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Kontaktwechselrichter Bei der Umformung größerer Leistungen mit Kontaktstromrichterrelais,
insbesondere bei Wechselrichtern, ist es notwendig und bekannt, die Funkenbildung
durch Funkenlöschkreise zu unterdrücken. Je nach Ausbildung dieser Funkenlöschkreise
gelingt es, diese Aufgabe mehr oder weniger vollkommen zu lösen. Man schaltet zu
diesem Zweck entweder Widerstands-Kapazitäts-Kombinationen den Kontaktanordnungen
parallel oder benutzt vorteilhaft eine Resonanzschaltung, die dem Verbraucher parallel
liegt. Diese Resonanzschaltung wurde bisher auf die Umschlagzeit abgestimmt. Die
Folge davon ist, daß nur für einen bestimmten Verbraucher eine leistungslose Abschaltung
gelingt. Für Leerlauf und andere von dem vorgegebenen Verbraucher abweichende Leistungen
wird die Schaltung in ihrer Wirksamkeit wesentlich eingeengt. Eine Verbesserung
bringt die Reihenschaltung von Wechselrichterkontakt, Verbraucherwiderstand und
Resonanzkreis. Die Anordnung bzw. Bemessung der Schaltung kann dabei so getroffen
werden, daß der Strom beim Anschalten vom Wert Null beginnt und beim Abschalten
den ersten Nulldurchgang benutzt, Damit ist ebenfalls ein leistungsloses Schalten
gewährleistet. Da die Kontaktzeiten der Relais in der Praxis um einen Sollwert schwanken
können, zeigt sich, daß bei steilem Verlauf des Wechselstromes im Nulldurchgang
erhebliche Abschaltströme und damit Überspannungen an den Kontakten auftreten. Bemißt
man nun die Elemente so, daß die entstehenden Schaltspannungen unterhalb der Lichtbogenspannung
bleiben, d. h. dämpft man den Schwingkreis erheblich, so daß der Stromdurchgang
einen flachen Verlauf annimmt, so erkauft man dadurch wieder den Nachteil,
daß
der Strom beim Anlegen der Spannung an den Schwingkreis und Verbraucher rasch ansteigt.
Damit führen Einschaltprellungen zu erheblicher Verminderung der Lebensdauer des
Stromrichterrelais.
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Diese Nachteile werden wesentlich gebessert, wenn gemäß einem älteren
Vorschlag der veränderliche Verbraucher parallel zum Kondensator des Reihenresonanzkreises
angeschlossen wird. Durch geeignete Bemessung von C und I_ des Schwingkreises kann
man erreichen, daß beim Nulldurchgang des Stromes abgeschaltet wird, selbst unter
der Voraussetzung, daß der Verbraucherwiderstand in großen Werten vom Nennwert in
Richtung 0 variiert wird.
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Der Nachteil der Schaltung, daß nicht bei der Spannung Null abgeschaltet
wird und keine Leerlaufsicherheit besteht, bleibt aber bestehen. Die Forderung nach
Unabhängigkeit von der Belastung zwingt weiterhin zu großen verlustfreien Elementen
des Schwingkreises.
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Die Bedingung, auch beim Abschalten eine von der Größe Null nur wenig
abweichende Spannung zu erzielen, kann gemäß einem anderen älteren Vorschlag dadurch
erreicht werden, daß die Größe von Widerstand, Induktivität und Kapazität so bemessen
wird, daß der beim Umlegen des Kontaktes einsetzende gedämpft sinusförmige Strom
gerade im zweiten Umkehrpunkt und damit im Schaltaugenblick zu Null wird. Da auch
die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes zu dieser Zeit Null ist, erfolgt wegen
des Fehlens der Spannung das Abschalten leistungslos. Da der Anschaltstrom immer
vom Wert Null aus beginnt, ist er unabhängig von Kontakt und Umschlagzeit, so daß
Ungenauigkeiten und Toleranzen des Kontaktstromrichterrelais sich nur wenig auswirken
können. Beim Abschalten können dagegen Abweichungen der Kontaktzeit vom Sollwert
einen schädigenden Einfluß ausüben. Abweichungen bis zu etwa 7 "/p sind noch nahezu
unwirksam, da bei richtiger Bemessung die Stromamplituden nicht größer als 2 °%
der maximalen Stromamplitude werden. Bei Belastungsänderungen bis zu 15 % bleiben
die Stromänderungen noch unter io % der maximalen Stromamplitude.
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Diese ältere Schaltung, die einen wesentlichen Fortschritt in der
Wechselrichtertechnik darstellte, konnte auf die Dauer aber immer noch nicht befriedigen,
da für den Betrieb in der Praxis bei über große Bereiche veränderlichen Verbrauchern
die Abhängigkeit der Verbraucherspannung zu groß ist.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird durch die Erfindung eine Schaltung
vorgeschlagen, die im Gegensatz zu den bisher bekannten Schaltungen als wichtigste
Voraussetzung zunächst den Leerlauf zuläßt, damit einen kleinen Innenwiderstand
und hohen Wirkungsgrad aufweist und beim Schalten für jede Belastung zwischen Leerlauf
und Normallast die Spannungsdifferenz zwischen Batterie- und Verbraucherspannung
an den Kontakten unter der Funkenspannung hält.
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Die Leerlaufsicherheit und der geringe Innenwiderstand der Anordnung
der Schaltung ist nur dann zu verwirklichen, wenn man in an sich bekannter Weise
zur Funkenlöschung von einem Resonanzkreis Gebrauch macht, der zum Verbraucher parallel
liegt. Um die anderen für das Arbeiten des Wechselrichters wichtigen Nebenbedingungen
unter der Voraussetzung hoher Lebensdauer erfüllen zu können, ergibt sich mathematisch
beweisbar eine Bemessung, die im Gegensatz zu den bisherigen eine Abstimmung des
Resonanzkreises fordert, die der Kontaktzeit und nicht der Umschlagzeit zustrebt.
Die Induktivität ist der Belastung umgekehrt proportional, sie fällt mit steigender
Last, während die Kapazität zunimmt. Dabei muß die Induktivität L bei gegebener
Vollast und Spannungsdifferenz unter Bogenspannung nach der Theorie eine bestimmte
Größe annehmen, die mit der Kapazität jenen Resonanzkreis ergibt, der für den stationären
Zustand unendlich vieler Schaltvorgänge in der Induktivität einen Strom sicherstellt
mit einer Periode, die zwei Schaltvorgänge umfaßt.
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Der Gedankengang der Erfindung ist folgender: Im Leerlauffall des
Wechselrichters, dessen Prinzipaufbau in Fig. i dargestellt ist, muß der Schwingkreis
so bemessen sein, daß die während der Umschlagzeit frei werdende Schwingung am Kondensator
nach der Umschlagzeit tu eine Spannung von der Größe der Batterie mit umgekehrten
Vorzeichen ergibt. Der Ausschwingvorgang wird bei Beendigung der Umschlagzeit durch
Anlegen des Kontaktes beendet. Im Fall der Normal- (Voll-) Last muß der Schwingkreis,
der durch den Verbraucher gedämpft ist, noch so viel Energie besitzen, daß die nach
der Umschlagzeit am Kondensator liegende Spannung sich nur wenig von der Batteriespannung
unterscheidet. Das Ziel ist, die Differenz dieser Spannung unter der Lichtbogenspannung
zu halten.
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Man unterscheidet zwischen der Umschlagzeit tu und der Kontaktzeit
tk. Während der Umschlagzeit soll der Schwingkreis die Spannung auf den entgegengesetzten
Wert der Gleichspannung bringen, damit im Augenblick der Kontaktgabe der Schaltvorgang
möglichst leistungslos vor sich geht. Die nach dem neuen Verfahren mit einem Kontaktstromrichterrelais
erzielten Umformungsleistungen sind ein Vielfaches von denen nach dem alten Schaltverfahren.
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Die Resonanzfrequenz f, des Schwingkreises errechnet sich aus der
Frequenz f des Stromrichterrelais und dem Verhältnis v = i.: tk
= Umschlag- zu Kontaktzeit = Kontaktzeitgrad nach der Formel
Die Induktivität L wird aus der noch zulässigen Spannungsdifferenz d E im Augenblick
der Kontaktgabe und dem Belastungswiderstand R mit Hilfe der in Bild 2 angegebenen
Kurve
berechnet, wobei g = «)o -
ist. Aus d E ergibt sich eine der verlangten Last entsprechende Rechenwertgröße,
aus der sich die Induktivität dann zu
bestimmt.
R ist bekannt, ebenso co, = 2 Zc - f, aus
Gleichung (i). Die Kapazität errechnet sich dann aus
Ein so berechneter Wechselrichter schaltet bei Leerlauf spannungslos. Man hat es
nun in der Hand, bei Belastung die Spannungsdifferenz d E beliebig klein zu halten.
Je größer die Belastung, d. h. je kleiner R ist, um so kleiner muß man die Induktivität
L und um so größer muß man die Kapazität C machen.
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Es soll z. B. ein Wechselrichter für eine Leistung von N = 400 W bemessen
werden, der an einer Gleichspannungsquelle von E, = 220 Volt betrieben wird. Die
Frequenz des Wechselrichters seif = iioHz, das Verhältnis v von Umschlag- zu Kontaktzeit
= i : 3. Es wird zunächst die effektive Wechselspannung berechnet, die trapezförmig
angenommen wird.
Der Belastungswiderstand ist dann
Die Resonanzkreisfrequenz cuo bestimmt sich aus v und f nach Gleichung (i) zu
Fordert man nun, daß bei Vollast die Spannungsdifferenz d E den Wert von io Volt
nicht überschreiten soll, so ergibt sich aus d E : Eo = 0,0455 mit Hilfe von Fig.
2 ein Wert von
Daraus errechnet sich die Induktivität zu L = 46 mH.
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Die Kapazität C muß dann nach Gleichung (3) den Wert C = 23,4,uF haben.