Stromumformer mit bewegten Kontakten. Zur Umformung hoher Leistungen von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt sind heute meistens Ventilgleichrichter bezw. Ventilumrichter in Gebrauch, die mit einem Dauerlichtbogen arbeiten. Die Erfindung betrifft einen Stromumformer zum Gleich richten von mehrphasigem Wechselstrom oder zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom, der nicht mit einem Dauer lichtbogen arbeitet, sondern mit bewegten Kontakten, wodurch der Stromübergang im wesentlichen durch direkten leitenden Kon takt erfolgt, und die Gasentladung auf die Kommutierungsperiode beschränkt ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde; diese Gasentladung auf einen Mindestwert zu bringen und dadurch einen besonders ein fachen und betriebssicher arbeitenden Um former zu schaffen.
Die Stromunterbrechung in der abzu schaltenden Stromphase erfolgt zweckmässig erst beim, Stromnulldurchgang des Kommu- tierungsstromes dieser Phase, und ein Strom durchgang in umgekehrter Richtung, der bei den bekannten Ventilgleichrichtern von vorn herein ausgeschlossen ist, kann nur dann mit Sicherheit vermieden werden, wenn die beim Stromnulldurchgang des abzuschaltenden Stromes geschaffene Unterbrechungsstrecke eine genügend hohe Spannung zu tragen ver mag, um nicht wieder durchschlagen zu wer den.
Für jede Unterbrechungsvorrichtung ist ein von ihren Verhältnissen abhängiger Kon taktabstand angebbar, bei dessen Erreichung mit Bestimmtheit eine Wiederzündung der Unterbrechungsstrecke ausgeschlossen ist.
Eine Schwierigkeit entsteht dadurch, dass sich bei Belastungsschwankungen die zur Kommutierung erforderliche Zeit, das ist die Zeitspanne zwischen Schliessen des Kommu- tierungsstromkreises und Stromnulldurch- gang, verändert, und zwar mit zunehmender Belastung vergrössert. Die bei rotierenden Gleichrichter, bekannten, verhältnismässig trägen Regeleinrichtungen, welche die Kon takttrennung der abzuschaltenden Phase mit.
der Belastung veränderlich machen, sind nur dazu geeignet, den Gang des Gleichrichters verhältnismässig langsamen Belastungsände rungen anzupassen.
Dieser Nachteil wird erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass die Steuergeräte so eingestellt sind, class sie auf den der Strom unterbrechung vorangehenden abklingenden Teil der Stromkurve ansprechen, und dass die Eigenzeiten der Steuereinrichtung und der gesteuerten Schaltteile so klein sind, dass die Kontaktöffnung beginnt, bevor der ab klingende Kurventeil den Nullwert erreicht, und zwar so früh, dass spätestens im Null durchgang der zur sicheren Verhinderung des Stromdurcbganges in umgekehrter Rich tung erforderliche Kontaktabstand vorhan den ist.
Hierdurch wird ermöglicht, dass die Verstellung des t)ffnungsaugenblickes der Kontakte auch den innerhalb einer Strom- übertraglingsperiode sich vollziehenden Be lastungsänderungen augenblicklich folgt und so die (lasentladungen bei allen betriebs-. mässig vorkommenden Belastungen des Strom richters auf ein Minimum herabgedrückt werden.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung er läutert.
Fig. 1 stellt ein Diagramrn der Span nungen und der Ströme eines mehrphasigen Gleichrichters dar. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit l aufgetragen, auf der vertikalen Achse die Spannungswerte u und die Stromwerte 1 und i. Im Punkte A sind die Phasenspannungen u, und 2t" gleich gross. In diesem Augenblick erfolgt der Kurz- sehluss der beiden Phasen, indem der Kon takt geschlossen wird. Man kann natürlich nach Bedarf den Kontaktschluss knapp vor oder nach Erreichen der Spannungsgleichheit vornehmen, um dadurch in an sich bekannter Weise den Strom zu regeln.
Der in der Phase 1 fliessende Strom sei i,. Dieser Strom nimmt nun in der Kommutierungszeit k, bis auf den Wert Null ab. In der gleichen Zeit steigt der Strom der Phase 2 vom Werte Null auf den vollen Wert i., an.
Grösse und Verlauf des Kommutierungs- stromes, die für die Dauer der Kommutie- rungszeit massgebend sind, sind bereits in dem Augenblick messbar, wo der Kommutie- rungsstromkreis geschlossen wird. Man kann daher eine rechtzeitige Steuerung der Kon taktbewegung vorsehen, vorausgesetzt, dass die Steuereinrichtung entsprechend schnell arbeitet.
Will man für die Steuerung der Kontaktbewegung etwas mehr Zeit gewin nen, dann kann man die Steuereinrichtung auch allein in Abhängigkeit von der Grösse des vor der Kommutierungsperiode vorhan denen Belastungsstromes beeinflussen lassen.
Bei Steuerung durch den Kommutie- rungsstrom jedoch kann man insbesondere dessen Änderungsgeschwindigkeit als Mittel zur Bestimmung des Offnungsaugenblickes der Kontakte verwenden. -.Man kann zum Beispiel eine Drossel anwenden, bei welcher die induzierte Spannung der Änderungs- geschwindigkeit des Kommutierungsstromes proportional ist.
Bei einer Drossel mit Eisen kern kann man den Sättigungseffekt aus nützen, der je nach Grösse und Verlauf des Kommutierungftromes die charakteristisohe Unstetigkeit bald früher und bald später er zeugt. Hierdurch kann man einen ausgepräg ten Steuerimpuls für die Kontaktbewegung erzeugen.
Die Trennung der Kontakte in der abzu schaltenden Phase 1 erfolgt n2 Sekunden vor dem Stromnulldurchgang des Kommutie- rungsstromes im Zeitpunkt B. Die Zeit m ist gerade so gross gewählt, dass der Kontakt der abzuschaltenden Phase in dieser Zeit jenen Abstand erreicht, bei dem eine Lichtbogen löschung stattfindet und ein Stromdurchgang in umgekehrter Richtung mit Sicherheit ver hindert ist. Der hinter dem ablaufenden Kontakt gezogene Lichtbogen wird also nur auf die kleinstmögliche Länge gebracht.
Wenn nun die Belastung vom Werte i auf den Wert 7 steigt; dann würde ohne An wendung von Steuergeräten der Strom J, der abzuschaltenden Phase erst in der Zeit lc. seinen Nullwert erreichen und in der glei chen Zeit der Strom in der Phase 2 auf sei nen vollen Wert J2 ansteigen. Die Kommu- tierungszeit würde sich also vom Werte 1c1 auf den Wert k., verlängern. Durch die selbsttätige Kontaktsteuerung wird nun die Kontakttrennung auf den Zeitpunkt C ver legt.
Der Zeitunterschied zwischen B und C ist so gross, dass die Kontakttrennung wieder wie in dem früher geschilderten Fall klei nerer Belastung erst m Sekunden vor dem Nulldurchgang des Stromes J1 der abzuschal tenden Phase stattfindet und mithin wieder gerade nur die zur Unterbrechung erforder liche Strecke von dem Kontakt zurückgelegt werden kann. Der Lichtbogen wird hierbei nicht auf eine unnötig grosse Länge gebracht, sondern er behält seine Mindestlänge bei.
In der Fig. 2 ist ein Schaltungsschema des Stromumformers dargestellt. Aus dem Drehstromnetz U, Z', W wird ein Transfor mator 1 gespeist. Die Ströme der drei sekun dären Phasen sind über die Schalteinrichtun gen 2, 3, 4 geführt, die nach Art der be kannten Schnellschalter ausgebildet sein kön nen. Diese Schalteinrichtungen werden so gesteuert, dass der Sekundärwicklung des Transformators ein gleichgerichteter Strom entnommen wird, der den Verbraucher 5 speist.
Die Öffnungsbewegung der Schalt einrichtungen 2, 3, 4 erfolgt mit Hilfe von elektromagnetischen Kupplungen 6 und einer rasch umlaufenden Masse, die von einer Nette 7 gebildet wird, die über die zwei Rollen 8, 9 läuft und von einem Motor 10 angetrie ben -,vird. Dieser Antrieb der Schalteinrich tungen hat den Zweck, eine möglichst starke Beschleunigung der Ausschaltbewegung zu erzielen.
Die Steuerung der elektromagnetischen Kupplungen 6 erfolgt über Relais 11, denen Impulse für das Ausschalten der Schaltein richtungen durch die Drosselspulen 12 uAd Impulse für das Einschalten der Schaltein richtungen durch eine synchron mit der um zurichtenden Wechselspannung betätigte Steuereinrichtung 13 erteilt werden. Die Magnetwicklungen der Kupplungen sind mit 14 bezeichnet. 15 sind die Schliessfedern der Schalteinrichtungen, 16 sind Gleichstrombat terien, 1 7 sind die Eisenkerne der Drossel spulen, welche zweckmässigerweise vormag netisiert sind und so bemessen sind, dass sie sich bei vollem Strom magnetisch sättigen.
In der dargestellten Lage wird die Gleich strombelastung 5 aus der Phase u gespeist. Die Magnetkupplung des Schalters 2 ist da bei unerregt, so dass dieser Schalter durch seine Schliessfeder 15 geschlossen gehalten wird. Die Magnete der Schalter 3 und 4 sind dagegen erregt und werden durch die in der Richtung der Pfeile 18 sich bewegende Kette, die sich zwischen den Schenkeln des Magnetes hindurchbewegt, mitgenommen. Die Schalter werden dadurch gegen die Kraft der Schliessfedern offengehalten.
Einen Augenblick später, nämlich sobald die Phasenspannung der Phase u auf dem absteigenden Ast der Wechselstromhalbwelle denselben Wert erreicht hat wie die Span nung der Phase w, gibt die Steuereinrichtung 13 der Schalteinrichtung 4 den Einschalt impuls. Dadurch wird über das Relais 11 die Spule 14 der Schalteinrichtung 4 entregt und die Schliessfeder 15 schliesst den Schal ter 4. Nun ist ein Kurzschlusskreis herge stellt, der von den Phasen u und<I>w</I> über dic Schalter 2 und 4 verläuft.
Nach Massgabe des Abklingens des Kurzschlussstromes in diesem Kommutierungsstromkreis wird durch die Drossel 12 der Phase u der Ausschalte impuls für die Schalteinrichtung 2 ausgelöst. Dieser Ausschaltimpuls bewirkt mit Hilfe des Relais 11 die momentane Erregung der Spule 14 des Schalters 2.
Die den Augenblick der Kontakttrennung steuernde Einrichtung soll eine so geringe Eigenzeit besitzen, dass die Verstellung in nerhalb der Kommutierungszeit erfolgen kann, das ist in einer Zeit von der Grössen ordnung einer Tausendstelsekunde unter Vor aussetzung normaler Verhältnisse (.50perio- diger Wechselstrom).
Um sehr geringe Ei genzeiten zu erzielen, soll die bewegte Masse der Verstelleinrichtung so gering wie mög lich, die sie beschleunigende Kraft dagegen sehr hoch gemacht werden und der erforder liche Verstellweg soll möglichst klein ge macht werden, etwa dadurch, dass man die Unterbrechungseinrichtung in einem gasför migen Medium von hoher Durchschlagsfestig keit und hohem Druck arbeiten lässt und durch entsprechende Löscheinrichtungen für eine sehr schnelle Säuberung der Unterbre chungsstrecke von den Ladungsträgern Sorge trägt.
Die Verstärkung des Steuerimpulses zu der für die Kontaktbewegung erforder lichen Kraft muss dabei ebenfalls möglichst trägheitslos erfolgen, beispielsweise durch Verstärkerröhren und ähnliche masselose Relais.
Durch die lebendige Kraft der umlaufen den Masse 7, die im Verhältnis zur Masse der Schalteinrichtung entsprechend hoch ge wählt sein muss, wird der Kontakt der Schalt einrichtung 2 sehr schnell aufgerissen, so bald infolge der Erregung der Spule 14 die magnetische Kupplung hergestellt ist. Die Beschleunigung dieser öffnungsbewegung ist so gross, dass die Kontakte in der sehr kur zen Zeit von etwa einer Tausendstelsekunde um die zur Unterbrechung erforderliche Strecke getrennt werden. Sie erreicht die volle Unterbrechungsdistanz in dem Augen blick, wo der Strom der zu unterbrechenden Phase gerade durch seinen Nullwert hin durchgeht. Der zwischen den Kontakten sich bildende Lichtbogen wird daher mit Mindest länge gelöscht.
Entsprechende Löscheinrich tungen an den Kontakten können vorgesehen werden. Sie sind in der Zeichnung weg gelassen.
Es ist besonders empfehlenswert, eine in den Hauptstromkreis eingeschaltete Drossel in Verbindung mit einer Schalteinrichtung für die Stromumformerkontakte anzuwenden, wobei die gegebenenfalls vormagnetisierte Drossel so ausgelegt ist, dass hie bereits bei einem sehr geringen Stromwert ihren 'Sätti gungszustand erreicht und damit plötzlich einen hohen Widerstandswert annimmt, wo bei die Steuerung der Kontaktbewegung so auf die Arbeitsweise der Drossel abgestimmt ist,
dass die Schalteinrichtung die Kontakt- trennurig hei allen betriebsmässig vorkom menden Belastungen möglichst am Beginn der Wirkungszeit der Drossel bewirkt und der zur sicheren Verhinderung des Strom durchganges in umgekehrter Richtung erfor derliche Kontaktabstand zwar nicht gerade genau im Augenblick des Stromnulldurch- ganges vorhanden zu sein braucht, aber spä testens zu dem Zeitpunkt erreicht ist, in dem der Augenblickswert des Stromes den Sätti gungswert der Drosselspule wieder erreicht.
Ein so ausgerüsteter Umformer wird bei allen betriebsmässig vorkommenden Belastun gen ungeachtet der dadurch bedingten zeit lichen Verschiebung der Stromnulldurch- gänge die stromvermindernde Wirkung der sich sättigenden Drosselspule für die Kom- mutierung ausnutzen, so dass er stets mit be sonders geringen Entladungserscheinungen arbeitet.
Die in den Hauptstromkreis ein geschaltete Drosselspule kann hierbei selber die zweite Funktion ausüben, nämlich die Kontaktbewegung nach Massgabe des jewei ligen Kommutierungsstromes zusteuern. Man kann für diese Steuerung jedoch auch eine im Nebenschluss zum Hauptstrom liegende besondere Drossel verwenden.
Zur Vorausbestimmung und Veränderung des zur Sättigung der Eisendrosseln notwen digen Stromwerte kann man die Drosseln mit Gleichstrom oder mit synchron zum Takte der Schaltbewegung verlaufendem Wechselstrom vormagnetisieren.
Werden in den Hauptstromkreis eisen gesättigte, entsprechend vormagnetisierte Drosselspulen eingeschaltet; dann verläuft der Kommutierungsstrom nach den Kurven J' bezw. i', das heisst, es entsteht eine sich vor dem Stromnulldurchgang erstreckende Stromstufe, in welcher das Drosseleisen un gesättigt ist, wodurch der Strom schon friz- her einen sehr geringen Wert annimmt und ihn bis zum Stromnulldurchgang beibehält.
Es ist nun möglich, die in den Hauptstrom kreis eingeschaltete Drossel und die Schalt einrichtung für die Umformerkontakte so aufeinander abzustimmen, dass die Kontakt trennungspunkte B bezw. C möglichst am Beginn der Wirkungszeit der Drossel liegen, wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist. In die sem Falle wird der Stromkreis mit einem nur sehr geringfügigen Lichtbogen unterbro chen, und zwar bei allen betriebsmässig vor kommenden Belastungsstromstärken, da sich sowohl der Wirkungsbereich der Drossel spule wie auch die Kontakttrennung völlig selbsttätig der sich ändernden Kommutie- rimgszeit anpasst.
Die den Augenblick der Kontakttrennung in Abhängigkeit von der Belastung beein flussende Einrichtung kann entweder dem bewegten Kontakt seine Schaltbewegung er teilen oder dem feststehenden Gegenkontakt eine zusätzliche Schaltbewegung, die sich der eigentlichen Schaltbewegung überlagert. Man kann beispielsweise bei einem Umformer mit hin- und hergehender Kontaktbewegung den Steuerimpuls zur Erzeugung der hin- und hergehenden Bewegung benutzen. Man kann anderseits bei einem Umformer mit rotieren dem Kontakt dem nicht rotierenden Gegen kontakt die zusätzliche Steuerbewegung er teilen, so dass sich der kontinuierlichen Ro tationsbewegung eine für jede Halbwelle be sonders gesteuerte zusätzliche Kontaktbewe gung überlagert.
Man kann die von der Be lastung abhängige Kontaktbewegung durch Zündung eines explosiblen Gemisches herbei führen oder durch kurzzeitige Kupplung des Kontaktes mit einer schnell bewegten, z. B. rotierenden Masse.
Die Schalteinrichtungen können auch nach Art von Schnellschaltern gebaut sein, die ihre Öffnungsbewegung unter der Wir kung von starken Federn ausführen, sobald. ein Schliessmagnet entmagnetisiert wird. Auch mit dieser an sich bekannten Konstruk tion lassen sich sehr hohe Öffnungsgeschwin- digkeiten erzielen, die für die Erzielung ge ringer Eigenzeiten der gesteuerten Schalt teile wesentlich sind.