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Anordnung zur Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer bei Kontaktumformern
mit Haupttransformator und Abhebekontakten Es sind Kontaktumformer bekanntgeworden,
bei welchen besondere Mittel für die Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer (Schaltdrosseln,
saugdrossefähnliche Transformatoren, Primärventile) vorgesehen sind. Schaltet man
beispielsweise Schaltdrosseln in einen Wechselstromkreis, so zeigt sich deutlich
im Nulldurchgang eine Stromstufe, eine sogenannte stromschwache Pause. Die Auslegung
dieser Schaltdrosseln erfolgt meist so, daß die Stromstufe in der Größenordnung
von etwa i A liegt, während der Hauptstrom einen zehn- bis tausendfach größeren
Wert annehmen kann. Bei der Auslegung dieser Schaltdrosseln muß man deshalb -ein
Eisenmaterial mit scharf ausgeprägtem Sättigungsknie verwenden, dessen Magnetisierungskurve
nach dem Knie wenig oder fast gar nicht ansteigt. Ferner ist es erforderlich, die
Schaltdrosseln möglichst streufrei zu bauen, also einen gleichmäßig bewickelten,
fugenlosen Ringkern zu verwenden. Nur solche Drosseln erfüllen die gestellten scharfen
Bedingungen, daß die Drosseln unterhalb der Sättigung eine sehr hohe Induktivität,
oberhalb der Sättigung eine sehr kleine Induktivität aufweisen. Zur Vervollständigung
eines Kontaktumformers gehören außer diesen Schaltdrosseln -auch die beiden anderen
Mittel ermöglichen eine derartige Absenkung des zu unterbrechenden Stromes, daß
die Kontakte schaltfeuerfrei geöffnet werden können - meist auch noch Parallelkondensatoren,
die die beim Abschalten etwa noch vorhandenen
Spannungen aufschlucken
sollen. Die Kondensatoren bemißt man so, daß bei einer Unterbrechung des Stromes
die Anstiegsgeschwindigkeit dieser Spannung kleiner bleibt als die Durchschlagsspannung
der sich öffnenden Kontakte.
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Die bekannten Einrichtungen ermöglichen also, den Strom während der
Zu- und Abschaltung der Kontakte möglichst auf Null abzusenken und die Öffnungsspannung
unter einer unschädlichen Grenze zu halten. Die Erfindung gibt einen neuartigen
Weg für die Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer bei Kontaktumformern mit Haupttransformator
und Abhebekontakten an.
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Erfindungsgemäß ist der Haupttransformator mit einem sättigbaren Kern
versehen und liegt wechselstromseitig in Reihe mit einem Scheinwiderstand (Drosselspule,
ahmscher Widerstand, Kondensator). Der Kern ist als Ringkern ausgebildet und besteht
aus einem magnetischen Werkstoff mit hoher Anfangspermeabilität und mit scharfem
Sättigungsknick.
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In Fig. z der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, das sich auf einen einphasigen Gleichrichter in Brückenschaltung bezieht.
An den Klemmen r und 2 des Wechselstromnetzes liegen in Reihe geschaltet eine Drosselspule
konstanter Induktivität 3 und ein gesättigter Haupttransformator 4. Dieser Sättigungstransformator
4 kann als Spartransformator oder auch wie gezeigt als Transformator mit getrennten
Wicklungen 41 und 42 ausgeführt werden, Der Haupttransformator ist mit einem Ringkern
versehen, dessen magnetischer Werkstoff hohe Anfangspermeabilität und scharfen Sättigungsknick
aufweist. Bei kleineren Strömen bzw. Leistungen genügt unter Umständen auch ein
normaler, entsprechend gesättigter Transformator. An die Wicklung 42 des Haupttransformators
4 sind die periodisch betätigten Kontakte 51 ... 54 des Kontalk @tgeirätes
5 in Brückenschaltung angeschlossen. Als Kontaktgerät dient ein durch Synchronmotor
angetriebenes Gerät mit Abhebekontakten. An die Klemmen 8 und 9 ist der Gleichstromverbraucher
angeschlossen. Ferner ist in die eine Gleichstromleitung eine Glättungsdrossel 7
eingeschaltet.
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Die Wirkungsweise der dargestellten Schaltung möge an Hand der Fig:
2 der Zeichnung erläutert werden, und zwar mögen ui und u2 zwei verschiedene Werte
der als stark schwankend angenommenen Wechselspannung sein. Bemißt man nun die beiden
induktiven Schaltelemente derart, daß während der Zeit der Sättigung praktisch die
gesamte Spannung vom Scheinwiderstand 3 und während der Zeit der Entsättigung praktisch
die gesamte Spannung vom Transformator 4 aufgenommen wird, so wird bei der kleineren
Spannung ein größerer Teil der Spannungswelle ui, nämlich t11 . . . t12 und t13
. . . t14, bei der größeren Spannung ein kleinerer Teil der Spannungswelle u2, nämlich
t21 . . . t,2 und t23 . . . t24, am Transformator 4 liegen. Die schraffierten
Flächenstücke sind je Halbwelle annähernd gleich groß, da sie durch die Sättigungsgrenzen
des verwendeten Drosseleisens bestimmt sind. Je- nach Güte des magnetischen Werkstoffes
des Transformators ¢ ist der Zusammenbruch der Spannung in dem nicht schraffierten
Teil mehr oder weniger vollkommen. Die soeben beschriebenen Verhältnisse beziehen
sich auf Leerlauf, d. h. der Transformator ist in seinem Sekundärteil unbelastet.
Bei Eintritt einer Belastung werden die schraffierten Tenle der Fig.2 etwas verzerrt,
jedoch bleibt bei entsprechender Auslegung die Spannung am Sättigungstransformator
längere Zeit auf oder in der Nähe der Nullinie. Im Sinne der Erfindung werden nun
die Kontakte derart gesteuert, daß das Schließen und Öffnen der Kontakte in der
Zeit der Sättigung des Transformators 4 erfolgt.
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Fließt z. B. in einem Augenblick kurz nach t12 der Strom über die
Kontakte 5 1 und 54, so können nunmehr auch die Kontakte 52 und 53 geschlossen
und alsdann die Kontakte 5 r und 54 geöffnet werden, da der Transformator 4 gesättigt
ist und auch bis t13 gesättigt bleibt. In dieser Zeit, d. h. t12 ... t13,
kann das Schließen und Öffnen der Kontakte ohne Gefahr vorgenommen werden, da ja
am Transformator 4 sekundär keine Spannung vorhanden ist. Bei geringen Restspannungen,
z. B. bei größeren Leistungen, wäre unter Umständen die Schließung über einen kleinen
Vorwiderstand notwendig, um keine Schließungsfunken an den Kontakten auftreten zu
lassen. Gegebenenfalls wird man zu den Kontakten noch Kondensatoren parallelschalten,
doch wird man in den meisten Fällen darauf verzichten können, da der gesättigte
Transformator 4 die Sekundärspannung unter, der Lichtbogenspannung hält.
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Die Reihenschaltung von Scheinwiderstand 3 und gesättigtem Transformator
4 stellt gleichzeitig einen -Spannungsgleichhalter für einen konstanten Mittelwert
dar. Bei sehr günstigen Auslegungen des Transformators ist mithin die Spannung zwischen
Leerlauf und Vollast nur in geringen Grenzen veränderlich. Die Einrichtung kann
deshalb mit Vorteil bei schwankender Netzspannung zur selbstregelnden Dauerladung
von Batterien verwendet werden. Da man das Kontaktgerät nicht unnötigerweise in
Betrieb lassen wird, so ist es zweckmäßig, für die Lieferung des Ladeerhaltungsstromes
einen sehr kleinen Trockengleichrichter parallel zum Kontaktgerät zu schalten. Für
die selbstregelnde Dauerladung wird man unter Umständen den Widerstand des Verbraucherkreises
vergrößern müssen, da wegen des kleinen inneren Spannungsabfalles der Anordnung
die Spannungspuffergrenzen nicht genügend weit voneinander entfernt sind. Die GUttungsdrossel
muß so, groß gewählt werden, daß sie den Strombedarf in den Spannungspausen überbrücken
kann. Unter Umständen kommt man bei manchen Anwendungszwecken auch ohne jede Glättungsdrossel
aus.
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Der Erfindungsgedanke ist an einem besonders einfachen Ausführungsbeispiel
erläutert. Es bereitet keine Schwierigkeiten, ihn auch bei mehrphasigen Kontaktumformern
anzuwenden, beispielsweise bei der dreiphasigen Sternschaltung und bei der dreiphasigen
Brückenschaltung. Damit
die angestrebte Wirkungsweise, insbesondere
gleichartiges Arbeiten der Phasen, sichergestellt wird, empfiehlt es sich, den -
gesättigten Transformator mit freiem magnetischem Rückschluß zu versehen oder -
besser noch - getrennte Kerne für sämtliche Phasen vorzusehen, wie es bei Ringkernen
sich sozusagen von selbst ergibt. Falls die Spannung des Wechselstromnetzes stärkeren
Schwan-1;ungen unterliegen sollte, ist es zur Erhöhung der Betriebssicherheit und
zur Erzielung einer besseren Spannungsregelung günstiger, den mehrphasigen Kontaktumformer
in einphasig gespeiste, mit einer Arbeitszeit (Brenndauer) von i8o° je Kontakt arbeitende
Teilumformer (einphasige Brückenschaltung, Einphasen-Zweiweg-Schaltung) zu zerlegen
und mittels eines mehrphasigen Saugtransformators zusammenarbeiten zu lassen.
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Falls der Spannungsabfall (und gegebenenfalls auch der Leistungsfaktor)
in manchen Fällen zu ungünstig werden sollte, empfiehlt es sich, die v orgeschalteteten
Widerstände veränderlich zu wählen, und zwar derart, daß der Widerstand kleinere
Werte bei ungesättigtem Transformator und größere Werte bei gesättigtem Transformator
annimmt. Besonders vorteilhaft ist es, ein Schaltelement zu wählen, dessen Spannung
sich genau so schnell ändert wie die des Transformators, jedoch mit umgekehrtem
Vorzeichen. Dies gelingt beispielsweise mit einer Schaltdrossel, deren Vormagnetisierung
von der Spannung des Transformators gesteuert wird. In einfacher Weise gelingt dies
gemäß Fig. 3 der Zeichnung dadurch, daß die Spannung am Transformator 4. mittels
eines Hilfsgleie'hrichters (z. B. Trockengleichrichters) io gleichgerichtet und
ungeglättet der Vormagnetisierungswicklung 3o der Schaltdrossel 3 zugeführt wird.
Achtet man darauf, daß der Stromkreis der Vormagnetisierungswicklung eine genügend
kleine Zeitkonstante hat, so wird, sobald der Transformator 4. sich entsätti.gt
und Spannung liefert, die Vormagnetisierungswicklung 30 Strom aufnehmen und
die Schaltdrossel 3 sättigen; sobald sich der Transformator 4 wieder sättigt, wird
der Strom in der Vormagnetisie.rungswicklung wieder zu Null und die Schaltdrossel
3 entsättigt. Zweckmäßig bemi.ßt man den Stromkreis der Vormagnetisierungswicklung
derart, daß die Änderung des Magnetisierungszustarndes der Schaltdrossel weniger
als io° nach der Änderung des Magnetisierungäzustandes des Haupttransformators erfolgt.
Es ist vorteilhaft, die Änderung des Magnetisierungszustandes beider induktiver
Schaltelemente dadurch einzuleiten, daß man vom Wechselstromnetz periodische Spannungsstöße
von wenigen elektrischen Graden Dauer auf das eine induktive Schaltelement gibt.
Beispielsweise kann man derartige Spannungsstöße der Schaltdrossel zum Einleiten
des Rückgängigmachens. der vom Haupttransformator abgeleiteten Vormagnetisierung
zuführen. Mithin ändert die Schaltdrossel praktisch gleichzeitig mit dem Transformator
ihren Magnetisierungszustand, und zwar entgegengesetzt wie beim Transformator. Um
den Magnetisierungszustand der Schaltdrossel nicht zusätzlich durch den Laststrom
zu beeinflussen, ist es zweckmäßig, der Schaltdrossel eine weitere laststromabhängige
Vormagnetisierung zuzuführen, die der laststromabhängi,gen Magnetisierung entgegenwirkt.
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Arbeitet der Kontaktumformer als Wechselrichter, so empfiehlt es sich,
auf der Wechselstromseite einen Energiespeicher, bei Wechselrichtern größerer Leistung
vorteilhaft als leerlaufende Synchronmaschine (Phasenschieber), vorzusehen.