist es vorteilhaft, ihn parallel zu
den Schalterkontakten und in Serie mit dem Steuerventil anzuordnen; bei geschlossenem
Schalter ist in diesem Fall der Widerstand kurzgeschlossen und daher stromlos. An
Stelle eines Widerstandes im Hauptstromkreis kann auch eine Zusatzinduktivität Verwendung
finden; doch wird man diese zweckmäßig nicht im Parallelkreis anordnen, da hierdurch
die Kommutation auf das Steuerventil erschwert würde. Unter Umständen kann es sinnvoll
sein, diese Zusatzinduktivität mit einem ferromagnetischen Kern zu versehen. Um
der Forderung nach einer möglichst stromunabhängigen Zusatzinduktivität zu genügen,
wird man den ferromagnetischen Kern zweckmäßig aus lamelliertem Eisen mit Luftspalt
oder als Ferrit-oder Massekern ausbilden. Diese Kernbauweise ergibt zugleich sehr
geringe Wirbelstromverluste und damit entsprechend steile Flußänderungen.
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Der Vorteil der Anordnung nach der Erfindung besteht darin, daß die
an den Zusatzimpedanzen auftretenden Spannungsimpulse nur vom Momentanwert des Hauptstromes
oder seiner Steilheit, nicht aber von irgendwelchen Ummagmetisierungsvorgängen oder,
anders ausgedrückt, von der Vorgeschichte der Schaltdrosseln oder Zusatzdrosseln
abhängig sind.
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Im allgemeinen ist es vorteilhaft, die Zusatzimpedanz so auszulegen,
daß der daran durch den Hauptstrom erzeugte Spannungsabfall klein ist. Um trotzdem
für die nachstehend beschriebenen Steuerzwecke genügend hohe Spannungen zur Verfügung
zu haben, wird man die Anordnung so treffen, daß der an der Zusatzimpedanz auftretende
Spannungsabfall auf einen Transformator einwirkt, dessen Versetzungsverhältnis beispielsweise
r : 5o beträgt. Die Zwischenschaltung von Transformatoren hat zudem den Vorteil,
daß die Steuerkreise von den Hauptstromkreisen isoliert sind. Bei Verwendung einer
Zusatzinduktivität kann es zweckmäßig sein, für die Drossel und den Transformator
einen gemeinsamen ferromagnetischen Kern zu verwenden.
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Die Zusatzeinschaltwicklung wird zweckmäßig vom Entladestrom eines
über einen Widerstand an eine Gleichspannungsquelle (Fremdspeisung) angeschlossenen
Kondensator erregt, wobei die Entladung durch Einwirkung des an der Zusatzimpedanz
auftretenden Spannungsabfalles auf ein in Reihe mit dem Kondensator und der Zusatzeinschaltwicklung
liegendes Ventil eingeleitet wird. Mit anderen Worten: Sowie in einer Phase des
Gleichrichters der Vorwärtsstrom zu fließen- beginnt, wird entweder durch Erhöhung
der Anodenspannung oder durch Positivmachen des Gitters einer Röhre ein vorher bereits
aufgeladener Kondensator über die Zusatzeinschaltwicklung entladen, wobei der Schalter
in Zeiten von etwa ro--¢ s geschlossen wird, auch wenn der Hauptstrom selbst noch
sehr geringe Werte aufweist. Dies ist nur möglich, wenn gemäß der Erfindung Induktivität
und Kapazität des Entladestromkreises so gewählt werden, daß die Dauer einer Halbperiode
des schwingenden Entladestromes unter z ms liegt, insbesondere etwa 0,5 ms
beträgt. Das im Ent-Ladestromkreis liegende Ventil löscht nach dem ersten Stromnulldurchgang
des schwingenden Entladestromes infolge seiner Ventilwirkung. Von da ab muß nun
der Schalter entweder durch eine zusätzliche permanente Erregung oder durch die
bereits ausreichend groß gewordene Hauptstromerregung in seiner Einschaltstellung
gehalten werden. Um von diesen zusätzlichen Bedingungen frei zu werden, kann es
zweckmäßig sein, nicht nur im Lade-, sondern auch im Entladestromkreis des die Zusatzeinschaltspule
speisenden Kondensators einen Widerstand vorzusehen, durch den der Entladestromkreis
so stark gedämpft wird, daß der total durch die Zusatzeinschaltwicklung fließende
Strom mindestens bis zum Auftreten der Ausschaltstufe einen vorgegebenen Mindestwert
nicht unterschreitet. Dieser Mindestwert muß so groß sein, daß der elektromagnetische
Schalter sicher in der Einschaltstellung festgehalten wird, auch wenn der Hauptstrom
angenähert den Wert Null hat.
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Insbesondere für Umformer größerer Stromstärke kann es zweckmäßig
sein, neben der Zusatzeinschaltwicklung auch noch eine Zusatzausschaltwicklung vorzusehen,
deren Erregung durch den Spannungsabfall an einer vom Hauptstrom durchflossenen
Impedanz eingeleitet wird. Als solche Impedanz kann beispielsweise, wie anderweitig
bereits vorgeschlagen, die vom Hauptstrom durchflossene Schaltdrossel selbst dienen,
da daran unmittelbar vor und während der Ausschaltstufe ein hoher Spannungsabfall
auftritt. Um jedoch die Schaltdrossel nicht zusätzlich zu belasten, kann es zweckmäßig
sein, eine kleine vom Hauptstrom durchflossene Zusatzschaltdrossel vorzusehen, wobei
der daran auftretende Spannungsabfall zur Einleitung der Erregung der Zusatzausschaltwicklung
verwendet wird. In ähnlicher Weise wie für das Einschalten kann auch die Zusatzausschaltwicklung
vom Entladestrom eines über einen Widerstand an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen
Kondensators erregt werden, wobei die Entladung durch Einwirkung des an der Impedanz
auftretenden Spannungsabfalls auf ein in Reihe mit dem Kondensator und der Zusatzausschaltwicklung
liegendes
Ventil eingeleitet wird. Werden die Verhältnisse so getroffen, daß eine schwingende
Entladung nach Fig. 2 entsteht, so ist für das Festhalten der Schaltelemente in
der Ausschaltstellung noch eine zusätzliche Kraft in Form einer Feder, der Schwerkraft
oder einer permanenten Erregung des Ausschaltsystems erforderlich. In analoger Weise
kann man auch im Stromkreis der Zusatzausschaltwicklung einen Dauerimpuls verwenden,
der erst im Moment des Wiedereinschaltens des betreffenden Schalters oder unmittelbar
davor unwirksam gemacht wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß sowohl
in Reihe mit der Zusatzeinschalt- als auch Zusatzausschaltwicklung je ein Dämpfungswiderstand
vorgesehen ist, wobei die beiden Entladestromkreise derart miteinander gekoppelt
sind, daß beim Auftreten des einen Impulses der Strom im andern Entladestromkreis
durch Erzeugung einer entsprechenden Gegenspannung durch Null geht, so daß das zugehörige
Ventil löscht. Auch im Fall, da keine Zusatzausschaltwicklung Verwendung findet,
ist es notwendig, im Entladestromkreis der Zusatzeinschaltwicklung während der Ausschaltstufe
eine Hilfsspannung wirksam werden zu lassen, die das Ventil im Entladestromkreis
zum Erlöschen bringt. Diese Hilfsspannung kann entweder am Dämpfungswiderstand,
im Entladestromkreis oder auch unmittelbar am Ventil selbst zur Wirkung kommen.
Um die magnetische Energie insbesondere in der Zusatzeinschaltwicklung möglichst
schnell zum Verschwinden zu bringen, können parallel dazu die Reihenschaltung eines
Ventils und eines Widerstandes angeordnet werden, wobei die Durchlaßrichtung des
Ventils der Stromrichtung des Entladestromes entgegengesetzt gerichtet ist.
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In den Fig. i, q., 5 und 6 sind einige beispielsweise Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt, während die Fig. 2 und 3 zur Erläuterung der beiden Impulsformen
dienen.
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In Fig. i ist i ein Dreiphasentransformator mit den Sekundärwicklungen
2, 2', 2". Im folgenden wird nur eine Phase betrachtet; die Schaltung der übrigen
Phasen ist analog; es kann lediglich die speisende Batterie für alle Phasen gemeinsam
verwendet werden. 3 ist eine Schaltdrossel mit der Hauptstromwicklung q., 5 ein
an sich bekannter Streckkreis zur Erzeugung einer möglichst flachen stromschwachen
Stufe, 6 eine Vormagnetisierungswicklung, die über eine Stabilisierungsdrossel 7
und einen einstellbaren Widerstand 8 an die Gleichstromquelle 9 angeschlossen ist.
Mit Hilfe der Wicklung io ist es möglich, die Schaltdrossel 3 jeweils in den für
den nachfolgenden Schaltvorgang günstigsten Vormagnetisierungszustand zu bringen.
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Der eigentliche Gleichrichter i i besteht aus einem beweglichen Schaltelement
12 mit den Unterbrechungsstellen 13 und i3', zu denen das Steuerventil 1q. parallel
liegt. 15 ist eine Ausschaltfeder, 16 die Hauptstromwicklung und 17 die Zusatzeinschaltwicklung.
Für die Impulssteuerung dienen der Widerstand 18, an den der Transformator i9 angeschlossen
ist, sowie das Ventil 2o mit der Anode 2i, der Kathode 22 und dem Gitter 23, ferner
die Widerstände 2q., 25 und 26, die Steuerbatterie 27 sowie der Kondensator 28.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun folgende: Sowie die Spannung der Sekundärwicklung
2 des Transformators i positiv wird, beginnt ein Strom über die Hauptstromwicklung
q. der Schaltdrossel 3, die Haupterregerwicklung 16 des Schalters i i, den Widerstand
18 und das Steuerventil 1q. in Richtung des Pfeiles nach der Belastung 29 des Gleichrichters
zu fließen. Die Schaltdrossel 3 ist durch passende Speisung der Wicklung io so hoch
vormagnetisiert, daß der Strom in der Wicklung q. nach Durchlaufen einer Stufe von
beispielsweise i ... 2- 1o-¢ s bereits zur Sättigung führt. Der kleine kurz
andauernde Stufenstrom bewirkt trotzdem an dem Widerstand 18 einen Spannungsabfall,
der mit Hilfe des Transformators i9 so weit hochtransformiert wird, daß das Gitter
23 der Röhre 20 positiv wird. Damit kann sich der Kondensator 28 über die Zusatzeinschaltspule
17 entladen. Je nach Wahl des Widerstandes 25 tritt, wie weiter unten an
Hand der Fig. 2 und 3 erläutert wird; eine schwingende oder aperiodisch gedämpfte
Entladung auf. Im ersteren Fall geht der Entladestrom kurz nach Durchlaufen einer
Halbwelle durch Null, das Ventil 2o löscht, und das Schaltelement 12 wird nun durch
die Hauptstromspule 16 in der Einschaltstellung gehalten. Damit dies unter allen
Betriebsverhältnissen erfolgt, muß im allgemeinen eine passend gewählte Grundlast
eingeschaltet sein.
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Das Ausschalten erfolgt in an sich bekannter Weise dadurch, daß kurz
vor Auftreten der Ausschaltstufe die magnetische Haltekraft der Hauptstromspule
16 kleiner wird als die Ausschaltkraft der Feder i5. Es wird dann der kleine Stufenstrom
von beispielsweise 0,3 A auf das Steuerventil 1q. kommutiert, das zugleich
die endgültige Unterbrechung übernimmt.
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Fig. 2 zeigt den Stromverlauf durch die Zusatzeinschaltwicklung 17
der Fig. i, wenn der Widerstand 25 nur einen geringen Wert hat. Es fließt dann ein
schwachgedämpfter Strom i, dessen Größe und Frequenz im wesentlichen durch die Induktivität
der Wicklung 17 und die Kapazität des Kondensators 28 bestimmt ist. Diesem Wechselstrom
ist noch ein Gleichstrom i. überlagert, dessen Höhe vornehmlich von der Spannung
der Gleichstromquelle 9 und der Größe des Widerstandes 26. abhängt. Der resultierende
Strom i,. geht zur Zeit to durch Null, wobei das Ventil 20 löscht.
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Gibt man dem Widerstand 25 einen so großen Wert, daß der schwingende
Strom i annähernd aperiodisch gedämpft ist, und überlagert man diesem Strom einen
ausreichend großen Gleichstrom io, so entsteht eine Impulsform, wie sie in Fig.3
dargestellt ist. Es ist leicht möglich, den Mindestwert 41. nur wenig kleiner
als i. zu halten und ihm einen so großen Wert zu geben, daß das Schaltelement 12
entgegen der Wirkung der Feder 15 (vgl. Fig. i) auch bei einem Hauptstrom I=o in
der Einschaltstellung festgehalten wird. Weiter
unten werden Maßnahmen
beschrieben, um den Strom io kurz vor oder während der Ausschaltstufe Null werden
zu lassen.
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Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit Zusatzein- und -ausschaltwicklung,
wobei der zur Steuerung nötige Spannungsabfall von einer kleinen, im Hauptstromkreis
liegenden Zusatzdrossel 30 geliefert wird. Die mit Fig. i übereinstimmenden
Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszahlen bzzeichnet, wobei der Einfachheit
halber zusätzliche Einrichtungen, wie Streckkreise, Vormagnetisierungseinrichtungen
u. dgl., weggelassen wurden. Hinzugekommen ist die im Hauptstromkreis liegende Zusatzdrossel
3o, die zugleich als Transformator ausgebildet ist. Ihre Sekundärwicklung 31 liegt
über einen Gitterwiderstand 32, am Gitter 23 des Ventils 2o. Das Gitter ist durch
die Steuerbatterie 27 normalerweise negativ vorgespannt und wird dann bei Einsetzen
des Vorwärtsstromes durch eine passend gewählte hochtransformierte Spannung positiv
gemacht, wodurch in der vorhin beschriebenen Weise: das Schaltelement 12 in die
Einschaltstellung gebracht wird. Zur Herbeiführung der Ausschaltbewegung dient der
Stromkreis, bestehend aus der Zusatzausschaltwicklung 33, dem Kondensator 34, dem
Widerstand 35 und dem Ventil 36 mit der Anode 37, der Kathode 38 und dem Gitter
39, das ebenfalls durch die Steuerbatterie 27 normalerweise negativ vorgespannt
ist. Das Gitter 39 ist über einen Widerstand 4o an eine Sekundärwicklung 41 der
Schaltdrossel 3 angeschlossen. Die Kondensatoren 28 und 34 werden über die Widerstände
26 bzw. 42 von der Gleichstromquelle 9 aufgeladen, die zugleich den Haltestrom io
(vgl. Fig. 3) liefert.
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Der Einschaltvorgang vollzieht sich in genau der gleichen Weise, wie
er an Hand von Fig. i beschrieben wurde. Die Widerstände sind so bemessen, daß eine
Impulsform gemäß Fig. 3 entsteht. Nähert sich nun der Hauptstrom I seinem Nullwert,
so wird die Schaltdrossel 3 ummagnetisiert; es entsteht an ihrer Sekundärwicklung
41 ein Spannungsimpuls, der das Gitter 39 des Ventils 36 positiv macht. Dadurch
zündet das Ventil 36, und der Kondensator 34 entlädt sich über die Zusatzausschaltwicklung
33 und den Widerstand 35, der im wesentlichen dem Widerstand 25 in Fig. i entspricht.
Hierdurch wird das obere Ende des Widerstandes 35 so stark positiv, daß der Strom
im Ventil 2o durch Null geht und die Entladung erlischt, womit auch die Erregung
der Zusatzeinschaltspule 17 verschwindet. Das Schaltelement 12 bleibt nun infolge
Erregung der Zusatzausschaltwicklung 33 durch den Strom iö entsprechend dem Strom
i. in Fig. 3 in der Ausschaltstellung bis das Rohr 2o wieder zündet. Nun wird der
Widerstand 35 an seinem oberen Ende wiederum so stark positiv, daß das Rohr 36 löscht
und damit die Zusatzausschaltspule 33 stromlos wird. In den Zwischenzeiten werden
jeweils die Kondensatoren 28 bzw. 34 über die Widerstände26 bzw. 42 wieder aufgeladen.
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Fig.5 zeigt eine Anordnung, die weitgehend Fig. i entspricht. Es wird
jedoch für die Ein-Schaltung eine Impulsform gemäß Fig. 3 verwendet. Die entsprechenden
Elemente sind wiederum mit den gleichen Bezugszahlen, wie sie in Fig. i verwendet
wurden, bezeichnet. 5o ist die im Hauptstromkreis liegende Zusatzdrossel, die zugleich
auch zur Erzeugung einer Einschaltstufe dient. Hinzugekommen ist ihre Sekundärwicklung
5 i, der Widerstand 52 und das Ventil 53. Der Einschaltvorgang verläuft entsprechend,
wie er an Hand der Fig. i und 4 beschrieben wurde. Bei der Ausschaltummagnetisierung
der Zusatzdrossel 5o entsteht an der Wicklung 51 eine Spannung, die einen Strom
in Durchlaßrichtung des Ventils 53 über die Widerstände 25 und 52 treibt, wodurch
das obere Ende des Widerstandes 25 so stark positiv wird, daß das Ventil 2o löscht
und die Zusatzeinschaltspule 17 stromlos wird. Das Ventil 53 verhindert während
der Brenndauer des Ventils 2o das Fließen eines Stromes in der Wicklung 51 der Drossel
5o und die Belastung der Zusatzdrossel 5o während der Einschaltstufe. Die parallel
zu der Zusatzeinschaltwicklung 17 liegende Reihenschaltung des Ventils 63 und des
Widerstandes 64 bewirkt, daß das Ventil 2o durch den auf den Widerstand 25 einwirkenden
Löschimpuls sofort löscht, da sich die magnetische Energie der Zusatzeinschaltwicklung
17 über das Ventil 63 und den Widerstand 64 ausgleichen kann.
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In Fig.6 ist eine etwas andersartige, in ihrer Wirkung jedoch gleichwertige
Anordnung dargestellt. Die den früheren Figuren entsprechenden Bauteile sind wieder
mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Hinzugekommen sind die Sekundärwicklung
6o der Schaltdrossel 3, der Kondensator 61 mit dem Parallelwiderstand 62.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Sowie an dem Widerstand i8 ein Spannungsabfall
entsteht, wird über den Transformator i9 das Gitter 23 der Röhre 2o positiv. Es
beginnt nun ein Strom von der Stromquelle 9 aus über den Kondensator 28, die Zusatzeinschaltspule
17 und das Ventil 2o zu fließen. Im Gegensatz zu den früheren Schaltungen wird also
beim Einschaltstromstoß ein Kondensator aufgeladen. Der Endzustand ist gegeben durch
die Spannung der Stromquelle 9 und die Größe des Widerstandes 26, sofern die weiteren
im Kreis vorhandenen Spannungsabfälle vernachlässigt werden. Die vorliegende Schaltung
des Kondensators 28 hat den Vorteil, daß er im Ruhezustand des Gleichrichters ungeladen
ist.
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Wird die Schaltdrossel 3 bei abnehmendem Strom ummagnetisiert, so
entsteht an der Wicklung 6o eine Spannung, wodurch die Anode der Röhre 2o so stark
negativ gemacht wird, daß der Dauerstrom erlischt. Die magnetische Energie der Zusatzeinschaltspule
kann sich nun über das Ventil 63 und den Widerstand 64 ausgleichen. Durch das Ventil
53 wird vermieden, daß bei der Einschaltummagnetisierung die Schaltdrossel
3 zusätzlich belastet wird. Die Parallelschaltung aus Kondensator 61 und Widerstand
62 verhindert, daß während der ganzen Zeit der Ausschaltstufe eine Belastung der
Schaltdrosseln auftritt, denn vom Moment an, da die Gegenspannung des Kondensators
61
der in der Wicklung 6o induzierten Spannung gleich wird, hört
praktisch der Strom in diesem Kreis auf zu fließen.