-
Schaltanordnung für Wechselstromunterbrechungseinrichtungen Bei der
im Patent 730 186 beschriebenen Schaltanordnumg dient zur Erleichterung der
Stromunterbrechung eine Drossel mit beim Nennstromwert hochgesättigtem Magnetkern,
durch dessen Entsättigung in der Nähe der Stromnullwerte eine Abflachung der Stromkurve
hervorgerufen wird, die u. a. auch zum Schutz von Schaltstellen bei Einschaltvorgängen
nützliche Dienste leisten kann. Die magnetischen Eigenschaften der Drossel sind
von ausschlaggebender Bedeutung für die maximale Schaltleistung, für die Schaltsicherheit
gegenüber Störungen, insbesondere bei Verwendung zu Umformungszwecken, und für die
Überlastbarkeit der damit ausgerüsteten Schalt- oder Umformungsanordnungen. Erwünscht
ist, daß die Magnetisierungskennlinie im ungesättigten Gebiet möglichst wenig gegen
die Flüßachse geneigt sei, an den Übergängen in die gesättigten Gebiete je einen
scharfen Knick aufweise und in den gesättigten Gebieten bei möglichst hoher Induktion
nahezu parallel zur Erregerachse verlaufe. Dazu wird nach dem Hauptpatent der Kern
aus flach übereinander gewickelten Eisenbandlagen hergestellt. Die vorliegende Erfindung
beruht auf der Erkenntnis, daß bei der praktischen Ausführung der Drosseln Beeinträchtigungen
der Magnetisierungskurve eintreten können, die
durch die Bauform
bedingt sind und eine volle Ausnutzung der an sich guten Magneteigenschaften des
Kernwerkstoffes verhindern und so die Schaltleistung der Gesamtanordnung herabsetzen
können.
-
In Fig. i ist eine der Idealform angenäherte Magnetisierungsschleife
i, i' dargestellt. B bedeutet die Induktion, und J ist der Hauptstrom in der Drosselwicklung,
die mit einer Schaltstelle in Reihe liegt und im Betriebe den Strom führt, der unterbrochen
oder eingeschaltet werden soll. -.Vom Erfinder wurde erkannt, daß diese Schleife
nur unter der Voraussetzung gilt, daß die radiale Ausdehnung des Magnetkernquerschnittes,
die im folgenden kurz als »Kernbreite« bezeichnet werden soll, sehr klein ist. Bei
größerer Kernbreite sind dagegen die Kraftlinienwege in den an der Außenseite des
Kernes liegenden Querschnittsteilen erheblich länger als in den an der Innenseite
des Kernes liegenden Querschnittsteilen. Wird beispielsweise die Kurve i als Kennlinie
eines an der Innenseite liegenden Querschnittsteiles angesehen - es handelt sich
dabei lediglich um eine Maßstabfrage -, so ergibt sich für einen an der Außenseite
liegenden Querschnittsteil mit beispielsweise doppelter Länge des mittleren Kraftlinienweges
die Kurve 2, deren Stromwerte für bestimmte Induktionswerte jeweils doppelt so groß
sind wie die Stromwerte der Kurve i. Durchfließt ein Strom J mit fallenden Augenblickswerten
die Drossel, so werden sich kurz nach dem Nulldurchgang des Stromes zuerst die auf
der Innenseite liegendenTeile des Kernquerschnittes entsättigen; die übrigen Teile
folgen später nach, ebenso spielt sich der ganze Ummagnetisierungsvorgang der einzelnen
Querschnittsteile nacheinander von innen nach außen ab. Die mittlere Induktion im
gesamten Kernquerschnitt folgt der gestrichelt gezeichneten Kurve r-2. Umgekehrt
verläuft auch die Ummagnetisierung der einzelnen Querschnittsteile bei steigendem
Strom in derselben Reihenfolge. Für die Leistungsfähigkeit der gesamten Schaltanordnung
ist der Wert der zur Umsättigung von einem Knie der Magnetisierungskurve zum anderen
erforderlichen Stromänderung d J maßgebend: Je kleiner d J ist, um
so länger ist unter sonst gleichen Bedingungen die Zeit, in der die Stromstärke
unterhalb eines bestimmten Absohutwertes gehalten werden kann, der mit Rücksicht
auf Schaltfeuer, Abbrand und Materialwanderung an den Kontaktflächen zulässig ist.
Daher ist es in erster Linie wichtig, den Betrag d J klein zu halten.
-
Auf die Absolutwerte des Magnetisierungsstromes J kommt es dagegen
nicht sosehr an, da diese in einfacher Weise durch eine Vormagnetisierung mit konstantem
Gleichstrom beliebig verändert werden können. Zwar kann zur Verringerung des Wertes
d J auch die Neigung der auf den Hauptstrom bezogenen Magnetisierungskurve durch
Vormagnetisierung mit veränderlichem Strom verändert bzw. kompensiert werden, dies
erfordert jedoch häufig komplizierte zusätzliche Regeleinrichtungen zur Anpassung
des Vormagnetisierungsstromes an Veränderungen des Hauptstromes, z. B. bei Belastungsschwankungen
oder bei Änderungen des Aussteuerungsgrades einer zu Umformungszwecken dienenden
Schaltanordnung.
-
An Fig. r erkennt man; da-ß d J für den an der Innenseite des Querschnittes
liegenden Teil am kleinsten ist, für die weiter außenliegenden Teile größer. Nach
den oben getroffenen Annahmen ist die in der Zeichnung leicht abgreifbare Stromänderung
d J2 für den außenliegenden Querschnittsteil doppelt so groß wie die für den inneren
Querschnittsteil erforderliche Stromänderung J J" die für die Kurve i in der Figur
eingetragen ist. Noch größer ist die resultierende Stromänderung d J1_2 für den
ganzen Kernquerschnitt entsprechend der Kurve i-2; denn diese resultierende Kurve
beginnt am oberen Sättigungsknie der Kurve i und endet am unteren Sättigungsknie
der Kurve 2.
-
Demgegenüber wird nach der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung
dadurch erzielt, daß die durch verschiedene Länge der Kraftlinienwege bedingten
gegenseitigen Abweichungen des Verlaufs der auf den Hauptstrom bezogenen magnetischen
Kennlinien der inneren und äußeren Kernteile so klein wie möglich gehalten werden.
-
Das kann im einzelnen auf verschiedene Weise geschehen. Zunächst kann
man danach streben, die Kernbreite von vornherein klein zu machen. Damit wird zugleich
der weitere Vorteil erzielt, daß die Gefahr mechanischer Spannungen verringert wird,
die ebenfalls zur Verschlechterung der Magnetisierungskwrve beitragen können. Diese
Gefahr ist insbesondere bei Ringbandkernen um so eher gegeben, je größer die Kernbreite
ist. Auf Grund von Erfahrungen wird empfohlen, die Kernbreite nicht größer zu machen,
als daß die Länge des Kraftlinienweges an der -Kernaußenseite höchstens das i,5fache
der Länge des Kraftlinienweges an, der Kerninnenseite beträgt. Diese Vorschrift
läuft für Ringkerne darauf hinaus, daß die Kernbreite höchstens i5o/o des äußeren
Kerndurchmessers bzw. 2811/o des mittleren Kerndurchmessers betragen soll.
-
Dieses Streben nach geringer Kernbreite kann u. a. Veranlassung dazu
geben, Hilfskerne, die mit einem Hauptkern zusammen von einer gemeinsamen Wicklung
umschlungen sind, jedoch mittels zusätzlicher Vormagnetisierungswicklungen abweichend
vom Hauptkern magnetisch gesteuert werden, nicht an den Stirnseiten des Hauptkerns,
sondern innerhalb oder außerhalb desselben anzuordnen, wie es beispielsweise die
Fig. 2 in Draufsicht und die Fig. 3 im Schnitt zeigen. Hier ist mit 15 ein Hauptkern
bezeichnet, 16 ist ein Hilfskern, der beispielsweise mittels einer zusätzlichen
Erregerspule durch Fremdstrom oder durch den zu unterbrechenden Strom selbst derart
gesteuert werden kann, daß er beim Ausschalten im Gegensatz zum Hauptkern 15 gesättigt
bleibt und beim Einschalten ungesättigt ist, so daß der Einschaltstrom durch die
Wirkung des Hilfskernes 16 unmittelbar nach der Stromschließung zunächst auf einem
sehr kleinen Wert gehalten und damit die Einschaltbeanspruchung herabgesetzt wird.
.
-
Dem Streben nach kleiner Kernbreite stehen aber häufig andere, z.
B. bauliche Gesichtspunkte
entgegen. Bei großen Leistungen und insbesondere
bei hohen und höchsten Spannungen ist es nicht möglich, die Kernbreite beliebig
klein zu machen, weil sonst die Kernhöhe und damit die mittlere Windungshöhe der
Spulenwicklung zu groß werden kann. Es gibt nämlich für jeden Einzelfall ein bestimmtes
wirtschaftlich günstigstes Verhältnis von Kernbreite zu Kernhöhe. Wird dieses unterschritten,
so ergeben sich daraus höherer Werkstoffaufwand für Kern und Wicklung, höhere Eisen-
und Stromwärmeverluste bzw. größere Streuinduktivität der Drossel und damit geringere
überlastbarkeit einer damit ausgestatteten Umformungsanordnung. Die erwähnten Verluste
können für den Gesamtwirkungsgrad ausschlaggebend sein, so z. B. für mechanische
Umformer mit metallenen Abhebekontakten, deren sonstige Verluste verhältnismäßig
klein sind, so daß sie gegenüber den Stromwärmeverlusten in der Drosselwicklung
in den Hintergrund treten. Zwar könnte man theoretisch durch Vergrößerung des Kernumfanges
dem günstigsten Ouerschnittsverhältnis trotz Beibehaltung der gewünschten geringen
Kernbreite näherkommen, praktisch sind jedoch einer solchen Vergrößerung des Kernumfanges
aus Herstellungsgründen Grenzen gesetzt. Soll daher ein der wirtschaftlichsten Form
angenäherter Kernquerschnitt Verwendung finden und muß dazu auf die obenerwähnte
Herabsetzung der Kernbreite verzichtet werden, so stehen andere Mittel zur Verringerung
des Stromänderungsbetrages d J zur Verfügung. Auf einem z. B, gemäß dem Hauptpatent
radial unterteilten Kern können außen mehr hauptstromdurchflossene Windungen angebracht
werden als innen. Die Fig.4 und stelle ein Ausführungsbeispiel für eine derartige
Wicklung eines unterteilten Magnetkernes schematisch im Schnitt bzw. in einer Teilansicht
von oben dar. i i und i2 sind zwei Teilkerne, von denen jeder aus beispielsweise
sechs übereinander angeordneten Bandringen zusammengesetzt sein möge. Die Spulen
13 umfassen beideTeilkerne. Zwischen ihnen finden auf dem äußeren Teilkern i2 Zusatzspulen
14 bequem Platz, die mit den Spulen 13 in Reihe geschaltet werden. Dadurch kann
die auf den Hauptstrom J bezogene Magnetisierungskennlinie für den Teilkern 12 mit
derjenigen des Teilkernes i i praktisch zur Deckung gebracht werden, wenn
gemacht wird. Darin bedeutet h die mittlere Länge des Kraftlinienweges im inneren
Teilkern 11, L" die mittlere Länge des Kraftlinienweges im äußeren Teilkern 12,
W1 die Windungszahl der aus den Spulen 13 gebildeten Hauptwicklung und W". die Summe
der Windungszahlen der aus den Spulen 13 und 14 gebildeten Haupt- und Zusatzwicklung.
Die Zusatzwindungen 14 bewirken, daß sich der äußere Ring 12 bei gleichem Strom
umzumagnetisieren .beginnt wie der innere Ring ii. Da die Zusatzwindungen nicht
mit dem ganzen Kernquerschnitt verkettet sind, so sind sie für die übrigen Rechnungen,
beispielsweise für die Berechnung der Länge des abgeflachten Teiles der Stromkurve,
im Verhältnis des Außenringquerschnittes zum Gesamtquerschnitt zu reduzieren. Die
Zusatzwindungen können gegebenenfalls in die Lücken zwischen den Hauptspulen 13
gelegt werden, dadurch wird eine ins Gewicht fallende Vergrößerung der mittleren
Windungslänge der Hauptspulen 13 vermieden.
-
Für eine Unterteilung in mehr als zwei Teilkerne gilt bei ringförmigen
Kernen die Regel, die Drosselwicklung in ihrer Windungszahl so abzustufen, daß die
Zahl der einen Teilquerschnitt des Ringkernes umschließenden Windungen proportional
dem mittleren Durchmesser dieses Teilquerschnittes sein soll.
-
Ein weiteres Mittel, mit dem zwar nicht eine so vollkommene Deckung
der Magnetisierungskurven der inneren und äußeren Teilkerne erzielt werden kann,
das dafür jedoch einfacher zu verwirklichen ist, besteht darin, daß die Teilkerne
verschieden vormagnetisiert werden. Wird beispielsweise die Kurve i in Fig. i als
resultierende Kennlinie des inneren Teilkernes i i, die Kurve 2 als diejenige des
äußeren Teilkernes 12 angesehen, so kann für den äußeren Teilkern 12 mit Hilfe einer
Vormagnetisierung von der Größe d J" die Ordinatenachse (J = O) von der Stelle
O an die Stelle a verlegt werden. Aus Kurve 2 wird dann durch Parallelverschiebung
die Kurve 3. Diese stellt nunmehr die auf den Hauptstrom J bezogene Magnetisierungskennlinie
des äußeren Teilkernes 12 dar. Sie zeigt wesentlich geringere Abweichungen von der
Kurve i des inneren Teilkernes i i. Die resultierende Magnetisierungskurve 1-3 hat
infolgedessen eine günstigere Form als die Magnetisierungskennlinie 1-2; denn d
J1_3 ist nur unwesentlich größer als d l1. Durch die zusätzliche Vormagnetisierung
des äußeren Teilkernes wird also die Schaltleistung und Schaltsicherheit der Gesamtanordnung
wesentlich erhöht.
-
Durch eine .weitere für beide Teilkerne gleiche Vormagnetisierung
kann die Nullinie des Stromes J an die Stelle b verschoben werden, so daß bei fallenden
Stromwerten der gesamte abgeflachte Teil der Stromkurve noch positiv ist. Dies hat
insbesondere in Verbindung mit einem zur Unterbrechungsstelle parallel geschalteten,
vorzugsweise kapazitiven Nebenstrompfad einen sehr günstigen Verlauf der wiederkehrenden
Spannung an der sich öffnenden Unterbrechungsstelle zur Folge. Der Unterschiedsbetrag
d J" der Vormagnetisierung der beiden Teilkerne sowie ihre gemeinsame Vormagnetisierung
kann aus dem Diagramm der Magnetisierungskennlinien, z. B. Fig. i, der Größe nach
abgegriffen werden. Der so gewonnene Wert ist im Maßstabe des Hauptstromes J gemessen.
Wird die Vormagnetisierung mit Hilfe besonderer Wicklungen bewirkt, deren Windungszahl
w von der Windungszahl W der Hauptwicklung abweicht, so ist der erforderliche zusätzliche
Vormagnetisierungsstrom
Soll zur Vormagnetisierung beider Teilkerne der gleiche Strom i" z. B. durch Hintereinanderschaltu.ng
der besonderen Vormagnetisierungswicklungen verwendet werden, so erhält die Vormagnetisierungswicklung
auf dem äußeren Teilkern
12 eine größere Windüngszahl w" und diejenige
auf dem inneren Teilkern i r eine kleinere Windungszahl wt. Zur Erzielung des in
Fig. i dargestellten Ergebnisses (Kurve r-3) muß
sein oder
Da die Vormagnetisierungswicklungen weniger Platz beanspruchen als die Hauptwicklung,
die für den Hauptstrom bemessen sein muß, so läßt sich eine zusätzliche Windungszahl
der Vormagnetisierungswicklüng auf dem äußeren Teilkern meist leichter unterbringen
als eine zusätzliche hauptströmdurchflossene Wicklung 14. Natürlich kann auch hier
wiederum der Gesamtkern in mehr als zwei Teilkerne unterteilt und die Windungszahl
der Vormagnetisierungswicklungen dementsprechend mehrfach abgestuft werden.
-
Statt mit Hilfe von Wicklungsverschiedenheiten kann die erwünschte
Angleichung der auf den Hauptstrom bezogenen Magnetisierungskurven der äußeren-
und inneren Querschnittsteile auch durch Unterschiede in den magnetischen Eigenschaften
des Kernmetalls erzielt werden. So können beispielsweise für die einzelnen Teilkerne
verschiedene Magnetlegierungen verwendet werden, derart, daß das Metall der äußeren
Kernteile zur- Erzielung-bestimmter Induktionswerte eine geringere Durchflutung
erfordert als dasjenige Metall, aus dem die inneren Kernteile bestehen. Bei Verwendung
der gleichen Metallsorte für den ganzen Kern können ferner die inneren Kernteile
einer zusätzlichen mechanischen Spannung ausgesetzt werden, indem entweder die einzelnen
Bandlagen mit mechanischer Vorspannung aufeinandergewickelt werden oder indem durch
zur Abstützung dienende Bauteile- ein axialer oder radialer Druck auf die inneren
Bandlagen ausgeübt wird. Durch solche zusätzlichen mechanischen Spannungen wird
allerdings die Magne-* tisierüngskürve des inneren Teilkernes gewissermaßen verschlechtert.
Nach Fig.@ r wird also nicht die Kurve 2 der Kurve r, sondern umgekehrt die Kurve
i der Kurve 2 angeglichen. Allein auch dadurch wird, wie oben erwähnt, gegenüber
der ursprünglicIien resultierenden- Kennlinie r-2 des Gesamtkernes eine Verbesserung
erzielt, indem der zur Umsättigung erforderliche Strombetrag d J verkleinert wird.
Die beschriebene Abstufung der magnetischen Eigenschaften der außen- und innenliegenden
Kernteile durch Verwendung verschiedener Eisensorten oder durch Anwendung verschiedener
mechanischer Vorspannungen hat den Vorzug, daß keinerlei zusätzlicher Wickelraum
benötigt wird.