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Thermischer Uberlastungsschut#z für Trockengleichrichteranlagen Bei
Trockengleichrichtern, z. B. Kupferoxydul-oder Selengleichrichtern, wird im allgemeinen
eine Schutzschaltung angewendet, die den Gleichrichter vor Überlastung schützen
soll. Man hat z. B. im Gleichrichterstromkreis Schalter angebracht, die bei der
für die betreffende Gleichrichtereinheit als höchtzulässig anzusehenden Stromstärke
den Gleichrichterstromkreis automatisch unterbrechen. Bei derartigen Schutzeinrichtungen
gilt also als Kriterium für den Abschaltzeitpunkt das Erreichen eines bestimmten
Gleichrichterhöchststromes. Ein solcher 1-T.öchststrom des Gleichrichters würde
zwar, wenn er längere Zeit fließt, die Gleichrichtereinheit gefährden. Eine kurzzeitige
Belastung mit diesem Grenzstrom verträgt aber der Gleichrichter ohne weiteres, denn,
wie allgemein bekannt ist, wird eine Trockengleichrichtereinheit nicht durch die
Stromstärke direkt gefährdet, sondern durch die Temperatur, die die einzelnen Trockengleichrichterplatten
infolge dieser Strombelastung annehmen. Es ist deswegen leicht einzusehen, daß ein
Schalter im Gleichrichterstromkreis, der auf einen höchstzulässigen Strom anspricht,
auch dann schon abschaltet, wenn die Trockengleichrichtereinheit selbst noch in
keiner Weise gefährdet ist, da ihre Temperatur noch unterhalb der höchstzulässigen
Temperatur liegt. Der Temperaturanstieg erfolgt verhältnismäßig langsam. Es dürfte
deswegen der Gleichrichterstrom den Wert, bei dem der Schalter auslöst, eine gewisse
Zeit lang beibehalten, ohne daß der Gleichrichter dadurch zerstört wird. Würde man
nun andererseits den Auslösestrom höher einstellen, so könnte es vorkommen, daß
dieser höhere Strom lange Zeit fließt und daß dadurch der Gleichrichter tatsächlich
zerstört wird. Mit anderen Worten, eine Schutzmaßnahme, die abhängig vom Gleichrichterstrom
den Zeitpunkt der Abschaltung bestimmt, verhindert, daß der Gleichrichter in
kritischen#
- Spitzenbelastungen. voll -ausgefahren werden kann. Diese kritischen Spitzenbelastungen
kommen aber praktisch sehr oft vor.
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Man hat auch versucht, durch Kontaktthermometer oder Bimetallschalter-
die Temperatur der Gleichriehterfflatten zur Überwachung heranzuziehen, um den Gleichrichter
bei einer bestimmten Höchsttemperatür der Gleichrichtereinheit abzuschalten. Diese
Wärmeschalter (Bimetallschalter und Quecksilberthermometer) haben jedoch den Nachteil,
daß eine *feste Wärmekoppelung mit der Gleichrichtereinheit sehr schwierig oder
gar unmöglich ist. Sie sind an der Einheit schwer anzubringen und führen beispielsweise
bei einer Luftkühlun leicht zu nachteiligen _W- ärffiestauungen. 9
Das bedeutet
aber, daß die Temperatur des verwendeten Wärmeschalters nicht in Übereinstimmung
mit der Temperatur der zu schützenden Trockengleichrichterplatten steht und daß
deswegen je nach dem Grade der Temperatursteigerung in der Trockengleichrichtereinheit
die Abschaltung mehr oder weniger zu spät erfolgt. In ganz besonderem Maße ist dies
der Fall, wenn die Gleichrichtereinheit durch einen besonderen Luftstrom oder ein
anderes Kühlmittel gekühlt wird. In diesem Falle bilden nämlich die genannten Wärmeschalter
sogenannte Störstellen für das Kühlmittel und werden deswegen ganz besonders stark
und weit besser gekühlt als der übrige- Teil der Gleichrichtereinheit. Kurz gesagt,
der Nachteil der bisher vorgeschlagenen Schutzeinrichtung besteht darin, daß kein
fester Zusammenhang zwischen der Temperatur der Gleichrichtereinheit und dem Zeitpunkt
des Abschaltens dieser Gleichrichtereinheit vorhanden ist.
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß das Optimum in der
Ausnutzung der Gleichrichtereinheit und in. ihrer Sicherung ge gen Überlastung dann
erreichbar ist, wenn die tatsächliche Temperatur der Trockengleichrichterplatten
als Kriterium für den Zeitpunkt des Abschaltens herangezogen wird. Die neue Lösung
besteht darin, daß in der Trockengleichrichtereinheit ein mit einer oder mehreren
Trockengleichrichterplatten thermisch fest gekoppelter, die tatsächliche Plattentemperatur
annehmender Temperaturfühler vorgesehen ist, der beim Überschreiten der -zulässigen
Höchsttemperatur den im Gleichrichterstromkreis liegenden Schutzschalter öffnet.
Als Temperaturfühler können die Grundelektroden einer oder mehrerer Trockengleichrichterplatten
der Einheit herangezogen werden, indem ihr sich mit der Temperatur ändernder elektrischer
Widerstand zur Steuerung des Schutzschalters ausgenutzt wird, beispielsweise da,-durch,
daß eine oder mehrere Grundelektroden im Stromkreis eines Hilfsrelais liegen. Dieses
Relais ist so eingestellt, daß es anspricht, wenn der Widerstandswert der in seinem
Stromkreis liegenden Grundelektrode(n) den Wert erreicht, der sich beim Überschreiten
der zulässigen Höchsttemperatur der Gleichrichtereinheit einstellt. Sollte der Widerstand
der Grundelektroden für eine Temperaturüberwachung dieser Art zu niedrig sein, so
kann als Temperaturfühler ein draht- oder bandförrniger Widerstand mit vorzugsweise
hohem elektrischen Temperaturkoeffizienten verwendet werden, der #mit einer oder
mehreren Platten der Gleichrichtereinheit durch Aufkleben in unmittelbaren Wärtnekontakt
gebracht wird. Zur elektrischen Isolation kann dabei eine dünne isolierende Zwischenlage,
z. B. Lack oder Papier, eingefügt sein. Um vorzugsweise bei Gleichrichtereinheiten,
die durch ein strömendes Kühlmittel gekühlt werden, eine Störung der Strömung und
damit ungleichmäßige Kühlverhältnisse an der betreffenden Platte(n) zu vermeiden,
kann dieser draht- oder bandförmige Widerstand in eine Nut einer oder mehrerer Gleichrichterplatten
eingelegt werden. Vorteilhaft wird dabei der übrige Teil der Nut mit einem Füllmittel,
z. B. Lack, so weit ausgefüllt, daß die Ebene der Oberfläche der betreffenden Gleichrichterplatte
keine Unterbrechung, d. h. keinen Stoß, aufweist. Bei Gleichrichterplatten,
die in an sich bekannter Weise mit einem Lacküberzug versehen sind, kann der genannte
draht- oder bandförmige Widerstand vorteilhaft auch in der Lackschicht so eingebettet
sein, daß jede Unebenheit vermieden ist.
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Statt eines derartigen Widerstands können gemäß der weiteren Erfindung
zwei auf der Trockengleichrichterplatte miteinander verbundene Drähte oder Bänder,
z. B. aus Kupfer und Konstantan, verwendet werden, die in der gleichen Weise wie
der genannte Widerstand an der oder den Trockengleichrichterplatten angebracht sind
und die ein Thermoelement bilden. Die von diesem abgegebene Spannung ist dann direkt
abhängig von der Temperatur der zugeordneten Trockengleichrichterplatte, so daß,
zweckmäßig bei Hintereinanderschaltung mehrerer derartiger Thermoelemente, ein angeschlossenes
spannungsabhängiges Relais so eingestellt werden kann, daß es den im Gleichrichterstromkreis
liegenden Schutzschalter in dem Augenblick öffnet, in dem die Gleichrichtereinheit
die zulässige Höchsttemperatur überschreitet.
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Es kann auch vorteilhaft sein, die vorgenannten mit der Trockengleichrichtereinheit
thermisch fest gekoppelten und die tatsächliche Plattentemperatur annehmenden Temperaturfühler,
d. h. eine oder mehrere Grundelektroden einzelner Gleichrichterplatten, die
temperaturabhängigen Widerstände und die Thermoelemente, in eine Brückenschaltung
zu legen, welche so eingestellt ist, daß ein im Brückenzweig liegendes Hilfsrelais
anspricht, wenn die zulässige Höchsttemperatur - der Gleichrichterplatten
überschritten wird, und den im Gleichrichterstromkreis liegenden Schutzschalter
öffnet.
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Gemäß der weiteren Erfindung können als Temperaturfühler auch eine
oder mehrere Trockengleichrichterplatten der Einheit in der Weise dienen, daß deren
Wärmeausdehnung als Kriterium für die Auslösung des Schutzschalters benutzt wird.
Hierzu ist es vorteilhaft, die Wärmeausdehnung der Gleichrichterplatten relativ
zu einem Vergleichsglied, das der Wärmeausdehnung nicht oder nur wenig unterworfen
ist, zur Steuerung eines Hilfskontaktes heranzuziehen. Das Vergleichsglied kann
dabei entweder in so großer Entfernung von der
Gleichrichtereinheit
angeordnet sein, daß es keiner oder nur einer geringen Wärmeeinwirkung ausgesetzt
ist. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, das Vergleichsglied aus einem Werkstoff
herzustellen, der innerhalb des in Betracht kommenden Temperaturbereiches keine
oder fast keine Wärmeausdehnung zeigt. Beispielsweise kann hierfür der im Handel
unter der Bezeichnung Invar-Stahl erhältliche metallische Werkstoff verwendet werden,
der diese Eigenschaft hat. Durch eine sich an dem Vergleichsglied und an den Gleichrichterplatten
abstützende Hebel- od. dgl. Anordnung kann auf einfache Weise erreicht werden, daß
ein den Schutzschalter im Gleichrichterstromkreis steuernder Hilfskontakt in dem
Augenblick geschlossen wird, in dem die Gleichrichterplatten ihre zulässige Höchsttemperatur
überschreiten, d. h. eine dieser Temperatur entsprechende relative Verschiebung
des Kontaktsteuergliedes gegenüber dem formkonstanten Vergleichsglied bewirken.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter
Ausführungs-ZD beispiele erklärt. Es zeigen Fig. i und 2, Schaltungen, bei denen
der elektrische Widerstand einer Grundelektrode zur Temperaturüberwachung benutzt
ist, Fig. 3 eine Trockengleichrichterplatte mit aufgeklebten Temperaturfühlern,
Fig. 4 und 5 eine Gleichrichterplatte mit eingebettetem Temperaturfühler
in Ansicht und im Schnitt und Fig. 6 eine Anordnung, bei der die Wärmeausdehnun-
einzelner Gleichrichterplatten zur Steuerung des Schutzschalters benutzt ist.
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In Fig. i ist angenommen, daß die bei i schematisch angedeutete Gleichrichtereinheit
vor Überlastung zu schützen sei. 2 ist der zwischen dem Drehstromnetz
3 und der Gleichrichtereinheit i eingeschaltete Schutz- oder Hauptschalter,
welcher geöffnet werden soll, wenn die Gleichrichtereinheit i die zulässige Höchsttemperatur
überschreitet. Dieser Schalter:2 wird durch den Magneten4 im normalen Betriebsfall
in geschlossener Stellung gehalten. Er fällt ab, sobald der Erregerstromkreis des
Magneten 4 durch Öffnen des Kontaktes des Relais 5 unterbrochen wird. Der
Erregerstrom des Magneten 4 kann irgendeiner geeigneten Stromquelle, beispielsweise
dem Netz 3, entnommen werden. 6 ist die Grundelektrode einer der Gleichrichterplatten
der Trockengleichrichtereinheit i, die in Reihe mit dem Relais 5 an einer
konstanten Stromquelle 7 liegt.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Der Widerstand
der metallischen Grundelektrode 6 ist abhängig von ihrer Temperatur, die
gleich der Temperatur des ganzen zugehörigen plattenförmigen Gleichrichterelementes
ist. Bei der für die in Betracht kommende Gleichrichterart (Kupferoxydul-Gleichrichter
oder Selengleichrichter) zulässigen Höchsttemperatur der Grundelektrode
6 fließt somit ein ganz bestimmter Strom durch die Wicklung des Hilfsrelais
5. Die Verhältnisse sind so gewählt, daß dieses Relais 5 abfällt,
sobald die Temperatur der Grundelektrode 6
über diesen kritischen Wert steigt
und damit der Strom durch das Relais 5 weiter sinkt. Durch Öffnen des Haltestromkreises
für den Schaltmagneten 4 fällt auch der Hauptschalter 2 ab und unterbricht den Strom
durch die Gleichrichtereinheit i. Sobald sich die Gleichrichtereinheit wieder unter
diesen kritischen Wert abgekühlt hat, steigt der Erregerstrom des Relais
5 wieder an, dieses schließt seinen Kontakt und schaltet somit mittels des
Schaltmagneten 4 die Gleichrichtereinheit i wieder ein.
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Da alle Platten der Trockengleichrichtereinheit i von gleicher Größe
und auch gleich belastet sind, ist deren Temperatur praktisch die gleiche wie die
Temperatur der einzelnen Grundelektrode 6. Es kann daher ausreichen, wenn
nur eine Grundelektrode einer Trockengleichrichterplatte der Gleichrichtereinheit
auf diese Weise als Temperaturfühler verwendet wird. Da aber insbesondere bei größeren
Gleichrichterplatten der Widerstand einer Grundelektrode verhältnismäßig klein ist,
kann es zweckmäßig sein, die Grundelektroden mehrerer Gleichrichterplatten, die
wegen der gleichmäßigen Größe praktisch gleiches Verhalten zeigen, als Temperaturfühler
in den Stromkreis des Hilfsrelais 5 einzuschalten.
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Die Schutzschaltung braucht nicht in jedem Falle in der in Fig. i
beispielsweise dargestellten Art ausgeführt zu sein. Es kann vielmehr jedes geeignete
Mittel verwendet werden, das beim Abfallen des Relais 5 die öffnung des Gleichrichterstromkreises
bewirkt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.:2, in dem gleiche Bezugszeichen
auf gleiche Teile wie in Fig. i verweisen, ist als Temperaturfühler wieder die Grundelektrode
6 einer Gleichrichterplatte der Trockengleichrichtercinheit i verwendet,
die bei diesem Beispiel, ebenso wie der Hauptschalter:2, nur zweiphasig ausgeführt
ist. Die Grundelektrode6 liegt in einem Zweig einer Widerstandsbrücke
8
mit den Abgleichwiderständen 9, io und i i. Diese Widerstände sind
so gewählt, daß das in den Brückenzweig eingeschaltete und in seiner Ausführung
nicht näher dargestellte Relais 12 seinen Kontakt öffnet, sobald die Temperatur
der Grundelektrode 6 den höchtzulässigen Wert überschreitet und damit deren
Widerstand auf einen entsprechend höheren Betrag angestiegen ist. In an sich bekannter
Weise kann die Brücke 8 gegebenenfalls auch so eingestellt sein, daß das
Relais 12 beim überschreiten des kritischen Widerstandes der Elektrode
6 seinen Kontakt schließt. Auch hierdurch kann bei entsprechender Abänderung
der Schaltung und gegebenenfalls des HauptschalterS 2 dessen Öffnung ausgelöst werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und 5
ist als
Temperaturfühler ein draht- oder bandförmiger Widerstand mit vorteilhaft hohem elektrischem
Temperaturkoeffizienten verwendet, der mit der Gleichrichtereinheit thermisch so
fest gekoppelt ist, daß er dauernd die tatsächliche Temperatur der einzelnen Gleichrichterplatten
annimmt.
In Fig. 3 ist mit 13 eine der Gleichrichterplatten
einer Trockengleichrichtereinheit bezeichnet, auf der-en linkem Teil ein bandförmiger
Widerstand 14 und auf deren rechtem Teil ein drahtförmiger Widerstand 15 jeweils
unter Zwischenlage einer dünnen Isolierschicht 16, 7. B. aus Lack oder Papier,
aufgeklebt ist. Die Widerstände 14 und 15 erstrecken sich vorzugsweise über die
ganze Breite der Trockengleichrichterplatte 13 und stehen somit dauernd in festem
Wärmekontakt mit dieser Platte 13, so daß sie deren tatsächliche Temperatur annehmen.
Die Widerstände 14 und 15, die nur der einfacheren Darstellun#gsweise wegen auf
der gleichen Gleichrichterplatte 13 gezeichnet sind, können in gleicher Weise
geschaltet sein wie die Grundelektroden 6 in den Fig. i und 2.
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In den Fig. 4 und 5 ist ein bandförmiger Widerstand 17 in eine
Nut iS einer -Gleichrichterplatte ig eingelegt. Der übrige Teil der Nut ist mit
einem geeigneten Füllmittel, z. B. Lack, so weit ausgefüllt, daß die Plattenoberfläche
keinerlei Unebenheit aufweist. In an sich bekannter Weise kann die Platte ig noch
mit einem bei 2o angedeuteten Lacküberzug versehen sein, der die zum elektrischen
Anschluß bestimmten Flächen der Gleichrichterplatte ig freiläßt.
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Wie bei einem Vergleich der Fig. 3 und 5 ohne weiteres
erkennbar ist, kann die erhabene Befestigung der Te#mperaturfühler 14, 15 nach dem
Beispiel in Fig. 3 in mechanischer Hinsicht, insbesondere aber in strömungstechnischer
Hinsicht bei mit einem strömenden Kühlmittel gekühlten Trockengleichrichtereinheiten
störend wirken, weil die erhaben aufgeklebten Widerstände 14, 15 für das
Kühlmittel einen Stoß bilden. Bei der Anordnung nach Fig. 4 und 5 ist dagegen
die Kühlmittelströmung durch den Temperaturfühler in keiner Weise beeinträchtigt.
Es kann deshalb vorteilhaft sein, die erhaben aufgeklebten Widerstände 14, 15 in
Fig. 3 so in eine Isolierschicht, z. B. Lackschicht, einzu-betten, daß die
Oberfläche der Gleichrichterplatte 13 keinen störenden -Stoß aufweist.
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In Fig. 6 ist die Wärmeausdehnung einzelner Platten der zu
schützenden Gleichrichtereinheit zur Kontaktgabe ausgenutzt, so daß die Gleichrichterplatten
selbst als Temperaturfühler dienen. 21 ' sind sechs benachbarte Platten der
schematisch dargestellten Trockengleichrichtereinheit 35. An den Stirnseiten
dieser Platten 21 liegen zwei Stützglieder 2:2, 23 an. Am linken Stützglied
22, ist ein Stab oder Draht 24 befestigt, der im Gegensatz zu den Gleichrichterplatten
21 aus einem Werkstoff besteht, welcher keine oder nur eine geringe Wärmeausdehnung
zeigt. Beispielsweise kann das Glied 2,4 aus dem im Handel unter der Bezeichnung
Invar-Stahl erhältlichen metallischem Werkstoff bestehen. Das rechte Stätzglied:23
ist gegenüber dem Glied 24 beweglich und wird durch eine sich an einem Bund:26 od.
dgl. des letzteren abstützende Feder:27 zur dauernden Anlage gegen die Stirnseite
der Gleichrichterplatten:zi gedrückt. Dehnen sich die Gleichrichterplatten 21 infolge
ihrer Temperaturzunahme aus, so tritt eine Relativverschiebung zwischen dem Stützglied
23 und dem Vergleichsglied:24 ein. Diese Relativbewegung ist durch eine amStützglied23
ang4#lenkteHebelanc>rdnung:28 unter Mitwirkung der Feder 30 zur Steuerung
des Kontaktes 29 ausgenutzt. 3 1 ist -ein in Reihe mit dem Kontakt:29 an
eine beliebige Stromquelle 3:2
angeschlossenes Hilfsrelais, dessen Kontakt,
ähnlich wie bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. i und 2, einen Schaltmagneten
33 steuert, der den Haupt- oder Schutzschalter 34 im Stromkreis der zu schützenden
Gleichrichtereinheit 35 betätigt.
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Das Vergleichsglied 24 und die Hebelanordnung 28 sind so bemessen
und angeordnet, daß der Ko.ntajl<t 29 so lange geöffnet bleibt, -bis die höchstzulässige
Temperatur der Gleichrichterplatten 21 der Trockengleichrichtereinheit
35 erreicht ist. Dehnen sich beim weiteren Ansteigen der Temperatur über
diesen kritischen Wert hinaus die Platten 21 noch weiter aus, so wird der Kontakt
29 geschlossen, das Relais 31 öffnet seinen Kontakt und unterbricht mit Hilfe des
Schaltmagneten 33
den Gleichrichterstromkreis. Ähnlich wie in Fig. i und 2
wird die Gleichrichtereinheit 35 wieder ein-.geschaltet, sobald sich diese
genügend, abgekühlt hat und die Platten 2 1 relativ zum Vergleichsglied 24 eine
Länge angenommen haben, bei der der Kontakt 29 sich wieder öffnet.
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Die Hebelanordnung 28 ist nur beispielsweise dargestellt. Statt
dieser Hebelanordnung, die ge-*gebenenfalls auch anders ausgeführt werden kann,
läßt sich wegen der verhältnismäßig großen Verstellkräfte auch ein anderer Schalter,
beispielsweise ein Kipphebelschalter oder ein Quecksilberschalter, durch die Relativbewegung
zwischen den Gliedern 23 und :24 im Sinne einer Steuerung des Schutzschalters
34 betätigen. Hierdurch kann der Vorteil erreicht werden, daß wegen der größeren
Schaltleistung von Kipphebel-, Quecksilber- u. dgl. Schaltern unter Umständen eine
unmittelbare Steuerung des Schutzschalters 34 möglich wird.
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In Fig. 6 ist das Vergleichsglied -24 zwischen den Gleichrichterplatten
21 angeordnet gezeichnet. Das Ver-gleichsglied 24 kann aber auch den Gleichrichterstapel
außen umgreifen, so daß er bei einer Kühlung des Trockengleichrichters durch ein
strömendes Medium- keine Störung der Strömung verursacht. Ist das außenliegende
Vergleichsglied von der Gleichrichtereinheit so weit entfernt, daß es von der Temperatur
nicht oder wenigstens nur so weit beeinflußt wird, daß eine zur Kontaktbewegung
ausreichende Relativverschiebung zwischen diesem Vergleichsglied und dem Stützglied
23 eintritt, so kann das Vergleichsglied gegebenenfalls aus einem anderen
geeigneten Werkstoff bestehen, der nicht unbedingt temperaturunabhängig zu sein
braucht.