DE959841C - Schutzeinrichtung fuer Umformungsanlagen - Google Patents

Description

Für Umformungsanlagen — sei es mit Entladungsventilen, sei es mit mechanischen Kontakten — werden bekanntlich Schutzeinrichtungen verwendet, die durch Fehlerströme ausgelöst werden und deren schädliche Folgen unterbinden, indem sie ihr Weiterbestehen oder gar Anwachsen verhindern. Bei gittergesteuerten Entladungsstrecken beispielsweise kann zu diesem Zwecke im Fall einer Rückzündung eine Sperrspannung an ein Steuergitter gelegt werden, so daß ίο ein weiterer Stromfluß in Rückwärtsrichtung unterbunden wird. Häufig wird in diesem Falle bei mehrphasigen Anordnungen der Nutzstromkreis in den gerade stromführenden Phasen unterbrochen und damit der ganze Gleich- oder Wechselrichter stillgesetzt. Meist kann er dann unmittelbar nach dem Verschwinden der Störungsursache sofort wieder in Betrieb genommen werden, so daß sich die Betriebsunterbrechung auf eine kurze, nach Sekunden zählende Zeit beschränkt. Kontaktumformer können insbesondere durch Unregelmäßigkeiten mechanischer oder elektrischer Natur, z.B. Störungen des regelmäßigen Schalttaktes oder plötzliche, möglicherweise unsymmetrische Spannungsänderungen im speisenden Netz gefährdet werden, die zur Folge haben, daß die Kontakte einer oder mehrerer Phasen sich außerhalb der stromschwachen Pause öffnen. Hier kann durch die Schutzeinrichtung z.B. nach Patent 696 909 im Störungsfalle die Öffnung der in diesem Augenblick

gerade geschlossenen Stromkreise, verhindert werden. Die erwähnte stromschwache Pause, die in der Nähe des Stromnullwertes auftritt, ist sehr kurz. Sie kann zwar durch zusätzlich eingeführte Fremdspannungen 5 oder in Reihe mit den Unterbrechungsstellen angeordnete selbsttätig bzw. durch selbsttätige Steuerung veränderliche Wirk,- Blind- oder Scheinwiderstände, z.B. durch Schaltdrosseln mit beim Nennstromwert hochgesättigten Magnetkernen infolge der Entsättigung der letzteren verlängert werden; jedoch ist es auch in diesem Falle erstrebenswert, zwecks Vermeidung übermäßig hohen Aufwandes z.B. für die Schaltdrosseln mit möglichst geringer Dauer der stromschwachen Pause auszukommen. Daraus ergibt sich die Aufgabe, die Zeit vom Auftreten der Störung bis zum Wirksamwerden der Schutzeinrichtung nach Möglichkeit abzukürzen. Diese Zeit setzt sich zusammen aus einer Spanne, die für die Erzeugung eines Steuerimpulses durch die steuernde Fehlergröße, für dessen Übertragung auf das Befehlsorgan der Schutzvorrichtung und für seine Umsetzung in eine zur Auslösung eines mechanischen Vorganges ausreichende magnetische Energie benötigt wird, und einer zweiten Spanne, der sogenannten mechanischen Eigenzeit der Schutzvorrichtung, in der sich die Bewegung ihrer mechanischen Teile vollzieht. Mittel zur Verkürzung der mechanischen Eigenzeit von Auslösern u. dgl..sind bekannt, eine damit ausgerüstete Schutzvorrichtung ist bereits vorgeschlagen worden.

Die Erfindung befaßt sich mit der Verkürzung der oben an erster Stelle genannten Zeitspanne vom Auftreten der Störung bis zum Beginn der Bewegung der mechanischen Teile der Schutzeinrichtung. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß sich beim Gleichrichterbetrieb die in allen normalen Belastungszuständen einander proportionalen Werte der Anodenströme und des Belastungsgleichstromes im Falle einer Rückzündung gegensinnig ändern, indem die ersteren anwachsen und die letzteren absinken. Beim Wechselrichterbetrieb ist im normalen Zustand ebenfalls Proportionalität zwischen den Werten des zugeführten Gleichstromes und des vom Umformer entnommenen Belastungswechselstromes vorhanden. Im Falle von Rückzündungen braucht zwar nicht immer eine gegen-

sinnige Änderung der gleich- und wechselstromseitigen Stromwerte einzutreten, jedoch geht auf alle Fälle die erwähnte Proportionalität verloren. Die erwähnten Störungsfolgen, nämlich die gegensinnige oder wenigstens nicht proportionale Änderung der Stromwerte auf der Ein- bzw. Ausgangsseite der Umformungsanordnung werden nach der Erfindung zur Steuerung der Schutzeinrichtung benutzt, indem mittels an sich bekannter, in den Wechselstromleitungen angeordneter Anodenstromwandler und eines Hilfsgleichrichters ein dem Hauptstrom auf der Wechselspannungsseite des Umformers in jedem

• Augenblick proportionaler Hilfsgleichstrom erzeugt und an einer elektromagnetischen Steuereinrichtung, die ein Schutzgerät steuert, gemeinsam mit dem Hauptstrom auf der Gleichspannungsseite des Umformers, jedoch in entgegengesetzter Richtung derart zur Wirkung gebracht wird, daß sich im Normalbetrieb die Wirkungen dieser beiden Ströme gegenseitig mindestens annähernd aufheben. Die im Störungsfall auftretende Differenz der beiden Wirkungen weist eine besonders hohe Änderungsgeschwindigkeit auf, so daß mit ihrer Hilfe die Zeitspanne bis zum Ansprechen des Schutzgerätes besonders klein gehalten werden kann, was nicht nur für Kontaktumformer, sondern aus naheliegenden Gründen auch für Umformungsanordnungen mit Entladungsstrecken vorteilhaft ist. Die Erfindung kann auch zur Erzielung einer Selektivwirkung benutzt werden und ist zu diesem Zweck beispielsweise auch bei Trockengleichrichteranordnungen mit Vorteil anwendbar. Sie kann hier wie auch bei den oben erwähnten Umformungseinrichtungen anderer Art auch die Auslösung von Schnellschaltern auf einer oder beiden Seiten des Umformers bewirken.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Die Fig. ι bis 4 zeigen übereinstimmend einen Gleichrichter 11, der von der Sekundärwicklung 12 eines Drehstromtransformators gespeist wird und auf ein Gleichstromnetz 13 arbeitet. Als Schutzgerät dient ein Kurzschließer 14, der nach Patent 696 909 die Drehstromzuleitungen (Anodenleitungen) des Gleichrichters unmittelbar überbrückt und in geöffneter Stellung durch einen Elektromagneten 15 gesperrt wird. Eine Haltespule 16 des Elektromagneten wird mit Gleichstrom aus einem Hüfsnetz 17 über eine Stabilisierungsdrossel 18 und einen Widerstand 19 zum Einstellen des Haltestromwertes erregt. Durch einen Druckluftkolben 20 kann der Kurzschließer in seine Ausgangsstellung mit geöffneten Kontakten gebracht werden.

Im Anodenstromkreis des zu schützenden Umformers sind Stromwandler 21 vorgesehen. Deren Sekundärströme werden einem Hilfsgleichrichter 22 zugeführt, der so geschaltet ist, daß sein Gleichstrom in jedem Augenblick dem wechselspannungsseitigen und im Normalbetrieb auch dem gleichspannungsseitigen Umformerstrom proportional ist. Gemäß Fig. 1 wird der gleichspannungsseitige Laststromkreis durch einen aus magnetisch hochwertigem Werkstoff bestehenden Ringkernübertrager 23 mit dem Hilfsgleichrichterkreis magnetisch gekoppelt. Die vom Laststrom 7 des Umformers bzw. vom Hilfsgleichstrom i_g durchflossenen Wicklungen 24 und 25 des Ringkernübertragers werden so ausgelegt, daß ihre resultierende Durchflutung nahezu Null ist. Ihr Windungszahlverhältnis entspricht also etwa dem Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers. In einer dritten Wicklung 26 des Ringkernübertragers wird bei Störungen der zum Auslösen des Kurzschließers 14 notwendige Stromfluß erzeugt.

Im ungestörten Betrieb des Umformers ist außerhalb der Kommutierungszeit zweier Phasen der Anodenstrom gleich dem Gleichstrom. Während der Kommutierungszeit zweier Phasen ist die Summe der kommutierenden Anodenströme ebenfalls gleich dem Gleichstrom. Abgesehen von den Fehlern in den Stromwandlern und im Hilfsgleichrichter heben sich also am Ringkernübertrager 23 die magnetischen Wirkungen der Wicklungen 24 und 25 nahezu auf. Bei einer Rückzündung überlagert sich in den davon betroffenen

Phasen auf der Wechselspannungsseite ein Kurzschlußstrom. Der Gleichstrom i_g des Hilfsgleichrichterkreises steigt mit derselben Steilheit an wie der Kurzschlußstrom, während der gleichspannungsseitige Hauptstrom des Umformers abnimmt. Das nunmehr gestörte Amperewindungsgleichgewicht am Ringkernübertrager 23 wird durch einen in der Auslösewicklung 26 plötzlich ansteigenden Steuerstrom wiederhergestellt, der die Auslösespule 27 des Kurzschließers durchfließt und die von der Haltespule 16 herrührende Erregung des Haltemagneten 15 so weit schwächt, daß sich die Kontakte des Kurzschließers 14 unter der Einwirkung einer kräftigen Feder rasch schließen.

Von besonderem Vorteil ist die Verwendung eines Ringkernes aus einer magnetisch hochwertigen Legierung, z.B. Nickeleisen, mit besonders hoher Permeabilität im Bereich zwischen den Sättigungspunkten zur Erzielung großer Feldänderungen und damit hoher Spannungsstöße in der Auslösewicklung bei verhältnismäßig geringen Durchflutungsänderungen. Die Wicklungen 24 und 25 werden vorteilhaft so abgeglichen, daß erstere im Normalbetrieb hinsichtlich der Durchflutung gegenüber der letzteren um etwas überwiegt, so daß der Arbeitspunkt, der dem Magnetisierungszustand des Ringes entspricht, im Sättigungsknie liegt. Im Störungsfalle wird der Ring z.B. infolge des Überhandnehmens des ansteigenden Stromes i_g gegenüber dem fallenden Strom / oder infolge Richtungswechsels des letzteren ummagnetisiert und dabei eine ausreichende Feldänderung zur Erzeugung eines Auslöseimpulses erzielt.

Falls auch durch die vorerwähnte Verwendung eines magnetisch hochwertigen Ringkernwerkstoffes noch kein ausreichender Auslöseimpuls erzielt werden kann, um eine gegebene Schutzeinrichtung zu betätigen, kann dieser durch eine an sich bekannte, möglichst trägheitslos arbeitende Verstärkeranordnung z.B. unter Verwendung von gittergesteuerten Entladungsrohren verstärkt werden.

Um die für die Auslösung zur Verfügung stehende Energie zu erhöhen, kann gemäß Fig. 2 statt des Ringkernübertragers ein schnellwirkendes Relais 28 verwendet werden, dessen Magnetkern unmittelbar auf einer Gleichstromschiene angeordnet sein kann (Schienenrelais). Das Relais weist außer der vom gleichspannungsseitigen Hauptstrom durchflossenen Wicklung 24' und der ihr entgegenwirkenden Wicklung 25', die vom Hilfsgleichstrom i_g durchflossen wird, noch eine weitere Wicklung 29 auf, in der ein vom Hilfsnetz 17 gelieferter und über eine Induktivität 30 und einen einstellbaren Widerstand 31 zugeführter Hilfsgleichstrom Ie fließt, der das Schienenrelais polarisiert. Durch die Relaiskontakte wird der Stromkreis einer Auslösespule 27 des Kurzschließers geschlossen. Auch dieser Auslösestromkreis kann von dem Hilfsnetz 17 abgezweigt werden. Er enthält einen Strombegrenzungswiderstand 32 und einen Kondensator 33, durch dessen Entladung der Stromanstieg in der Spule 27 zwecks Verkürzung der Auslösezeit beschleunigt wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Auf die beiden Kerne 34 eines Gleichstromwandlers sind je vier Wicklungen aufgebracht. Die Wicklungen 35 werden vom Belastungsstrom des Umformers durchflossen. Durch die Wick- lungen 36 fließt ein Hilfsgleichstrom i_g, der in jedem Augenblick des störungsfreien Betriebes proportional dem Laststrom / ist. Wicklungssinn und Übersetzungsverhältnis der Wicklungen 35 und 36 werden so gewählt, daß ihre resultierende Durchflutung bei ungestörtem Betrieb des Umformers nahezu Null ist. Durch die Wicklungen 37 fließt ein Wechselstrom, der dem vorhandenen Wechselstromnetz oder einem Hilfswechselstromnetz 39 über einen einstellbaren Widerstand 40 entnommen werden kann. Dieser Wechselstrom ist bis auf den vernachlässigbar kleinen Magnetisierungsstrom des Wandlereisens im jeden Augenblick dem Fehlerstrom des Umformers bei Störungen proportional. Er wird in einem zweiten Hilfsgleichrichter 41 gleichgerichtet und in dieser Form der Auslösespule 27 des Schutzgerätes zugeführt. Der Hilfsstrom i_g wird auch hier über Stromwandler 21 dem Anodenstromkreis entnommen und im Hilfsgleichrichter 22 gleichgerichtet. Die innere Schaltung des Hilfsgleichrichters 22 soll möglichst die gleiche sein wie diejenige des Hauptumformers, damit auch die Welligkeit des Hilfsgleichstromes dieselbe ist wie diejenige des Hauptgleichstromes. Es können hierzu beispielsweise mechanische Gleichrichter oder Entladungsstreckengleichrichter (Entladungsrohre) verwendet werden. Nach Fig. 3 wird der Hilfsgleichrichter 22 in besonders zweckmäßiger Weise von Trockengleichrichterelementen in dreiphasiger Brükkenschaltung gebildet. Bei Verwendung von Trockengleichrichtern treten Polarisationserscheinungen am Hilfsgleichrichter 22 auf, die in den Wicklungen 36 Ausgleichströme hervorrufen können. Die Ausgleichströme können bei nicht genau gleichen magnetischen Eigenschaften der beiden Wandlerkerne und bei sehr ldeinenLastströmen (Leerlaufbetrieb) derUmformungsanordnung ein solches Ausmaß annehmen, daß sie zu Fehlauslösungen führen. Zur Verhinderung dieser Ausgleichströme können Wicklungen 38 am Gleichstromwandler vorgesehen sein, denen z. B. aus dem Gleichstromhilfsnetz 17 über einen regelbaren Widerstand 42 Strom zugeführt wird. Die Wicklungen 38 werden vom Erregerstrom %e so durchflossen, daß die von ihr erzeugte magnetische Spannung der von den Wicklungen 35 erzeugten gleichgerichtet ist. Fehlen die Erregerwicklungen 38, so können die erwähnten no Ausgleichströme auf ein Vielfaches des durch die Hilfserregung verursachten Fehlstromes im Auslösekreis anwachsen. Letzterer kann durch geeignete Dimensionierung des Auslösekreises und der Wandler so klein gehalten werden, daß er genügend weit vom Auslösewert des Schutzschalters entfernt Hegt und infolgedessen nicht stört. Bei weitgehender Übereinstimmung der magnetischen Eigenschaften der Gleichstromwandlerkerne werden die Hilfswicklungen 38 entbehrlich. Auch diese Schutzvorrichtung ist richtungsempfindlich, d. h. Rückströme werden als Fehlströme, und zwar in doppelter Größe erfaßt.

Gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 mit einem einzigen Ringkernübertrager ergibt die Schaltung nach Fig. 3 den Vorteil einer in allen Fällen sichergestellten Auslösung, weil ein genügender Auslöseimpuls erzielt

werden kann, ohne daß eine bestimmte Anstiegsgeschwindigkeit des Fehlerstromes erforderlich ist.

Eine vereinfachte Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier erfolgt die Überlagerung der einander entgegenwirkenden Ströme bzw. Hilfsströme nicht am Gleichstromwandler, sondern unmittelbar am Auslöseelektromagneten 15 des Kurzschließers. Dieser besitzt außer der Haltewicklung 16 zwei Auslösewicldungen 43 und 44, die einander entgegenwirken und deren Wirkungen sich im Normalbetrieb gegenseitig nahezu aufheben.

Die Wicklung 43 wird von dem Hilfsgleichstrom i_g

■ durchflossen, der demwechselspannungsseitigenHauptstrom proportional ist. In der Spule 44 fließt ein dem gleichspannungsseitigen Hauptstrom / des Umformers proportionaler Auslösestrom, der beispielsweise aus einem dem Hüfsnetz 39 entnommenen, über die Wicklungen 37 eines Gleichstromwandlers geführten und im Hilfsgleichrichter 41 gleichgerichteten Hilfswechselstrom gewonnen wird. Hier ist der Auslöser mit drei auch während des Normalbetriebes dauernd stromdurchflossenen Wicklungen versehen, dafür besitzt der Gleichstromwandler nur zwei Wicklungen 35 und 37.

Claims (11)

1. Patentansprüche:

   i. Schutzeinrichtung für Umformungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels in den Wechselstromleitungen angeordneter Anodenstromwandler (21) und eines Hilf sgleichrichters (22) ein dem wechselspannungsseitigen Hauptstrom des Umformers

   (11) proportionaler Hilfsgleichstrom erzeugt und an ■ einer elektromagnetischen Steuereinrichtung (23 bzw. 28 bzw. 34 bzw. 15) zur Auslösung eines Schutzgerätes (14) gemeinsam mit dem gleichspannungsseitigen Hauptstrom, jedoch in entgegengesetzter Richtung, zur Wirkung gebracht wird, derart, daß sich die Wirkungen der beiden Ströme imNormalbetrieb gegenseitigmindestens annähernd aufheben.
2. 2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Steuereinrichtung ein Ringkernübertrager (24) verwendet wird, durch den bei Abweichungen der Hilfsgleichstromerregung von der Belastungsgleichstromerregung ein dem Schutzgerät (14) zuzuführender Auslösestrom erzeugt wird (Fig. 1).
3. 3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Ringkernübertragers aus einer Magnetlegierung mit hoher Permeabilität im ungesättigten Gebiet besteht.
4. 4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Steuereinrichtung ein schnell wirkendes Relais (28) verwendet wird, das einen Steuerstromkreis des Schutzgerätes (14) schließt (Fig. 2).
5. 5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (28) polarisiert ist.
6. 6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgleichrichter Trockengleichrichter (22) verwendet werden.
7. 7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgleichrichteranordnung (22) dieselbe innere Schaltung aufweist wie der Hauptstromumformer (11).
8. 8. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Steuereinrichtung ein Gleichstromwandler (34) verwendet wird, der vom gleichspannungsseitigen Hauptstrom und von dem durch die Anodenstromwandler übertragenen und im Hilfsgleichrichter (22) gleichgerichteten Hilfsstrom gegensinnig erregt wird, derart, daß sich die beiden Erregungen im Normalbetrieb mindestens annähernd aufheben und bei Störungen durch Abweichungen der beiden vorgenannten Erregungen die Größe des in einer dritten Wicklung (37) fließenden, zur Auslösung dienenden Hilfswechselstromes verändert wird (Fig. 3).
9. 9. Schutzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromwandler (34) mit einer zusätzlichen, mit Gleichstrom gespeisten Hilfserregerwicklung (38) versehen ist, die im gleichen Sinne magnetisierend wirkt wie der gleichspannungsseitige Hauptstrom und die im Anodenstromwandlerkreis bei sehr geringer Teilbelastung durch Polarisationserscheinungen an dem in diesem Kreise liegenden Hilfsgleichrichter (22) hervorgerufenen Ausgleichströme schwächt oder unterbindet.
10. 10. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gleichspannungsseitige Hauptstrom mittels Gleichstromwandler (34) auf die Steuereinrichtung zur Wirkung gebracht wird.
11. 11. Schutzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösespule (43) des Schutzgerätes (14) vom Hilfsgleichstrom erregt wird und der über den Gleichstromwandler (34) fließende Hilfswechselstrom über einen weiteren Hilfsgleichrichter (41) einer der Auslösespule (43) entgegenwirkenden Spule (44) des Schutzgerätes zugeführt wird (Fig. 4).

    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 443 636, 530 231,

    479 "3; britische Patentschrift Nr. 468 908.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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