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Kontaktwechselrichter mit Reihenschwingkreis Die Erfindung bezieht
sich auf zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom dienende Kontaktwechselrichter.
Um diese für höhere Schaltleistungen verwenden zu können, ist es bekannt, ihnen
einen elektrischen Schwingkreis, entweder einen Parallelschwingkreis oder einen
Reihenschwingkreis, zuzuordnen und diesen auf den Schaltrhythmus (auf die Umschaltzeit
bzw. auf die Kontaktgabezeit der Kontakte) so abzustimmen, daß das öffnen und Schließen
der Kontakte in den Augenblicken erfolgt, wo die Spannung (des Parallelschwingk,reise.s)
bzw. der Strom (des Reihenschwingkreises) Null ist; das Schalten erfolgt dann leistungslos.
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Die Erfindung bezieht sich des Näheren auf einen Wechselrichter mit
Reihenschwingkreis; dieser muß also so abgestimmt sein, daß der in ihm schwingende
Strom genau dann den Wert Null hat, wenn die Kontakte öffnen bzw. schließen. Das
ist praktisch sehr schwierig zu erreichen, und zwar einmal deshalb, weil die Frequenz
der Schwingung von dem Strom, d. i. der häufig sehr schwankende Verbraucherstrom,
abhängig ist, und vor allem deshalb, weil es auch bei den geringstmöglichen Toleranzen,
die man bei der Fertigung den Materialien und den Justiervorgängen vorschreiben
kann, erfahrungsgemäß nicht zu vermeiden ist, daß die Kontaktzeiten bis zu ± 7 %
der Schaltperiode von der Sollzeit abweichen. So große Abweichungen bedeuten aber
bei der Steilheit, mit welcher der sinusförmige Strom durch Null schwingt, unter
Umständen sehr beträchtliche Ein- und Ausschaltströme und damit eine schnelle Zerstörung
der Kontakte.
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Die Erfindung bezweckt, die durch diese nun einmal nicht zu vermeidende
Streuung der Kontaktzeiten bedingten Nachteile bei Wechselrichtern mit
Reihenresonanzkreis
zu beheben, und erreicht dies dadurch, daß die Induktivität des Schwingkreises außer
durch eine Schwingdrossel, welche zur Erzielung eines schwingenden Stromes ungesättigt
arbeiten muß, noch durch eine Schaltdrossel, nämlich eine bei Überschreiten eines
bestimmten Stromes gesättigte Drossel, gebildet und dabei der Reihenschwingkreis
so auf die Kontaktzeiten des Wechselrichters abgestimmt wird, daß die Schaltdrossel
kurz nach dem Schließen der Kontakte durch den ansteigenden Strom gesättigt und
dadurch die Abstimmung des Schwingkreises so geändert wird, daß die Schwingungskurve
des Stromes kurz vor dem Öffnen der Kontakte zur Nullinie zurückkehrt und die Schaltdrossel
wieder in den ungesättigten Zustand übergeht. Die zusätzliche Schaltdrossel ist
in dem Schwingkreis nur so lange wirksam, wie sie nicht gesättigt ist, solange also
der Schwingstrom verhältnismäßig kleine Werte aufweist. Dann hat sie aber eine wesentliche
Verflachung der Stromkurve zur Folge, dergestalt, daß der schwingende Strom innerhalb
eines größeren Bereiches um seinen Nullwert herum sehr klein wird. Auf diese Weise
bleiben die Schaltströme innerhalb des Streubereiches der Schaltzeiten in erträglichen
Grenzen.
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Bei niedrigen Schaltströmen bereits gesättigte Schaltdrosseln sind
bei Kontaktgleichrichtern, also bei Wechselstrom in Gleichstrom verwandelnden Kontaktumformern,
bereits verwendet worden. Sie liegen im Wechselstromkreis des Gleichrichters und
sind so bemessen, daß der Wechselstrom sehr schnell die Sättigung der Drossel zur
Folge hat. Es entstehen dann durch den Widerstand der Schaltdrossel stufenförmige
Abflachungen des Stromverlaufs, wenn der Strom durch Null schwingt.
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Die Anwendung der Schaltdrossel bei Wechselrichtern war nicht ohne
weiteres möglich, und zwar bei Wechselrichtern mit ParalleIschwingkreis schon deshalb
nicht, weil dabei der Schaltstrom nicht sinusförmig und- somit auch nicht durch
Null schwingt; aber auch bei Wechselrichtern mit Reihenschwin:gkreis bestanden erhebliche
Schwierigkeiten, weil die Schaltdrossel die Frequenz des Schwingkreises ändert und
ihre Einschaltung zunächst zu Kurzschlüssen führt. Erst die Erkenntnis, daß die
Schaltdrossel mit einer bei den auftretenden Strömen stets ungesättigt bleibenden
Schwingdrossel zusammen sowie mit dem dazu in Reihe liegenden Kondensator einen
brauchbaren Schwingkreis ergeben kann und dieser dann durch entsprechende Bemessung
aller Glieder auf die Kontaktzeit des Gleichrichters abgestimmt werden muß, brachte
den erstrebten technischen Fortschritt.
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Um die Schwankungen der Kontaktzeit von den Schwankungen des Verbrauchers
m<;glichst unabhängig zu machen, empfiehlt es sich, den Schwingkreis so zu bemessen,
daß der Wert
des kleinsten Scheinwiderstandes des Verbrauchers ist. Dann wird. die Blindstromaufnahme
des Schwingkreises so groß, daß der zusätzliche Anteil des Verbrauchers keine merkbare
Veränderung des gesamten Stromverlaufs bewirkt, und man erhält so einen im wesentlichen
von der Belastung unabhängigen Kontaktstromrichter. Auch diese Schaltung, die schon
zum Gegenstand der Erfindung gehört, hat noch den Nachteil, daß die Abschaltung
nicht bei der Spannung Null erfolgt. Deshalb besteht eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung darin, daß die Größe von Widerstand, Induktivität und Kapazität so
bemessen wird, daß der nach dem Umlegen .des Kontaktes einsetzende sinusförmige
Strom gerade im zweiten Umkehrpunkt und im Augenblick der Kontakttrennung zu Null
wird. Es ist damit erreicht; daß auch das Abschalten leistungslos wegen des Fehlens
der Spannung erfolgt.
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Man kann nun gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Drossel
des Schwingungskreises und die eisengeschlossene Drossel zu einem Bauelement vereinigen.
Dies geschieht zweckmäßig in der Weise, daß der Eisenkern der Drossel teilweise
geschlossen, teilweise mit einem Luftspalt versehen ist. In der Fertigung kann man
dies so ausführen, daß der Eisenkern teilweise überlappt und teilweise gleichsinnig
mit Eisenblechen gestopft wird. Die Fig. r und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung und dessen Wirkungsweise.
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In dem in Fig. r dargestellten Ausführungsbeispiel bezeichnet B die
Gleichspannungsquelle, J ein NIeßinstrument, R den Verbraucherwiderstand, der parallel
zu dem Kondensator C des aus diesem und der Induktivität L gebildeten Reihenschwingkreises
geschaltet ist; in Reihe dazu ist ferner die Schaltdrossel LS vorgesehen. Legen
die Kontakte k1 und k2 des Wechselrichterrelais um, so ist der Strom im Schaltaugenblick,
d. h. im Augenblick des Auftreffens der Kontaktstücke aufeinander, noch Null. Als
Schwingkreisinduktivität ist die Summe der Induktivitäten von Schaltdrossel LS und
Schwingdrossel L wirksam. Der Strom steigt, wie in Fig. 2 dargestellt, von Null
beginnend langsam an, entsprechend der gedämpften Eigenschwingung des Kreises. Im
Verhältnis zur Länge der Periode wird schon sehr bald das Sättigungsgebiet der Schaltdrossel
LS erreicht, so daß etwa im Zeitpunkt t1 die Ind-uktivität der Schaltdrossel LS
auf einen sehr kleinen Wert zusammenbricht und für den Verlauf des Stromes nur die
Induktivität von L maßgebend bleibt. (Die Kontakte k1 und k2 bleiben von der Zeit
Null bis zur Zeit t3, d. h. während der Kontaktzeit, liegen.) Der Kreis hat jetzt
eine wesentlich höhere Eigenfrequenz, und der Strom steigt nach einer gedämpften
Sinusfunktion rasch an, um nach Erreichen des Maximums wieder abzufallen.
Etwa bei dem Nulldurchgang zur Zeit t2 wird die Sättigungsgrenze der Drossel LS
unterschritten, so daß die große Induktivität LS wirksam wird und der Strom mit
einer um ein Vielfaches langsameren Schwingung ausschwingt. Diese Schwingung beginnt
etwa zur Zeit t2, so daß im Schaltaugenblick t3 praktisch stromlos geschaltet wird.
Der gleiche Vorgang wiederholt sich für die weiteren Halbwellen, wie dies in Fig.
2 dargestellt ist. Dabei entsprechen die Zeitpunkte t4 und t5 den Zeitpunkten
t'
und t2 der als erste dargestellten Halbwelle.
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Während der beiden Stufen, d. h. in dem Bereich, in dem die Schaltdrossel
ungesättigt ist, lassen sich die Kontakte gut schalten, und man kann durch entsprechende
Wahl von Größe, Windungszahl und Material der Schaltdrossel den Magnetisierungsstrom
so klein halten, daß er für den Kontakt unschädlich ist. Man kann auch die Länge
der Stufen so bemessen, daß alle Toleranzen in den Zeitwerten in sie hineinfallen
und Änderungen des Verbraucherwiderstandes bis zum Verhältnis 1 :2 erfolgen können.
Konstruktiv läßt sich in sehr einfacher Weise die Schaltdrossel mit der Schwingdrossel
vereinigen. Dies kann beispielsweise in der Weise geschehen, daß man einen Teil
des Eisenkerns der Drosselspule ohne Luftspalt mit Überlappung der Bleche stopft
und den anderen Teil mit einem Luftspalt ohne überlappung der Bleche. Man spart
so ein weiteres Bauelement für den Wechselrichter. Der überlappt gestopfte Teil
des Kernes wird vorteilhaft aus einem Blech mit hoher Permeabilität, ausgebildetem
Knick der Magnetisierungslinie und hoher Sättigungsinduktion gebildet.