Kontaktumformer für grosse Leistungen mit Mitteln zu einer Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer. Man kann Kontaktumformer für grosse Leistungen bauen, wenn man Mittel zur Ent lastung der Kontakte von Schaltfeuer vor sieht. Derartige Mittel sind Schaltdrosseln, die man entweder unmittelbar, also gleich- stromseitig, oder mittelbar, nämlich auf der Seite des Wechselstromnetzes (vergl. schwei zerisches Patent Nr. 221450), in Reihe mit den periodisch betätigten Kontakten schaltet.
Man kann auch auf der Seite des Wechsel stromnetzes Schaltelemente mit gesteuerter Stromdurchlassrichtung, insbesondere Ent ladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurch- lassrichtung, anordnen (vergl. schweizerisches Patent Nr. 211722). Auch saugdrosselähn- liche Transformatoren (vergl. schweizerisches Patent Nr. 225052) bewirken eine Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer.
Alle diese Mittel bewirken eine derartige Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer; dass die Kon takte nur noch einen geringfügigen Magne- tisierungsstram zu schalten haben. Bei gleichstromseitiger Lage der eben erwähnten Schaltmittel haben die Kontakte nur den Magnetisierungsstrom dieser Schaltmittel zu bewältigen.
Liegen die Mittel zur Entlastung der Kontakte von Schaltfeuer auf der Seite des Wechselstromnetzes, so haben die Kon takte den Magnetisierungsstrom des Haupt umspanners zu schalten; durch Wahl eines hochwertigen ferromagnetischen Materials gelingt es, den Magnetisierungsstrom des Hauptumspanners so klein zu halten, dass die gewünschte Entlastung der Kontakte erreicht ist. Wegen der Hystereseerscheinungen gibt man den Kernen von Schaltdrosseln und/oder Umspannern eine derartige Vorerregung, dass der zu schaltende Strom einen möglichst klei nen Wert annimmt.
Bisher war man bei Kontaktumformern vorherrschende Schaltung die dreiphasige Brückenschaltung. Hierbei ergibt sich diP Schwierigkeit, dass eine Vorerregung im Augenblick des Einschaltens gleichzeitig eine Vorerregung im Augenblick des Ausschaltens zur Folge hat, die unter Umständen, insbe sondere bei grossen Leistungen, unerwünscht ist.
In Fig. 1 der Zeichnung bedeuten bei spielsweise u, <I>v, .w</I> die drei positiven Phasen ströme eines Gleichrichters in dreiphasiger Brückenschaltung und u', v', w' die zugehöri gen negativen Stromwellen. Wird beispiels weise eine Vorerregung der Drossel der Phase v im Augenblick des Einschaltens t1 durch den Strom der Phase u gewünscht, so kann man letztere mit einer Windung durch die Drossel der Phase v führen.
Damit erhält aber die Phase v gleichzeitig im Ausschalt zeitpunkt t2 eine Vorerregung in entgegen gesetzter Richtung durch den Strom u'.
Erfindungsgemäss kann man diese Schwie rigkeit dadurch überwinden, dass Brücken schaltung mit mindestens vier Phasen vor gesehen ist, und dass die Kerne ausser einer lastunabhängigen Vorerregung eine derartige Vorerregung durch den Laststrom erhalten, dass jeweils im Einschaltaugenblick die Kerne durch den Strom einer andern Phase in Rich tung des jeweils entstehenden Laststromes vorerregt sind.
In Fig. 2 der Zeichnung sind beispiels weise die positiven Ströme 1 ...6 und die negativen Stromwellen 1'. .. 6' der sechs Phasen einer sechsphasigen Brückenschaltung dargestellt. Wird in diesem Fall eine Vor erregung der Phase 2 durch den Strom der Phase 1 im Augenblick des Einschaltens t, gewünscht, so führt man beispielsweise den Phasenstrom 1 mit einer Windung durch die Drossel 2. Da der Strom 1' erst im Augen blick t, zu fliessen beginnt, bleibt die Drossel 2 im Augenblick des Ausschaltens t.. frei von unerwünschter Vorerregung durch den Last strom.
Durch die Anwendung von Brückenschal tungen mit mindestens vier Phasen wird also die Möglichkeit geschaffen, Drosseln oder Umspanner mit dem Hauptstrom getrennt für Ein- und Ausschaltzeitpunkt vorzu- erregen. Eine solche Vorerregung mit dem Hauptstrom hat, wenn sie in richtiger Weise bemessen wird, eine Reihe von Vorteilen. In Fig. 3 ist der Verlauf des Stromes I einer Phase dargestellt.
Durch die Wirkung der Schaltdrosseln oder auch des Umspanners in Verbindung mit den auf der Seite des \Vech- selstromnetzes angeordneten entlastenden Mitteln, wird der Stromverlauf nach dem Nulldurchbang t, a.bgefla.cht. Infolge der Koerzitivkraft des Eisens liegt der abge flachte Teil der Stromkurve unter der Null- linie. Es ist bekannt, ihn durch eine feste vom Laststrom unabhängige Vorerregung über die Nullinie zu heben, wie es die Kurve 1 andeutet.
Insbesondere wählt man die feste Vorerre-,un- mit Rücksicht auf die Sicherheit des Betriebes im Leerlauf, wo die Ausschaltung erst spät, zum Beispiel im Zeitpunkt t- erfolgt, so gross, dass auch nacb dem Zeitpunkt t_ der Strom 1 noch im Posi tiven verläuft.
Dies hat insbesondere bei weniger hochwertigem Material für Schalt drosseln oder Umspanner zur Folge, dass bei Höchstlast, wo der Kontakt am Anfang t, der Stromabflaehunz öffnet, verhä.ltnismässil- grossen Strom, zum Beispiel den Strom di, zu unterbrechen hat.
Um dies zu verhindern, kann eine lastabhängige Vorerregung von sol eher Stärke und Richtung An-,vendung fin den, da.ss bei Betrieb mit Höchstlast der Strom nach der Kurve \? verläuft, d. h. dass beispielsweise nur das erste Drittel der Stromabflaahnn-,, oberhalb der Nullinie liegt.
Durch :diese Vorerre@guno ist erreicht, dass der Kontakt bei Höchstlast nur noch etwa 4i,13 zu schalten bat, während nach wie vor bei Leerlauf, wo die Wirkung der Vorerregung durch den Laststrom nicht vorhanden ist, der hinter t, liegende Teil der Stromabflachung oberhalb der Nullinie liegt.
Bei Umformern kleiner Leistung wird man diese Vorerregung mit einer oder mehr Windungen ausführen, bei Umformern sehr grosser Leistung ist bereits eine NVindung zu viel, man kann hier durch Zwischenschalten eines Stromwandlers die Vorerregung auf gewünschte kleine Werte bringen.
Wie schon erwähnt, ist die beschriebene Vorerregung im Augenblick des Ausschal- tens bei Brückenschaltungen mit genügend hoher Phasenzahl im Augenblick des Ein schaltens unwirksam, desgleichen für Stern punktschaltungen geringer Phasenzahl, zum Beispiel drei.
Würde, wie zum Beispiel bei dreiphasiger Brückenschaltung, mit der be schriebenen Vorerregung im AusschaItaugen- blick eine Vorerregung entgegengesetzter Richtung im Einschaltaugenblick verbunden sein, so würde die Drossel (bezw. die be- treffendeUmspannerphase), in diesemAugen- blick entgegengesetzt der Laststromrichtung vorerregt werden.
Dies würde eine Verzöge rung der Kommutierung bedeuten und würde die gewünschte Wirkung der Vorerregung beim Ausschalten zum Teil wieder aufheben.
Im Augenblick des Einschaltens einer Phase ist eine Vorerregung der Schaltdrossel in Richtung des entstehenden Stromes, welche einen Stromverlauf gemäss Kurve 3 zur Folge hat, erwünscht. Insbesondere bei weniger hochwertigem Material, bei dem das Sättigungsknie nicht sehr scharf ausgeprägt ist, ist eine hohe Vorerregung im Einschalt augenblick wünschenswert, um Spannungs abfall zu vermeiden und um den Leistungs faktor hochzuhalten.
Der Spannungsabfall eines Gleichrichters, herrührend von der schleichenden Sättigung des Eisens der Sehalt drosseln, ist (vergl. Elektrotechnik und Ma schinenbau 60 A9421, S. 189<B>ff.,</B> insbesondere Formel 4) <I>du = n . f . w .
q .</I> 10-$ (BI- BEiv) Dabei ist 7a die Zahl der Kommutierungsvor- gänge je Periode,<I>f</I> die Frequenz, ,w die Win- dungszahl und q der Eisenquerschnitt der Drosseln, BI die Magnetisierung der Schalt drosseln beim Nennstrom, Bni" die Magneti- sierung der Schaltdrosseln im Einschalt augenblick.
In Fig. 4 ist der grundsätzliche Verlauf der Magnetisierung des Schaltdrosseleisens abhängig von der Erregung aufgetragen. Bei einer verhältnismässig kleinen Erregung aw, wird eine Magnetisierung B, erreicht, die nur bei sehr hochwertigem Material, zum Beispiel Nickeleisen, nahe der Sättigungsmagnetisie- rung BI liegt. Bei weniger. hochwertigem Ma terial, z. B. Siliziumeisen, ist die Differenz.
BE--B, noch verhältnismässig gross. 'ird ein solches Material durch eine feste Vor erregung von der Grösse awl vorerregt, so wird Brin = B,, und es tritt ein BI B, pro portionaler induktiver Spannungsabfall auf, der den Leistungsfaktor verringert. Eine Er höhung der festen Vorerregung auf einen Wert aw, würde unter anderem einen zu gro ssen Aufwand erfordern.
Dagegen ist es leicht möglich, durch eine Windung des Haupt stromes wenigstens bei Vollast, wo Span nungsabfall und Leistungsfaktor am meisten interessieren, einen Wert awz zu erreichen. Hierbei rückt die zugehörige Magnetisierung BZ bereits sehr nahe an BI, so dass Spannungs abfall und Leistungsfaktor erheblich verbes sert werden.
Würde man diese Vorerregung bei einer dreiphasigen Brückenschaltung an wenden, so würde sie gleichzeitig im Augen blick des Ausschaltens die betreffende Dros sel vorerregen, und dabei die Stromabfla chung in so starkem Masse beeinflussen, dass ein lichtbogenfreies Ausschalten in vielen Fällen unmöglich gemacht würde.
Wendet man jedoch nach der Erfindung die lastab- hängigeVorerregung für Brückenschaltungen mit einer Phasenzahl höher als drei an, so kann man für Ein- und Ausschalten ge trennte Vorerregungen vorsehen, welche sich gegenseitig nicht beeinflussen und daher für Ein- und Ausschaltzeitpunkt getrennt' auf günstigste Werte eingeregelt werden können.
Die beschriebene Vorerregung beim Ein schalten hat noch den weiteren Vorteil, dass die erforderliche Stufenlänge der SchaItdros- seln durch sie verringert wird. Für letztere gilt die Gleichung (vergl. Elektrotechnik und Maschinenbau 59 [1941], S. 253fF., insbeson- dere Formel<B>25</B> und 10):
EMI0003.0085
8 ist vielfach sehr klein, so dass in solchen Fällen nur 1-y im Nenner steht. Im übrigen bedeutet BEinro die Einschaltmagnetisierung bei Leerlauf und BEini diejenige bei Vollast. Wenn letztere durch eine lastabhängige Vor erregung erhöht wird, so wird d negativ und dadurch die erforderliche Stufenlänge '(Stromabflachung 4t,) vermindert.
Die lastabhängige Vorerregung beim Ein schalten kann von besonderer Bedeutung bei mechanischen Wechselrichtern sein, und zwar in der Weise, dass bei Betrieb bei Nennlast die Drosseln im Einsehaltaugenbliek wenig gesättigt sind, so dass zur Kommutierung des Stromes gerade nur noch die notwendige Kommutierungsspannung übrig bleibt und daher der Leistungsfaktor gross ist;
bei plötz lichen Überlastungen, bei denen zur Vermei dung von Trittgrenzüberschreitungen ein grösseres Kommutierungsspannungsintegral erforderlich ist, wird die Magnetisierung der Schaltdrossel im Einschaltaugenblick selbst tätig verstärkt.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, soge- nannte Einschaltdrosseln zur Verhinderung des Einschaltfeuers an den Kontakten mit den Hauptschaltdrosseln zusammen zu wik- keln. Bei der Anwendung der vorstehend be schriebenen lastabhängigen Vorerregung der Hauptdrosseln im Augenblick des Einschal tens sind Mittel vorzusehen, dass diese Vor erregung nicht die Einsahalteisenkerne mit umfasst. Zu diesem Zweck kann es vorteil haft sein, die Einschaltdrosseln wieder von der Hauptschaltdrossel zu trennen.
Ander seits ist es unter Umständen von Vorteil, ins besondere bei weniger hochwertigem Mate rial für die Einschaltdrossel, diese im Aus schaltzeitpunkt durch eine lastabhängige Vor- erregung direkt oder über Stromwandler, stark zu sättigen. Diese Vorerregung muss im Einschaltzeitpunkt unwirksam sein, wie dies leicht zu erreichen ist, wenn nach der Erfindung Brückenschaltung mit genügend hoher Phasenzahl Anwendung findet.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es zweckmässig, dass ausser der lastunabhängigen Vorerregung und ausser der Vorerregung durch den Laststrom im Einschaltaugenblick eine weitereVorerregung im Aussehaltaugenblich vorhanden ist, die vom Laststrom in dem Sinne abhängt, dass sie mit wachsender Belastung in Richtung des Laststromes zunimmt. 3lan erreicht da durch, dass die Grösse des zu unterbrechenden Stromes, die ohne die lastabhängige Vor erregung im Ausschaltaugenblick mit wach sender Belastung zunehmen würde, sich praktisch nicht ändert.