DE975000C - Anordnung zum Betrieb von Stromrichtern, bei denen eine Stromkreis-unterbrechung aufmechanischem Wege erfolgt - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBENAM 29. JUNI 1961

Zusatz zum Patent 974

(Ges. v. 15. 7. 1951)

Gegenstand des Hauptpatents ist eine Anordnung zum Betrieb von Stromrichtern, bei denen eine Stromkreisunterbrechung auf mechanischem Wege erfolgt und der Stromrichter schaltungsmäßig in η phasenverschobene Teilstromrichter mit mindestens zwei in zyklischer Reihenfolge arbeitenden Phasen unterteilt ist, von denen jeweils höchstens eine Phase Strom führt, und wobei η mindestens gleich 2 ist, und zwischen die Phasen-ίο spannungen der Teilstromrichter Drosselspulen bzw. Transformatoren geschaltet sind. Das Kennzeichen besteht darin, daß diese Drosselspulen bzw. Transformatoren so bemessen und magnetisch derart beschaffen sind und an ihren Klemmen eine Spannung mit derartiger Beschaffenheit hinsiehtlieh Frequenz und Kurvenform liegt, daß nicht nur in der Nähe des Leerlaufes, sondern im ganzen Belastungsbereich in gewissen Zeitteilchen der Strom auf η Strombahnen verteilt wird, und daß in anderen Zeitteilchen der Strom von weniger als η Strombahnen übernommen wird. Gemäß einer Weiterbildung kann man die Drosselspulen bzw.

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die Transformatoren derart baulich gestalten und/oder zusätzlich belasten, daß der dem Laststrom jedes Teilstromrichters überlagerte Wechselstrom wenigstens über einen Teil des Lastbereiches sich selbsttätig mit dem Laststrom ändert. Bei der praktischen Durchführung kann man vorteilhaft die Drosselspulen bzw. die Transformatoren aus bewickelten und unbewickelten Schenkeln aufbauen und derart bemessen, daß ihre Induktivität mit zunehmendem Laststrom verringert wird. Eine vorteilhafte Ausführung besteht auch darin, daß für je zwei Teilstromrichter zwei magnetische Pfade vorgesehen sind, daß die beiden den beiden Teilstromrichtern zugeordneten Teilwicklungen der Drosselspule bzw. des Transformators beiden magnetischen Pfaden zugeordnet sind und daß für jeden magnetischen Pfad eine weitere, vom Gesamtgleichstrom der beiden Teilstromrichter durchflossene Wicklung derart vorgesehen ist, daß in den Zeitpunkten der Öffnung bzw. Schließung der Kontakte abwechselnd in jedem magnetischen Pfad die beiden Magnetisierungen einander das Gleichgewicht halten. Man kann ferner durch passend gewählte Vorerregung erreichen, daß der abzuschaltende Strom über den ganzen Lastbereich einen kleinen, vorzugsweise positiven Wert hat; dadurch wird ein rückzündungsfreier Betrieb erzielt.

Für den praktischen Betrieb eines mechanischen Stromrichters dieser Art bringt die Vorerregung jedoch wesentliche Nachteile, wie sie an Hand der Zeichnungen erläutert werden sollen. In Fig. 1 sind die Spannungskurven 21 ... 26 eines doppelt dreiphasigen Gleichrichters mit Stromverdrängungstransformator gemäß dem Hauptpatent dargestellt, und zwar gehören die Kurven 21, 23 und 25 zu dem einen Teilstromrichter, während die Kurven 22, 24 und 26 zu dem anderen Teilstromrichter gehören (vgl. Fig. 4). Wie in dem Hauptpatent und in den älteren Zusatzpatenten erläutert ist, sind die Kontakte bei einer nacheilenden Steuerung von 30⁰ nur während des stark ausgezogenen Teiles der Spannungskurven geschlossen. Man sieht hieraus, daß stets zwei Kontakte geschlossen sind. Lediglich in der Kontaktpause, d. h. zum Beispiel während der Ablösung der Kontakte 26 und 22, ist nur ein Kontakt geschlossen, da wegen der bestehenden Spannung zwischen den beiden Kurven 26 und 22 im Augenblick des Kontaktwechsels nicht beide Kontakte zur gleichen Zeit geschlossen sein dürfen. Um Kurzschlüsse und Rückzündung zu vermeiden, ist es üblich, eine Kontaktpause von etwa 10 bis 15⁰ einzuhalten. Auf der rechten Seite der Fig. 4 ist nun der Stromverdrängungstransformator dargestellt, an dessen Wicklung auf dem Mittelschenkel die Spannungsdifferenz der einzelnen Spannungskurven 21, 22 usw. liegt. Diese Spannung setzt sich aus rechtwinkligen Dreiecken von der Zeitdauer t_k (vgl. Fig. 2) zusammen und sei mit u_s gekennzeichnet. Man sieht hieraus, daß die Hauptwicklung des Stromverdrängungstransformators an einer festen Spannung während der Zeit t_k liegt, die dem Stromverdrängungstransformator von der Differenz der Spannungskurven 21 ... 26 aufgedrückt wird. Nur während der Kontaktpause/» ist die Wicklung des saugdrosselähnlichen Transformators an keine feste Spannung angeschlossen.

Auf den Außenschenkeln des Transformators nach Fig. 4 liegen die Wicklungen, mit denen der Transformator durch den Gesamtgleichstrom vormagnetisiert wird. Hierdurch wird die Größe des Magnetisierungsstromes i_m (vgl. auch Fig. 3) der Größe des Gesamtgleichstromes so angepaßt, daß die Ablösung der Kontakte fast stromfrei erfolgt. Fig. 3 zeigt diesen Vorgang nochmals genauer. Man sieht, daß hierdurch die Nullinie des Magnetisierungsstromes i_m um den Betrag Va i_g nach unten verschoben wird, so daß sich der halbe Betriebsstrom mit dem Magnetisierungsstrom zeitweise aufhebt. Wie schon oben gesagt, ist es wichtig, die Vormagnetisierung so einzurichten, daß die Unterbrechung des jeweils zu öffnenden Kontaktes bei einem kleinen positiven Strom i_s (vgl. Fig· 3) vorgenommen wird. Man erreicht dies durch besondere Vorerregerwicklungen auf den Außenschenkeln des Stromverdrängungstransformators oder durch einen Nebenschluß des Vormagnetisierungsstromes, der z. B. der Vormagnetisierungswicklung einen bestimmten konstanten Betrag von beispielsweise 1 bis 2 A entzieht, was go man durch einen Konstantstromwiderstand parallel zu der Vormagnetisierungswicklung erreichen kann, wie in Fig. 4 gestrichelt angedeutet ist.

Während der Zeit, während der die Hauptwicklung des Transformators an der festen Differenz der Spannungskurven 21 ... 26 bzw. der Spannung U₂ liegt, ist der Flußverlauf durch diese Spannungskurven gegeben, der bei sinusförmigen Spannungen durch eine cos φ-Kurve gegeben ist und mit <P_S in Fig. 3 durch den stark ausgezogenen Teil dieser Kurve dargestellt und bezeichnet ist. Im Augenblick der Kontaktöffnung nun entsteht durch die Streuinduktivitäten des Haupttransformators, des saugdrosselähnlichen Transformators usw. eine Extraöffnungsspannung, die ein weiteres Ansteigen des Flußverlaufes, ζ. B. bis zum Punkt b der Fig. 3 zur Folge hat. Würde der Flußverlauf in der übrigen Zeit der Kontaktpause p nun sich nicht ändern, so würde das folgende Kurvenstück vom Punkt c ab in die Höhe des Punktes, b rücken. Wie man sich nun leicht überzeugen kann, würde hierdurch der Punkt d auf der Nullinie der Fig. 3 nach rechts verschoben werden, d. h., die Stromwendung würde verzögert werden. Hiermit verschieben sich ebenfalls zeitlich die Stromnulldurchgänge in nacheilendem Sinne, so daß man, um die Kontaktöffnung und den Stromnulldurchgang wieder zeitlich zusammenfallen lassen zu können, den Gleichrichter heruntersteuern muß. Dies ist aber in bezug auf die Höhe der abgegebenen Gleichspannung und in bezug auf den Leistungsfaktor des Gleichrichters ungünstig. Außerdem wird der Haupttransformator hierdurch schlecht ausgenutzt. Gegenstand der Erfindung ist nun, den Flußverlauf in dem Zeitraum b-c der Kontaktpause p so zu steuern, daß kein Herunter-

steuern des Gleichrichters erforderlich ist. Erfindungsgemäß liegt die Hauptwicklung des saugdrosselähnlichen Transformators auch während der Kontaktpausen an einer festen Spannung.
Wie schon in Fig. 3 angedeutet, muß der Flußverlauf alsdann der Strecke b . . . c entsprechen, d. h. die zusätzliche Flußzunahme a . . . b im Augenblick der Kontaktöffnung muß z. B. durch einen kurzen Spannungsstoß u_s' wieder ausgeglichen werden. In Fig. 2 sind diese einzelnen Spannungsstöße mit u/ bezeichnet und durch kleine Rechtecke dargestellt. Da ein Einfluß auf den Flußverlauf der Hauptwicklung nur in dieser kurzen Zeitspanne b . . . c vorgenommen werden kann, müssen die Spannungsstöße von erheblicher Höhe so etwa wie in Fig. 2 dargestellt sein. Nunmehr wird erreicht, daß der folgende festgegebene Flußverlauf sich im Punkt c anschließt, so daß es scheint, als ob der Flußverlauf während der

ao Zeit a ... c konstant geblieben ist. Gegebenenfalls kann man auch diese Spannungsstöße u/ über den genannten Betrag erhöhen, so daß der Punkt c eine tiefere Lage als der Punkt α einnimmt. Hierdurch ist es möglich, den Gleichrichter weiter in voreilendem Sinne auszusteuern, einen guten Leistungsfaktor und eine hohe Gleichspannung zu erreichen.

Um sich die genannten Vorgänge etwas verständlicher vor Augen führen zu können, soll in Fig. 4 angenommen werden, daß man den Eisenkern des Transformators, wie gestrichelt angedeutet, in der Mitte auftrennt. Hierdurch entstehen zwei magnetische Kreise, die abwechselnd gesättigt oder ungesättigt sind, und zwar übernimmt hierbei den Flußverlauf der Fig. 3 über der Nullinie der eine magnetische Kreis, während den Flußverlauf unter der Nullinie der andere magnetische Kreis übernimmt. In Fig. 6 nun sind diese Verhältnisse der Fig. 3 noch einmal in größerem Maßstab dargestellt, wobei gleichzeitig der Stromverlauf an Hand einer Magnetisierungskurve gezeigt wird. Auf der Strecke ζ ... α ist der Flußverlauf fest gegeben durch die vom Transformator erzeugten Spannungskurven. Der betreffende magnetische Ring wird hierbei aus dem Sättigungszustand z' (Fig. 5) in den ungesättigten Zustand a! übergeführt. Durch die Öffnungsspannung steigt der Fluß weiter bis zum Punkt b' an und wird dann durch die Spannungsstöße u_s' z.\im Punkt c zurückgeführt. Vom Punkt c' an wird der Flußverlauf wieder fest durch die Phasenspannungen 21 ... 26 gesteuert, und dieser kehrt schließlich in Fig. 5 zum Punkt c' in den Sättigungszustand zurück, indem nun wieder der andere Ring den Flußverlauf unter der Nullinie der Fig. 6 übernimmt. Da die Verhältnisse hier jedoch die gleichen sind, ist dieser Verlauf nicht noch einmal dargestellt.

Weiter oben wurde von der Vorerregung gesprochen, die den Öffnungsstrom etwas über die Nullinie haben soll. Man kann nun an Stelle der Vorerregung durch Gleichstrom oder auch durch den Nebenschluß mit einem Konstantstromwiderstand für ι bis 2 A viel zweckmäßiger diese durch eine S teuer spannung erzeugen, die der Hauptwicklung des Transformators (Fig. 3) zusätzlich zugeführt wird. Hierzu ist es notwendig, daß der eigentliche Magnetisierungsstrom des saugdrosselähnlichen Transformators von einem besonderen Generator erzeugt wird, wie etwas weiter unten ausführlicher gezeigt. In Fig. 5 ist deshalb nochmais stark schematisch gezeigt, wie das Amperewindungsgleichgewicht zwischen Gleichstrom i_g und dem Magnetisierungsstrom, 2 i_m zustandekommt. Bedingung ist, daß 2 i_m kleiner als i_g wird, um den positiven Öffnungsstrom zu erhalten. Hierzu muß zusätzlich die Hauptwicklung von einem besonderen Stromerzeuger mit dem Strom i_ö gespeist werden. Man sieht, daß der Strom ohne diese Einrichtung den Punkt e, mit dieser Einrichtung dagegen nur den Punkt / erreicht, also über der Nullinie. Die einzelnen Spannungsblöcke müssen hierbei der Form von u_s entsprechen, nur etwas größer sein, um die geschilderte Wirkung zu erreichen. Auch muß die Zeitdauer dieser größer sein (vgl. Fig. 2 und 14).

Nachdem nun geklärt ist, welche Spannungskurven für die Betriebsweise des Gleichrichters erforderlich sind, soll nun gezeigt werden, wie man diese zusätzlichen Spannungskurven bewirken kann. Schaltet man nach Fig. 8 eine Sättigungsdrossel mit einer ungesättigten Drossel an eine sinusförmige Wechselspannung, so treten an der gesättigten Drossel (mit Ringkern dargestellt) nur Spannungsstöße im Augenblick des Stromnulldurchganges (vgl. Fig. 7) auf. Es entstehen dann bekanntlich während des Nulldurchganges Stromstufen (siehe den Verlauf von i bzw. i' in Fig. 7). Während der Strompause entstehen an der gesättigten Drossel Spannungsstöße, wie schraffiert dargestellt. Durch entsprechende Auslegung beider Größen können die Spannungsstöße die gewünschte Zeitdauer erhalten. Durch die Sekundärwicklung der Sättigungsdrossel in Fig. 8 kann man die Spannungsstöße auf die richtige Größe abstimmen.

Wie sich aus Fig. 7 ergibt, wiederholen sich diese Spannungsstöße im positiven und negativen Sinne alle i8o°. In Fig. 2 sind diese, wie sie von einer Anordnung nach Fig. 8 geliefert werden, schraffiert gezeichnet. Mittels einer Drehstromschaltung laut Fig. 9 kann man auch die übrigen Spannungsstöße, wie sie für Fig. 2 gebraucht werden, bewirken. Man muß hierzu nur die Sekundärwicklungen der Sättigungsdrosseln in Reihe schalten. Man kann aber auch die einzelnen Drosselanordnungen nach Fig. 10 von einem besonderen Vielecktransformator einphasig abnehmen, womit gleichzeitig die Möglichkeit besteht, die richtige Phasenlage durch entsprechende Anzapfungen an dem Vielecktransformator einzustellen.

Zur Lieferung des Grunderregerstromes i_ö nach Fig. 5 benutzt man eine Schaltung nach Fig. 12, bei der ebenfalls eine gesättigte Drossel, durch Ringkern dargestellt, mit einem Widerstand hintereinandergeschaltet ist. Hiermit erzielt man die in Fig. 11 gezeigten Ausschnitte von Sinuskurven von der Zeitdauer t_k' des Stromverlaufes. Den Fluß-

verlauf zeigt die Kurvet der Fig. ii. Auch bei dieser Anordnung kann man mittels einer Drehstromschaltung nach Fig. 13 und einer Hintereinanderschaltung der Sekundärwicklungen der Sättigungsdrosseln eine Spannungskurve u_s erzeugen, wobei die von einer Phase erzielten Kurvenstücke wieder schraffiert gezeichnet worden sind. Durch Kombination beider Einrichtungen bzw. Hintereinanderschaltung der Sekundärwicklung von Fig. 9 und 13 läßt sich endlich die Gesamtspannungskurve der Fig. 14 bewirken. Diese Spannungskurve wird der Hauptwicklung des Transformators der Fig. 4 zugeführt. Die einzelnen Größen müssen hierbei so bemessen sein, daß auch die parallel zu den Kontakten liegenden Kondensatoren von der Spannungskurve ohne Beeinträchtigung der Kurvenform gespeist werden können. Die richtige Phasenlage der beiden Einrichtungen nach Fig. 9 und 13 kann wieder durch eine Vieleckschaltung nach Fig. 10 eingestellt werden, die entweder als Sekundärwicklung von einem besonderen Transformator abgenommen wird oder als Tertiärwicklung auf dem Haupttransformator liegt. Bei Veränderung der Aussteuerung ist gegebenenfalls auch eine Änderung der Spannungskurve nach Fig. 14 notwendig; unter Umständen muß auch die Phasenlage verändert werden.

Die Erfindung eignet sich besonders auch zum Anlassen von Kontaktgleichrichtern der vorgenannten Art, da man vor Inbetriebnahme des Kontaktgerätes bereits die einzelnen Schaltorgane richtig in ihrer Spannung vorerregen kann, so daß sich bei Zuschaltung des Kontaktgerätes keine Einschwingvorgänge mehr einstellen. Sinngemäß kann man diese Schaltung auch zum Anlassen von Kontaktumformern mit Schaltdrosseln benutzen. Die Einrichtung ist auch nicht auf Transformatoren gemäß Fig. 4 beschränkt, sondern kann auch bei solchen mit ringförmigen Eisenkernen angewendet werden. Durch die Schaltung nach der Erfindung wird der Flußverlauf mit dem Stromverdrängungstransformator auch während der kurzen Kontaktpause fest gesteuert, so daß also die Hauptwicklung stets an einer festen Spannung hängt. Sinngemäß kann diese Schaltung auch für mehrphasige saugdrosselähnliche Transformatoren angewendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Betrieb von Stromrichtern, bei denen eine Stromkreisunterbrechung auf mechanischem Wege erfolgt und nach Patent 974690 ein saugdrosselähnlicher Transformator vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kontaktpausen die Hauptwicklung des saugdrosselähnlichen Transformators an einer festen Spannung liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch kurze, in der Kontaktpause auftretende Spannungsstöße der Flußverlauf des saugdrosselähnlichen Transformators so gesteuert wird, daß eine möglichst hohe Aussteuerung des Stromrichters ermöglicht wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zeiten, in welchen die Hauptwicklung des saugdrosselähnlichen Transformators an einer festen Spannung liegt, ein so großer Anteil von einer fremden Stromquelle als Magnetisierungsstrom geliefert wird, daß die Ablösung der Kontakte bei kleinen positiven Strömen vor sich geht.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Fremderregung des saugdrosselähnlichen Transformators benötigte Wechselspannungskurve von einer Einrichtung, bestehend aus einer Hintereinanderschaltung einer Sättigungsdrossel und ungesättigten Drossel und/oder eines ohmschen Widerstandes, geliefert wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß für den saugdrosselähnlichen Transformator und für die Sättigungsdrosseln der Fremderregung ringförmige Eisenkerne oder auch Eisenkerne kleiner Luftstreuung mit einem Eisenblech hoher Anfangspermeabilität vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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