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Umformer Es sind bereits Umformer mit mechanisch bewegten Kontakten
bekannt, bei denen die Eigenzeiten, der Steuereinrichtung und der Beginn der Kontaktöffnung
so abgestimmt sind, däß zu einem Zeitpunkt, in welchem der abklingende Strom praktisch
Null ist, bereits der zur sicheren Verhinderung des Stromdurchganges in umgekehrter
Richtung nötige Mindestkontaktabstand erreicht, jedoch nicht wesentlich überschritten
ist. Nach der Erfindung kann ein derartiger Umformer in besonders vorteilhafter
Weise ausgeführt werden, indem die mechanisch bewegten Kontakte von einer Vielzahl
zueinander paralleler beweglicher Teilchen gebildet werden, die mit Hilfe eines
Magnetfeldes bewegt werden und dadurch die Verbindungen zwischen zwei Elektroden
schalten, wie solche bereits vorgeschlagen worden sind. Mit besonderem Vorteil werden
die Schaltbrücken dabei so ausgebildet, daß sie wenigstens den Ausschaltvorgang,
zweckmäßig aber auch -den Einschaltvorgang mit sehr kurzer Schaltzeit genau zu dem
durch die Steuerung festgelegten Zeitpunkt durchführen. Eine wesentliche Verbesserung
in dieser Hinsicht kann beispielsweise dadurch erreicht werden, d aß die Teilchen
in der Stellung, in die sie durch das Magnetfeld gebracht werden, so lange festgehalten
werden, wie das Magnetfeld erregt ist, daß sie aber bei dem Verschwinden des Magnetfeldes
(bei Entregung) sofort wieder in die ursprüngliche Stellung zurückgeführt werden.
Die Teilchen können hierbei so, ausgeführt werden, daß sie bei der Einschaltung
des Magnetfeldes eine Bewegung aus derAusschaltstellung
in die
Einschaltstellung durchführen. Besonderen Vorteil bietet es aber, unter Umständen
die Anordnung umgekehrt so zu treffen, daß die Teilchen bei der Einschaltung des
Magnetfeldes aus der Einschaltstellung in die Ausschaltstellung gebracht werden,
so daß die Ausschaltbewegung mit der durch das kräftige Magnetfeld bedingten besonders
kurzen Ausschaltzeit durchgeführt werden kann. Um zu erreichen, daß die Teilchen
bei dem Verschwinden des Feldes unter der Wirkung geeigneter Rückführungskräfte
verzögerungslos ihre Zurückbewegung ausführen, kann es zweckmäßig sein, zwischen
den Teilchen und wenigstens einem Pol eine Schicht aus nichtmagnetischem Material
anzuordnen, das aus elektrisch leitendem Material oder auch aus Iso:liermateria1,
-auf das gegebenenfalls eine leitende Belegung aufgebracht sein kann, besteht. Auf
diese Weise wird erreicht, da,ß die Haltekräfte, die etwa infolge des remanenten.
Magnetismus bestehenbleiben (Bildkraft), im Vergleich zu den Rückführkräften klein
sind, so daß die Gefahr eines Klebenbleibens beseitigt ist. Eine weitere wesentliche
Verbesserung besteht darin, daß Teilchen verwendet werden, die im Verhältnis zu
ihrem Durchmesser eine große (mindestens zehnfache) Länge aufweisen, wobei die Anordnung
so getroffen, ist, daß jedes einzelne Teilchen für sich im Einschaltzustand den
gesamten. Abstand zwischen den Elektroden überbrückt. Mit besonderem Vorteil wird
hierzu die Lage, der einzelnen Stäbchen definiert, indem diese beispielsweise in
entsprechenden Führungsbuchsen lose gehalten werden oder in einem Punkt verschwenkbar
etwa entgegen einer elastischen Rückführkraft gehalten werden. Da es auf eine große
Bewegungsgeschwindigkeit und damit eine kurze Schaltzeit wesentlich ankommt, ist
es zweckmäßig, die Teilchen in ihrer Mitte drehbar (schwenkbar) zu lagern, da bei
einer derartigen Anordnung das Trägheitsmoment bei gleicher Teilchengröße erheblich
verringert ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil kann dadurch erreicht werden,
daß die Berührungspunkte zwischen Teilchen und Elektroden, die gegebenenfalls auch
für Flächenberührung ausgebildet sein können, so gestaltet werden, daß sie bereits
bei geringem Anpreßdruck einen Stromübergang sicher ermöglichen. Hierzu können mit
Vorteil sowohl die Enden der Teilchen als auch die Elektroden mit geeignetem. Metallüberzügen
versehen werden, beispielsweise aus Silber. Außerdem kann es zweckmäßig sein, die
Teilchen innerhalb vollkommen abgeschlossener Dösen anzuordnen, in denen Hochvakuum
oder ein Medium aufrechterhalten wird, das in Bezug auf das Metall der Teilchen
völlig inaktiv ist, so daß keine Veränderungen, wie z. B. Oxydhildung, Fremdschicht-Bildung,
eintreten, können. Es kann zweckmäßig sein, ein derartiges Medium auch unter einem
hohen Druck, beispielsweise io bis 5o At.m., anzuordnen, wodurch erreicht werden
kann, daß auch bei sehr kleinen Abständen große Spannungen sicher beherrscht werden
können. Mit besonderem Vorteil wird weiter die Anordnung so getroffen, daß der Anpreßdruck
an den Kontaktstellen mit zunehmender Stromstärke steigt, was beispielsweise durch
eine gegebenenfalls zusätzliche Beeinflussung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von
der Hauptstromstärke erreicht werden kann. Bei der Anordnung der Teilchen wird weiter
zweckmäßig darauf Rücksicht genommen, daß eine große Anzahl von Teilehen parallel
arbeitet, die sich beim Arbeitern untereinander nicht stören,. ihre Schaltbewegungen
aber praktisch gleichzeitig durchführen, so daß immer eine große Anzahl parallel
geschalteter Stromwege besteht. Mit besonderem Vorteil können hierbei weiter noch
Maßnahmen getroffen werden, um eine gleichmäßige Stromverteilung .auf die einzelnen
Teilchen bzw. Strombrücken zu sichern. Hierzu kann es unter Umständen zweckmäßig
sein, wenigstens eine der Elektroden in eine den Teilchen oder bestimmten Teilchengruppen
entsprechende Anzahl voneinander isolierter Teilelektroden zu zerlegen, zu denen
die Stromzuführung über ge= eignete Stabilisierungswiderstände ohmschen oder induktiven
Charakters erfolgt. Die die beweglichen Teilchen einschließlich der Elektroden enthaltenden
Dosen können zweckmäßig als ein für sich selbständiges Element ausgebildet werden,
das in einfacher Weise in den Luftspalt des Magnetkörpers eingeführt, herausgenommen
und ausgewechselt werden kann. Solche Dosen können - etwa in verschiedenen Ausführungen
je nach der Belastung auf Lager gehalten werden, wodurch die Möglichkeit gegeben
wird, bei etwaigen Störungen den Umformer nach kürzester Dauer wieder in Betrieb
zu setzen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, innerhalb einer Dose nicht bloß
eine große Anzahl von zueinander parallelen Schaltbrücken anzuordnen, die durch
magnetisch bewegliche Teilchen gebildet werden, sondern auch mehrere solcher Teilchen
hintereinander zu schalten, so daß eine Vielfachunterbrechung entsteht, die insbesondere
zur Beherrschung höherer Spanriüngen wünschenswert sein kann.
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Außerdem kann es vorteilhaft sein, je nach Strom oder Spannung mehrere
Dosen dieser- Art zueinander parallel oder in Reihe: zu schalten, wobei jede Dose
ein eigenes Magnetsystem erhalten kann oder auch, was in den meisten; Fällen günstiger
ist, ein Magnetsystem für mehrere Dosen gemeinsam benutzt werden kann.
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In der angegebenen Weise können Umformer jeder Art, insbesondere auch
Gleichrichter, sowie auch ruhende Kollektoren ausgebildet werden.
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Zur Erleichterung der Unterbrechungsbedingungen sowie insbesondere
um ein völlig lichtbogenfreies Unterbrechen zu ermöglichen, kann es zweckmäßig sein,
eine Drossel mit einem Eisenkern vorzuschalten, der bereits bei- geringem Stromwert
sprunghaft in den Sättigungszustand übergeht, wodurch eine stromschwache Pause entsteht,
die für den Schaltvorgang ausgenutzt werden kann. Außerdem kann es auch zweckmäßig
sein, der Unterbrechungssteile des Umformers einen Parallelweg, bestehend aus Kapazitäten,
gegebenenfalls in Verhind'ung .mit Induktivi:täb und ohms.chem Widerstand,
zuzuordnen.
Außerdem können auch andere vom Kontaktumformer her bekannte Hilfsmittel, wie z.
B. Einschaltdrossel, auch bei einem Umformer dieser Art mit Vorteil angewendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen dreiphasigen Gleichrichter ist in
Fig. i der Zeichnung dargestellt. An einer Drehstromsammelschiene- i ist ein Gleichrichtertransformator
2 angeschlossen, dessen Sekundärwicklungen (Phasen. R, S, T) in Stern geschaltet
sind. Um die Übersichtlichkeit in der Darstellung nicht zu gefährden, sind die meisten
Einzelheiten nur in den Stromverlauf der Phase .S gezeichnet; die anderen beiden
Phasen sind jedoch in gleicher Weise durchgebildet. Der Strom fließt vom Transformator
über eine Schaltdrossel 3 und eine Wicklung 13 zu. einer Schaltdose 5. Diese
enthält eine Vielzahl kleiner beweglicher Schaltbrücken 6, die etwa in der Mitte
in einer Gummimembran gehalten sind, durch die eine elektrische Verbindung zwischen
den beiden Belegungen q. und 7 hergestellt werden kann, die als leitender Überzug
auf der unmagnetischen Schicht aufgebracht sind, die die Schaltdosen abschließen
und an die sich die nicht gezeichneten Magnetpole anschließen. Der Strom tritt in
die Dose an der oberen Belegung q. ein, geht über die beweglichen Schaltbrücken
wieder zur unteren Belegung 7, von dort zu einer Hauptstromwicklung 8 und weiter
zur Belastung 9 und von dort zurück zum Sternpunkt o des Transformators. Der Dose
sind weiter noch zwei Steuerwicklungen io und ii zugeordnet. Die Steuerspule io
liegt an der verketteten Spannung URS, die Ausschaltspüle i i an der Phasenspannung
UR. Im Stromkreis der Einschaltspule io liegt ein Schalter 12, der von einer vom
Strom IS durchflossenen Wicklung 13 entgegen einer Feder 1q. geöffnet wird. In dem
Kreis der Ausschaltspule i i ist eine Dreifach-Elektrodenanordnung 15 vorgesehen,
die von der in der Spule 16 auf der Schaltdrossel 3 induzierten Spannung gezündet
wird; 17 ist ein Widerstand im Zündkreis.
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In Fig. 2 sind die drei Phasenspannungen UR, US
und UT sowie
die verkettete Spannung URS aufgezeichnet, ferner die Ströme IR, IS und IT.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Vor dem Zeitpunkt t
= o (s. Fig. 2) fließt der Strom IR über die Belastung 9 und zurück zum Sternpunkt
Null. Im Augenblick t = o ändert die verkettete Spannung URS ihr Vorzeichen. Damit
dreht sich das Magnetfeld in der Spule io um und die polarisierten Schaltbrücken
6 bewegen. sich in Richtung des Feldes und stellen damit eine Verbindung zwischen
den Belegungen ,4 und 7 her. Nun beginnt der Strom in der Phase S zu fließen, wodurch
die Hauptstromspule 8 erregt und das :Magnetfeld im Einschaltsinn verstärkt wird.
Dies ergibt größeren Kontaktdruck und damit kleineren Widerstand der Dose. Durch
den Strom IS wird die Spule 13 erregt; dadurch wird der Schalter 12 entgegen der
Feder 1q. geöffnet; das hat zur Folge, daß nun die Spulen io ausgeschaltet ist.
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Wir betrachten nun die Abschaltung des Stromes IS zum Zeitpunkt t
(s. Fig. 2). Unter der Kommutierungsspannung UST sinkt der Strom IS ab und erreicht
zur Zeit t praktisch- den Nullwert. Durch Ummagnetisierung der bis dahin gesättigten
Schaltdose entsteht in an sich bekannter Weise eine stromschwache Stufe im Verlauf
des Stromes IS. Dieser Augenblick wird nun zur Unterbrechung in der Dose 5 ausgenutzt,
und zwar dadurch, daß die Spule i i kräftig im Ausschaltsinn erregt wird. Dies kann
dadurch geschehen, daß durch die in der Spule 16 zu Beginn der Ummagnetisierung
induzierte Spannung die Dreifa.chelektrode 15 gezündet wird. Die Spule i i wird
dann an die Phasenspannung UR gelegt, die in diesem Augenblick gerade einen, hohen
negativen Wert aufweist. Die Schaltvorgänge in den Phasen R und T verlaufen durchaus
analog.
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Die Bemessung der Dose ist so vorgenommen, daß innerhalb der Stufenzeit
die Brücken.6 sich so weit bewegt haben., daß eine Rückzündfung nach Ablauf der
Stufenzeit nicht auftreten kann. Infolge der überaus kurzen Schaltzeit genügt eine
kurze Stufenzeit, so daß die Schaltdrosseln sehr klein und billig ausgeführt werden
können.
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Bei einem derartigen Gleichrichter, der im Bedarfsfalle auch für sehr
hohe Spannungen gebaut werden kann, ist durch die Vereinigung einer Reihe erfinderischer
Maßnahmen, von denen keineswegs immer alle angewendet werden müssen, ein praktisch
trägheitsloses Arbeiten erreicht, das große Vorteile, insbesondere auch im Sinne
einer Verbesserung der Ausnutzung, mit sich bringt.