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Mehrphasiger, an ein selbständiges Wechselstromnetz angeschlossener
Kontaktuniformer Die Erfindung bezieht sich auf an ein selbständiges Wechselstronmetz
angeschlossene, mehrphasige Kontaktumformer, und zwar insbesondere auf solche; bei
denen in Reihe mit den Kontakten zwecks Erzielung einer funkenfreien Kommutierung
sogenannte Schaltdrosseln, d. h. Drosseln geschaltet sind, die sich bereits bei
einem sehr geringen Wert des hindurchfließenden Stromes sättigen und die eine scharf
geknickte Magnetisierungskennlinie aufweisen. Bei mehrphasigen Kontaktumformern
für Starltstromzwecke, die mehrere Schaltkontakte enthalten, ist es üblich, sämtliche
Kontakte in der vorgegebenen Schaltfolge zumindest bei der Schließung durch ein
gemeinsames Antriebsorgan zwangsläufig zu betätigen, wobei als Antriebsmotor meist
ein Synchronmotor dient. Bei dieser Antriebsart folgen die Schlie-Bungszeitpunkte
der einzelnen Kontakte aufeinander in festen, durch die Phasenzahl und die Schaltung
des Umformers gegebenen Abständen. Für die Innehaltung der Bedingungen für eine
einwandfreie Kommutierung-ist es erforderlich, daß die Schließungszeitpunkte der
einzelnen
Kontakte in bezug auf den Schnitt punkt der zugehörigen Phasenspannungskurvc mit
der Spannungskurve der vorangehender oder nächstfolgenden Phase eine ganz bestimmt(
Lage besitzen. llit dem erwähnten Kontaktantrieb durch ein gemeinsames Antriebsorgan
z. B. durch einen Exzenter oder eine Nockenwelle, wird diese Bedingung eingehalten,
solange das Spannungssystem der an dem Kontaktumformer angeschlossenen Wechselstromquelle
bz-,v. des Drehstromnetzes vollkommen symmetrisch ist. Treten dagegen in diesem
Spannungssystem Unsymmetrien beispielsweise in der Form auf, daß die einzelnen Phasenspannungen
verschieden große Scheitelwerte annehmen, so verschieben sich auch die Schnittpunkte
zwischen den Phasenspannungskurven, und es entsteht die Gefahr, daß bei festliegendem
Abstand der einzelnen Schließungszeitpunkte voneinander Verschiebungen der Schließungszeitpunkte
gegenüber den Schnittpunkten der Phasenspannungen auftreten, die die Kommutierung
stören.
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Diese Verhältnisse treten, wie schon gesagt, nur dann auf, wenn der
Verlauf der Spannung von einer fremden Stromquelle her vorgeschrieben und das Spannungssystem
mehrphasig ist. Arbeitet dagegen der Kontaktumformer selbständig, d. h. bestimmt
er selbst den Spannungsverlauf in dem Drehstromnetz, so liegt dieser Spannungsverlauf
durch die Kontaktbewegung von vornherein fest, und es können unerwünschte Abweichungen
zwischen beiden nicht auftreten. Ebenso ist bei einphasigen Systemen eine Verschiebung
des Schnittpunktes der Spannungskurven in bezug auf die Kontaktbewegung nicht möglich.
Denn eine Verschiebung des Spannungskurvenschnittpunktes, der in diesem Falle mit
dem Nulldurchgang der Spannungskurve zusammenfällt, würde ja eine Frequenzänderung
bedingen, der sich der Kontaktumformer ohne weiteres anpassen kann.
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In Abb. r sind zur Erläuterung dieser Verhältnisse zwei Spannungen
ei und e2 eines Dreiphasensystems aufgetragen, die sich bei völliger Symmetrie in
dem Zeitpunkt t1 schneiden. Bei voller Aussteuerung und Gleichrichterbetrieb inuß
der Schließungszeitpunkt des zu der Spannung e2 gehörigen Kontaktes mit dem Zeitpunkt
t1 zusammenfallen. Wird nun aus irgendeinem Grunde die Spannung e2 kleiner als
ei, so daß sie beispielsweise dem Verlauf e2' entspricht, so wandert der
Schnittpunkt nach t2. Bleibt, wie es bei festen Abständen der Einschaltzeitpunkte
der Fall ist, der Einschaltzeitpunkt des zu der Spannung e2 gehörigen Kontaktes
in t1 liegen, so liegt er nunmehr vor dem Zeitpunkt der wirklichen Spannungsgleichheit
zwischen den beiden einander ablösenden Phasen, und die Kommutierungsspannung tritt
zumindest vorübergehend in der falschen Richtung auf. Das hat, wie sich zeigen läßt,
eine Herabsetzung der sogenannten Trittgrenze und damit der hberlastbarkeit des
Kontaktumformers zur Folge.
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Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung dadurch behoben, daß jeder
Kontakt für sich durch die Spannung der dem Kontakt zugeordneten und der vorangehenden'
Phase bzw. durch diesen Phasenspannungen verhältnisgleiche Spannungen derart gesteuert
wird, daß unabhängig von im Netz auftretenden Spannungsunsymmetrien für die Lage
des Schließungszeitpunktes stets der wirkliche Schnittpunkt der beiden Spannungskurven
maßgebend ist. Die Erfindung geht also von einem starren Einschalten auf ein elastisches
Schließen der Kontakte über. Der Kontakt wird durch die maßgebenden Spannungen selbst
gesteuert und wird bei voller Aussteuerung geschlossen, sobald die beiden Spannungen
e1 und e2 gerade gleich groß sind. Diese Bedingung läuft darauf hinaus, daß die
Einschaltvorrichtung für den Kontakt von der verketteten Spannung zwischen den beiden
Phasen so abhängt, daß die Einschaltung im Augenblick des Nulldurchganges dieser
Spannung erfolgt. Auch für den Betrieb mit Teilaussteuerung ist die Lage des Zeitpunktes
der Spannungsgleichheit zwischen den beiden Phasenspannungen für den Einschaltzeitpunkt
noch maßgebend; denn die Teilaussteuerung ist ja dadurch gekennzeichnet, daß der
Schließungszeitpunkt des Kontaktes um einen bestimmten elektrischen Winkel dem Zeitpunkt
der Spannungsgleichheit je nach Betriebsart nach- bzw. voreilt. Auch für Betrieb
mit Teilaussteuerung ist daher die Erfindung von wesentlicher Bedeutung, da sie
den wirklichen Zeitpunkt der Spannungsgleichheit und nicht nur den Zeitpunkt berücksichtigt,
in welchem die einander ablösenden Spannungen sich bei völliger Symmetrie schneiden
würden. Um Betrieb mit Teilaussteuerung zu erzielen, ist es nur notwendig, die Einwirkung
der Spannungen auf die Schließung der Kontakte jeweils um einen bestimmten Zeitabschnitt
zu verzögern. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man zwischen die Einschaltorgane
der Kontakte und das Drehstromnetz einen Drehtransformator schaltet, der sekundärseitig
ein Spannungssystem liefert, welches größenmäßig ein getreues Abbild des Netzspannungssy
stems darstellt, diesem gegenüber jedoch in der Phase verdrehbar ist.
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Die Kontaktöffnung erfolgt zweckmäßig ebenfalls unter dem Einfluß
der tatsächlich vorhandenen, hierfür- maßgebenden elektrischen Größen, und zwar,
wie es bereits vorgeschlagen worden ist, in der Weise, daß sich der Kontakt unabhängig
von den übrigen Kontakten jeweils in dem Augenblick öffnet, in dem der Strom in
ihm zu Null geworden ist oder einen vorgegebenen
Minimalwert unterschreitet.
Bei dem oben geschilderten starren Antrieb der Kontakte liegt zwischen Schließungs-
und Öffnungszeitpunkt des Kontaktes ein fester Abstand, der nicht der Tatsache gerecht
wird, daß die Stromführungsdauer des Kontaktes je nach der Belastung größer oder
kleiner ist. Da im allgemeinen verlangt wird, daß der Kontaktumformer sowohl bei
Leerlauf als auch bei Vollast oder sogar bei Überlast noch einwandfrei kommutiert,
muß man in diesem Fall, sofern Schaltdrosseln vorhanden sind, diese so bemessen,
daß die durch sie hervorgerufene stromschwache Stufe in der Umgebung des Stromnulldurchganges
entsprechend groß wird. Das führt aber zu der Notwendigkeit einer Überbemessung
der Schaltdrosseln und damit zu einer unter Umständen erheblichen Verteuerung des
ganzen Umformers. Durch die selbsttätige Öffnung des Kontaktes in Abhängigkeit vom
Strom wird dieser Nachteil vermieden.
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Ebenso wie man die Schließung des Kontaktes durch von den maßgebenden
Spannungen erregte Magnetspulen erfolgen lassen kann, kann man auch die stromabhängige
Wiederöffnung mittels stromerregter Magnetspulen durchführen. Es ist zweckmäßig,
auf die Öffnungseinrichtung des Kontaktes- nicht nur den Strom des betreffenden
Kontaktes selbst, sondern auch den Strom des Folgekontaktes einwirken zu lassen,
der ja im Augenblick des Nulldurchganges des Stromes in dem zu öffnenden Kontakt
den vollen Wert des Gleichstromes erreicht. Es steht auf diese Weise im Augenblick
des Stromnulldurchganges dem betreffenden Kontakt eine Kraft zur Verfügung, die
benutzt werden kann, um entgegen einer den Kontakt in geschlossenem Zustand haltenden
Kraft die Öffnung zu bewirken.
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Abb.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die beweglichen
Kontaktstücke 9 sind an schwenkbaren Hebelarmen 5 befestigt und liegen in ihrer
Ruhestellung an den feststehenden Kontaktstücken. Jeder Hebelarm 5 trägt zwei Anker,
von denen der .Anker 6 polärisiert ist, während der Anker io aus Weicheisen besteht.
Die drei Kontaktarme sind an die Phasen U, V, W des Haupttransformators i angeschlossen,
mit dessen Sternpunkt der eine Gleichstromleiter 3 verbunden ist. Die feststehenden
Teile der Kontaktpaare 9 sind mit dem zweiten Gleichstromleiter q. verbunden. Auf
den polarisierten Anker 6 wirken _ zwei Spannungsspulen 7 und 8, die über einen
an dasselbe Drehstromnetz wie der Haupttransformator i angeschlossenen Hilfstransformator2
gespeist werden, und zwar liegt .die Spule 7 an der Phase U', die Spule 8 an der
in der Phasenfolge vorangehenden Phase W' des Hilfstransformators 2. Auf, den Weicheisenanker
io wirkt im Sinne der Öffnung des Kontaktes eine Spule ii, in deren Stromkreis eine
Hilfsspannungsquelle i2 und ein Ruhekontaktrelais 13 liegen. Diese Schalteinzelheiten
sind nur für den Kontakt der Phase U genauer dargestellt, während sie für die Phasen
V und W, wo sie sich sinngemäß wiederholen, der Einfachheit halber fortgelassen
sind. Das Relais 13 ist als Differentialrelais mit den gegeneinander wirkenden Erregerspulen
14 und 15 ausgebildet, von denen die Spule 14 von einem dem Phasenstrom ,%U und
die Spule 15 von einem dem Phasenstrom lw proportionalen Strom erregt wird.
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Die Wirkungsweise der Anordnung möge zunächst für den Fall der vollen
Aussteuerung an Hand von Abb.3 näher erläutert werden. In Abb. 3 a sind die Kurven
der Phasenspannungen U, V, W des Haupttransformators aufgetragen, während Abb. 3
b die entsprechenden Ströme zeigt. Die volle Aussteuerung im Gleichrichterbetrieb
setzt voraus, daß die Schließung des Kontaktes genau im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
erfolgt. Das wird bei dem Ausführungsbeispiel dann erreicht, wenn das Spannungssystem
U', V', IV' des Hilfstransformators 2 mit dem Spannungssystem U, V,
W
des Haupttransformators i in Phase ist. Auf den polarisierten Anker 6 des
Kontaktträgers wirkt die Differenz zwischen der Spannung U' und der Spannung W'.
Die Polarisation des Ankers ist so gewählt, daß der Anker und damit der Kontaktarm
so lange nach oben gezogen wird, wie die Spannung W' größer ist als die Spannung
U'. In dem Augenblick also, wo sich die Kurven dieser beiden Spannungen, die ja
voraussetzungsgemäß mit den Spannungen U und V des Haupttransformators i in Phase
sind, schneiden, das ist in Abb. 3 in dem Zeitpunkt A, fällt der Kontaktarm nach
unten und schließt das Kontaktpaar g. Von jetzt ab ist bis zum Zeitpunkt C die von
den Spannungsspulen 7 und 8 ausgeübte Kraftwirkung so gerichtet, daß sie das Kontaktpaar
9 geschlossen hält.
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In dem gleichen Zeitpunkt A, in dem das Kontaktpaar g geschlossen
wird, beginnt der Phasenstrom JU zu fließen. Durch die Wirkung der Schaltdrosseln
steigt er zunächst nur sehr flach an, ändert sich dann vorübergehend sehr rasch
bis auf nahezu den vollen Wert des Gleichstromes, um dann schließlich in einer weiteren
Stufe langsamen Anstieges den Gleichstromwert vollends zu erreichen. Das Relais
13 war bereits vorher durch den Anschluß der Spule 15 an einen in der Phase W liegenden
Widerstand erregt und damit geöffnet. Der Strom jw verschwindet in demselben Maße
wie der Strom JU zunimmt, so daß das Relais auch weiterhin geöffnet bleibt. Sobald
der Strom ,%U seinen vollen Wert erreicht hat, ist der Strom jw zu Null geworden,
so daß das
Relais 13 jetzt nur noch von dem Strom JU in geöffnetem
Zustand gehalten wird.
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Im Zeitpunkt B (Abb. 3a) wird nun in der gleichen Weise, wie vorher
für die Phase U beschrieben, der Kontakt der Folgephase V geschlossen, so daß dieser
jetzt den Strom zu übernehmen beginnt. In demselben Maße, wie der Strom Jy in der
Phase V ansteigt, nimmt der Strom JU in der Phase U ab, bis schließlich
bei einem nahe dem Wert Null liegenden Betrag das Relais 13 abfällt und die
Erregerspule ii an Spannung legt. Diese bewirkt jetzt entgegen der von den Spulen
7 und 8 noch ausgeübten Haltekraft eine Öffnung des Kontaktpaares 9, so daß also
tatsächlich die Öffnung des Kontaktes praktisch stromlos erfolgt. Der Kontakt wird
zunächst durch die Spule ii vom Zeitpunkt C ab, aber auch durch die Spulen 7 und
8 in der Öffnungsstellung gehalten, da sich die Differenz zwischen den Phasenspannungen
U' und W' inzwischen umgekehrt hat. Das Relais 13 kann also wieder geöffnet werden,
ohne daß der Kontakt 9 zunächst von neuem geschlossen wird. Eine solche Öffnung
des Relais 13 erfolgt auch tatsächlich dadurch, daß im Zeitpunkt D der Strom JTv
erneut zu fließen beginnt. Sie ist erforderlich, damit der Einschaltvorgang ausschließlich
unter der Einwirkung der Spannungsspulen 7 und 8 erfolgen kann. In dem Zeitpunkt
A' beginnt das beschriebene Spiel sich zu wiederholen, indem die Haltewirkung der
Spulen 7 und 8 aufhört und in eine im Sinne der Schließung gerichtete Kraftwirkung
übergeht. Die Hilfsspannungsquelle 12 kann an sich beliebig ausgebildet sein, es
ist jedoch zweckmäßig, hierfür einen Trockengleichrichter zu verwenden, der aus
dem gleichen Netz gespeist wird wie der Hilfstransformator 2, um auf diese Weise
zu erreichen, daß sich der Strom in der Spule ii bei Netzspannungsschwankungen in
dem gleichen Maße ändert wie der Strom in den Spulen 7 und B.
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Bei Teilaussteuerung ergeben sich die in Abb.4 dargestellten Verhältnisse.
Die Spannungen U', V' und W' (Abb. 4c) sind nunmehr gegenüber den
Hauptspannungen U, V, TV um den Steuerwinkel a verschoben. Da der
zeitliche Verlauf der Ströme ju, ,Iv, Jw (Abb. 4b) ausschließlich von den Schließungszeiten
der Kontakte und damit von den Spannungen des Hilfstransformators 2 abhängt, so
ergeben sich hinsichtlich der auf die Anker der Kontaktarme ausgeübten elektromagnetischen
Kräfte genau dieselben Verhältnisse wie bei voller Aussteuerung. In bezug auf die
Hauptspannungen U, V, W ergibt sich aber, wie in Abb. 4 a dargestellt, ein
zeitlich verzögerter Übergang der gleichgerichteten Spannung von der einen Phase
zur nächstfolgenden, was auf eine Herab= setzung der mittleren gleichgerichteten
Span nung hinausläuft. Die erwähnte Phasenverschiebung der Spannungen
U', V', W' gegenüber den Spannungen U, V, W kann leicht dadurch erreicht
werden, daß der Hilfstransformator 2 als Drehtransformator ausgebildet wird.
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Jeder Kontakt wird zweckmäßig zusammen mit seinen Erregerspulen als
bauliche Einheit hergestellt, so daß aus mehreren solchen Einheiten jede beliebige
Stromrichterschaltung zusammengestellt werden kann. Es ist auch ohne weiteres möglich,
die mit jedem Kontakt in Reihe liegenden Schaltdrosseln mit in diese bauliche Einheit
einzubeziehen. Die schwenkbaren Hebel, die die beweglichen Kontakte tragen, können
als Blattfedern ausgebildet werden, und es können auch die festen Kontakte etwas
federn. Durch Vormagnetisierung der Spannungs- und Stromspulen kann die Arbeitsweise
des Kontaktumformers beeinflußt und eine Anpassung an gestellte Bedingungen erreicht
werden. Der beschriebene Aufbau des Kontaktumformers eignet sich nicht nur als Gleichrichter,
sondern auch als Wechsel- bzw. Umrichter, wobei es im letzteren Fall zur Erzeugung
einer Wechselspannung nur nötig ist, die Phasenlage der von dem Hilfstransformator
gelieferten Spannungen im Takte der gewünschten Sekundärfrequenz zu verschieben.
Unter diesen Umständen eignet sich der neue Kontaktantrieb besonders für die asynchrone
Kupplung zweier Wechselstromnetze. Wie schon eingangs erwähnt, können die beiden
an verschiedenen Phasenspannungen liegenden Spannungserregerspulen auch durch eine
einzige Spule ersetzt werden, die dann an die entsprechende verkettete Spannung
angelegt werden muß.