Zusatzpatent zum Hauptpatent Nr. 198525. Wechselstromschalteinrichtung zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen 'einem mehrphasigen Wechselstromsystem und einem Gleichstromsystem. Zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen einem Wechselstromsystem und einem Gleichstromsystem dienen Motorgene ratoren, Einankerumformer, gesteuerte Ent ladungsstrecken mit und ohne Ventilwirkung, sowie mechanische Schalteinrichtungen,Jeren Kontakte periodisch betätigt werden.
Bei den zuerst genannten umlaufenden Maschinen oder Maschinensätzen wird der Energierich- tungswechsel ohne weiteres durch Änderung der Maschinenerregungen erzielt, jedoch ist der Wirkungsgrad derartiger Einrichtungen infolge der Verluste in den Anker- und Er regerwicklungen sowie der Eisen-, Rei- bungs- und Übergangsverluste verhältnis mässig schlecht, ihre Anschaffungskosten sind verhältnismässig hoch. Auch Funkenstrecken haben grosse Verluste wegen des Spannungs abfalles im Entladungslichtbogen aufzuwei sen.
Dazu kommt bei den Entladungsstrecken mit Ventilwirkung der Nachteil, dass zum Energierichtungswechsel eine Umschaltung im Nutzstromkreis erforderlich ist, wodurch die Stetigkeit des Vorganges unterbrochen wird. Um dies zu vermeiden, hat man jeweils zwei Entladungseinrichtungen mit verschie dener Durchlassrichtung der Ventilfunken streeken parallelgeschaltet und durch Steuer- und Hilfszündeinrichtungen dafür gesorgt, dass in der einen Energierichtung das eine, in der andern Energierichtung das andere Entladungsgefäss den Nutzstrom übernimmt. Dadurch wird aber die Anlage sehr verteuert.
Die in beiden Richtungen betriebsfähigen Entladungsstrecken mit .gesteuerter Hilfszün dung haben sich bisher für grosse Leistungen, insbesondere für höhere Ströme, wegen ihrer Verluste und wegen der durch den Ent ladungslichtbogen hervorgerufenen Schäden . an den Kontakten nicht einführen lassen. Auch bei ihnen kann überdies ein stetiger Übergang bei Energierichtungswechsel nicht stattfinden, ebenso nicht bei gewöhnlichen, periodisch betätigten Schalteinrichtungen mit metallischer Kontaktberührung. Dies soll an Hand der Fig. 1 erläutert werden, in der das Schaltungsschema einer derartigen Einrich tung wiedergegeben ist.
An das Drehstromnetz RST ist. die Pri märwicklung PW eines Transformators an geschlossen, dessen Sekundärwicklung SIV aus den drei Phasen 1, 2, 3 besteht. Von die sen führen die Hauptstromleitungen zu den Kontaktsätzen K,, K" K3, deren jeder zum Beispiel aus zwei festen Kontakten und einer beweglichen Brücke besteht.
Die beweglichen Brücken werden gemeinsam von einer strich punktiert angedeuteten Welle IV aus über je ein in der Zeichnung nicht angegebenes Exzenter- oder Nockengetriebe oder derglei chen betätigt. Hinter den Kontakten ver einigen sich die Nutzstromleitungen und fiili- ren über eine Glättungsdrossel DH zuiri Gleichstromsystem, dessen anderer Pol an den Sternpunkt der Sekundärwicklung SIY- angeschlossen ist.
Das Gleichstromsystem be stehe beispielsweise aus einer Akkumula- torenbatterie oder, wie dargestellt, aus eifiter Maschine mit dem Anker A und der Feld wicklung F. Der umlaufende Teil habe ein grosses Schwungmoment, das seine Drehzahl aufrechtzuerhalten sucht. Der Anker A sei etwa mit einem Schwungrad gekuppelt. das in der Zeichnung nicht mitdargestellt ist.
Die Welle W wird von einem Synchronmotor SM angetrieben, der über einen Drehtrans formator DT an das Wechselstromnetz an geschlossen ist. Durch Verdrehen der Phasen lage des Synchronmotors gegenüber der Phase der Wechselspannung können die Schaltzeitpunkte innerhalb der -#Vechselspan- nungsperiode verschieden eingestellt werden.
Mit einer weiteren, nicht dargestellten Ein richtung kann die Eingriffsdauer der Kon- takte beispielsweise durch Verstellung der Getriebeexzentrizität oder durch Verlänge rung oder Verkürzung eines Antriebsstössels verstellt werden.
Die Hilfseinrichtungen R,, R, R3, V,, V, V3 und<I>N,,</I> N@, N;, bleiben zunächst ausser Betracht. In Fig. 2 ist der Augenblicksverlauf der Spannungen u, und u2 der Phasen 1 und 2 in demjenigen Teil einer Periode angegeben, in welchem die Stromübertragung von der Phase 1 auf die Phase 2 übergehen soll. Der Zeitpunkt, in welchem sich die beiden Span nungskurven schneiden, ist mit to bezeichnet.
t+,, t._, und t_3 sind Punkte, die gegenüber to um eine Zeiteinheit, z. B. eine Zwanzigstel halbwelle gleich 0,0005 Sekunden bei einer Wechselstromfrequenz von 50 Perioden in der Sekunde, später, bezw. ein und drei Zeit einheiten früher liegen.
Ist die Phasenlage des Antriebes so eingestellt, dass der Kon- taktschluss (oder bei den erwähnten Ent ladungsstrecken ohne Ventilwirkung die Zün dung durch die Hilfszündfunkenstreeke) in der Phase 2 im Augenblick t, herbeigeführt wird, so hat die Gleichspannung bekanntlich ihren höchsten Wert; zu jedem früheren oder späteren Zeitpunkt der Kontaktgabe gehört eine niedrigere Gleichspannung.
Der Verlauf der abgegebenen Gleichspannung in Ab hängigkeit vom Zeitpunkt der Kontakt schliessung ist annähernd eine Cosinuskurve und sei in Fig. 2 beispielsweise durch die Kurve U- wiedergegeben. Ausserdem ist eine konstante Gegenspannung U" eingezeichnet, die von einer Batterie oder vom Anker A bei einer bestimmten Drehzahl und einer be stimmten konstanten Erregung des Feldes F geliefert werden möge. Spannungsabfälle sind der Einfachheit halber vernachlässigt.
Werden die Kontakte des Kontaktsatzes KZ zur Zeit t," geschlossen, so entsteht in dem von den Phasen 1. und 2 über die Kontakt sätze K, und KZ gebildeten Kurzschluss- oder Kommutierungskreis eine Spannung A", vom Werte 0 aus beginnend., die der Differenz der Phasenspannung uz-u, entspricht und in dem betrachteten Falle positiv gerechnet werde.
Diese Spannung treibt einen Kurz schlussstrom ik in Richtung des eingezeich neten Pfeils durch den Kommutierungskreis, also entgegen dem Strom i, der abgebenden Phase 1, und in Richtung des Stromes 4, der in der Phase 2 fliessen soll. Der Kurz schlussstrom setzt sich mit den Phasenströmen zum Kommutierungsstrom ik, bezw. ik, zu sammen.
Der Augenblicksverlaufder Ströme i und ik ist in Fig. 3 dargestellt. Von den weiter hinzugefügten Indices bezeichnet der erste den Zeitpunkt der Kontaktberührung und der zweite die Phase. Es ist vollkommene @Glät- tung des Gleichstromes angenommen.
Dann erreicht in dem Augenblick, wo die Differenz .der gegenläufigen .Ströme i", und iko, das heisst der Kommutierungsstrom il""' Null wird, der Kommutierungsstrom il"" den Wert i"2 <I>=</I> io,. Genau in dem gleichen Augenblick muss die Unterbrechung erfolgen, .die Trenn strecke des Kontaktsatzes k, muss eine solche Länge erreicht haben, dass eine Rückzündung mit 8ieherheit verhindert ist,
dann tritt das geringstmögliche Schaltfeuer auf. Es ist natürlich sehr schwer, diesen Augenblick genau zu treffen, selbst wenn die Belastungs verhältnisse ideal konstant bleiben würden. Bei den praktisch vorkommenden Belastungs schwankungen ist eine genügend genaue Ein stellung unmöglich. Die vorliegende Betrach tung gilt daher rein theoretisch.
Wird der Kontaktschluss in der Phase 2 erst um eine Zeiteinheit später im Augen blick t, herbeigeführt, so ist die Gleichspan nung U- und ihr Überschuss über die Gegen spannung U,. geringer, somit auch der,Strom <I>i"</I> bezw. 42 auf der Gleichstromseite ent sprechend kleiner.
Da im Augenblick der Kontaktschliessung bereits eine positive Span nungsdifferenz Au-,-, vorhanden ist, so steigt der Kurzschlussstrom i1;+" beZw. ik+" bedeu tend schneller an, seine Richtung gegenüber dem Phasenstrom ist jedoch die gleiche wie in dem vorher beschriebenen Fall, nämlich in der Phase 1 entgegengesetzt i" und in -der Phase 2 in Richtung von i,2. Infolge des steileren Stromverlaufes ist die Kommutie- rungszeit kürzer.
Der günstigste Unter- brechung)saugenblick liegt etwas später als derjenige bei voller Aussteuerung und Kon taktschliessung im Augenblick to.
Alle diejenigen Betriebszustände, bei denen, wie in den vorstehend geschilderten Fällen, die im Augenblick der Kontakt schliessung der übernehmenden Phase vorhan dene Spannungsdifferenä zwischen abgeben der und übernehmender Phase eine solche Richtung hat, dass der durch sie verursachte Kurzschlussstrom dem Strom in der abgeben den Phase entgegengerichtet ist und bei denen ferner die resultierende @Glechspan- nung :
grösser ist als eine vorhandene Gegen spannung, werden im folgenden -zum soge- nannten "reinen 'Gleichrichterbetrieb" ge rechnet. .
Es sei nun der in Fig. 3 beispielsweise mit eingezeichnete Fall betrachtet, dass die Kontaktschliessung in der Phase 2 zum Zeit punkt t_,, also vor dem Schnittpunkt der Spannungskurven u, und u2 stattfindet.
Die im Kommutierungskreis zunächst vorhandene Differenzspannung du-, treibt den Kurz schlussstrom in Richtung des Stromes i", der inder abgebenden Phase 1 verschwinden soll, und entgegengesetzt .dem Strom i,2, der in der übernehmenden Phase 2 entstehen soll.
Die Folge -davon ist die Ausbildung eines höheren Kommutierungsstromes, dessen Ver lauf durch die in Fig. 3 gestrichelt eingetra genen Kurven ik_1, bezw. ik_,Z wiedergege ben ist.
Da aber die Differenzspannung ab nimmt und im Zeitpunkt to Null wird und dann ihr Vorzeichen umkehrt und wieder im neuen Sinne anwächst, so folgt der Kommu- tierungsstrom ik_" nicht der angedeuteten steilen Kurve, sondern verläuft flacher und sinkt, nachdem er zur Zeit to sein Maximum erreicht hat, wieder ab, geht dann durch den Wert i" bezw. durch den Nullwert und -ver läuft weiter im wesentlichen so, wie in dem vorher geschilderten Fall der Kontakt schliessung zur Zeit t,
. Die Lage des gün stigsten Unterbrechungsaugenblicks verändert sich also auch hierbei nur wenig .gegenüber der Kontaktschliessung im Zeitpunkt t+,. Entsprechendes gilt für alle diejenigen Fälle, in denen vor dem Zeitpunkt der,Spannungs- gleichheit die Kontakte .geschlossen werden oder die Zündung mittels einer Hilfsfunken strecke erfolgt, bis zu der durch den Zeit punkt t' gegebenen Grenze, wo die Gleieh- Spannung U- an der Schalteinrichtung nicht mehr grösser ist als die Gegenspannung tr,.
Der Bereich derjenigen Betriebszustände. bei denen, wie geschildert, die im Augen blick der Kontaktschliessung der übernehmen den Phase vorhandene Spannungsdifferenz zwischen abgebender und übernehmender Phase eine solche Richtung hat, dass der durch sie verursachte Kurzschlussstrom die gleiche Richtung hat wie der Strom der ab gebenden Phase, wird im folgenden als soge- nanntes "Übergangsgebiet" zwischen Gleich und Wechselrichterbetrieb bezeichnet.
Wird die Kontaktgabe noch weiter vor verlegt, beispielsweise auf den Zeitpunkt t_;,, so wird U- kleiner als U, Die Richtung des Stromes i._3 muss daher umgekehrt sein, als in den vorhergehenden Fällen, wie Fig. 3 zeigt. Die Schalteinrichtung, die vorher als Gleichrichter arbeitete, würde jetzt als Wechselrichter arbeiten.
Der Betrag des Stromes i_3 ist sehr klein entsprechend dem geringen Spannungsunterschied zwischen U- und U, bei dem angenommenen Aussteue- rungsgrad. Die Differenzspannung Au-, ist dagegen beträchtlich, sie treibt einen steil ansteigenden Kurzschlussstrom il,
." in der gleichen Richtung wie im vorher geschilder ten Falle durch den Kommutierungskreis. Diese Richtung stimmt aber jetzt mit der des entstehenden Stromes i_12 überein und ist derjenigen des verschwindenden Stromes i__31 entgegengesetzt.
Der Kommutierungsstrom ii;_31 erreicht daher fast sofort den Nullwert und muss unterbrochen werden, weil sonst nach dem Nulldurchgang ein entgegen gesetzter Kurzschlussstrom fliessen würde, der einen riesenhaften Betrag annehmen würde, der zu Abweichungen in der Symmetrie der drei Wechselstromphasen und infolgedessen zu Störungen bei der Unterbrechung der Folgekontakte führen würde.
Diejenigen Betriebszustände, bei denen, wie im zuletzt geschilderten Fall, die im Augenblick der Kontaktschliessung der über nehmenden Phase vorhandene Spannungsdif ferenz zwischen abgebender und übernehmen der Phase eine solche Richtung hat, dass der durch sie verursachte Kurzschlussstrom dem Strom der abgebenden Phase entgegen- gerichtet ist und bei denen ferner die resul tierende Gleichspannung kleiner ist als eine vorhandene Gegenspannung, werden im fol genden zum sogenannten "reinen Wechsel- richterbetrieb" gerechnet.
Es zeigt sich also, dass bei einer gewöhn lichen Schalteinrichtung ohne @ besondere Hilfsmittel bezw. bei einer durch Hilfs funkenstrecken gesteuerten Entladungsein richtung beim Übergang aus dem Gleich richter- ins Wechselrichtergebiet mittels ste tiger Verlagerung des Einschalt- oder Zünd- zeitpunktes eine plötzliche Verlagerung des Ausschalt- oder Löschzeitpunktes vorgenom men erden müsste.
Dadurch wird das Ge triebe bezw. die Steuereinrichtung ausser ordentlich umständlich und teuer und, was das Wesentlichste ist, unsicher im Betriebe, also praktisch weder ausführbar noch an wendbar. Ausserdem treten die durch die hohen Kommutierungsströme verursachten zusätzlichen Verluste und Elektrodenbean- spruchungen (bei Entladungsstrecken) auf.
Im Hauptpatent ist nun eine Wechsel stromschalteinrichtung beschrieben, die sich durch die Kombination von Mitteln zur Ab flachung eines dem Nulldurchgang benach barten Teils der Stromkurve mit einem die Unterbrechungsstelle überbrückenden und den Anstieg der nach der Unterbrechung an den Elektroden wiederkehrenden Spannung ver zögernden Parallelpfad auszeichnet.
Eine der artige Wechselstromschalteinrichtung kann, periodisch angetrieben, zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen einem mehrpha sigen Wechselstromsystem und einem Gleich stromsystem ohne Unterbrechung des Last stromkreises und ohne eine sonstige plötzliche Umschaltung im Nutzstromkreise verwendet werden, indem sie erfindungsgemäss mit einer während des Betriebes zu bedienenden Regeleinrichtung versehen wird,
mit der die Phasenlage der Einschaltzeitpunkte gegen über der Phasenlage der Wechselspannung durch das dem Augenblick der Spannungs gleichheit zwischen abgebender und über- nehmender Phase vorangehende Übergangs gebiet zwischen Gleich- und Wechsel- iichterbetrieb hindurch stetig verstellt wer den kann.
Zur Erläuterung des Erfindungsgegen- atandes .dienen die Fig.4 bis 6 unter Zu grundelegung des vervollständigten Schalt schemas gemäss Fig. 1.
Nach Fig. 1 sind in Reihe mit den Trenn strecken der Kontaktsätze K1, K2, X3 'Schalt drosseln R1, R2, R3 und parallel zu den Trennstrecken die Nebenpfade N1, N,., N3 ge schaltet, welch letztere vorzugsweise eine kapazitive Komponente aufweisen.
Die Schaltdrosseln, deren Eisenkreis sich bei spielsweise bei einem.Stromwert von 0,5 oder 1 Ampere sättigt, können mit einer weiteren Wicklung V1, V2, V3 versehen sein, durch die sie von einer besonderen Stromquelle oder auch aus dem angeschlossenen Gleichstrom- oder Wechselstromsystem zusätzlich vor magnetisiert werden können. Die Wicklungen V1, V2, V3 werden zu diesem Zweck vorteil haft hintereinander geschaltet.
Eine ebenfalls in Reihe damit liegende Drossel<I>DV</I> soll das Eindringen von Strompulsationen in den speisenden Teil des Vormagnetisierungs- kreises verhindern.
Durch Veränderung der Vormagnetisie- rung oder durch Veränderung der Impedanz des Parallelpfades .oder durch beide Regel arten gemeinsam kann erreicht werden, dass sich der Eisenkreis der Schaltdrossel in einem vorbestimmten Magnetisierungszustand befin det, wenn durch Schliessung der Kontakte in der übernehmenden Phase ein Kommutie- rungskreis gebildet wird.
In den Fig. 4 bis 6 sind für die drei Fälle der Kontaktgabe E im Zeitpunkt to, t_1 und t_3 neben dem Stromverlauf il bezw. i2 die Kurven f1 bezw. f2 des Magnetisierungs- zustandes (Induktion oder Kraftfluss im Eisen) der im Kommutierungskreis liegenden Schaltdrosseln R,
und R2 in Abhängigkeit von der Zeit wiedergegeben. Gemäss Fig. 4 kann sich vom Einschaltaugenblick E ab der volle Kurzschlussstrom zunächst nicht un gehindert ausbilden, weil die ,Schaltdrossel R, ungesättigt ist und somit einen sehr hohen Widerstandswert hat. Erst nachdem die Kurve f 2 die obere Sättigungsgrenze erreicht hat, setzt der eigentliche Kommutierungsvor- gang ein.
In der .Nähe des Nulldurchganges der Stromkurve il - und zwar beispiels weise infolge einer geringen Vorerregung kurz vorher - gelangt die rSchaltdrossel Rl in den ungesättigten Zustand. Es tritt daher eine praktisch stromlose Pause ein, die bei geschlossenen Kontakten eine oder einige Millisekunden dauern würde, nämlich so lange, bis .die Kurve f, die Sättigungegrenze in entgegengesetzter Richtung erreicht haben würde. Bevor dies eintritt, ist der Strom durch Öffnung .der Kontakte in der Phase 1 zu unterbrechen, beispielsweise im Zeit punkt A. .
Die Überlappungsdauer u, das ist die Zeit, während die Kontakte beider Pha sen, der abgebenden und der übernehmenden, gleichzeitig geschlossen sind, ist .dann ver hältnismässig lang. Da während der strom losen Pause eine verhältnismässig grosse Zeit spanne zur Verfügung steht, kommt es auf eine genaue zeitliche Lage des Ausschaltzeit punktes nicht an. Die Unterbrechung kann aber zum Beispiel auch bereits zur Zeit A' stattfinden, es genügt also die kürzere Über lappungsdauer u'.
Durch die Überlappungs- dauer ist im Hinblick auf das Ziel, die Stromunterbrechung während einer strom losen Pause stattfinden zu lassen, die Länge der letzteren und damit die Grösse der ,Schalt- drosseln in gewissen Grenzen festgelegt. Die Schaltdrosseln können um so kleiner sein, je kürzer die mechanische Überlappungsdauer der Kontakte gemacht werden kann.
Wenn die Schalteinrichtung nach Fig. 5 so ausgesteuert wird, dass der Einschaltzeit punkt E vor dem Zeitpunkt der Spannungs gleichheit to liegt, etwa bei t_1, so strebt der Magnetisierungsverlauf der Schaltdrossel Bz nicht der Sättigungsgrenze in Durchlassrich- tung, sondern infolge der zunächst negativen Richtung der Spannungsdifferenz Au-, der entgegengesetzten Sättigungsgrenze zu.
Die Schaltdrossel bleibt aber ungesättigt, wenn sie sich, was ohne weiteres mit Hilfe geeig- neter Bemessung des Nebenpfades N2 erreich bar und auch für jeden andern Aussteue- rungsgrad zulässig ist, beim Einschalten nicht allzu weit entfernt von der Sättigungs grenze in Richtung des entstehenden Stro mes i_# befindet, -wie die Kurve f: in Fig. 5 angibt.
Durch den hohen Widerstand der un gesättigten Schaltdrossel R., wird die Aus bildung eines erhöhten Kurzschlussstromes, wie 21;_1l und ik_lin Fig. 3, unterbunden, die Kommutierung verläuft infolgedessen hinsichtlich der Stromwerte unter etwa, den gleichen Bedingungen wie beim Einschalten im Zeitpunkt t+,. Der Verlauf der Kurve f, kurz vor, während und kurz nach der Kom- mutierung ist im wesentlichen ähnlich dem Verlauf gemäss Fig. 4.
Dagegen muss die Überlappungsdauer u gemäss Fig. 5 gross sein. Der Strom werde also im Zeitpunkte A unterbrochen. Die Zeit ic ist in dem angege benen Beispiel so lang gewählt, dass auch bei noch geringeren Aussteuerungsgraden, und zwar mindestens bis zur Kontaktschliessung im Zeitpunkt<I>t',</I> der Ausschaltzeitpunkt<I>A</I> stets in die Zeit fällt, in der die Schalt drossel R,
schon aus dem Sättigungszustand heraus ist und daher der Strom in der Phase 1 einen praktisch vernachlässigbar kleinen Wert hat.
In dem in Fig. 6 wiederbegebenen Falle der Kontaktgabe im Zeitpunkt t_;; gelangt die Schaltdrossel Rz kurz nach dem Ein schaltzeitpunkt E infolge der hohen Diffe renzspannung Au-, in den entgegengesetzten Sättigungszustand entsprechend der Kurve f_. Erst dann findet die eigentliche Kommutie- rung statt, also später als ohne Hilfseinrich tung gemäss Fig. 3.
Am Ende der Kommu- tierung nach Fig. 6 wird die Schaltdrossel R, entsättigt, ihr Magnetisierungszustand folgt unter dem Einfluss der im Augenblick t" die Richtung wechselnden Differenzspannung lac beispielsweise der Kurve f,. Die Ausschal tung könnte bereits nach einer kurzen Über lappungsdauer -tc' im Zeitpunkt<I>A'</I> erfolgen.
Sie kann aber auch länger sein, beispiels weise wiederum gleich u, so dass die Aus- echaltung im Zeitpunkte A stattfindet. Da bei hohen Nennstromstärken die Schaltdrosseln verhältnismässig kostspielig werden, kann eine wesentliche Verbilligung dadurch erzielt werden, dass während des rei nen Gleich- bezw. Wechselrichterbetriebes eine verkürzte Überlappungedauer, z.
B. ent sprechend ü in den Fig.4 und 6, gewählt wird; die Eisenkerne der Schaltdrosseln kön nen dann, ohne dass im übrigen die Betriebs bedingungen ungünstig beeinflusst werden, kleiner bemessen sein, so dass sich die Ände rung ihres Magnetisierungszustandes schneller vollzieht, was in den Fig. 4 bis 6 einem stei leren Verlauf der Kurven f, und f2 während der Überlappungszeit entsprechen würde.
Man sieht hier, dass auch bei steilerem Kurvenverlauf durch Vorverlegung des Aus- echaltzeitpunktes in Fig. 4 und 6 erreicht werden kann, dass in diesen Fällen, die dem reinen Gleich- und Wechselrichterbetrieb ent sprechen, die Stromunterbrechung in der ab gebenden Phase während des ungesättigten Zustandes der zu ihr gehörenden ,Schalt- drossel stattfindet.
Man erkennt ferner aus Fig. 5, dass, obwohl in diesem im Übergangs gebiet liegenden Falle eine längere Überlap- pungszeit, z. B. u, eingestellt werden muss, trotzdem auch bei Wahl eines geringeren Querschnittes der Schaltdrosselkerne der Ausschaltpunkt, z. B. A, in die Zeit fällt, in der die Schaltdrossel ungesättigt ist.
Der Grund hierfür ist darin zu erblicken, dass, wie Fig. 5 zeigt, der Beginn der Stromände rung durch einen Richtungswechsel des Magnetisierungsverlaufes der Schaltdrossel der übernehmenden Phase (vergl. Kurve. f,) verzögert wird. Die erforderliche Verstellung der Überlappungsdauer kann mit Hilfe einer zusätzlichen inedianischeiiSteuereinrichtung zum Beispiel an der mechanischen Antriebs vorrichtung oder an den verstellbar an gebrachten ruhenden Kontakten oder andern mechanischen Teilen vorgenommen werden.
Bei kleinen und mittleren .Stromstärken ist mehr der Preis der Kontakteinrichtung ausschlaggebend. Es ist daher häufig vorzu ziehen, die Schaltdrosseln für eine längere Überlappungsdauer (vergl. u in Fig. 4 bis 6) zu bemessen, die in sämtlichen Betriebs- bereichen konstant beibehalten werden kann, so dass die Antriebsvorrichtung für die Kon takte einfach gestaltet werden kann.
Dazu muss der Querschnitt des sich sättigenden Eisenkreises der Schältdrossel so gross sein, dass, wenn sich der Eisenkreis der besagten Schaltdrossel beim Einschalten .der über nehmenden Phase in einem vorbestimmten Magnetisierungs.zustand befindet, der Aus schaltzeitpunkt der abgebenden Phase in allen Betriebsbereichen in die dem abgeflachten Stromkurventeil entsprechende stromlose Pause fällt, wie es beispielsweise bei dem in Fig. 4 bis 6 gezeichneten Verlauf der Magnetisierungszustandskurven f, und f" der Fall ist.
Zur Bremsung und Drehrichtungsumkehr von regelbaren elektrischen Antriebsvorrich tungen, beispielsweise für Walzenstrassen; Förderungsanlagen, Aufzüge, Werkzeug maschinen, kann die beschriebene Wechsel stromschalteinrichtung gleichstromseitig mit dem Anker einer mit 'Gleichstrom erregten Kommutatormaschine verbunden werden, der art, dass ausser einer Erhöhung und Herab setzung der Drehzahl der Kommutator- masohine durch die stetige Verstellung der Regeleinrichtung durch das Übergangsgebiet hindurch eine Umkehr der Drehrichtung be wirkt wird.
Eine besonders bequeme Bedienung wird dadurch ermöglicht, dass sich der Verstell bereich der Regeleinrichtung mindestens über das Gebiet einer ganzen Wechselstrom periode, das heisst über einen Winkel von 660 elektrischen Graden erstreckt. Hierbei ist zu beachten, dass die mechanische Über lappungsdauer der Kontakte, die Bemessung der Kerne und Wicklungen der Schaltdros seln und die Widerstandswerte (Impedanz werte) der .zu den Kontakten parallel ge schalteten Strompfade so aufeinander ab gestimmt sind, .dass die Ausschaltzeitpunkte der Kontakte bei stets gleich langer (kon stanter)
Überlappungsdauer in dem ganzen Verstellbereich von 360 elektrischen Graden innerhalb der stromschwachen Pause liegen. Im folgenden sei an Hand der Fig. 7 .eine Betriebsweise näher betrachtet, bei .der die Schalteinrichtung auf eine veränderliche Gegenspannung arbeitet, derart, dass in den beiden Hälften des gesamten Verstellberei- ehes, die durch die Punkte höchster Gleich spannung (U-) an der Schalteinrichtung ab gegrenzt sind, eine Spannungsdifferenz von endlicher Grösse vorhanden ist, wobei die Richtung ,
der Differenzspannung in der einen Hälfte des Verstellbereiches der in der andern Hälfte entgegengesetzt ist. Eine der artige Betriebsweise kommt praktisch zum Beispiel bei einem Wendeantrieb mit regel bar gespeistem Gleichstrommotor und mit Nutzbremsung vor und spielt sich im ein zelnen wie folgt ab:
Wird der ganze Regelbereich .durchlaufen, beginnend bei dem Punkt, bei welchem :die Einrichtung als Gleichrichter mit der grösst möglichen abgegebenen Spannung arbeitet (VersIellwinkel '1V = 0<B>')"</B>so nimmt zunächst, während die Gegenspannung einen kleineren Absolutwert hat, .die Gleichspannung U- ab; bis sie nach einer Verstellung von 90 elek trischen Graden Null geworden ist.
Bei wei terer Verstellung in .derselben Richtung kehrt sich die Richtung der Spannung U- um, so < lass bei, wie erwähnt, gleichbleibender Rich tung der Differenzspannung ein stetiger Übergang auf ,den Weohselrichterbetrieb er folgt, da nunmehr der Absolutwert der Gegenspannung grösser ist als derjenige der Spannung U- an der Schalteinrichtung.
Diese Spannung wächst beim Weiterdrehen wieder an, bis nach 1$0 elektrischen Graden der negative Höchstwert der Spannung erreicht ist. Bei weiterer stetiger Verstellung in glei cher Richtung ändert sich die Polarität des Stromes und mit ihr die Richtung der Diffe renzspannung, die Einrichtung arbeitet dar nach indem Bereich von<B>1.80'</B> bis<B>270'</B> wie derum als Gleichrichter auf eine dem Abso- lutwert nach kleinere Gegenspannung,
jedoch mit vertauschten Polen gegenüber dem Be reich von 0 bis<B>90'.</B> Bei der Verstellung über<B>270'</B> hinaus kehrt die ,Spannung nach Durchlaufen des Nullwertes ihre Richtung noch einmal um, wobei die Richtung der Dif ferenzspannung wiederum, wie vorausgesetzt, die gleiche bleibt, und steigt allmählich wie derum auf den Höchstwert an, der bei<B>360'</B> erreicht ist. In dem Bereich von<B>270'</B> bis <B>360'</B> herrscht wegen des nunmehr grösseren Absolutwertes der Gegenspannung wiederum Wechselriehterbetrieb,
jedoch mit umgekehr ter Polarität gegenüber dem Bereich von<B>90'</B> bis<B>180'.</B> Bei<B>360'</B> ist der Ausgangspunkt wieder erreicht. Durch Umkehr der Strom richtung und damit auch der Richtung der Differenzspannung findet hier wieder der Übergang zum Gleichrichterbetrieb statt. Sämtliche Übergänge von einer Betriebsart in die andere an den Regelpunkten<B>0', 90',</B> <B>180', 270'</B> und<B>3,60'</B> gehen vollkommen stetig vor sich.
Der Verlauf der Abhängig keit der abgegebenen Gleichspannung U- von der Regelstellung bezw. dem Verstellwin- kel <B>!F</B> in Graden entspricht etwa der in Fig. 7 dargestellten Kurve 1, die durch Ver such aufgenommen wurde.
Die Verstellung kann beispielsweise durch Ständerverdrehung des synchronen Antriebs motors SM der Kontakteinrichtung erfolgen. Statt dessen kann auch durch einen Dreh transformator DT die Lage des Ständerdreh- feldes des Antriebsmotors verändert werden. Sind die Kontakte zum Beispiel nach Art eines Kollektors als Ringsegmente ausgebil det, so kann die Verstellung durch Verdrehen der Stromabnahmebürsten vorgenommen wer den.
Ein Gleiehstrommotor kann also mit Hilfe der besehriebenen Einrichtung durch die Verstellung einer einzigen Grösse nach einander vom Stillstand (bei if =<B>909</B> aus angelassen, bis auf seine Höehstdrehzahl (bei '1' =<B>0')</B> geregelt und dann elektrisch ab gebremst werden, bis wieder zum Stillstand (bei<B>!U</B> =<B>270'),</B> von hier aus in entgegen gesetzter Drehrichtung wieder angelassen, auf die Höchstdrehzahl (bei if =<B>180)</B> ge bracht und wiederum elektrisch abgebremst werden, bis er stillsteht (bei '1' = 90'),
wor auf mit dem Anlassen in der ursprünglichen Drehrichtung das Spiel von neuem beginnt. Die Verstellrichtung entspricht dem mit WA bezeichneten Pfeil in Fig. 7.
Grösse und Verlauf der für eine derartige Betriebsweise im Einzelfalle gewünschten Differenzspannung sind einerseits von der mechanischen Trägheit des umlaufenden Teils des Gleichstrommotors und der von diesem angetriebenen Teile bezw. von der mecha nischen Zeitkonstante der Gesamtheit aller beweglichen Teile und anderseits von der Ge schwindigkeit, mit der die Verstellung der Schaltzeitpunkte vorgenommen wird, ab hängig und stehen ferner im Zusammenhang mit der Höhe des vom Motor aufgenommenen oder abgegebenen Stromes.
Durch Überwachung des Betriebes mit Hilfe von Relais, welche .die Drehzahl eines dieVerstellung bewirkenden Hilfsmotors zum Beispiel in Abhängigkeit vom Ankerstrom des Gleichstrommotors durch Ab- und Zu schalten von Widerständen regeln, kann der Ablauf des Verstellvorganges den Arbeits bedingungen des gesteuerten Wendeantriebes selbsttätig an gepasst werden, derart, dass der (xleichstrommotor eine regelmässige Folge von Arbeitsspielen,
bestehend aus aufeinander folgenden Perioden wechselnder Dreh- bezw. Energierichtung ausführt.
Die, wie beschrieben, regelbare Schalt einrichtung ersetzt also beispielsweise den bei einem Leonardantrieb erforderlichen Schwungradgenerator und seinen Antriebs motor bezw. einen Einankerumformer oder auch eine Stromrichteranordnung, bestehend aus zwei gittergesteuerten Quecksilber gefässen, von denen das eine als Gleichrichter, das andere als Wechselrichter arbeitet.
Vor diesen bekannten Einrichtungen zeichnet sich der Erfindungsgegenstand dadurch aus, dass er mit verhältnismässig niedrigeren Kosten beschafft werden und insbesondere mit höhe ren Wirkungsgraden arbeiten kann. Sein Wirkungsgrad kann unter Wegfall der bei Queeksilberdampfgefässen auftretenden Licht bogenverluste bezw. bei durch Verwendung von metallischen Abhebekontakten erreich barem Wegfall der bei Motorgeneratoren und Einankerumtormern auftretenden Bürsten verluste besonders hoch sein.
Das Auftreten von. Stromwärmeverlusten kann beim Erfin dungsgegenstand im wesentlichen auf die Wicklungen der Schaltdrosseln beschränkt werden, und zwar so weit, dass diese Ver luste niedriger sind als die Stromwärme- und Eisenverluste umlaufender Umformer gleicher Durchgangsleistung. Der Leistungs aufwand für den Antrieb der Kontakteinrich tung kann vernachlässigbar klein gehalten werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Steuerungs vorgänge zu beeinflussen, besteht darin, dass die Schaltdrosseln mit Gleichstrom so vor magnetisiert werden, dass der Strom dem an ,die Schalteinrichtung selbst angeschlossenen Gleichstromkreise entnommen wird. Die Rich tung der Vormagnetisierung wechselt dann gleichzeitig mit der Polarität des Gleich stromes. Die Steuerkurve hat dann, wie durch Versuche gefunden wurde, den in h'ig. 7 mit 2 bezeichneten, gestrichelt dargestellten Ver lauf, wobei das positive und das negative Maximum etwa gleich gross, jedoch beide kleiner sind als ohne Vormagnetisierung der Schaltdrosseln.
Legt man die Vormagnetisie- rungswicklungen an eine fremde, konstante Spannung, so ergibt sich, wie Versuche zeig ten, die strichpunktiert eingezeichnete Steuer kurve 3 mit verschieden grossen Maxima, das heisst der Antrieb kommt während eines Spiels in der einen Drehrichtung auf eine höhere Drehzahl als in der andern. Dies ist vielfach vorteilhaft für Walzen oder Werk zeugmaschinen, bei denen jeweils auf einen Arbeitsgang ein Leerrücklauf mit erhöhter Geschwindigkeit folgt.