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Schaltanordnung für einen elektromagnetischen Gleichrichter Bekannt
ist eine Schaltanordnung für einen elektromagnetischen Gleichrichter, bestehend
aus einem elektromagnetischen Unterbrecher mit zwei Einschaltwicklungen und einem
Steuergleichrichter, enthaltend ein echtes Ventil, wobei beide Gleichrichter von
der gleichen Stromquelle gespeist werden und der Strom des Steuergleichrichters
(Steuerstrom) durch eine Einschaltwicklung des elektromagnetischen Unterbrechers
fließt. Erfindungsgemäß kann eine derartige Schaltanordnung verbessert werden, indem
die Impedanzen im Steuerstromkreis derart gewählt werden, daß der Unterbrecher frühestens
2. ZO-4 Sekunden vor dem Zeitpunkt geschlossen wird, da der Strom im Hauptgleichrichter
(Hauptstrom) in der Gleichstromrichtung fließen kann und der Steuerstrom spätestens
2. io-4 Sekunden nach dem Hauptstrom durch Null geht. Damit wird eine besonders
vorteilhafte selbsttätige Anpassung der Arbeitsweise der Gleichrichteranordnung
an Veränderungen der Belastung erzielt.
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Der Grundgedanke der Erfindung soll zunächst an dem einfachen Beispiel
eines Einphasengleichrichters gemäß Fig. i und dem zugehörigen Diagramm nach Fig.
2 erläutert werden.
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In Fig. i bedeutet i einen Transformator mit der Primärwicklung 2
und der Sekundärwicklung 3. 4 ist
der Unterbrecher mit der Strombrücke
5, der Ausschaltfeder 6, der Hauptstromwicklung 7 und der Einschaltwicklung B. 9
ist eine Schaltdrossel, io der Steuergleichrichter, ii eine regelbare Impedanz,
12 die zu ladende Batterie, =3 die Belastung.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende Sowie die Sekundärspannung
u des Transformators größer wird als die Gleichspannung Ug, was vom Zeitpunkt tl
(s. Fig. 2) an. der Fall ist, fängt im Steuerstromkreis ein Strom i an zufließen.
Er nimmt seinen Weg über den Steuergleichrichter io, die Impedanz ii, die Einschaltwicklung
8 und die Belastung 12, 13 zurück -zur Sekundärwicklung 3 des Transformators. Solange-
dieser Strom unterhalb des Ansprechstromes I" des Unterbrechers q. ist, arbeitet
der Steuergleichrichter allein auf die Belastung. Sowie jedoch der Strom
i den Ansprechstrom I" erreicht, wie dies beispielsweise nach Fig. 2 im Zeitpunkt
t2, also bei diesem Beispiel nach dem Zeitpunkt ti, bei dem der Hauptstrom in der
Gleichstromrichtung fließen kann, der Fall ist, wird der Unterbrecher q. geschlossen,
und es fließt nun ein Strom I über die Schaltdrossel 9, die Hauptstromwicklung 7;
die Strombrücke 5 und die Belastung 12, 13 zurück zur Sekundärwicklung 3. Es arbeiten
nun der Steuer- und der Hauptgleichrichter parallel. Damit sich der Unterbrecher
jeweils während der nach dem Nulldurchgang des Hauptstromes durch die Schaltdrossel
9 erzeugten Stufe öffnen kann, muß durch passende Wahl der Impedanzen im Steuerstromkreis,
unter Umständen durch Hinzufügung einer Zusatzspannung geeigneter Größe und Phasenlage
im Steuerstromkreis, dafür gesorgt werden, daß der Steuerstrom i in allen möglichen
Betriebsfällen spätestens 2. io-4 Sekunden nach dem Hauptstrom I durch Null geht.
Aus Fig. 2 erkennt man, daß der Steuerstrom i seinen Nullwert im Zeitpunkt t4 erreicht,
während der kleinste Hauptstrom I, nur wenig später im Zeitpunkt t5 Null wird und
dann seine Stufe durchläuft, wobei der Unterbrecher unter dem Einfluß der Ausschaltfeder
6 sich öffnet. Bei größeren Hauptströmen erreicht der Hauptstrom seinen Nullwert
im allgemeinen zu späteren Zeitpunkten. In Fig. 2 bedeutet I den Nennstrom und I,
den Kurzschlußstrom, die zu den Zeitpunkten t6 bzw. t7 Null werden. Entsprechend
dem steileren Stromabfall bei größeren Hauptströmen wird die Strombrücke 5 des Unterbrechers
q. durch den Hauptstrom praktisch bis zum Nulldurchgang festgehalten; die unterstützende
Wirkung der Einschaltwicklung ist daher nicht mehr notwendig. Um ein vorzeitiges
Abfallen der Strombrücke 5 bei kleinen Hauptströmen I, zu vermeiden, kann es zweckmäßig
sein, den Steuerstromkreis so zu bemessen, daß der Steuerstrom i entweder gleichzeitig
mit I, oder sogar etwas später (i ... 2. io-4 Sekunden) seinen Nullwert erreicht.
Auf diese Weise ist es möglich, die Hauptstromwicklung 7 des Unterbrechers q. mit
nur wenigen Windungen, im Grenzfall sogar nur mit einer Windung zu- versehen.
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Es ist auch möglich, den Haupt- und Steuerstromkreis so aufeinander
abzustimmen, daß der Steuerstrom i und der Hauptstrom I unter allen Belastungszuständen
praktisch gleichzeitig durch Null gehen. In diesem Fall können Unterbrecher benutzt
werden, die überhaupt, keine Hauptstromwicklung 7 aufweisen. Dies hat allerdings
den Nachteil, daß der Kontaktdruck durch den Hauptstrom nicht verstärkt wird. -In
einfachen Fällen, wenn der Gleichrichter beispielsweise auf eine Belastung ohne
oder mit nur geringer Gegenspannung arbeitet, kann die Anordnung noch weiter vereinfacht
werden. Eine beispielsweise Ausführungsform, und zwar in Dreiphasenschaltung, zeigt
Fig. 3. Hierin bedeutet 2o einen Dreiphaseritransförmator mit den in Dreieck geschalteten
Primärwicklungen 21 und den in Stern geschalteten Sekundärwicklungen 22; 23 sind
Zusatzwicklungen, die an den Anzapfstellen A angeschaltet sind, wodurch die Steuerspannungen
u eine. geringe Voreilung gegenüber den Sekundärspannungen U erhalten. 24 ist der
Unterbrecher mit der Hauptstromwicklang 25 und der Einschaltwicklung 26, der Vormagnetisierungswicklung
27; 28 sind Schaltdrosseln, 29 ist die Belastung, 3o eine Glättungsdrossel im Hauptstromkreis
und 31 eine Glättungsdrossel im Steuerstromkreis; 32 sind die Steuerventile. Der
besseren Übersicht wegen sind die Bezugszeichen nur in einer Phase eingetragen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Im Zeitpunkt t1 (s.
Fig. q.) schneiden sich die Phasenspannungen Ih- und U2, d. h., die zugehörige verkettete
Spannung durchläuft ihren Nullwert. Die Steuerspannung %l geht infolge der Zusatzspannung
d Üi bereits zum Zeitpunkt to, der vor t, liegt, durch Null. Es beginnt daher zur
Zeit to der Steuerstrom i, zu fließen. Die Impedanzen im Steuerstromkreis sowie
die-Größe und Phasenlake der Steuerspannung zai sind nun so gewählt, daß der Ansprechstrom
I" gerade im Zeitpunkt ti, da Ui = U2 ist, erreicht wird. Der Unterbrecher
schließt unmittelbar danach; die Drossel 28 (s. Fig. 3) sei so vormagnetisiert,
daß in dem Zeitintervall 1l -+- t2 eine kurze Einschaltstufe entsteht.
Dies hat den Vorteil, daß auch bei leichten Prellungen der Unterbrecher praktisch
keinen Strom öffnet. Durch entsprechende Einschaltvormagnetisierung kann eine Vergrößerung
des Zeitintervalls 1l -+- t, und damit auf einfache Weise eine Spannungsregulierung
bewirkt werden. Im Zeitpunkt t3 geht der Steuerstrom il durch Null, der Unterbrecher
bleibt jedoch unter dem Einfluß der Hauptstromspule geschlossen. Der Hauptstrom
Il erreicht seinen Nullwert zur Zeit t4; während der Ausschaltstufe im Zeitintervall
t4-+- t5 öffnet sich dann der Unterbrecher. Wie Fig. 3 zeigt, ist die Belastung
des Steuerstromkreises unabhängig von der Größe der Belastung 29 des Hauptstromkreises.
Der im Steuerkreis erzeugte Gleichstrom wird nutzbringend zur Vormagnetisierung
der Unterbrecher mit Hilfe der Wicklungen 27 verwendet. Hierdurch kann die Windungszahl
der Einschaltwicklungen 26 und damit ihre Induktivität verringert werden, was zur
Folge hat, daß eine kleinere Steuerspannung u gewählt werden kann, wodurch wieder
der Steuergleichrichter verbilligt wird. Anordnungen, wie sie Fig. 3 zeigt, können
zweckmäßig für Gleichrichter verwendet werden, bei denen keine nennenswerten Gegenspannungen
auftreten, wie dies
z. B. bei ,galvanischen Bädern, Elektrolysen,
elektrischen Öfen der Fall ist. .
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In Fig. 5 ist eine Anordnung aufgezeichnet, wie sie speziell zu Ladezwecken
oder zur Speisung von Gleichstrommotoren verwendet werden kann. Die mit Fig.3 übereinstimmenden
Bauelemente weisen die gleichen Bezugszahlen auf. Hinzugekommen sind ein Schalter
40 mit einer Ausschaltfeder 41 und einer Einschaltwicklung 42, die parallel zu einem
im Gleichstromkreis liegenden Shunt 43 liegt, ferner ein Gleichstrom-Hauptschalter
44, die zu ladende Batterie 45 und die veränderliche Belastung 46. Wird der Schalter
44 geschlossen und liegen die Verhältnisse so, daß zunächst nur ein geringer
Belastungsstrom fließt, so erfolgt die Speisung ausschließlich durch den Steuergleichrichter.
Erreicht die Amplitude des Steuerstromes, die infolge der Glättung des Steuerstromes
praktisch gleich dem Steuergleichstrom ist, den Wert des Ar.)Qurechstromes der Unterbrecher,
so beginnen diese sich zu schließen und zu öffnen; der Hauptgleichrichter gibt aber
noch keinen Strom an die Belastung ab, da der Schalter 4o noch geöffnet ist. Erst
wenn der vom Steuergleichrichter erzeugte Gleichstrom den Ansprecbstrom der Unterbrecher
um beispielsweise 500/, überschreitet, schließt sich der Schalter 40 unter der Wirkung
seiner Einschaltwicklung 42. Von diesem Zeitpunkt an arbeiten der Steuer- und der
Hauptgleichrichter parallel auf die Gesamtbelastung 45, 46. Damit dies einwandfrei
erfolgt, ist es zweckmäßig, den beiden Gleichrichtern etwas verschiedene Strom-Spannungs-Charakteristiken
zu geben, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Hierbei ist angenommen, daß durch in
Fig. 5 nicht dargestellte Mittel der Hauptgleichrichter auf eine konstante Gleichspannung
U, reguliert wird. Seine Kennlinie K ist daher eine zur Abszissenachse parallele
Gerade. Der Steuergleichrichter (Modellgleichrichter) weist hingegen eine etwas
fallende Kennlinie k auf. In Fig. 6 bedeutet ferner I" den Ansprechstrom der Unterbrecher,
i, den Einscbalt- und i" den Abfallstrom des Schalters 40. Man erkennt, daß sowohl
i, als auch i" über dem Ansprechstrom I" der Unterbrecher liegen. Schließt sich
nun der Schalter 4o bei Erreichen des Einschaltstromes i" so übernimmt der Hauptgleichrichter
einen Teil der Last, während der Steuergleichrichter so viel Last abgibt, bis seine
Klemmenspannung mit der regulierten Spannung des Hauptgleichrichters zusammenfällt,
was bei Erreichen des Punktes P in Fig. 6 der Fall ist. Der zugehörige Steuerstrom
ist mit i bezeichnet.
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Aus der Erläuterung der Fig. 5 und 6 geht hervor, daß mit einer derartigen
Anordnung ein lückenloser Betrieb zwischen Null und Vollast, ja sogar bis zu Überlastung
und'Kurzschluß möglich ist; es muß nur durch passende Wahl der Steuerspannung und
der Impedanzen im Steuerstromkreis dafür gesorgt werden, daß der Hauptstrom nicht
nennenswert vor dem Steuerstrom seinen Nulldurchgang erreicht. Der Unterschied zwischen
den Strömen i" und i" wird zweckmäßig möglichst groß gemacht; ferner wird man darauf
achten, daß das Stromintervall i.-i" nicht mit einem häufig vorkommenden Betriebszustand
der Gleichrichteranlage zusammenfällt. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden,
daß der Schalter 4o nur selten betätigt wird und daher nur geringer Abnutzung unterworfen
ist.