DE971076C - Kontaktgeraet, insbesondere fuer sechsphasige Brueckenschaltung - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 4. DEZEMBER 1958

p 2440 VIIIc j 2ig B

ist als Erfinder genannt worden

Die Gesichtspunkte für die Konstruktionen von Kontaktgeräten für mechanische Stromrichter sind im wesentlichen folgende:

1. Die Kontakte und ihr Antriebsmechanismus müssen hochgradig dauerfest sein, da es im praktischen Betrieb nicht selten vorkommt, daß solche Geräte im ununterbrochenen Dauerbetrieb monatelang arbeiten müssen.

2. Die Zahl, die Art und die Anordnung der Kontakte müssen derart gewählt werden, daß die Ausführung solcher elektrischen Schaltungen ermöglicht wird, welche die beste Ausnutzung des Gleichrichterumspanners und eventueller Mittel zur Entlastung der Kontakte vom Schaltfeuer, z. B. Schaltdrosseln, ergeben.

3. Das Kontaktgerät muß auch für größte Leistungen ausführbar sein, insbesondere für große Stromstärken, da die Wirtschaftlichkeit des Stromumformens um so größer ist, in je größeren Umformereinheiten sie erfolgt.

4. Der Herstellungspreis des Kontaktgerätes muß möglichst klein sein, damit der Preis des mechanischen Umformers im Verhältnis zu anderen möglichen Umformern klein wird.
Zu diesen Gesichtspunkten kommen noch andere, wie z. B. Übersichtlichkeit der Anordnung, Zugänglichkeit der zu wartenden Teile, geringe Anforderungen an die Wartung, geringes Geräusch des Getriebes usw. Man hat versucht, diese Anforderungen auf verschiedene Weise zu erfüllen, wobei es jedoch noch nicht gelungen ist, eine Konstruktion zu finden, welche allen Anforderungen gleichzeitig gerecht wird.

Diese Aufgabe stellt sich die vorliegende Erfindung. Erfindungsgemäß ist das Kontaktgerät für mechanische Stromrichter, besonders in mindestens sechsphasiger Brückenschaltung, bei dem die Betätigung je zweier mit i8o° Phasenverschiebung arbeitender Kontakte durch einen Schwinghebel mit in einer Achse liegenden Armen erfolgt, da-

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durch gekennzeichnet, daß der Schwinghebel in der Mitte der Arme drehbar gelagert ist, seine Enden von einem nur ebene Drehbewegungen des Schwinghebels bewirkenden Exzenter od. dgl. in hin- und hergehend linear, d. h. nur in einer einzigen Ebene schwingende Bewegungen versetzt werden und direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung eines in einer Geradführung laufenden Zwischengliedes, die Kontakte betätigen und zur Erzielung einer möglichst ίο geringen Reibung die Mitte des Schwinghebels in gleicher mittlerer Höhe liegt wie die Oberkante der die Kontakte steuernden Stößel während der Kontaktöffnung.

Gegenüber den bekannten Kontaktgeräten, die mit Stößel und Geradführung arbeiten, ergibt sich der Vorteil, daß das neue Kontaktgerät keine Geradführung benötigt. Ferner ist es auch bekannt, als Antrieb für das Kontaktgerät eine Taumelscheibe vorzusehen. Da diese eine kreisförmige Bewegung macht, kann man keine nur in einer einzigen Ebene schwingende Bewegung der Kontakte erreichen.

Fig. ι der Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Kontaktgerätes gemäß der Erfindung für Stromstärken bis zu einigen iooA. ι ist eine Welle, welche durch einen Synchronmotor angetrieben wird. Auf der Welle ι sitzt ein Exzenter 2, welcher den Hebel 3 in vibrierende Bewegung versetzt. Der Hebel 3 ist an seinem oberen Ende auf einer Welle 4, beispielsweise einem Nadellager oder einem Gummilager oder einem Federlager, befestigt. Am oberen Kopf 5 des Hebels 3 ist der Querträger 6 befestigt, welcher an seinen Enden die Stößel 7 und 8 trägt. Diese bewegen im Takt der Umdrehung der Motorwelle ι die Kontaktfedern 9 und 10, so daß die Kontaktstücke 11 und 12 periodisch im Takt der gleichzurichtenden Wechselspannung mit den feststehenden Gegenkontakten 13 und 14 in Berührung kommen. Die Welle 4, um welche das obere Ende des Hebels 3 schwingt, ist exzentrisch gelagert, so daß durch Drehen dieser Welle der Hebel 3 und damit der Querträger 6 etwas gehoben oder gesenkt werden kann, wodurch die Schließzeit der Kontakte verändert wird. Die Welle 1 befindet sich in einem Getrieberaum, welcher durch das Gehäuse 15 nach außen hin abgeschlossen ist und welcher zum Teil mit Öl 16 gefüllt ist. Der Hebel 3 wird durch eine schlitzförmige Öffnung 17 aus dem Getriebegehäuse herausgeführt, wobei zur Abdichtung über den Stutzen 18 und über das obere Ende 19 des Hebels 3 eine Schlauchabdichtung geschoben werden kann. Auf der Welle 2 ist der Rotor des. Antriebsmotors befestigt. Das Gehäuse 15 ist in einem dünnwandigen Ansatz, beispielsweise aus Stahlblech von ι mm Stärke, durch den Luftspalt des Antriebsmotors hindurchgeführt. Die Lager der Welle ι befinden sich innerhalb des durch dieses Stahlrohr und des durch 15 begrenzten Getrieberaumes, so daß alle schnell laufenden Lagerstellen durch das öl 16, das durch eine Schleuderscheibe im Getrieberaum herumgespritzt werden kann, geschmiert werden. Das Lager 4 macht so geringfügige Winkelbewegungen (etwa i°), daß es, wenn es z. B. als Nadellager ausgeführt wird, keine Ölschmierung gebraucht, sondern damit auskommt, wenn man es bei der Montage gefettet einbaut.

Damit die Stößel 7 und 8 während der Kontaktöffnung auf den Federn 9 und 10 möglichst wenig reiben, muß das Lager 4 in. gleicher mittlerer Höhe liegen wie die Oberkante der Stößel 7 und 8 während der Kontaktöffnung.

An dem Querbalken 6 können an jeder Seite mehrere, z. B. je zwei Stößel befestigt werden, welche mehrere gleichphasig schaltende Kontakte betätigen, beispielsweise können mit einem Querbalken vier Kontakte betätigt werden, von denen je zwei gleichphasig und gegenüber den beiden anderen um i8o° versetzt schalten. Diese Kontaktanordnung ist z. B. erforderlich für einphasige Brückenschaltung.

Will man mehrphasige Gleichrichterschaltungen verwenden, muß man auf der Welle 1 mehrere gegeneinander um bestimmten Winkel versetzte Exzenter anbringen, welche je ein Schwinghebelsystem 3 bzw. 6 betätigen.

Eine für mechanische Stromrichter besonders gut geeignete Schaltung ist bekanntlich die sechsphasigeBrückenschaltung (Fig. 2). Der Haupttransformator 21 mit der an das Drehstromnetz angeschlossenen Primärwicklung 22 und der den Kontakten 24 bis 29 zugeordneten Sekundärwicklung 23 ist über die paarweise je auf einem Kern angeordneten Schaltdrosseln 30 bis 35 mit dem Kontaktgerät elektrisch verbunden. Für diese Schaltung sind zwölf Kontakte erforderlich, von denen je zwei gleichphasig und sechs Kontaktpaare, um je 6o° gegeneinander versetzt, schalten. Diese Kontaktanordnung läßt sich ohne weiteres, mit drei der in Fig. ι bezeichneten Schwinghebel 3 bzw. 6 verwirklichen, d. h., zur Betätigung der zwölf Kontakte werden nur drei Exzenter benötigt. Dies ist einer der wesentlichen Vorteile der Konstruktion der Erfindung; denn die Anordnung der sechsphasigen Brückenschaltung ist bislang praktisch daran gescheitert, daß die Ausführung der zwölf Kontakte in der bekannten Weise zu teuer werden würde. Die bekannten Konstruktionen verwenden nämlich für jeden Kontakt einen Stößel, welcher in einer geschliffenen und geschmierten Buchse geführt ist und von je einem Exzenter bzw. Exzenterhebel betätigt wird. Bei der Erfindung fallen die in geschmierten Buchsen geführten Stößel vollständig fort. Dies ermöglicht zusammen mit der Anordnung aller schnell laufenden Lagerstellen in einem geschlossenen Getrieberaum den Fortfall der sonst üblichen Druckschmierung und die Verwendung der einfachen selbsttätigen Spritzölschmierung.

Die Vorteile der sechsphasigen Brückenschaltung bestehen bekanntlich unter anderem darin, daß sie z. B. gegenüber der dreiphasigen Brückenschaltung bei gleicher Kontaktspannung die doppelte Gleichspannung ermöglichen und daß bei gegebenem Gleichstrom der Effektivwert des Stromes über die Kontakte etwa i.Smal kleiner ist als in der dreiphasigen Schaltung. Eine Kontaktkonstruktion wie

die in Fig. ι gezeichnete, welche in der dreiphasigen Schaltung eine Grenzleistung von 300 A und 300 V ermöglichen würde, gestattet in der sechsphasigen Schaltung eine Grenzleistung von 450 A und 600 V. Die bekannten Kontakte mit Doppelunterbrechung, bei denen ein Kontaktstück durch eine Schraubenfeder gegen zwei feststehende Kontaktleisten gedrückt und vom Stößel periodisch abgehoben wird, ermöglichen in der dreiphasigen Schaltung bei Wasserkühlung und etwa 50 kg Kontaktdruck eine Grenzleistung von 400 V und 5000 A; demgegenüber beträgt in der sechsphasigen Schaltung, wenn dafür ein Kontaktgerät nach der Erfindung benutzt wird, die Grenzleistung 800 V, 7500 A.

In Fig. 3 ist der Schnitt durch ein Kontaktgerät für solche sehr großen Leistungen dargestellt. Es ist grundsätzlich ebenso aufgebaut wie das in Fig. 1 gezeichnete Gerät. Bei großen Stromstärken werden jedoch die Stromzuführungsschienen so groß, daß der konstruktive Aufbau des Gerätes wesentlich von ihnen bestimmt wird. In Fig. 4 ist die Schienenanordnung für eine sechsphasige Brückenschaltung dargestellt. Zwischen den sechs Wechselstromschienen u, v, w, u', v', it/ liegen Schienenstücke, welche abwechselnd mit dem positiven und negativen Gleichstrompol verbunden sind. Die Kontakte 36 bis 41 sind gegenüber den Kontakten

42 bis 47 eine Schienenteilung versetzt angeordnet. Die Kontakte 36 und 37 schalten gleichzeitig, die Kontakte 42 und 43 ebenfalls, jedoch gegenüber 36 und 37 um i8o° versetzt. Sind die Kontakte 36 und 37 geschlossen, so ist die Schiene u mit dem negativen Pol und u' mit dem positiven Pol verbunden; sind die Kontakte 42 und 43 geschlossen, so hat die Schiene u Verbindung mit dem positiven Pol und u' mit dem negativen Pol. Die Kontakte 36, 37, 42,

43 werden von einem Schwinghebel betätigt, die Kontakte 38, 39, 44, 45 von dem zweiten und die Kontakte 40, 41, 46, 47 von dem dritten. In Fig. 3 bedeutet 48 eine der in Fig. 4 gezeichneten Wechselstrom- bzw. Gleichstromschienen, während 49 und 50 die in Fig. 4 nicht gezeichneten Gleichstromsammelschienen sind, welche je mit den positiven bzw. negativen Gleichstromschienen in Fig. 4 verbunden sind. Sämtliche Schienen können bei großen Stromstärken Wasserkühlung erhalten. Die Schienen 48 haben in der Mitte einen kreisförmigen Ausschnitt, welcher es ermöglicht, die Lagerwelle 51 für den Schwinghebel so tief anzuordnen, daß sie in gleicher Höhe mit den Kontaktflächen liegt. Dies ist notwendig, damit die Stößel 52 und 53 die Kontaktstücke 54 und 55 senkrecht zu ihrer Auflagefläche abheben.

Bei der sechsphasigen Brückenschaltung ist die Kontaktdauer statt 120⁰ (dreiphasige Schaltung) nur 6o°. Dazu kommt die Zeitdauer der Kommutierung, z. B. 30°, so daß insgesamt 90 statt 150⁰ Kontaktdauer einzustellen ist. In Fig. 5 bedeutet die Sinuskurve die Bewegung der Oberkante eines der Stößel 52 oder 53 in Fig. 3. Damit eine Kontaktdauer TK₁ zustande kommt, müssen die festen Kontaktstücke 56, 57 in der Höhe JtT₁ unter der Mittellinie 0-0 (Fig. 5) angebracht werden. Zwischen der Kontaktzeit TK und der Höhenlage χ der festen Kontaktstücke besteht die Beziehung

TK

X = COS -

Der Federhub, d. h. die Strecke, um welche die Feder durch den Stößel zusammengedrückt wird, beträgt nach den Bezeichnungen von Fig. 5

TK\

x = ε 1 + cos 1

2 /

Aus dieser Gleichung folgt, daß bei kleinen Kontaktzeiten TK, wie sie bei der sechsphasigen Brückenschaltung auftreten, der Federhub ungefähr gleich 2 ε wird. Dies ist für das Bemessen und die Dauerfestigkeit der Kontaktfeder ungünstig. Aus diesem Grunde wird nach der weiteren Erfindung bei Kontakten mit Schraubenfedern, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, der Arm 58, gegen dessen Enden 59 und 60 sich die Federn abstützen, nicht stillstehend angeordnet, sondern im Takt des Schwinghebels 61 mitbewegt. Dies läßt sich einfach dadurch erreichen, daß ζ. B. 58 und 61 ein einziges Konstruktionsteil bilden, welches um die Welle 51 schwingt. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß während der Kontaktöffnung die Kontaktfedern nicht weiter zusammengedrückt werden, go sondern daß sie lediglich während der kurzen Kontaktschließzeit TK₂, während der die Kontaktstücke 54 und 55 auf ihren Gegenkontakten aufliegen, durch 59 und 60 weiter zusammengedrückt werden. Für diese Zusammendrückung, d. h. für den Federhub, erhält man in diesem Falle den Wert:

-x=

-cos

TK \ 2 )

Nach dieser Gleichung wird für kleine Kontaktzeiten TK der Federhub sehr klein, was mit Rücksicht auf Beanspruchung der Kontaktfedern vorteilhaft ist. Man kann, um bei kleinen Kontaktzeiten große Trenn- und Schließgeschwindigkeit zu erreichen, die Amplitude ε der Stößelbewegung vergrößern, der Federhub bleibt dann immer noch wesentlich kleiner als bei der bekannten Anordnung, bei der die Widerlager 59 und 60 für die Kontaktfedern im Raum stillstehen. Die Anordnung nach der Erfindung hat noch den weiteren Vorteil, daß während der Kontaktschließzeit der Kontaktdruck mit wachsendem Strom zunimmt, wogegen in der bekannten Anordnung der Kontaktdruck während der ganzen Kontaktschließzeit konstant ist. Außerdem sind in der neuen Anordnung die Getriebeteile nur während der kurzen Kontaktschließzeit durch die Kontaktfederkräfte belastet, wogegen in der alten Anordnung während der langen Kontaktöffnungszeit die Getriebeteile den Kontaktfederdruck zu tragen haben.

Dadurch, daß der Hebel 58 in Fig. 3 mitbewegt wird, werden die durch Massenkräfte hervorgerufenen Lagerdrücke vergrößert. Man kann jedoch die Gewichte bzw. Trägheitsmomente der schwingenden Teile 58, 61 usw. derart mit den Kontaktfederkräften abstimmen, daß, was die

Grundwellen der Kräfte anbetrifft, Massenkräfte und Federkräfte sich aufheben, so daß die Lagerstellen vom Druck entlastet werden.

In Fig. 6 und 7 ist die Ausführung eines Kontaktgerätes nach der Erfindung dargestellt, welches für Stromstärken bis zu etwa 1000Ά brauchbar ist. 71 ist eine in Kugellagern 72 und 73 gelagerte Welle, auf der die drei Exzenter 74, 75, 76 und der Rotor 77 des Antriebsmotors angebracht sind. Auf den Exzentern laufen Nadellager. Der äußere Ring dieser Nadellager bewegt die Klauen 78, welche an den Schwinghebeln 79 befestigt sind. Der Schwinghebel 79 ist mit einem Nadellager auf der Steuerwelle 80 gelagert. Die Arme 81 und 82 des Schwinghebeis 79 tragen an ihren äußeren Enden Stößel 83 und 84, welche Kontaktstücke 85 und 86 betätigen. Diese werden durch Schraubenfedern 87 und 88 gegen die festen Kontakte 89 und 90 gedrückt. An das obere Ende des Schwinghebels 79 ist mit Hilfe

ao der Schrauben 91 und 92 der Hebel 93 angeschraubt, gegen den sich die Federn 87 und 88 abstützen und welcher die gleiche schwingende Bewegung ausführt wie der Hebel 79 mit seinen Armen 81 und 82. Die Buchse 94, welche das Kugellager 73 trägt, ist durch den Luftspalt des Antriebsmotors hindurchgeführt. Auf diese Buchse ist der Stator 95 dieses Motors drehbar aufgeschoben. Damit in der aus Stahl gefertigten Buchse 94 durch das Drehfeld des Motors keine unzulässig große Erwärmung hervorgerufen wird, ist seine Wandstärke im Bereich des Motordrehfeldes dünn (etwa ι mm) gehalten und außerdem derart mit Schlitzen versehen, daß das Fließen von Wirbelströmen erschwert wird. Die Schlitze sind so schmal (etwa 0,3 mm), daß sie durch Einbrennen von Lack oder Emaille wieder gedichtet werden können. Auf diese Weise erhält das Gerät einen geringen, ringsum geschlossenen Getrieberaum, der zum Teil mit öl gefüllt werden kann und in welchem sämtliche schnell laufenden Lagerstellen von umherspritzendem öl, auch bei ununterbrochenem Dauerbetrieb, zuverlässig und selbsttätig geschmiert werden. Der Getrieberaum hat lediglich nach oben hin drei schmale schlitzförmige öffnungen, durch welche die Schwinghebel 79 herausgeführt sind. Da die Hebel 79 besonders an ihren oberen Enden nur eine geringfügige Bewegung machen, kann man durch einen schlauchartigen, elastischen Überwurf die öffnungen der Schlitze, durch welche die Schwinghebel herausgeführt sind, verschließen. Die Steuerwelle 80 ist in den Gehäusearmen 96 und 97 exzentrisch gelagert, so daß sie beim Drehen des Hebele 98 gehoben oder gesenkt wird, was eine Verkürzung oder Verlängerung der Kontaktzeiten zur Folge hat. Der Hebel 98 trägt an seinem unteren Ende eine Rolle 99, welche auf einer Kurvenscheibe 100 läuft. Die Form dieser Kurvenscheibe ist so gewählt, daß bei der Spannungsregelung durch Verdrehen des Stators 95 auf der Buchse 94 der Hebel 98 derart bewegt wird, daß sich die Kontaktzeiten auf vorgeschriebene Weise mit dem Steuerwinkel, d. h. dem Drehwinkel des Motors 95, ändern.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kontaktgerät für mechanische Stromrichter, besonders in mindestens sechsphasiger Brückenschaltung, bei dem die Betätigung je zweier mit i8o° Phasenverschiebung arbeitender Kontakte durch einen Schwinghebel mit in einer Achse liegenden Armen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinghebel in der Mitte der Arme drehbar gelagert ist, seine Enden von einem nur ebene Drehbewegungen des Schwinghebels bewirkenden Exzenter od. dgl. in hin- und hergehend linear, d. h. nur in einer einzigen Ebene schwingende Bewegungen versetzt werden und direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung eines in einer Geradführung laufenden Zwischengliedes, die Kontakte betätigen und zur Erzielung einer möglichst geringen Reibung die Mitte des Schwinghebels in gleicher mittlerer Höhe liegt wie die Oberkante der die Kontakte steuernden Stößel während der Kontaktöffnung.

2. Kontaktgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinghebel doppelarmig ist und mit jedem Arm je zwei gleichphasige, gegenüber dem zweiten Arm um i8o° in ihrer Kontaktzeit versetzte Kontakte betätigt.

3. Kontaktgerät nach Anspruch 1, insbesondere für kurze Kontaktschließzeiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager für die Kontaktfedern (23) in gleicher Weise wie der Schwinghebel bewegt wird, so daß die Spannung der Kontaktfedern nur während der Kontaktschließzeit geändert wird.

4. Kontaktgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinghebel durch 10a eine von einem Synchronmotor angetriebene Exzenterwelle betätigt werden, wobei der Getrieberaum derart öldicht durch den Luftspalt des Synchronmotors hindurchgeführt ist, daß sämtliche schnell laufenden Lagerstellen sich innerhalb eines geschlossenen Raumes befinden, in dem sie durch Spritzöl geschmiert werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschriften Nr. 211 554,
224053, 229726;

französische Patentschrift Nr. 830 743;
ETZ, 1941, S. 8, 9.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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