Kontaktumformer mit magnetischen Schaltelementen zur Entlastung der
Kontakte von Schaltfeuer Für die Belastungskennlinie von Kontaktumformern mit magnetischen
Schaltelementen (saugdrosselähnliche Transformatoren, Schaltdrosseln) gilt die Beziehung,
welche z. B. für dreiphasige Brückenschaltunbgen folgende Formel aufwe-i st
Dabei ist Ugl = die Spannung bei Belastung, Uglo = die Gleichspannung
bei Leerlauf, s = die bezogene Kurzschlußspannung, O = die bezogenen Ohmschen Spannungsverluste,
2 -cf. d ts = Stufenlänge der Drosseln unter dem Scheitelwert y 72-.
y'3 . E der Kommutierungsspannung, Jl = Magnetisierung der Drosseln beim
Gleichstrom Igl, Jeln = Magnetisierung der Drosseln im Augenblick des Einschaltens
des Kontaktes der betreffenden Phase,
Al, = Magnetisierungsänderung
vom oberen bis zum unteren Sättigungsknie der Drossel, w = Windungszahl, q = Eisenquerschnitt
der Drossel.
Abgesehen vom Ohmschen Spannungsabfall
setzt sich der induktive Spannungsabfall aus zwei Gliedern zusammen, und zwar einem
Glied
welches auf die Streuinduktivitäten im Kommutierungskreis zurückzuführen und lastproportional
ist, und aus einem Glied
herrührend vom Eisen der Drosseln. Im oberen Teil der Zeichnung ist die Magnetisierung
1, der Drossel abhängig vom Gleichstrom aufgetragen. je nach der Qualität des verwendeten
Drosseleisens kann die Form dieser Magnetisierungskennlinie einen verschiedenen
Verlauf haben, bei idealem Eisen beispielsweise nach der Kurve a, bei technisch
üblichen Eisensorten nach der Kurve b oder c. Die Magnetisierung Jet" ist im allgemeinen
von der Belastung unabhängig und hat einen Wert, welcher etwa einer Magnetisierung
mit i AW/em entspricht. Der vom Eisen herrührende induktive Spannungsabfall ist
also bei einer Magnetisierungskennlinie nach der Kurve a praktisch im ganzen Belastungsbereich
konstant, wobei zu berücksichtigen ist, daß es keine Mühe macht, bei idealem Eisen
die Magnetisierung I,1" bis nahe an die Sättigungsmagnetisierung Tmax zu treiben,
so daß der induktive Spannungsabfall bei idealem Eisen praktisch Null sein kann.
Bei weniger gutem Material läßt sich jedoch die Magnetisierung 1e1" nicht so hoch
treiben. Es tritt infolgedessen ein wesentlicher induktiver Spannungsabfall durch
das Eisen auf, welcher im Falle der Kurve b bereits bei kleinen Belastungen angenähert
den Wert hat, den er bei Nennlast aufweist, weil die Kurve b sich bereits bei kleiner
Belastung dem Werte 1""x nähert. Im unteren Teil der Zeichnung sind die Kennlinien
für die verschiedenen Eisensorten angedeutet. Im Falle a ist die Kennlinie nur wenig
geneigt, nämlich entsprechend dem Ohmschen Spannungsabfall und dem induktiven Luftspannungsabfall.
Im Falle b tritt ein wesentlich größerer Spannungsabfall auf, welcher jedoch nicht
linear mit dem Strom, sondern bei kleinen Str'ö'men sehr stark und bei großen Strömen
nur noch wenig anwächst. Die Kurve b stellt den üblichen Verlauf dar, wie es beispielsweise
bei der Verwendung von Siliziumeisen erreicht wird. Verwendet man- hochwertige Eisen-Nickel-Legierungen,
läßt sich der Verlauf der Kurve a erzielen. Für manche Verwendungszwecke ist ein
verhältnismäßig großer induktiver Spannungsabfall erwünscht, welcher aber angenähert
proportional mit der Belastung sein muß. Dies ist z. B. erforderlich bei Umformern,
welche zur selbsttätigen Sammlerladung benutzt werden, oder bei Umformern, welche
in bestimmter Weise mit anderen Geräten parallel arbeiten sollen. In solchen Fällen
ist die Anwendung eines sehr hochwertigen Eisens, entsprechend den Kurven a, nicht
zweckmäßig, weil in diesem Falle zur Erzielung des notwendigen induktiven Spannungsabfalls
künstliche Induktivitäten in den Kommutierungsstromkreis eingebaut werden müßten,
was zusätzliche Kosten bringt. Andererseits ist jedoch die Verwendung von Eisen
mit der Kennlinie b unbefriedigend, weil die Kennlinie b bei kleiner Last zu stark
gekrümmt ist und daher der Spannungsabfall bei kleiner Last bereits zu groß ist.
Bei der Magnetisierungskennlinie ergeben sich, wenn man, wie bisher allgemein üblich,
z. B. das billige Eisensilizium durch Glüh- und Walzprozesse so züchtet, daß es
bei Feldstärken von der Größenordnung i AW/em eine möglichst hohe Magnetisierung
aufweist, wie Form b, Magnetisierungswerte, welche nur wenig geringer sind als die
Sättigung imax, zwar nicht bei Feldstärken von der Größenordnung i AW/cm, jedoch
bei Feldstärken von der Größenordnung io AW/cm erreicht werden. Bei einem solchen
Material treten die Vorteile, die ein ideales Sättigungsknie wie das der Kurve a
aufweist, noch nicht hervor, andererseits ergibt sich jedoch die für die praktische
Verwendung im allgemeinen unerwünschte Form b der Stromspannungskennlinie in der
Zeichnung unten. Bei dieser Form der Kennlinie wird nämlich, wenn die Gegenspannung,
auf welche der Umformer arbeitet, groß wird, der Strom unerwünscht klein. Bei der
Ladung von Sammlern wirkt sich das so aus, daß gegen Ende des Ladevorganges der
Ladestrom zu klein wird.
Nach der Erfindung wird der Kontaktumformer mit magnetischen Schaltelementen
zur Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer ein Eisenkern verwendet, welcher bei
etwa i AW/cm eine mittlere Permeabilität von etwa 15 ooo Gauß/AW aufweist, oberhalb
von etwa i AW bis zur betriebsmäßigen höchsten Sättigung jedoch eine angenähert
konstante differentielle Permeabilität von 5 bis So Gauß/AW, derart, daß der vom
Eisen der Drosseln herrührende induktive Spannungsabfall zwischen Leerlauf und Vollast
angenähert linear mit der Belastung anwächst. Bei allen Bemühungen, derartiges Material
für Drosseln von Kontaktumformern zu entwickeln, hat man bisher die Form a der Zeichnung
angestrebt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für gewisse Verwendungszwecke
die Form c zweckmäßiger ist. Die Form c der Magnetisierungskennlinie läßt sich durch
entsprechende Behandlung des Materials während der Herstellung durchaus erreichen,
z. B. dadurch, daß man Glüh- und Walzprozesse derart abstimmt, daß die Kristallorientierung
des Materials bestimmte Vorzugsrichtungen zur Magnetisierungsrichtung
annimmt.
Man kann nicht die Auffassung vertreten, daß die Form c im wesentlichen eine schlechtere
Variante der Form b sei. Vielmehr kommt es bei der Form c darauf an, daß der obere
Schenkel der Magnetisierungskennlinie im wesentlichen geradlinig und nicht wie bei
b gekrümmt verläuft. Um diesen Verlauf zu erreichen, ist ein ganz besonderes Material
und Herstellungsverfahren anzuwenden. Je nach dem Verwendungszweck kann man dabei
die Magnetisierung bei etwa i AW/cm höher oder tiefer legen. Will man beispielsweise
Umformer mit sehr starb fallender Kennlinie, so wird man die Magnetisierung bei
i AW/cm tief, beispielsweise bei io ooo Gauß, legen, so daß zur Erzeugung des induktiven
Spannungsabfalles ein Wert Tt-Iet" bei Si.liziumeisen von angenähert ioooo bis iiooo
Gauß zur Verfügung steht. Wünscht man steifere Kennlinien, so kann man die Magnetisierung
bei i AW/cm beispielsweise von der Größenordnung 15 ooo Gauß wählen. Die gewünschte
Wirkung läßt sich dadurch auch erzielen, daß man ein schlechtes Material, beispielsweise
gewöhnliches Transformatorenblech, und außerdem einen hochwertigen Kern mit einer
Kennlinie der Form a verwendet und beide gemeinsam mit einer Wicklung umschließt.
Man hat jedoch unter Umständen den Nachteil, daß der hochwertige Kern a für sich
allein teuerer wird als ein Material von der Form der Magnetisierungskennlinie c.