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Kontaktumformer Die Erfindung bezweckt -die Verbesserung von Kontaktumformern
.mit in Reihe mit den Kontaktstellen geschalteten veränderlichen Scheinwidercständen
(Impedanzen), die durch ihre periodische Veränderung in der Nähe des Nullwertes
des Übertragenen Stromes eine Abflachung der Stromkurve hervorrufen, und mit zu
den Kontaktstellen parallel liegenden Nebenwegen zur Verzögerung des Anstieges der
an :den sich öffnenden Kontakten, wiederkehrenden Spannung. Als veränderliche Impedanzen
dienen vorzugsweise Schaltdrosseln mit beim Nenmstromwert hochgesättigten und sich
in der Nähe des Stromnullwertes .sprunghaft entsätbigenden Magnetkernen. Es ist
bekannt, die Entstehung von Lei:stungsvezlusten, die durch Rückströme in .den Nebenwegen
verursacht werden, mittels in diesen Nebenwegen angeordneter gesteuerter oder ungesteuerber
elektrischer Ventile, gegebenenfalls in Reihenschaltung mit Kondensatoren, zu unterbinden.
Alle Ventile, sowohl Sperrschicht- nvie auch Gasentladungsventile, haben aber einen
für die Bedürfnisse :des Kontaktumformers noch :unerwünscht hohen Spannungsabfall
in der FluBrrchtung ;des Stromes, der beim Öffnen des Kontaktes zu einem umzulässig
hohen Anspringen der wiederkehrenden Kontaktspannung über den noch zulässigen Betrag
von etwa to Volt (= Lichtbogen-Mindestspannung) hinaus führt und
damit
zu Ausschalt-Werkstoffwanderung Veranlassung gibt. Dieser Umstand macht sich bei
Verwendung von Trockengleichrichtern besonders unangenehm bei Umformern für höhere
Gleichspannungen bemerkbar, denn die Plattenzahl der Gleichrichtersäule und damit
auch der Spannungsabfall bei gegebenem Ausschaltstufenstrom wächst linear mit der
Betriebsspannung, während die mit Rücksicht auf die Werkstoffwanderung noch zulässige
Spannung von .etwa io Volt einen absoluten Grenzwert darstellt, der von der Höhe
der Betriebsspannung unabhängig ist. Selbst wenn man bei Verwendung von Trockengleichrichtern
in den Nebenwegen schon im voraus solche Umformerschaltungen wählt, die eine verhältnismäßig
geringe Sperrbeanspruchung der Gleichrichtersäulen und damit eine möglichst geringe
Plattenzahl ergeben, wie z. B. grundsätzlich die Brückenschaltungen, etwa die dreiphasige
Brückenschaltung mit sechs Kontaktstellen (sog. Graetz-Schaltung) für sechsphasige
Gleichstromwelligkeit oder die sechsphasige Brükkenschaltung mit zwölf Kontaktstellen
entsprechend der deutschen Patentschrift ¢T6 775 (sog. Latour-Schaltung) mit ebenfalls
sechsphasiger Gleitchstromwelligkeit, so ,sind .doch noch besondere Maßnahmen zur
Herabsetzung der an den -sich öffnenden Kontakten anspringenden Spannung erforderlich.
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Eine etwaige Parallelschaltung mehrerer Gleichrichtersäulen oder die
Wahl besonders großflächiger Platten mit dem Ziel der Herabsetzung des Vorwärtswiderstandes
der Gleichrichteranordnung kann dabei nur eine begrenzte Erleichterung schaffen,
da die Eigenart des Kennlinienverlaufes von Sperrschichtgleichrichtern auch trotz
reichlicher Überbemessung der Plattengröße bereits bei nur kleinen abzuschaltenden
Strömen schon unverhältnismäßig hohe Spannungen ergibt., Außerdem kann ein einfaches
Ventil nur bei voll ausgesteuertem Umformer verwendet werden; b--,i Herabregelung
der Spannung durch Teilaussteuerung z. B. mittels nacheilender Verstellung der Schaltzeitpunkte
würden nämlich die Nebenwegventile die Rolle von bereits vorzeitig geschlossenen
Kontakten spielen und einerseits die beabsichtigte Regelung durch Teilaussteuerung
zunichte machen, andererseits infolge Überlastung zerstört werden. Es müssen daher
auch noch besondere Maßnahmen zur Unterdrückung eines vorzeitigen Stromflusses über
die Nebenwege getroffen werden, wie etwa die bekannte Gittersteuerung .der Ventile
oder ebenfalls bekannte Hilfsschalter zur Sperrung der Nebenwege 'während eines
Teiles der Öffnungszeit der Hauptkontaktstellen. Abhilfe gegen Vorströme schafft
auch die Reihenschaltung eines mit einem Entladewiderstand überbrückten Kondensators,
z. B. gemäß Fig. i i der deutschen Patentschirift 699 717. Dadurch bleiben die Vorströme
bei Teilaussteuerung auf einen geringen, durch die Größe des Entladewiderstandes
bestimmten Betrag begrenzt. Zwar erfüllen diese Kondensatoren auch schon für sich
allein den Zweck, für den die Ventile in den bekannten Anordnungen bestimmt sind;
denn sie unterdrücken durch Rückströme verursachte Leistungsverluste ohnehin und
haben noch den Vorteil, daß sie, da sie im öffnungsaugenblick ungeladen sind, keinen
Spannungsabfall verursachen. Es muß daher zunächst abwegig erscheinen, an Stelle
der Kondensatoren oder in Reihe mit - diesen noch Ventile in den Nebenwegen anzuordnen.
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Es hat sich aber herausgestellt, daß in einigen besonders häufig gebrauchten
'Um.formerschaltungen, z. B. in der sogenannten Dreidrosselschaltung, einer dreiphasigen
Brückenschaltung, beider in jeder der drei gemeinsamen Wechselstromleitungen vor
der Verzweigung zu den in Gegentakt arbeitenden Kontaktstellen nur eine einzige
Schaltdrossel angeordnet ist, vor der Kontaktöffnung Stromschwingungen dem über
die zu öffnende Kontaktstell-b fließenden Stufenstrom überlagert werden, die die
Unterbrechung stören: und schädliches Schaltfeuer hervorrufen können. Es wurde bekannt,
daß die Schwingungen auf die Kondensatoren der Nebenwege der gerade offenen Kontaktstellen
zurückzdführen sind, da diese Kondensatoren mit den in Reihe mit den Kontaktstellen
liegenden Blindwiderständen Schwingungskzeise bilden. Schwingungen können zwar bekanntlich
durch Wirkwiderstände gedämpft werden; allein die bekannten Dämpfungsmittel versagen
hier, denn in Reihe mit den Kondensatoren in den Nebenwegen angeordnete Dämpfungswiderstände
verursachen einen Spannungsabfall und dürfen daher nur einen sehr kleinen Widerstandswert
haben, damit die an den Kontakten anspringende Spannung den höchstzulässigen Betrag
von etwa io Volt nicht überschreitet, und Parallelwiderstände, die die Nebenwege
oder nur die Kondensatoren überbrücken, üben. z. B. in den erwähnten Brückenschaltungen
eine unerwünschte Spannungsteilerwirkung aus, die den Umformer völlig betriebsunfähig
macht, indem sie dem wechselstromseitigen Kontaktteil einer sich öffnenden Kontaktstelle
gleich im ersten Augenblick ein mitten zwischen den beiden anderen Phasen liegendes
Potential aufdrückt, -so daß die an der Kontaktstelle anspringende Spannung sofort
einen hohen negativen Wert annimmt und eine Rückzündung herbeiführt. Erst die Erkenntnis
dieser Schwierigkeiten und ihrer Ursachen führt gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden
Erfindung zur Überwindung der obenerwähnten Bedenken gegen die Anordnung elektrischer
Ventile in den Nebenwegen und darüber hinaus noch zu einer weiteren Ausgestaltung
dieser Nebenwege mit dem Ziel einer möglichst weitgehenden Unterdrückung der für
die Kontakte schädlichen Folgen des Spannungsabfalles an den Ventilen. Die Erfindung
besteht darin, äaß die Ausbildung von Schwingungskreisen, durch die an den Kontaktstellen
dem abgeflachten Stromkurventeil überlagerte, den Ausschaltvorgang störende Stromschwingungen
hervorgerufen werden können, durch in den Nebenwegen angeordnete elektrische Ventile
verhindert -wird, von denen jedes bei der Öffnung der zugehörigen Kontaktstelle
durch einen Hilfsstrom vorbelastet ist, der von einer in den Nebenweg
eingeführten
Zusatzspannung getrieben wird. Däuser Hilfsstrom fließt, solange die Kontaktstelle
noch nicht geöffnet ist, über diese in entgegengesetzter Richtung wie der übertragene
Strom. Durch die Zusatzspannung wird der Spannungsabfall des Nebenwegventiils mindestens
zum Teil kompensiert und infolgedessen die an den Kontakten zu. Beginn ihrer Öffnung
anspringende Spannung verringert. Durch die Erfindung wird die Verwendung der Dreidrosselschaltung
und anderer Mehrphasenschaltungen, in denen sich sonst störende Stromschwingungen
dem Stufenstrom überlagern würden, selbst für Kontaktumformer größter Leistung möglich
gemacht. Derartige Schaltungen sind wegen der mit ihnen erzielten geringeren Gleichstromwelligkeit
'und wegen besserer Ausnutzung des Transformators und der stromabflachenden Reihenwiderstände
den bekannten Schaltungen. mit in d en Nebenwegen angeordneten Ventilen überlegen.
In den bekannten Schaltungen mit elektrischen Ventilen, deren Spannungsabfall übrigens
nicht kompensiert ist, haben die Ventile nicht die mit der Erfindung gelöste Aufgabe
zu erfüllen, weil es in diesen Schaltungen auch für den Fall, daß statt der Ventile
Kondensatoren in den Nebenwegen angeordnet wären, nicht zur Ausbildung von Schwingungskreisen
;genannter Art .kommen könnte.
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In der Zeichnung Fig. i bis 13 sind teils verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung, teils Schaubilder zur Erläuterung ihrer Wirkungsweise schematisch
.dargestellt.
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Fing. i zeigt das grundsätzliche Schaltschema einer durch einen erfindungsgemäßen
Nebenweg überbrückten Kontaktstelle eines mehrphasigen Kontaktumformers. Der Nebenweg
zur Kontaktstelle i besteht aus .der Reihenschaltung eines Ventils, beispielsweise
eines Trockengleichrichters 2, mit einer Spannungsquelle q., bei:späelsweise einer
Batterie.
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In Fig. 2 bezeichnet ra die Kennlinie des Trockengleichrichters 2,
die die Abhängigkeit der Gleichrichterspannung u vom Gleichrichterstrom
i wiedergibt. Nach Fig. i fließt über die zunächst noch geschlossene Kontaktstelle
i während des abgeflachten Teiles der Stromkurve der restliche Hauptstrom in Höhe
des Stufenstromes ist in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung. Die Einführung
einer Zusatzspannung uz in den Nebenweg hat zur Folge, daß über diesen ein Hilfsstrom
i,, in Pfeilrichtung fließt, dessen Größe ich z. B. aus dem Arbeitspunkt P auf der
Gleichrichterkennlänie ergibt. Nach der Kontaktöffnung fließt über d!en Nebenweg
der Stufenstrom ist. Er ruft im Ausschaltaugenblick am Gleichrichter 2 entsprechend
der Kennlinie a gegenüber der im Beispiel gewählten Lage des Punktes P eine höhere
Spannung hervor, die durch die Zusatzspannung u, zum Teil aufgehoben wird. Unter
der im wesentlichen zutreffenden Voraussetzung, daß .die übrigen Widerstände des
Nebenwegkreises zu vernachlässigen sind, tritt der Unterschied der beiden Spannungen.
als Anfangsspannung uko im ersten Augenblick, nachdem die Kontaktberührung aufgehört
hat, an der Kontaktstelle i auf. Hat die Zusatzspannung eine solche Höhe, diaß i"
gleich ist ist, so wird % = o. In
diesem Falle ist nämlich der vor der Kontaktöffnung
über die Kontaktstelle i fließende Strom ist" = o, und infolgedessen wird
durch die Kontaktöffnung weder an den Strom- noch an den Spannungsverhä.ltni.ssen
etwas geändert, d. h.. die Kontakte öffnen sich strom- und spannungslos Wird statt
eines Trockengleichrichters ein Entladungsrohr verwendet, dessen Spannum:gs-Strom-Kennlinie
wegen der praktisch konstanten Brennspannung des Entladungslichtbogens nahezu parallel
zur Nullinie verläuft, so ist die an der Kontaktstelle anspringende Spannung gegeben
durch den Unterschied zwischen .der Zusatzspannung und der Summe der Brennspannung
und des Spannungsabfalles an einem zur Festlegung der Höhle des Hilfsstromes i"
erforderlichen Widerstand iim Nebenweg. Trotz des Widerstandes kann mit einem Entladungsrohr
besonders bei höheren Betrse@bsspannungen ein flacherer Kennlinienverlauf erzielt
werden als mit einem Trockengleichrichter, -so daß sich die Schwankungen der Kontaktspannung
.bei verschiedenen Stufenströmen in engeren Grenzen halten. Trockengleichrichter
zeichnen sich jedoch gegenüber Entladungsrohren durch größere Betriebs'zuverläss:igkeit
aüs. Durch Parallelschaltung je eines Entladungsrohres und eines Trockengleichrichters
können die Vorteile beider noch miteinander vereinigt werden, indem normalerweise
das Enth.dungsrohr wirksam ist, der Trockengleichrichter dagegen nur für den Fall,
daß das Entladungsrohr versagt oder ausgewechselt werden muß.
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Die Schaltung nach Fig. i ist ohne weiteres brauchbar für Umformer,
die dauernd mindestens annähernd mit voller Aussteuerung arbeiten. Solche Umformer
dagegen, die dauernd oder zeitweise mit herangesetzter Aussteuerung arbeiten, bedürfen
zusätzlicher Mittel zur Verhinderung der in der Einleitung erwähnten unerwünschten
Vorströme. Hierzu kann gemäß Fig. 3 die ebenfalls schon erwähnte Reihenschaltung
eines Kondensators 3 mit parallel geschalteten Entladungswiderstand 8 dienen. Der
Widerstand 8 ist bestimmend für die Höhe des Vorstromes und xnuß dementsprechend
einen verhältnismäßig hohen Widerstandswert haben. Durch Änderung dieses Widerstandes,
die in begrenztem Bereich zulässig ist, kann die Höhe des Hilfsstromes i" eingestellt
werden. Eine andere Einstellmöglichkeit bietet die Veränderung der Zusatzspannung,
die zu diesem Zweck beispielsweise gemäß Fig. 3 an einem Spannungsteiler q. abgegriffen
werden kämm, an dem die Spannung einer Batterie 4' liegt. Wenn es gelängt, den Hilfsstrom
stets genau in Höhe des Stufenstromes einzustellen, so kann. der Kondensator 3 fortfallen.
Der Stufenstrom ändert sich jedoch gleichzeitig mixt gewissen Änderungen des Betriebszustandes
des Umformers, z. B. bei Regelung durch Teilaussteuerung oder Regeltransformator
oder bei Belastungsänderungen wegen der mit wachsender Ummagnetisierungsgeschwnndigkeit
der Schaltdrossel zunehmenden Breite ihrer Magnetisierungsschleife,
bei
Belastungsänderungen außerdem auch noch wegen; der Neigung der Stufe. Es würde,in
der Regel einen unerträglich hohen Aufwand erfordern, wollte man diesen Änderungen:
stets genau folgen. Bereits verhältnismäßig geringe Abweichungen aber könnten an
dem hohen Widerstand 8 einen solchen zusätzlichen Spannungsabfall hervorrufen, daß
die an den sich öffnenden Kontakten anspringende Spannung den zulässigen Höchstbetrag
überschreitet. Der Kondensator 3 verhindert !diesen zusätzlichen Spannungsabfall;
denn er hat im ersten Augenblick nach Aufhören der Kontaktberührung noch das Potential,
auf das er vorher aufgeladen war, und das durch die am Spannungsteiler 4 abgegriffene
Zusatzspannung mit aufgehoben wird. Die Kapazität des Kondensators 3 ist außerdem
für die Steilheit des auf den Öffnungsbeginn folgenden Anstieges der wiederkehrenden
Spannung an den Kontakten ;maßgebend.
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Statt dez bisher beschriebenen und in der Anordnung nach Fig. 3 verkörperten
Reihenschaltung der Zusatzspannung und des Kondensators kann die Zusatzspannung
auch parallel zu .den Klemmen des Kondensators in den Nebenweg eingeführt werden.
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Das grundsätzliche Schema einer derartigen Schaltung .ist in Fig.
4 dargestellt. Hier tritt zu den Bauelementen i bis 3 der Fig. 3 eine Zusatzspannungsquelle
_5, die hier als Wechselspannungsquelle gezeichnet isst, die aber, was die Aufgabe
der Spannungskompensation allein anbelangt, ebenso gut durch eine Gleichspannungsquelle
oder eine Kombination von beiden .gebildet werden kann, .und die normalerweise über
einen S:trombegrenzungs- und Einstellwiderstand 6, dessen Größe für den Vorstrom
maßgebend ist, parallel zum Kondensator 3 angeschlossen ist.
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Bei der Schaltung nach Fig. 4 wird die durch die Spannung 5 über den
Widerstand 6 am Kondensator 3 erzeugte Spannung voll als Kompens-ationsspannung
wirksam. Wird die Spannung 5 nach Größe und Phase und im Einklang mit dem inneren
Widerstand des Trockengleichrichters 2 und der Größe des Widerstandes 6 so gewählt,
daß unmittelbar vor der Öffnung des Kontaktes i der durch die Größe des 2n dem geschlossenen
Stromkreis i, 2, 6 und 5 fließenden Vorbelgstungsstromes gegebene Arbeitspunkt -P
auf .der Gleichrichterkennli:nie in rig. 2 bereits auf dem oberen, schwächer geneigten
Kennlinienast liegt, so ist für den dem Vorbelastungsstrom i"entsp.rechenden Anteil
des Stufenstromes ist im Augenblick der Kontaktöffnung der Spannungsabfall
gerade kompensiert, und für den überschießenden Anteil des Stufenstromes tritt lediglich
der entsprechend der :geringeren Neigung des oberen Kennlinienastes bedeutend herabgesetzte
Anteil uko als nach .der Öffnung am Kontakt noch anspringende Spannung auf.
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Mit den beschriebenen Anordnungen wird die Aufgabe gelöst, das sogenannte
Überschwingen des Stufenstromes zu verhindern, ohne :daß die an den sich öffnenden
Kontakten anspringende Spannung unzulässig hohe Werte annimmt. Darüber hinaus liefern:
die erfindungsgemäßen Schaltungen, sofern als Zusatzspannung eine Wechselspannung-
verwendet wird, noch einige weitere, überraschende und sehr willkommene Ergebnisse,
nämlich erstens die Unterdrückung bzw. erhebliche Herabsetzung des Vorstromes über
die Ventile, zweitens bei geeigneter Bemessung der Zusatzspannung die Verhinderung
einer Rückentladung von Nebenwegkondensatoren anderer Kontaktstellen auf eine !sich
schließende Kontaktstelle, wodurch die gefürchtete Eins.chalt-Werkstoffwanderung
in Form von Stift-Bildung, die bei anderen Schaltungen zu finden und auf die Kondensatorentladung
zurückzuführen ist, vermieden bzw. stark vermindert wird, und schließlich bei Anwendung
besagter Unterdrückung des Vorstromes und der Kondensatorrückentladung die Möglichkeit
des Verzichts auf die sogenannten »Einischaltwicklung« auf ,dem Einschaltdrosselkern,
wodurch das bei Verwendung nicht ganz erstklassigen Einschaltdrosseleisens im Ausschaltaugenblick
eintretende und durch die in diesem Augenblick stattfindende Magnetisierungsänderung
des Einschaltkerns verursachte Anspringen der Kontaktspannung und die damit verbundene
Ausschalt-Werkstoffzwanderung entfällt.
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Fig. 5 zeigt eine der Grundschaltung nach Fig. 4 entsprechende Gesamtschaltung
mit sechs Ventilen 2, 2' und drei Kondensatoren 3, einschließlich einer Drehstromquelle
9, Schaltdrosseln. io und eines Gleichstromkreises mit einem Verbraucher i i und
einer Glättungsdrossel 12. Unter Weglassung der zuletzt genannten Teile, die aber
zu ergänzen sind, zeigt Fig. 6 eine Gesamtschaltung von sechs Kontaktstellen i und
Nebenwegen mit sechs Ventilen 2 und :sechs Kondensatoren 3, wobei als. Umformerschaltung
in beiden Fällen eine dreiphasige Brückenschaltung in Dreidrosselschaltung zugrunde
.gelegt wurde. In der Anordnung nach Fig. 5 können die drei um je i2o° in der Phase
verschobenen Zusatzspannungen einem gemeinsamen Drehstromtransformator entnommen
werden, dessen Sekundärwicklungen, mit 5 bezeichnet sind. In oder Anordnung nach
Fig. 6 kann ein Drehstromtransformator mit sechs Sekundärwicklungen 5 benutzt werden.
Fig.7 zeigt als Beispiel die Überlagerung einer Zusatzwechselspannung 5 mit einer
Zusatzgleichspannung 7, Fig.8 den einfachsten Fall bei Verwendung einer reinen Gleichspannung
7 als Zusatzspannung. In den Fig. 7 und 8 ist nur eine Hälfte der Brückenschaltung
vollständig dargestellt, die andere Hälfte ist entsprechend zu ergänzen, ebenso
die Teile 9 bis i2 gemäß Fig. 5.
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In Fig. 9 ist in grundsätzlicher Darstellung verschiedener Spannungskurven
@in Abhängigkeit von der Zeit t die erfindungsgemäße Unterdrückung bzw. Zierabsetzung
des Vorstromes über den Trockengleichrichter durch Anwendung einer Wechselspannung
als Zusatzspannung gezeigt. Die gestrichelte Kurve uE gibt die Einschaltung wieder,
die bei verschiedener Größe des Steuerwinkels bis zum Einschaltzeitpunkt E an der
Kontaktstelle liegt. Die stark ausgezogene Kurve stellt den zeitlichen Verlauf der
Kontaktspannung ist dar, wobei
der Kontakt im Punkte E eingeschaltet
und bei A ausgeschaltet wird. zt, ist die Zusatzwechselspannung, deren Nulldurchgang
.erfindungsgemäß zw,ischen dem Ein- und Ausschaltzeitpunkt des Kontaktes liegt..In
diesem Falle wird einerseits beim Ausschalten der ohne Kompensation nach Kurvenast
c sich abspielende Verlauf der wiederkehrenden Kontaktspannung durch die Kompensationsspannung
uZO am Kondensator auf den Verlauf nach Kurvenast d herabgedrückt. Andererseits
kann beim Einschalten ein Vorstrom nicht entstehen, solange der Steuerwinkel a in
dem Bereich zwischen a = o (Spannungsgleichheit der einander ablösenden Phasen)
und a1 liegt, da in diesem Regelbereich die der Einschaltspannung ztE entgegengesetzt
gerichtete Zusatzspannung uz, das ist beispielsweise nach Fig. q. die von der Spannungsquelle
5 über den Widerstand 6 am Kondensator 3 erzeugte Spannung, größer ist als die Einschaltspannung
uE. Selbst bei Vergrößerung des Steuerwinkels a über den Wert a1 hinaus, wo diese
Bedingung nicht erfüllt ist, wird doch bei Vorhandensein einer der Einschaltspannung
entgegenwirkenden Zusatzspannung und unter sonst gleichen Verhältnissen der Vorstrom
gegenüber dem Betrieb ohne Zusatzspannung oder gar mit einer Gleichspannung als
Kompensationsspannung erheblich herabgesetzt.
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Die erfindungsgemäße Verhinderung der Rückentladung von Nebenwegkondensato.ren
anderer Kontaktstellen über eine sich gerade schließende Kontaktstelle beruht darauf,
daß beispielsweise in Fig. 5 eine Rückentladung des Kondenisators 3 auf die sich
schließende Kontaktstelle i über das Ventil 2 überhaupt nicht und über das Ventil
2' und den Verbraucherkreis i 1, 12 nur dann eintreten kann, wenn die Spannung am
Kondensator 3 höher ist als der im Schließungsaugenblick der Kontaktstelle i vorhandene
Wert der umgeglätteten Gleichspannung zwischen den Gleichstrompolen -I- und -Der
Erfindungsgedanke zur Verhinderung einer Kondensatorrückentladung besteht somit
darin, durchentsprechende Bemessung der Zusatzspannung im Einklang mit den sonstigen
Schaltungselementen dafür zu sorgen, daß die genannte Bedingung »Kondensatorspannung
kleiner als ungeglättete Gleichspannung« eingehalten wird bzw. durch möglichste
Annäherung an diese Grenze zu erreichen, daß eine etwa noch vorhandene geringe Rückentladung
keine den Betrieb des Umformers störende Einschalt-Werkstoffwandung mehr hervorruft.
Diese Bemessungsvorschrift ist in- gewisser Beziehung derjenigen für die Unterdrückung
des Vorstromes entgegengerichtet. -Jedoch läßt sich selbst bei Anwendung, d er am
einfachsten erhältlichem Form der Zusatzspannung, nämlich der Sinusform, die gleichzeitige
Einhaltung beider Biedin.gungen durch passende Bemessung der Größe und Phasenlage
der Zusatzspannung über einen gewissen Regelbereich erreichen. Größere Regelbereiche
kann man durch Verwendung anders geformter Zusatzspannungen erzielen. Wenn die restlose
Unterdrückung des Vorstromes für das zufriedenstellende Arbeiten der Umformerschaltung
nicht entscheidend ist, 'so kann man mit der Schaltung nach Fig. 6 mit sechs Kondensatoren
eine Verhinderung der Kondensatorrückentladung über einen noch weit größeren Regelbereich
erhalten als bei der Schaltung nach Fig. 5 mit nur drei Kondensatoren, indem man
die Zusatzspannung während des Ausschaltabschnittes der im Gegentakt arbeitenden
Kontaktstelle kleiner als die Einschaltspannung der betrachteten Kontaktstelle wählt;
in der Schaltung nach Fig. 5 hätte eine derartige Unterbemessung der Zusatzspannung
keinen Erfolg, da dort die Nebenwegkondensatoren bei kleinerer Zusatzspannung stets
vom Hauptkreis über die Ventile 2 auf die volle Einschaltspannung aufgeladen werden.
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Ist, wie .bereits angedeutet, eine genügende Unterdrückunig des Vorstromes
und der Kondensatorrückentladung durch die erfindungsgemäße Anordnung und Bemessung
innerhalb des erforderlichen Regelbereiches sichergestellt, so können die Nebenwege
entgegen der bisher bei Verwendung von Einschaltdrosseln üblichen Schaltung, z.
B. nach Fig. 3 der deutschen Patentschrift 711 311, bei der die Nebenwege zur Begrenzung
der Kondensatorrückentladung über besondere, auf den Einschaltkernen befindliche
»Einschaltwicklungen« geführt wurden, nunmehr gemäß den beschriebenen Figuren unmittelbar
parallel zu den Kontakten gelegt werden. Hierdurch wird die in der Schaltung mit
Einschaltwicklung im Augenblick der Kontaktöffnung infolge des Übergangs des Stufenstromes
von der Kontaktstelle auf den Nebenweg möglicherweise stattfindende Magnetisierungsänderung
der Einschaltdrossel und die damit verbundene Spannungsspitze in der wiederkehrenden
Kontaktspannung vermieden.
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Die Erfindung beschränkt sich, wie bereits angedeutet, keineswegs
auf die Verwendung von sinusförmigen Zusatzspannungen; die Zusatzspannung kann vielmehr
je nach Zweckmäßigkeit auch eine andere Form, z. B. Rechteckform, erhalten und auch
mit einer Gleichspannung oder anderen Wechselspannungskomponenten kombiniert sein.
Da der Verlauf der resultierenden Zusatzspannung die Größe des Vorbelastungsstromes
i" und damit die Lage des Arbeitspunktes P auf der Gleichrichterkennlinie nach Fig.
2 bestimmt und bei der Regelung durch Teilaussteuerung auch verändert, so muß die
Ausgestaltung und Bemessung .der Zusatzspannung in weitgehender Anpassung an die
Ausführungs,art der Vormagnetisierung der Schaltdrosseln io erfolgen, da diese für
den Verlauf des Stufenstromes ist maßgebend ist. Die Anpassung hat derart
zu erfolgen, daß die Differenz ist - i" bzw. der zugehörige Spannungssprung
auf allen Regelstellungen und bei allen Belastungen in zulässigen Grenzen bleibt.
Es kann auch erforderlich werden, die Phasenlage d!er Zusatzwechselspannunig aussteuerungs-
oder/und lastabhängig zu verschieben oder auch die Größe einer oder aller Zusatzspannungskomponenten
in Abhängigkeit von der Belastung oder Regelstellung vorzugsweise zwangläufig oder
selbsttätig zu verändern.
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Bekanntlich wird bei abgeschaltetem Verbraucherkreis der normale Ablauf
der Vorgänge, die
durch :die Reihenimpedanzen verursacht werden
und die Stromunterbrechung erleichtern, durch eine Grundlast sichergestellt. Nach
der weiteren Erfindung kann der Grundlastkreis zwecks Verringerung des Gesamtaufwandes
zugleich zur Erzeugung einer in die Nebenwege einzuführenden Zusatzgleichspannung
benutzt werden. Demgemäß bilden sechs Spannungsteiler. die Grundlast des in Fig.
io dargestellten Kontaktumformers. Die Spannungsteiler q. liegen in den Nebenwegen
in Reihe m-it den Ventilen und Kondensatoren; die Schaltung entspricht also grundsätzlich
derjenigen nach Fig. 3. Dieselbe Sparmaßnahme kann natürlich auch angewendet werden,
wenn die Zusatzspannung parallel zum Kondensator in den Nebenweg eingeführt wird,
wie in Fig. 4. grundsätzlich dargestellt. Es kann notwendig sein, den Grundlastkreis
durch eine in Fig. io eingezeichnete Glä.ttungseinrichtu.ng 13, bestehend aus Glättungsdrosseln
und Kondensatoren, zu glätten. Soll die Gleichspannung des Umformers nach Fig. io
in weiten Grenzen geregelt werden, so sind die Spannungsteiler q. regelbar auszuführen,
damit sie in jedem Regelzustand die richtige Spannung liefern. Die Einrichtung zur
Verstellung der Spannungsteiler q. wird vorteilhaft mit der Einrichtung zur Spannungsregelung
beispielsweise mechanisch gekuppelt.
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Im allgemeinen w ird es z.. B. mit Hilfeeiner verstellbaren Vormagnetisierung
der Schaltdrosselkerne zu erreichen sein., daß der Spannungsabfall an den verschiedenen
Ventilen 2 annähernd gleich groß ist. In diesem Fall kann gemäß Fig. i i für jede
Nebenw:eggruppe ein einziger Spannungsteiler q. verwendet werden. Die erwähnte Abgleichung
der Spannungsabfälle der verschiedenen Ventile 2 bildet auch für die Schaltung nach
Fig. 8 eine notwendige Voraussetzung. Sind die Spannungsteiler q., wie z. B. in
der Anordnung nach Fig. i i, hintereinandergeschaltet, so braucht bei Änderungen
der Gleichspannung des Umformers nur der Grundlaststrom konstant gehalten zu werden.
Hierbei ist allerdings der Umstand noch nicht berücksichtigt, daß sich bei Veränderung
des Betriebszustandes auch die Höhe des Stufenstromes und demzufolge auch der Spannungsabfall
an den Trockengleichrichtern ändert. Falls hiervon eine Überschreitung des höchstzulässigen
Wertes der an den sich öffnenden Kontakten anspringenden Spannung zu befürchten
ist, kann dem durch entsprechende Verstellung der Spannungsteiler q. oder durch
geeignete Veränderung des Grundlaststromes begegnet werden.
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Fig. 12 zeigt eine Umformungsanordnung, die in den Nebenwegen keine
Kondensatoren aufweist. Zwecks Unterdrückung unerwünschter Vorströme werden hier
die Nebenwege durch die Kontaktstellen gesteuert. Jede Kontaktstelle i besitzt zwei
ruhende Kontakte und eine bewegliche Kontaktbrücke. Der zu einer Kontaktstelle gehörende
Nebenweg ist jeweils an die Kontaktbrücke der zur Folgephase gehörenden Kontaktstelle
angeschlossen. Während also eine Kontaktstelle i geschlossen wird, ist der zugehörige
Nebenweg geöffnet. Er wird erst geschlossen, wenn die Kontaktstelle der Folgephase
zwecks Ablösung der vorhergehenden geschlossen wird. DieseSchaltung ist bereits
früher vorgeschlagen worden. Sie gestattet nur eine beschränkte Teilaussteuerung,
nämlich nur so weit, daß die Kontaktstellen geöffnet werden, bevor ihr Potential
gegenüber demjenigen der vorangehenden Phase negativ wird. Eine weitergehen-de Teilaussteuerung
wird, wie bereits oben erwähnt, durch Anwendung einer Zusatzspannung wechselnder
Richtung ermöglicht. Auch dafür bietet Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel. Die Zusatzspannung
wird hier in Widerständen 14 erzeugt, indem diesen ein Strom von trapezförmigem
Kurvenverlauf zugeführt wird. Die trapezförmigen Ströme werden in Gleichstromwandlern
15 erzeugt, denen Wechselspannungen von den Sekundärwicklungen 5 eines an die Drehstromquelle
9 angeschlossenen Hilfstransformators zugeführt werden. Der Gleichstrom zur Vorerregung
der Gleichstromwandler 15 wird einem Hilfskreis entnommen, der einen regelbaren
Widerstand 17 und eine Glättungseinrichtung, z. B. in Gestalt einer Drossel, enthält.
Dieser Hilfsstromkreis kann an die Gleichstromklemmen der Umformungsanordnung angeschlossen
werden und bildet dann zugleich eine geglättete Grundlast für den Umformer. Wenn
in :diesem Falle die Einstellung des Regelwiderstandes 17 hei Teilaussteuerung nicht
verändert wird, so nimmt die Höhe der trapezförmigen Zusatzspannung mit sinkendem
Aussteuerungsgrad ab, ändert sich also gerade in dem Sinne, der zum Ausgleich des
durch den geringeren Ausschaltstrom bedingten kleineren Spannungsabfalles erwünscht
ist. Infolgedessen kann durch eine einmalige Einstellung des Widerstandes 17 ein
befriedigender Betrieb des Umformers über einen gewissen Regelbereich erzielt werden.
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Die von den Gleichstromwandlern 15 gelieferten Trapezströme werden
nach Fig.12 zugleich zur Vormagnetisierung der Hauptkerne i9 (Fig. 12a) und der
Einschaltkerne 2o der Schaltdrosseln io benutzt. Jeder dieser Ströme durchfließt
eine Vormagnetisierungswicklu:ng 23 eines Hauptkernes und eine Vormagnetisierungs.wicklung
2i des Einschaltkernes der Folgephase. Da für derartige Vormagnetisierungszwecke
in, vielen Fällen ohnehin trapezförmige Vormagnetisierungsströmebenötigt werden,
so bedeutet es in diesen Fällen nur einen verhältnismäßig geringen zusätzlichen
Aufwand, diese Trapezströme auch noch zur Erzeugung von Zusatzspannungen für die
Nebenwege nutzbar zu machen.
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In der Anordnung nach Fig.la bzw. i2a ist außerdem noch eine weitere
Vormagnetisierung der Hauptkerne i9 mittels zusätzlicher Wicklungen 22 vorgesehen.
Dieser Vormagnetisierungsstrom hat sinusförmigen Verlauf und wird einem Hilfstransformator
16 über Stabilisierungsdrosseln entnommen. Er dient dazu, die Vergrößerung des Stufenstromes
bei Herabsetzung des Aussteuerungsgrades zu kompensieren. Zu diesem Zweck erhält
der Vormagnetisierungsstrom in den Wicklungen 22 beispielsweise durch die in der
Zeichnung angedeutete Phasenkombination des Hilfstransformators 16 eine
solche
Phasenlage, daß während der Ausschaltstufe, z. B. bei voller Aussteuerung, niedrigere
Augenblickswerte dieses Vormagnet.isierungsstromes wirksam .sind, als bei Teilaussteuerung.
Eine Änderung der Zusatzspannung ist infolgedessen nicht oder in geringerem Grade
erforderlich. Die zusätzliche Vormagnetisierung wirkt mithin in gleichem Sinn wie
die Gleichstromvormagnetisierung der Gleichstromwandler 15, wenn sie von der Gleichstromseite
des Umformers abgenommen wird. Wenn also beide Einrichtungen vorgesehen sind, so
müssen sie aufeinander abgestimmt werden.
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Während in den bisher beispielsweise beschriebenen Umformungsanordnungen
Sperrschichtgleichrichter in den Nebenwegen vorgesehen waren, zeigt Fig. 13 eine
Anordnung mit Gasentladun.gsventilen, und, zwar gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken.
Der besseren übersicht wegen, ist nur eine Phase mit zwei in Gegentakt arbeitenden
Kontaktstellen z und i' bezeichnet. Mehrphasenanordnungen können daraus ohne weiteres
durch Ergänzung abgeleitet werden. In der gezeichneten Anordnung können unerwünschte
Vorströme dadurch verhindert werden, daß an den Gittern der Entladungsventile 24
eine Spannungsquelle 25 liegt, die eine negative Vorspannung liefert. In den Gitterkreisen
liegen ferner Widerstände 26. Die negative Gittervorspannung verhindert auch die
unerwünschte Entladung der Nebenwegkondensatoren bei der Schließung der mit ihren
zugehörigen Kontaktstellen im Gegentakt arbeitenden Kontaktstellen. Ein Zünden der
Entladungsgefäße kann nämlich nur während solcher Zeitabschnitte eintreten, wo außer
der beispielsweise dauernd wirksamen negativen Gittervorspannung noch eine positive
Spannung ausreichender Höhe im Gitterkreis vorhanden ist. Diese positive Gitterspannung
wird im Beispiel in einer Wicklung 27 lediglich während der Dauer der Ausschaltstufe
durch die Ummagnetisierung der Schaltdrossel selbst erzeugt und, mittels eines Wandlers
28 in die Gitterkreise eingefügt. Die Entladungsgefäße können daher einen Strom
nur während der Ausschaltstufe übernehmen und tun dies in dem Augenblick, in dem
ihre Überbrückung durch die Öffnung der Kontaktstellen i bzw. -i' aufgehoben wird.
Sie erlöschen wieder am Ende der Ausschaltstufe beim Rückgang des durch eine Vormagnetisierung
in das positive Gebiet angehobenen Stufenstromes auf den Wert Null.
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Zur Beseitigung von Kippschwingungen, die infolge der negativen Neigung
des Anfangsteiles der Spannungs-Strom-Kennlinien der Lichtbogenventi.le entstehen
können, sind noch Stabilisierungswiderstände 2,9 vorgesehen. Mit Entladungsventilen
und- den dazugehörigen besonderen Hilfseinrichtungen können natürlich auch die weiter
oben beschriebenen Umformungsanordnungen ausgerüstet sein.
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Die Verwendung der erfindungsgemäßen Nebenwege mit kompensierten elektrischen
Ventilen ist vornehmlich zu empfehlen für solche Kontaktumformer, deren Schaltdrosseln
eine spannungsgebundene Vormagnetisierung aufweisen, die sich gegenüber der bekannten
stromgebundenen Vormagnetisierung mit im Vormagnetisierungskreis angeordneter Stabilisierungsdrossel
dadurch auszeichnet, daß der Leitwert des in Reihe mit einer Schaltdrosselwicklung
liegenden Teiles überwiegend Wirkleitwert ist, daß die den Vormagnetisierungsstrom
treibende Spannung zur Spannung des zu schaltenden Stromkreises in einem festen
Verhältnis steht, und daß die erstere höher ist als die letztere, bezogen auf gleiche
Windungszahl der vom Vormagnetisierungsstrom und der von dem zu schaltenden Strom
durchflossenen Schaltdrosselwicklung. Mit dieser spannungsgebundenen Vormagnetisierung
kann nämlich -in vielen Fällen die Höhe des zu unterbrechenden Stromes innerhalb
eines vorgeschriebenen Regelbereiches dem Nullwert besonders nahe gebracht werden.
Hierbei würden sich überlagernde Stromschwingungen außerordentlich störend auswirken,
so d!aß ihre Unterdrückung durch in den Nebenwegen angeordnete kompensierte elektrische
Ventile einen besonders lohnenden Erfolg darstellt.