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Anordnung zur selbsttätigen Steuerung der Kontakttrennung bei Stromumformern
mit mechanisch bewegten Kontakten Zur Umformung hoher Leistungen von Wechselstrom
in Gleichstrom und umgekehrt sind heute meistens Ventilgleichrichter bzw. Ventilwechselrichter
in Gebrauch, die mit einem Dauerlichtbogen arbeiten. Die Erfindung bezieht sich
demgegenüber auf Stromumformer zum Gleichrichten von mehrphasigemWechselstrom oder
zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom, die nicht mit einem Dauerlichtbogen
arbeiten, sondern mit beweglichen Kontakten, wodurch der Stromübergang im wesentlichen
durch unmittelbaren leitenden Kontakt erfolgt und die Gasentladung auf die Kommutierungsperiode
beschränkt ist. ' .
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Ein Ziel der Erfindung liegt nun darin, diese Gasentladung auf einen
Mindestwert zu bringen und dadurch einen besonders einfachen und betriebssicher
arbeitenden Stromumformer zu schaffen. Dazu dient eine Anordnung zur selbsttätigen
Steuerung der Kontakttrennung.
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Die Erfindung geht davon aus, daß die Stromunteribrechung in der abzuschaltenden
Stromphase erst beim Stromnulldurchgang des Kommutierungsstromes dieser Phase erfolgt
und ein Stromdurchgang in umgekehrter Richtung, der bei den bekannten Ventilgleichrichtern
von vornherein ausgeschlossen ist, nur dann mit Sicherheit vermieden werden kann,
wenn die beim Stromnulldurchgang des abzuschaltenden Stromes geschaffene Unterbrechungsstrecke
eine genügend hohe Spannung zu tragen vermag, ohne wieder durchschlagen zu werden.
Es wird ferner davon ausgegangen, daß für jede Unterbrechungsvorrichtung ein von
ihrer Bauart und von ihren Betriebsverhältnissen abhängiger Kontaktabstand angebbar
ist, bei dessen Erreichung mit Bestimmtheit eine Wiederzündung der Unterbrechungsstrecke
ausgeschlossen ist. Für diesen erforderlichen Mindestkontaktabstand ist insbesondere
die Durchschlagsfestigkeit des die Trennstrecke umgerbenden Mediums von Bedeutung;
er ist ferner beispielsweise im Vakuum oder unter erhöhtem Druck geringer als in
Luft von normalem Atmosphärendruck.
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Eine Schwierigkeit entsteht nun dadurch, daß sich bei Belastungsschwankungen
die zur Kommutierung erforderliche Zeit, das ist die Zeitspanne zwischen Schließen
des Kommutierungsstromkreises. und Stromnulldurchgang, verändert, und zwar mit zunehmender
Belastung
vergrößert. Die bei umlaufenden mechanischen Gleichrichtern bekannten, verhältnismäßig
trägen Regeleinrichtungen Y welche die Kontakttrennung der abzuschal= tenden Phase
finit der Belastung unverander-: lieh machen, sind nur dazu geeignet, den Gang des
Gleichrichters verhältnismäßig langsamen Belastungsänderungen anzupassen. Für den
Erfindungszweck, nämlich um die kleinste Gasentladung bei allen betriebsmäßig vorkommenden
Belastungen zli erzielen, muß aber diese Regelung auch den innerhalb einer Wechelstromlialbwelle
sich vollziehenden Belastungsänderungen augenblicklich folgen können.
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Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß die Steuergeräte, welche
den Öftnungs-,v'organg der Kontakte innerhalb einer jeden Schaltperiode allein oder
zusätzlich beeinilussen, innerhalb des Zeitbereiches, «-:ihrenddessen der Strom
den der Unterbrechung jeweils unmittelbar vorausgehenden fallenden Kurventeil durchläuft,
nach Maßgabe des durch Größe und Verlauf des zli unterbrechenden Stromes bedingten
Abklingens desselben oder in Abhängigkeit von einem bestimmten, von dem abklingenden
Strom durchlaufenen Stromwert ansprechen, und daß die Eigenzeiten der Steuereinrichtung
und vier gesteuerten Schaltteile so klein sind, daß bei der folgenden Ausschaltbewegung
die Kontaktöffnung so zeitig beginnt, daß zu einem Zeitpunkt, in welchem der abklingende
Strom praktisch Null ist, bereits der zur sicheren Verhinderung des Stromdurchganges
in- umgekehrter Richtung erforderliche Mindestkontaktabstand erreicht, jedoch nicht
wesentlich überschritten ist. Durch die Erfindung sind die Wirkungen der Gasentladung
so weitgehend vermindert, daß sie auch bei sehr hohen umzuformenden Leitungen finit
verhältnismäßig einfachen Mitteln beherrscht werden.
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Größe und Verlauf des Kon iinutierungsstronies, die für die Dauer
der Kommutierungszeit maßgebend sind, sind bereits von dein Augenblick an meC>bar,
in dem der Kominutierungsstromkreis geschlossen wird. Man kann daher eine rechtzeitige
Steuerung der Kontaktbewegung vorsehen, vorausgesetzt, daß die Steuereinrichtung
entsprechend schnell arbeitet.
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Insbesondere kann man die Änderungsgeschwindigkeit des Konnnutierungsstronies
als Steuergröße zur Bestimmung des Offilunasbeginnes der Kontakte verwenden. Die
Kurve des Koinmittierun-'sstroines ist nämlich nicht etwa geradlinig' sondern sie
besitzt gewöhnlich eine finit der Zeit zunehmende Steilheit. -Man kann daher das
Steuergerät so einstellen, daß es bei einem bestimmten Belastungsstrom bei der dein
rechtzeitigen Beginn des Ausschaltvorganges entsprechenden Steilheit anspricht.
Dann erfolgt zwar
| 'e Auslösung bei größeren Strömen etwas |
| #.t@lier, jedoch immer noch im Rahmen des |
| SS1geI1. |
'O#Ian kann z. B. eine Drossel anwenden, bei welcher die induzierte Spannung der
Änderungsgeschwindigkeit des Kommutierungsstromes proportional ist. Bei einer Drossel
mit Eisenkern kann man die Sättigungserscheinungen ausnutzen, die je nach Größe
und Verlauf des Kommutierungsstromes die eigentümliche Unstetigkeit früher oder
später erzeugen. Hierdurch kann man einen ausgeprägten Steuerimpuls für die Kontaktbewegung
erzeugen. Es ist besonders empfehlenswert, eine an sich bekannte in den Hauptstromkreis
eingeschaltete Drossel in Verbindung mit einer Schalteinrichtung für die Stromumformerkontakte
anzuwenden, wobei die gegebenenfalls vormagnetisierte Drossel so ausgelegt ist,
daß sie bereits bei einem sehr geringen Strohwert ihren Sättigulrgszustand erreicht,
in welchem ihr Widerstandswert praktisch Null ist, während sie bei Unterschreitung
dieses Wertes plötzlich in den ungesättigten Zustand gelangt, dabei sprunghaft einen
sehr hohen Widerstandswert annimmt und vorübergehend während einer gewissen Zeitspanne
eine weitere Änderung des Stromes nahezu verhindert. Dadurch entsteht in der Stromkurve
in der Nähe jedes Nulldurchganges eine Abflachung, eine sogenannte stromschwache
Pause, während welcher der Strom praktisch vernachlässigbar klein ist. Die Kontaktbewegung
ist so auf die Arbeitsweise der Drossel abgestimmt, daß die Schalteinrichtung die
Kontakttrennung bei allen betriebsmäßig vorkommenden Belastungen möglichst beim
Eintritt des ungesättigten Zustandes ,der Drossel bewirkt und .der erforderliche
Kontaktabstand spätestens zu dem Zeitpunkt erreicht ist, in dem der Augenblickswert
des Stromes den Sättigungswert der Drosselspule wieder erreicht. Ein so ausgerüsteter
Stromumformer wird bei allen betriebsmäßig vorkommenden Belastungen ungeachtet der
verschiedenen zeitlichen Lage der Stromnulldurchgänge die erwähnte eigentümliche
Wirkung der sich entsättigenden Drosselspule für die Kommutierung ausnutzen, so
.daß er stets mit besondErs geringen Entladungserscheinungen bzw. mit besonders
geringer Dauer derselben arbeitet. Die in den Hauptstromkreis eingeschaltete Drosselspule
kann hierbei selber eine zweite Aufgabe erfüllen, n ämlich die Kontaktbewegung nach
Maßgabe des jeweiligen Kommutierungsstromes steuern. Man kann für diese Steuerung
jedoch auch eine iin Nebeoschluß
zum Hauptstrom liegende besondere
Drossel verwenden.
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Die den Augenblick der Kontakttrennung verstellende Einrichtung soll,
wie erwähnt, eine so geringe Eigenzeit besitzen, daß diese' Verstellung innerhalb
der Kommutierun.gs : zeit -erfolgen kann, das ist in einer Zeit vöii. der Größenordnung
einer tausendstel Sekunde unter Voraussetzung normaler Verhältnisse (5operiodiger
Wechselstrom). Um sehr geringe Eigenzeiten zu erzielen, soll die bewegte Masse der
Verstelleinrichtung so gering wie möglich, die sie beschleunigende Kraft dagegen
sehr hoch gemacht werden, und der erforderliche Verstellweg soll möglichst klein
sein, was etwa dadurch ermöglicht wird, daß die Unterbrechungseinrichtung in einem
gasförmigen Medium von. hoher Durchschlagsfestigkeit und hohem Druck arbeitet, während
gleichzeitig durch entsprechende Löscheinrichtungen für eine sehr schnelle Säuberung
der Unterbrechungsstrecke von den Ladungsträgern Sorge -getragen wird. Die Verstärkung
des Steuerimpulses zu der für die Kontaktbewegung erforderlichen Kraft muß ebenfalls
möglichst trägheitslos erfolgen, beispielsweise durch Verstärkerröhren und ähnliche
masselose Relais.
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Die den Augenblick der Kontakttrennung in Abhängigkeit von der Belastung
beeinflussende Einrichtung kann entweder die Schaltbewegung des bewegten Kontaktes
steuern oder dem feststehenden Gegenkontakt eine zusätzliche Schaltbewegung erteilen,
die sich der eigentlichen Schaltbewegung überlagert. Man kann beispielsweise bei
einem Stromumformer mit hin und her gehender Kontaktbewegung den Steuerimpuls zur
Erzeugung der hin und her gehenden Bewegung benutzen. Man kann andererseits bei
einem Stromumformer mit umlaufendem Kontakt dem nicht umlaufenden Gegenkontakt die
zusätzliche Steuerbewegung erteilen, so daß sich der stetigen Umlaufbewegung eine
für jede Halbwelle :besonders gesteuerte zusätzliche Kontaktbewegung überlagert.
Man kann die von der Belastung abhängige Kontaktbewegung durch Zündung eines explosiblen
Gemisches herbeiführen oder durch kurzzeitige Kupplung des Kontaktes mit einer schnell
bewegten, z. B. umlaufenden Masse.
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Fig. i stellt einen Ausschnitt aus einem Diagramm der Spannungen und
der Ströme eines mehrphasigen Gleichrichters dar. Auf der horizontalen Achse ist
die Zeit t und auf der vertikalen Achse sind die Spannungswerte it und die Stromwerte
I und i aufgetragen. Im Punkte A sind die Phasenspannungen iil und ii, gleich
groß. In diesem Augenblick erfolge der Kürzschluß der beiden Phasen, indem der Kontakt
geschlossen wird. Der in der Phase i fließende Strom sei il. Dieser Strom nimmt
nun in der Kommutiejungszeit k1 bis auf den Wert Null ab. In der gleichen Zeit steigt
der Strom der Phase vom Werte Null auf :den vollen Wert i.2 an. Die Trennung der
Kontakte in der abzuschaltenden Phase i erfolge in Sekunden vor dem Stromnulldurchgange
des Kommutierungsstromes im Zeitpunkt B. Die Zeit m ist gerade so groß gewählt,
daß der Kontakt der abzuschaltenden Phase in .dieser Zeit jenen Abstand, bei dem
eine Lichtbogenlöschung stattfindet und ein Stromdurchgang in umgekehrter Richtung
mit Sicherheit verhindert ist, erreicht, jedoch nicht wesentlich überschreitet.
Der hinter dem ablaufenden Kontakt gezogene Lichtbogen wird also auf die kleinstmögliche
Länge beschränkt.
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Wenn nun die Belastung vom Werte i auf den Wert T steigt, dann erreicht
.der Strom 11 der abzuschaltenden Phase erst in der Zeit k. seilten Nulhvert, und
in der gleichen Zeit steigt der Strom in der Phase 2 auf seinen vollen Wert I. an.
Die Kommutierungszeit hat sich also vom Werte k, auf den Wert k2 verlängert. Durch
die Kontaktsteuerung nach der Erfindung wird nun die Kontakttrennung vom Zeitpunkt
B auf den Zeitpunkt C verlegt. Dieser Zeitunterschied ist so groß, daß die Kontakttrennung
wieder wie früher erst ne Sekunden vor .dem Nulldurchgang des Stromes J1 der abzuschaltenden
Phase stattfindet und mithin wieder gerade nur die zur Unterbrechung erforderliche
Strecke von dem Kontakt zurückgelegt werden kann. Der Lichtbogen wird hierbei nicht
auf eine unnötig große Länge gebracht, sondern er behält seine Mindestlänge bei.
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Das gleiche Ziel wird auch dann erreicht, wenn der Verlauf des Kommutierungsstromes
durch zusätzliche Einflüsse verändert wird, etwa dadurch, daß sich die Kontakte
nicht gerade im Augenblick der Spannungsgleichheit, sondern später oder früher schließen.
Das kann beispielsweise willkürlich durch Verstellung der Kontaktzeichen herbeigeführt
werden mit dem Zweck, dadurch in an sich bekannter Weise den Strom zu regeln, es
kann aber auch auf Störungen beruhen, die etwa zu Unregelmäßigkeiten in der Kontaktfolge
oder zu Unsymmetrien unter den Phasenspannungen des speisenden Netzes geführt haben
mögen. So sei beispielsweise durch einen einphasigen Kurzschluß außerhalb des Stromumformers,
etwa an einem weiteren an das gleiche Speisenetz angeschlossenen Verbraucher, die
Spannung der Phase 2 auf den in Fig: i punktiert eingetragenen Verlauf ic.' abgesenkt,
so daß erst im Zeitpunkt A' Spannungsgleichheit herrscht. Werden die Kontakte vorher,
etwa wie früher im Zeitpunkt A,
geschlossen, so tritt zunächst eine
Differenzspannung zwischen a, und rt.,' auf, die die umgekehrte Richtung hat «wie
die zur Kommutierung erforderliche Spannung. Diese Differenzspannung ruft in dein
von den Phasen i und 2 gebildeten Kurzschlußkreis einen Strom hervor, der in Phase
i in derselben Richtung fließt wie der Belastungsstrom il und somit diesen verstärkt,
so daß der Gesamtstrom in der Phase i den in Fig. i durch die ebenfalls punktiert
eingezeichnete Kurveil' wiedergegebenen Verlauf nimmt. Die Kurve erreicht im Augenblick
A' der Spannungsgleichheit ihr Maximum und strebt dann infolge der nuninehr sich
in die richtige Richtung umkehrenden und wieder anwachsenden Differenzspannung dem
Nullwert zu. Der Kommutierungsstrom in der Phase a nimmt den entsprechenden punktiert
eingezeichneten Verlauf, bis der volle Wert i, wieder erreicht ist. Der Kommutierungsverlauf
ist für den beschriebenen Störungsfall lediglich der Übersichtlichkeit halber so
angenommen, daß die Kommutierung wieder gerade nach der Zeit k, beendet ist: es
können natürlich beliebige größere oder kleinere Werte vorkommen. Stets beginnt
aber die Kontakttrennung etwa asz Sekunden i-or dein Stroinnulldurchgang, und innerhalb
dieser Zeit wird der zur endgültigen Unterbrechung erforderliche Kontaktabstand
geschaffen. j Werden in den Hauptstromkreis an sich .bekan.nte eisengesättigte Drosselspulen
eingeschaltet, dann entsteht in der Nähe des Stromnulldurchganges die erwähnte stromschwache
Pause, in welcher das Drosseleisen ungesättigt ist. Diese würde ohneVorniagnetisierung
des Drosseleisens hinter dem Stromnulldurchgang liegen, wie in Fig. i mit gestrichelten
Linien angegeben. Es ist nun möglich, die in den Hauptstromkreis eingeschaltete
Drossel und die Schalteinrichtung für die Stroinumformerkontakte so aufeinander
abzustimmen, daß die Kontakttrennungspunkte B' bzw. C" möglichst am Beginn der stromschwachen
Pause liegen, wie aus der Figur ersichtlich ist. In diesem Falle kann der Stromkreis
praktisch vollkommen lichtbogenfrei unterbrochen werden, und zwar bei allen betriebsmäßig
vorkommenden Belastungsstromstärken, weil sich sowohl der Wirkungsbereich der Drosselspule
wie auch die Kontakttrennung völlig selbsttätig der sich ändernden Kommutierungszeit
anpaßt.
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Da die Baugröße der Drossel mit der Länge der stromschwachen Pause
wächst. so eniptiehlt es sich, sie so zu bemessen, claß der erforderliche Mindestkontaktabstand
gerade am Ende der stromschwachen Pause nach der Zeit in' erreicht ist. Noch später
soll jedoch dieser Zustand nicht eintreten, «weil dann der Strom in entgegengesetzter
Richtung sehr steil ansteigen «würde. «wie in 17 ig. i gestrichelt angedeutet ist.
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Durch Vormägnetisierung des Drosseleisens wird die Lage des abgeflachten
Teiles der Stromkurve gegenüber der Nullinie verändert, beispielsweise nach den
in Fig. i ausgezogenen Linien so, daß er auf der Nullinie endet.
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In der Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Aus dem Drehstromnetz U, V, W wird ein Transformator i gespeist. Die Ströme
der drei sekundären Phasen u, v, ze, sind über die Schalteinrichtungen 2,
3, 4 geführt, die nach Art der bekannten Schnellschalter ausgebildet sein können.
Diese Schalteinrichtungen werden so gesteuert, daß der Sekundärwicklung desTransformators
ein gleichgerichteter Strom entnommen wird, der den Verbraucher 5 speist. Die Öffnu.ngsbevvegung
der Schalteinrichtungen 2, 3, 4 erfolgt mit Hilfe von elektromagnetischen Kupplungen
6 und einer rasch umlaufenden Masse, die von einer Kette 7 gebildet wird, die über
die zwei Rollen 8, 9 läuft und von einem Motor io angetrieben wird. Dieser Antrieb
der Schalteinrichtungen hat den Zweck, eine möglichst starke Beschleunigung der
Ausschaltbewegung zu erzielen.
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Die Steuerung der elektromagnetischen Kupplungen 6 erfolgt über Relais
i i, denen . Impulse für das Ausschalten der Schalteinrichtungen durch die Drosselspulen
12 und Impulse für das Einschalten der Schalteinrichtungen durch eine synchron mit
der umzuforinenden Wechselspannung betätigte Steuereinrichtung 13 erteilt
werden. Die Magnetwicklungen der Kupplungen sind mit 14 bezeichnet. 15 sind die
Schließfedern der Schalteinrichtungen. 16 sind Gleichstrombatterien. 17 sind die
Eisenkerne der Drosselspulen, welche, wie früher beschrieben, bemessen und zweckmäßigerweise
vormagnetisiert sind. In der dargestellten Lage der Schalteinrichtungen wird die
Gleichstrombelastung 5 aus der Phase u gespeist. Die Magnetkupplung des Schalters
2 ist dabei unerregt, so daß dieser Schalter durch seine Schließfeder 15 geschlossen
gehalten wird. Die Magnetkupplungen der Schalter 3 und d sind dagegen erregt und
werden durch die in der Richtung der Pfeile 18 sich bewegende Kette, die sich zwischen
den Schenkeln des Magneten hindurchbewegt, mitgenommen. Die Schalter werden dadurch
gegen die Kraft der Schließfedern offen gehalten.
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Einen Augenblick später, nämlich sobald die Phasenspannung der Phase
u auf dem absteigenden Ast der Wechsels@pann.ungshalbw-elle denselben Wert erreicht
hat wie die Spannung der Plias.e zr", gibt die Steuerein>
richtung
13 der Schalteinrichtung d den Einschaltimpuls. Dadurch wird über das Relais i i
die Spule 1.4 der Schalteinrichtung q. e.ntregt, und die Schließfeder 15 schließt
den Schalter d.. Nun ist ein Kurzschlußkreis hergestellt, der von den Ph:ajsen zc
und w über die Schalter 2 und 4 verläuft. Nach Maßgabe .des Abklingens des Kurzschlußstromes
in dieseht Kommutierungsstromkreis wird durch die Drossel 12 der Phase 2c der Ausschaltimpuls
für die Schalteinrichtung 2 ausgelöst. Dieser Ausschaltimpuls bewirkt mit Hilfe-des
Relais ii die sofortige Erregung der Spule 14 des Schalters 2. Durch die lebendige
Kraft der umlaufenden Masse 7, die im Verhältnis zur Masse der Schalteinrichtung
entsprechend hoch gewählt sein muß, wird der Kontakt der Schalteinrichtung 2 sehr
schnell aufgerissen, sobald infolge der Erregung der Spule 1.4 die magnetische Kupplung
hergestellt ist. Die Beschleunigung dieser Öffnungsbewegung ist so groß, daß die
Kontakte in- der sehr kurzen Zeit von etwa einer tausendstel Sekunde um die zur
endgültigen Stromunterbrechung erforderliche Strecke getrennt werden. Sie erreichen
den notwendigen Mindestabstand in dem Augenblick, in dem der Strom der zu unterbrechenden
Phase gerade durch seinen Nullwert hindurchgeht. Der zwischen den Kontakten sich
bildende Lichtbogen wird daher mit Mindestlänge gelöscht. Entsprechende Löscheinrichtungen
an sich bekannter Art können ,an den Kontakten vorgesehen werden. Sie sind in der
Zeichnung weggelassen.
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Die Schalteinrichtungen können auch nach Art von, Schnellschaltern
gebaut sein, die ihre Öffnungsbewegung unter der Wirkung von starken Federn ausführen,
sobald :ein Schließmagnet entmagnesitiert wird. Auch mit dieser an sich bekannten
Bauart lassen sich sehr hohe Öffnungsgeschwindigkeiten erzielen, die für den Erfindungszweck
wesentlich sind.