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Anordnung für Kontaktumformer Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung
von Kontaktumformern, d. h. von elektrischen Schaltgeräten, bei denen mit Hilfe
mechanisch bewegter, periodisch sich öffnender und schließender Kontakte elektrischer
Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt oder Wechselstrom in einen Wechselstrom
anderer Frequenz umgeformt wird.
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Um Schaltfeuer zu vermeiden, werden hierbei mit den Kontakten eine
oder mehrere Schaltdrosseln mit bei Nennstrom hochgesättigtem Magnetkern in Reihe
geschaltet, durch deren Entsättigüng in der Nähe der Stromnullwerte eine stromlose
bzw. stromschwache Pause hervorgerufen wird. Die Kontakte werden synchron zur Phase
des zu unterbrechenden Stromes derart gesteuert, daß sie sich jeweils während der
stromschwachen Pause zu öffnen beginnen. Es ist unbedingt erforderlich, dafür zu
sorgen, daß die Ausschaltzeitpunkte mit Sicherheit innerhalb des stromschwachen
Zeitbereiches liegen und daß nach dem Ausschaltzeitpunkt noch ein gewisser Auslauf
der
Stromkurve innerhalb der stromschwachen Pause gegeben ist.
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Um lückenlosen Strom zu erhalten, ist es erforderlich, jeweils die
neue Phase zuzuschalten, bevor die alte abgeschaltet ist, d. h. es ist eine zeitliche
Überlappung je zweier aufeinanderfolgender Einschaltzustände notwendig. Mit einer
bestimmten Überlappungsdauer ist bei gegebenem Spannungsverlauf und bei relativ
hierzu festliegender Lage der Überlappungszeit ein bestimmter Wert des Integrals
der verketteten Spannung während der Überlappungszeit verknüpft.
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Bisher war es üblich, die Dauer der stromschwachen Pause durch entsprechende
Auslegung der Schaltdrossel so lang zu machen, daß innerhalb des für den Kontaktumformer
insgesamt in Frage kommenden Betriebsstromstärkenbereiches schon allein durch die
Länge der stromschwachen Pause unter allen vorkommenden Betriebsverhältnissen die
gewünschte Lage des Ausschaltzeitpunktes in deren richtigem Bereich gewährleistet
war, ohne daß hierzu eine Verschiebung der Phasenlage des Ausschaltzeitpunktes durch
stromabhängige Beeinflussung der Überlappungsdauer notwendig war.
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Hierbei war es jedoch erforderlich, daß das erwähnte Spannungsintegral
bei sonstigen Änderungen des Betriebszustandes künstlich auf gleichbleibendem Wert
gehalten wurde. Eine Änderung des Betriebszustandes, die auf .das Spannungsintegral
von Einfluß sein kann, wird- beispielsweise durch die willkürliche Regelung der
Gleichspannung des Umformers mittels Teilaussteuerung hervorgerufen, die durch Verschiebung
der Phasenlage der Ein- und Ausschaltzeitpunkte gegenüber der Phasenlage der Spannung
erfolgt. Ferner ergeben sich derart veränderte Betriebsverhältnisse durch Änderung
der Größe der den Kontakten zugeführten Wechselspannung; diese Änderungen können
sowohl gewollt zum Zwecke der Spannungsregelung durchRegeltransformatoren herbeigeführt
sein oder auch urigewollt durch Schwankungen der Spannung des Wechselstromnetzes.
Durch diese Veränderungen kann eine unzulässige Verschiebung der Grenzen der stromschwachen
Pause gegenüber den Schaltzeitpunkten hervorgerufen werden. Es sind also besondere
Maßnahmen zur zusätzlichen Beeinflussung der Kontaktdauer bzw. Überlappungszeit
erforderlich, um das Spannungsintegral konstant zu erhalten und so mit Sicherheit
zu gewährleisten, daß keine Kontaktöffnungen außerhalb des Bereiches der stromschwachen
Pause stattfinden.
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Lösungen dieses Problems hat man bei Kontaktumformern mitAbhebekontakten,
deren periodische Betätigung durch einen Antriebsmotor über ein auf Stößel arbeitendes
Exzentergetriebe od. dgl. erfolgt, bereits auf mechanischem Wege angestrebt. Man
hat nämlich in das Getriebe Steuerkurven eingebaut, mit Hilfe deren in zwangläufiger
Abhängigkeit von den willkürlich verstellbaren Organen des Kontaktumformers der
Kontakthub und damit die Einschaltdauer der Kontakte verändert werden konnte. Dabei
stand jeder Kontakt unter der Einwirkung mehrerer Steuerkurven. Eine hiervon diente
dazu, um in Abhängigkeit von der Aussteuerung die Überlappungszeit so zu steuern,
daß stets im stromschwachen Zeitbereich ausgeschaltet wird. Die Veränderung der
Aussteuerung selbst, d. h. die gleichzeitige und gleichmäßige Verstellung der Phasenlage
der Ein- und Ausschaltzeitpunkte zwecks Erhaltung einer bestimmten Ausgangsspannung,
erfolgte durch Verdrehen des drehbar angeordneten Ständers des synchron laufenden
Antriebsmotors. Eine zweite Steuerkurve diente dazu, die überlappungsdauer in Abhängigkeit
von der Größe der Wechselspannung zu verändern. Außerdem war bei Anwendung der sogenannten
3-Drossel-Schaltung (s. Fig. 2, 3 und ¢ im Gegensatz zur 6-Drossel-Schaltung Fig.
i) noch eine dritte Steuerkurve nötig, durch die weiterhin dafür gesorgt wurde,
däß die Summe aus der überlappungszeit und dem sich anschließenden Zeitabschnitt
für die Vorbereitung des Wiedereinschaltens mit umgekehrter Stromrichtung auf keinen
Fall den hierfür verfügbaren Betrag von 6o° überschritt (6o°-Bedingung).
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Diese bisher allein in Betracht gezogene mechanische Lösung war jedoch
verhältnismäßig umständlich. Insbesondere mußten auch für jedes Gerät die einzelnen
noch dazu unter sich verschiedenen Kurvenscheiben je nach den für das Gerät zu erwartenden
Betriebsbedingungen besonders berechnet und hergestellt werden. Außerdem konnten
dadurch nicht die nicht mittels der willkürlich verstellbaren Organe herbeigeführten
Änderungen der Betriebsverhältnisse (Netzspannungsschwankungen od. dgl.) mit berücksichtigt
werden: Die Erfindung gestattet eine wesentliche Vereinfachung und ermöglicht auch
eine Verbesserung der Arbeitsweise der Geräte. Ihr Vorschlag besteht darin, auf
elektrischem Wege dauernd das gelegentlichen Änderungen unterworfene Spannungsintegral
der verketteten Spannung während der Überlappungszeit zweier Kontakte zu messen
und mittels der Meßvorrichtung selbsttätig mittelbar oder unmittelbar eine die Überlappungszeit
beeinflussende Steuerkurve, Steuerwelle od. dgl. so zu verdrehen bzw. zu verschieben,
daß das Spannungsintegral der verketteten Spannung während der Überlappungszeit
zweier Kontakte einen bestimmten, gleichbleibenden Wert hat. Man erhält dadurch
den Vorteil, daß man für die Berücksichtigung des jeweiligen Aussteuerungsgrades
sowie der jeweiligen Größe der Wechselspannung nur noch eine einzige Steuervorrichtung
benötigt; -die in jedem Falle die gleiche sein kann, was eine wesentliche Vereinfachung
bedeutet. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß unter allen denkbaren Betriebsverhältnissen,
die eine Änderung des Spannungsintegrals der verketteten Spannung während der überlappungszeit
zur Folge haben können, ohne Rücksicht auf deren Ursache die für das einwandfreie
Arbeiten des Kontaktumformers erforderliche Berichtigung der Phasenlage der Schaltzeitpunkte
stets selbsttätig durchgeführt wird. So wird z. B. auch die unter
Umständen
nachteilige Auswirkung der verschiedenen Temperaturausdehnungen von Teilen der Kontakteinrichtungen,
insbesondere der die festen Kontakte tragenden Stromschienen und der Stößel, selbsttätig
beseitigt, ohne daß es hierzu besonderer Kompensationseinrichtungen bedarf.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand einiger schematischer Ausführungsbeispiele
erläutert. Fig. i zeigt das Schaltbild eines Kontaktumformers mit sechs Abhebekontakten,
deren bewegliche Schaltbrücken mit i, 2, 3, d., 5, 6 bezeichnet sind. An die Phasen
S und Z' der Eingangsdrehspannung ist die Primärwicklung eines Wandlers W angeschlossen,
dessen Sekundärspannung somit ein Maß für die verkettete Spannung ist. Die Sekundärwicklung
des Wandlers liegt in Reihe mit der Wicklung eines Reglerelektromagneten E an den
Kontaktbrücken 5 und 6 zweier nacheinander arbeitender Kontakte, deren ortsfeste
Kontaktteile a, b miteinander ständig verbunden sind. Der Sekundärstromkreis des
Wandlers W mit der Elektromagnetspule E ist also periodisch jeweils während der
überlappungsdauer der unmittelbar nacheinander sich schließenden Kontakte 5, 6 geschlossen.
Der Anker der Reglermagnetspule E steht bei diesem schematischen Beispiel einerseits
unter Einwirkung einer Feder F, die ihn in seine Ruhelage zurückzuführen bestrebt
ist, .andererseits unter der Einwirkung der Magnetspule E, die der Federkraft entgegenwirkt
und den Anker aus der Ruhelage entfernt. Da der Anker mitsamt den mit ihm verbundenen
Teilen eine gewisse Trägheit besitzt und den einzelnen im Sekundärkreis des Wandlers
W in rascher Aufeinanderfolge auftretenden Stromstößen nicht folgen kann, stellt
er sich während des Betriebes auf eine bestimmte, von der Ruhelage abweichende Mittelstellung
ein. Diese Stellung ist ein Maß für das Integral der verketteten Spannung während
der Überlappungszeit. Bei Abweichungen des Integrals von seinem Sollwert verändert
der Anker seine Stellung und betätigt eine Kontakteinrichtung K, mit deren Hilfe
er ein Regelgetriebe (Verstellmotor od. dgl.) zur Bewegung der Steuerkurve, die
die Kontaktzeit bzw. Überlappungszeit ändert, steuert.
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Die elektrisch beeinflußte Meß- oder Regel- bzw. Steuereinrichtung
läßt sich noch in mannigfacher Weise abwandeln und ausbauen. So läßt sich z. B.
die Schnelligkeit der Regelung dadurch vergrößern, daß die Elektromagneteinrichtung
»direkt«, d. h. ohne Zwischengetriebe, zur Verstellung der Steuerkurve benutzt wird
oder daß sie unter Vermeidung einer Steuerkurve unmittelbar den Hub der Kontaktbrücken
und damit die Überlappungszeit beeinflußt. Sofern dabei die Reglerspule einen so
großen Verbrauch erhalten würde, daß ihr Strom von den Kontakten nicht mehr ohne
Werkstoffwanderung geschaltet werden könnte, so empfiehlt es sich, wieder zur Zwischenschaltung
eines Verstärkers überzugehen. Hierzu verwendet man dann zweckmäßig beispielsweise
einen Elektronenröhrenregler, der den Strom praktisch trägheitslos auf eine ausreichende
Größe übersetzt. Eine gegenüber dem einfachen Verstellmotor erheblich vergrößerte
Regelgeschwindigkeit erhält man auch schon durch Anwendung eines Öldruckverstärkers
(Servomotor).
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Eine weitere wichtige Verbesserung und vor allem eine Verminderung
des Aufwandes für die Schaltdrosseln der Kontaktumformer läßt sich dadurch erzielen,
daß die Überlappungszeit bzw. der Ausschaltzeitpunkt in Abhängigkeit von der Größe
des Gleichstromes verändert wird. Zu diesem Zweck ist bei der Anordnung nach Fig.
i auf der Gleichstromseite das Relais X vorgesehen, durch welches ein Vorwiderstand
mit dem Reglerelektromagneten E in Reihe geschaltet wird, so daß stufenweise der
Sollwert des Reglers, d. h. die Uberlappungszeit bzw. die Lage des Ausschaltzeitpunktes,
verstellt wird. Bekanntlich verändert sich mit der Größe des zu wendenden Stromes
die Phasenlage des Zeitpunktes, bei Welchem der Strom der abgebenden Phase den Wert
Null erreicht. Damit verschiebt sich aber auch die Lage des stromschwachen Zeitbereiches.
Paßt man nun in der beschriebenen Art und Weise dieser Lage die Lage des Ausschaltzeitpunktes
an, so kommt man mit einem wesentlich kürzeren stromschwachen Zeitbereich aus. Infolgedessen
kann man auf diese Weise den Aufwand für die Schaltdrosseln erheblich verringern
oder bei gleichem Schaltdrosselaufwand die Betriebssicherheit des Umformers beträchtlich
erhöhen.
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Eine noch weitergehende Maßnahme zur Erreichung desselben Zweckes
besteht darin, daß man die Anpassung der Überlappungszeit an die Stärke des Stromes
nicht in Stufen, sondern stetig vornimmt. Man kann dazu beispielsweise den bereits
für die spannungsabhängige Regelung der überlappungszeit vorgeschlagenen Regler
benutzen, indem man ihn zusätzlich mit einem Stromsystem versieht. Um auch schnelleren
Stromänderungen noch folgen zu können, ist hier ebenfalls wieder ein möglichst schnell
arbeitender Regler am Platze, also beispielsweise ein unmittelbar wirkender magnetischer
Regler oder ein Öldruckregler. Fig. 2 zeigt eine derartige Anordnung, bei welcher
der Reglerelektromagnet E ein- Flüssigkeitsgetriebe bzw. -gestänge O steuert. Er
besitzt hier jedoch noch eine zweite Wicklung M, die an einen im Gleichstromkreis
liegenden Meßwiderstand N angeschlossen ist. Die Stromwicklung ist dabei in ihrer
magnetischen Wirkung entgegengesetzt der Spannungswicklung geschaltet. Bei Erhöhung
des Belastungsgleichstromes z. B. erfolgt dann eine Schwächung des von der Spannungswicklung
erzeugten magnetischen Feldes, was den Regler veranlaßt, in gewünschter Weise die
Überlappungszeit und damit das Spannungsintegral zu vergrößern. Andererseits regelt
derRegler bei gleichbleibendem Belastungsstrom genau wie auch früher ohne die Stromwicklung
bei gewollten oder ungewollten Änderungen der Wechselspannung auf gleichbleibende
Größe des Spannungsintegrals. Der Unterschied ist nur der, daß jetzt vollkommen
selbsttätig jeder Belastungsstromstärke ein anderes
Spannungsintegral
von günstigster Größe zugeordnet wird.
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Anstatt wie in Fig.2 zwei Spulen in Gegenschaltung auf einen gemeinsamen
Anker oder auf zwei Anker mit gemeinsamer Achse wirken zu lassen, kann man die benötigte
Differentialwirkung auch mit anders gearteten Meßsystemen des Reglers erreichen.
So kann beispielsweise ein Waagebalkensystem nach Fig. 3 verwendet werden. Diese
Anordnung bietet unter anderem den Vorteil, daß die Stromarten in beiden Spulen
verschieden sein können. Es läßt sich daher zur Vermeidung des Meßwiderstandes im
Gleichstromkreis die Stromspule hierbei auch aus dem Kreise des den Kontakten zugeführten
Wechselstromes speisen, wobei zweckmäßig ein Stromwandler Y einzuschalten ist. Die
Benutzung dieses Wechselstromes kann jedoch auch mit einer Einrichtung nach Fig.
2 erfolgen, wenn der Wechelstrom beispielsweise über Trockengleichrichter gleichgerichtet
wird, bevor man ihn der Stromspule zuführt.
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Sämtliche bisher beschriebenen Maßnahmen zur Beeinflussung der Überlappungszeit
befreien bei Umformern in 3-Drossel-Schaltung nicht von der Einhaltung der bereits
früher erwähnten 6o°-Bedingung. Zu ihrer Erfüllung ist es notwendig, die höchstzulässige
Aussteuerung durch einen in Abhängigkeit von der Wechselspannung. verstellbaren
Endanschlag zu begrenzen. Mit der schon erwähnten Kurvenscheibe ist eine Anpassung
möglich lediglich an willkürlich herbeigeführte Änderungen der Wechselspannung.
Eine allgemeinere Anpassung sowohl an gewollte wie auch an durch Netzschwankungen
gegebene Änderungen der Wechselspanneng ist möglich, wenn man dieAussteuerungsbegrenzung
durch einen zweiten selbsttätigen Regler vornimmt. Ein Ausführungsbeispiel dieser
Art ist in Fig. q. dargestellt. Das Magnetsystem des zweiten Reglers ist dort mit
E2 bezeichnet. Dieser Regler betätigt auf eine der bereits früher genannten Arten
eine Einrichtung zur Verstellung des Endanschlages. Durch die Spule des Reglers
muß ein sich über 6o° erstreckendes Spannungsintegral gemessen werden, das mit dem
Einschaltzeitpunkt des der Meßwechselspannung zugeordneten Kontaktes beginnt. In
Fig. q. beispielsweise ist der diese Reglerspule speisendeKreis über einen Wandler
W2 an die Phasen R und S des Transformators angeschlossen. Das Einschalten des Meßstromes
erfolgt demgemäß durch den zugeordneten Kontakt 2. Das Ausschalten des Meßstromes
nach 6o° geschieht durch Überbrückung der Reglerspule mit Hilfe des gegen Kontakt
2 um 6o° verspätet einschaltenden Kontaktes q.. Zur potentialmäßi'gen Trennung ist
dabei die Zwischenschaltung eines Isolierwandlers W3 erforderlich, da die Kontakte
2 und q. an verschiedenen Polen der Gleichspannung liegen. Zur Erzielung der richtigen
Phasenlage des Meßstromes sowie zur Begrenzung des Kurzschlußstromes ist noch die
Einschaltung eines Vorwiderstandes V nötig. Unter Verzicht auf die Wandler W2 und
W, kann man auch die gleiche Wirkung erzielen, wenn man an Stelle der Hauptkontakte
:2 und q. zwei mit entsprechender Phase, d. h. synchron mit diesen schaltende Hilfskontakte
verwendet, wobei man an Stelle der Überbrückung der Reglerspule durch einen Kurzschlußkontakt
für die Beendigung des Meßabschnittes einen Ausschaltkontakt wählen kann.