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Umformungsanordnung zur Energieübertragung zwischen einem Einphasenwechselstromsystem
und einem Gleichstromsystem Die Erfindung betrifft eine Umformungsanordnung zur
Energieübertragung zwischen einem Einphasenwechselstromsystem und einem Gleichstromsystem,
bei der jeder Pol des Einphasensystems mit jedem Pol des Gleichstromsystems durch
einen eine Kontakteinrichtung enthaltenden Leitungszweig verbunden ist und von den
insgesamt vier Kontakteinrichtungen je zwei, die verschiedene Pole des Einphasensystems
mit verschiedenen Polen des Gleichstromsystems verbinden, gleichzeitig und gegenüber
den beiden anderen Kontakteinrichtungen mit um i 8o' elektrisch versletzten Kontaktzeiten
betätigt werden. Derartige Anordnungen sind bei Verwendung von elektrischen Ventilen
oder ventilartigen Geräten, die den Strom in einer der beiden Richtungen selbsttätig
sperren, unter dem Narren Graetz-Schaltung hekannt. Dreiphasige Graetz-Schaltungen
sind auch in Verbindung mit mechanisch bewegten Elektroden, beispielsweise bei sog.
Elektrolytgleichrichtern, bekanntgeworden. Die Übertragung der bekannten Einrichtungen
.auf Starkstromumformer mit mechanisch bewegten Kontakten, die während der Stromübertragung,
in unmittelbare Berührung miteinander kommen, stößt jedoch auf Schwierigkeiten hinsichtlich
der funkenfreien Stromunterbrechung und hinsichtlich der zur Erzielung geglätteten
Gleichstroms erforderlichen überlappung der Kontaktzeiten, weil bei Einphasenanordnungen
während der Kontaktüberlappungszeiten nicht nur wechselstromseitig, sondern auch
gleichstromseitig ein Kurzschluß herbeigeführt wird. Es ist zwar bekanntgeworden,
zwecks funkenfreier Unterbrechung in Reihe mit den Kontakteinrichtungen
eine
die Stromkurve in der Nähe der Nullwerte abflachende Wicklung oder Impedanz, insbesondere
eine Drosselspule, mit beim Nennstrom hochgesättigtem und sich nur in der Nähe des
Stromnullwertes entsättigendem Magnetkern zu verwenden. Wenn aber diese Drosselspulen
entsprechend einer bekannten dreiphasigen Graetz-Schaltung vor den Verzweigungspunkten
der zu den Kontakteinrichtungen führenden Leitungen angeordnet werden, so wird durch
sie bei einphasigen Anordnungen mit sich überlappen= den Kontaktschließungszeiten
der Unterbrechungsvorgang nicht gefördert, sondern im Gegenteil der Kommutierungsvorgang
verzögert. Während nämlich bei drei- und mehrphasigen Anordnungen mit sich überlappenden
Kontaktschlieljungszeiten ebenso wie bei ein- oder mehrphasigen Anordnungen ohne
sich überlappende Kontaktschließungszeiten der Strom der abgebenden Phase während
des Kommutierungsvorganges nur bis auf den Wert Null. gebracht zu werden braucht,
ist es bei einphasigen Anordnungen mit sich überlappenden Kontaktschließungszeiten
erforderlich, den Strom von dem positiven Wert auf den gleich großen negativen Wert
zu kommutieren. Die Stromabflachung, die von der in Reihe geschalteten Sättigungsdrossel
bzw. veränderlichen Impedanz. in der Nähe des Nulldurchganges hervorgerufen wird,
würde hier also nicht am Ende, sondern etwa in der Mitte der Kommutierungs!zeit
stattfinden und dadurch lediglich die Kommutierungsda.uerverlängern; dagegen wird
für die Stromunterbrechung am Ende der Kommutierung keine Erleichterung gewonnen.
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Nach der Erfindung kann die Aufgabe, einen praktisch betriebsfähigen
einphasigen Kontaktumformer für Starkstrom zu schaffen, dadurch gelöst werden, daß
bei Verwendung von in Reihe mit den Kontakteinrichtwig en liegenden, die Stromkurve
in der Nähe der Nullwerte abflachenden Wicklungen oder Impedanzen in Verbindung
mit sich überlappenden Schließzeiten der gegeneinander versetzt arbeitenden Kontakteinrichtungen
eine Erleichterung der Unterbrechungsvorgänge und ungestörte Kommutierung durch
Anordnung je einer stromabflachenden Wicklung oder Impedanz in jedem der vier die
Kontakteinrichtungen enthaltenden Leitungszweige herbeigeführt wird. In der Zeichnung
ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Eine solche Umformungsanordnung
kann etwa dazu dienen, die Gleichstrommotoren eines Triebfahrzeuges mit Energie
zu speisen, die einem Einphasenwechselstromnetz entnommen wird.
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Aus einer Stromschiene bzw. einem Fahrdraht i o eines Einphasenbahnnetzes
von beispielsweise 50 oder auch i 6','3 Per./Sek. wird der Strom mittels eines Schleifbügels
i i entnommen und über die Primärwicklung 12 eines Speisetransformators zu der als
Rückleitung dienenden Erde abgeleitet. Die von der Sekundärwicklung 22 abgehenden
Leitungen verzweigen sich an den Punkten 41 bzw. 42 und führen zu vier Unterbrechungsstellen
13 bis 16. Jeder Unterbrechungsstelle ist eine sog. Schaltdrossel
17 bis 2o vorgeschaltet. Diese Schaltdrosseln besitzen einen Kern .aus hochwertigem
magnetischem Werkstoff, beispielsweise aus einer besonders behandelten Eisen-Nickel-Legierung
oder Silicium-Eisen-Legierung, deren Magnetisierungskurve steile Flanken (entsprechend
einer mittleren Permeabilität zwischen oberem und unterem Sättigungspunkt von, u,"
- i o ooo bis 2o ooo) und einen scharfen Sättigungsknick aufweist, wobei Eisenquerschnitt
und Windung szahl der Schaltdrossel derart bemessen sind, daß der Magnetkern bereits
bei einem Bruchteil des Neinnstromwertes hochgesättigt ist.
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Die Unterbrecher 13 bis 16 besitzen Abhebekontakte, bestehend aus
je zwei ruhenden Kontaktstücken, an die die Zuleitungen angeschlossen sind, und
einer beweglichen Kontaktbrücke. Die Unterbrecherkontakte werden von einer gemeinsamen
Welle 2i durch paarweise gegeneinander um i 8o versetzte Nocken oder Exzenter 23
bis 26 angetrieben. Stattdessen kann auch nur ein einziger N okken oder Exzenter
vorgesehen sein, dem zwei gegeneinander um i 8o- versetzte HebelübersetzLngsgetriebe
zugeordnet sind, von denen jedes zwei Kontakteinrichtungen antreibt. Die öffnungsbewegung
wird auf die Kontaktbrükken durch Stöße132 zwangsläufig entgegen der in Schließrichtung
wirkenden Kraft der am Gestell abgestützten Federn 33 bzw. 43 übertragen. Mit der
gemeinsamen Antriebswelle 2 i ist ein Synchronhilfsmotor 3 f gekuppelt, der an die
speisende Wechselspannung über einen zur Einstellung und Regelung der Phasenlage
für die Kontaktunterbrechung dienenden Drehtransformator 36 angeschlossen ist.
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Die Schaltdrosseln 17 bis 2o besitzen nach einem bereits bekannten
Vorschlag zusätzliche Vormagnetisierungswicklungen 27 bis 3o, die aus einer Hilfsgleichstromquelle
über einen regelbaren Widerstand 34 und eine Hilfsdrosselspule 47 gespeist werden.
Die Hilfsdrosselspule verhindert, daß durch die in den Wicklungen 27 bis
30 induzierten Spannungen ein überlagerter Wechselstrom im Stromkreis der
Hilfsgleichstromquelle hervorgerufen werden kann. Weitere zusätzliche Vormagetisierungswicklungen
37 bis 4o werden mit synchronem Wechselstrom gespeist,
beispielsweise
aus der Sekundärwicklung 22 des Speisetransformators, wobei gegebenenfalls ein Regelwiderstand
35 zur Einstellung der Größe des vormagnetisierenden Wechselstromes vorgesehen sein
kann. Außerdem kann eine Einrichtung zur Regelung der Phasenlage der Wechselstromvormagnetisierung
gegenüber der speisenden Wechselspannung in den Hilfsstromkreis eingeschaltet sein,
z. B. eine Hilfsdrossel 48, deren Induktivität regelbar ist. Die regelbare Vormagnetisierung
der Schaltdrosseln mit Gleich- und mit Wechselstrom gestattet es, die Kommutierungsbedingungen
für jeden Belastungsfall auf den günstigsten Stand zu bringen und darüber hinaus
Strom und Spannung auf der Ausgangsseite des Umformers zu regeln. Die verschiedenen
Regeleinrichtungen, zu denen erforderlichenfalls noch eine Möglichkeit zur mechanischen
Verstellung des Ständers des Synchronmotors 3 i oder zur Verdrehung der Nocken bzw.
Exzenter gegenüber der gemeinsamen Antriebswelle 2 i bzw. eine mechanische Verstelleinrichtung
zur Veränderung der Kontaktüberlappungszeiten hinzutreten kann, lassen sich miteinander
in geeigneter Weise kuppeln, so daß die Steuerung der einzelnen Größen gleichzeitig
in gegenseitiger Abhängigkeit voneinander nach einem bestimmten Plan erfolgt, der
vorher festgelegt ist und für jeden Betriebszustand das einwandfreie. Arbeiten des
Umformers sicherstellt.
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Zur weiteren Erleichterung der Stromunterbrechung ist in bei Kontaktumformern
bekannter Weise zu jeder der Unterbrechungsstellen 13 bis 16 ein den Wiederanstieg
der beim Unterbrechungsvorgang wiederkehrenden Spannung verzögernder überbrückungsstrompfad
parallel geschaltet, bestehend z. B. aus einem eigens hierfür bemessenen Kondensator
45 und einem Dämpfungswiderstand 46. Die von den Unterbrechungsstellen wegführenden
Anschlußleitungen sind paarweise miteinander vereinigt und über eine Glättungseinrichtung,
beispielsweise eine Drosselspule 49 sowie einen übierstromselbs.tschalter 5o, zu
den Gleichstromklemmen 5 i geführt.
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Die Inbetriebsetzung des Umformers erfolgt z. B. mit Hilfe eines Anlaßwiderstandes
57, der in die Leitung vom Speisetransformator eingeschaltet ist. Nachdem' der Synchronbilfsmotor3i
angelassen ist und seine volle synchrone Drehzahl erreicht hat, wird der Anlaßwiderstand
57 allmählich kurzgeschlossen. Der Umformer arbeitet währenddessen auf eine kleine
Grundlast, beispielsweise einen Widerstand 59. Auf diese Weise ist Gelegenheit gegeben,
die verschiedenen regelbaren Größen so aufeinander abzustimmen, daß kein schädliches
Schaltfeuer an den Kontakten auftritt, und zwar sowohl während der Inbetriebsetzung
als auch später, nachdem mittels des Schalters 5o die Verbindung mit dem Gleichstromnetz
51 hergestellt ist.
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Zur Sicherung gegen folgenschwere Schädigungen, die durch Unregelmäßigkeiten
im Wechselstromnetz öder durch Versagen der Antriebsvorrichtung verursacht werden
könnten, sind zwei Überbrückungsschalter 52 vorgesehen, die in Störungsfällen selbsttätig
ansprechen und jeweils die zu ein und demselben Gleichstrompol führenden Hauptstromleitungen
an einer Stelle kurzschließen, die sich zwischen den näher am Wechselstromnetz liegenden
Schaltdrosseln und den näher am Gleichstromnetz liegenden Kontakten befindet. Diese
Anordnungen, die auch bei Umformungseinrichtungen mit beliebigen anderen Phasenzahlen
Anwendung finden kann, hat den Vorzug, daß- der vom Wechselstromnetz verursachte
Kurzschlußstrom durch den hohen Blindwiderstand der im Störungsaugenblick gerade
nicht gesättigten Schaltdrosseln vorübergehend auf kleine Werte begrenzt wird, so
daß, in der Zeit, die bis zum Auslösen eines in der Hauptspeiseleitung liegenden
Selbstschalters 6o vergeht, keine so schweren Schäden an den Kontakten entstehen
können, die ihre völlige Betriebsunfähigkeit zur Folge haben könnten. Aber auch
der wechselstromseitige Dauerkurzschlußstrom wird durch die sich periodisch entsättigenden
Schaltdrosseln merklich herabgesetzt, so daß, er für kurze Zeiten in der Größenordnung
bis zu einigen Sekunden tragbar ist.
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Die Überbrückungsschalter 52 sind miteinander durch ein isolierendes
Gestänge 63 verbunden und stehen unter dem Druck einer kräftigen Feder 58. Nachdem
sie bei der Inbetriebsetzung beispielsweise von Hand angehoben sind, werden sie
in dieser Stellung durch eine Sperrklinke gehalten, die sich an einem am Gestell
gelagerten doppelarmigen Hebe16i befindet. An diesem Hebel greift eine Zugfeder
62 an, die die Klinke auszurücken sucht. Die Klinke wird jedoch gehalten durch einen
von der Spannung des Gleichstromkreises erregten Elektromagneten 55- In einem Störungsfalle
sinkt diese Spannung rasch ab, so daß der Anker des Elektromagneten losgelassen
wird und der Hebel bi durch die Feder 62 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht und
damit die Sperrung der Überbrückungsschalter 52 aufgehoben wird. Bei genügend kräftiger
Bemessung der Feder 58 und genügend kleinem Öffnungsabstand der überbrückungskontakte
kann die Empfindlichkeit der beschriebenen Kurzschlußschutzeinrichtung so hoch gesteigert
werden, daß die Kurzschließung noch in dem gleichen
Stromübertragungszeitabschnitt
erfolgt, in welchem die Störung eintritt. Außer oder statt von der Gleichspannung
kann die Sperrvorrichtung auch vom L berstrom gesteuert werden. Zu diesem Zweck
ist bei dem bezeichneten @'#usführungsbeispiel ein Elektromagnet 5.1 vorgesehen,
dessen Erregung mittels eines 1tIeßwiderstandes 56 von einer der Transformatorzuleitungen
abgezweigt ist. Dieser Magnet 5:1 zieht eine Sperrklinke zurück, sobald der Strom
einen vorher eingestellten Wert, z. B. infolge einer Störung, überschreitet. Meist
werden im Störungsfalle beide Sperreinrichtungen gleichzeitig bewegt. Damit aber
auch dann eine Entklinkung stattfindet, wenn nur eine der beiden Steuereinrichtungen
anspricht, ist am unteren Ende des Gestänges 63 ein Anschlag 53 nach Art eines Waagebalkens
drehbar angeordnet, so daß er nachgibt, sobald sich nur eine der beiden Sperrklinken
löst.
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Eine Umformungsanordnung der beschriebenen Art kann auch dazu verwendet
werden, aus Einphasenstrom gegebener Frequenz Einphasenstrom von einer anderen Frequenz
herzustellen. Es können auch zwei Umformungsanordnungen in Reihe verwendet werden,
von denen eine den Wechselstrom gegebener Frequenz in Gleichstrom und die andere
diesen Gleichstrom in Wechselstrom anderer Frequenz umwandelt.