CH229051A - Elektrischer Kontaktumformer. - Google Patents

Description

      Elektriselier    Kontaktumformer.    Bei den bekannten     Stromumformungs-          einrichtungen        (Einankerumformer,    mechani  schem Kontaktumformer, Ventilgleichrichter)  wird gewöhnlich ein     Mehrphasenwechsel-          stromnetz        mit    einem     Gleichstromnetz    oder  mit einem Wechselstromnetz anderer Fre  quenz gekuppelt.

   Weisen die Augenblicks  werte der Spannungen der beiden     gekuppel-          ten    Netze in zueinander gehörenden Phasen  vergleichsweise die gleichen Werte auf, so  werden diese zugehörigen Phasen miteinander  verbunden, und es findet eine Energieüber  tragung in der einen oder andern Richtung  statt.

   Fällt zum Beispiel die Spannung der       einen    Phase des     Mehrphasen-Wechselstrom-          netzes    nach Überschreitung ihres Höchstwer  tes ab, so wird - bevor diese Phase nicht  mehr     in    der Lage ist, die Energieübertragung  zu übernehmen - die folgende Phase zuge  schaltet, und zwar ganz allgemein derart, dass  der zwischen den beiden Phasen entstehende       "Kurzschlussstrom"    entgegengesetzte Rich-         tung    hat wie der Strom der abzuschaltenden  Phase;

   dies bewirkt, dass der Strom dieser  Phase     schnell    absinkt, ebenso     schnell    steigt  der Strom in der zuzuschaltenden Phase an  (siehe     Fig.    1).  



  Aus     Fig.    2 erkennt man, dass diese Be  dingung bei Energieübertragung in Richtung  von einem Drehstrom- zu einem Gleichstrom  netz nur erfüllt ist rechts vom Schnittpunkt  der Spannung     u,    mit     u2        (Gleichrichterbetrieb).     Will man die Energieübertragung umkehren,  so erhält man Verhältnisse, wie sie in den       Fig.    3 und 4 angedeutet sind.

   Damit     il    ver  schwinden kann, muss     ik    den umgekehrten  Verlauf aufweisen, d. h. ein Betrieb ist nur  möglich links von dem Punkte, in dem       u,_   <I>=</I>     u.,    ist     (Wechselrichterbetrieb).    Daraus  folgt, dass es im allgemeinen nicht ohne wei  teres möglich ist, vom Gleichrichter- in den       Wechselrichterbetrieb        überzugehen;    ferner  benötigt der Wechselrichter bekanntlich sehr  grosse     kapazitive    Blindlast aus dem Netz.      Man hat verschiedentlich versucht, diesen  Nachteil zu beseitigen, ohne jedoch bis heute  eine wirtschaftliche Lösung gefunden zu  haben.

   Weiter erkennt man, dass insbesondere  der     Wechselrichter    auch sehr empfindlich  gegen Spannungsabsenkungen im Wechsel  stromnetz     ist,    da bei zu kleiner     Spannung     eine regelrechte Kommutation nicht mehr  möglich ist. Dieser Nachteil kann nur ver  mieden werden durch noch frühere Phasen  ablösung, also durch Zuschalten der Folge  phase jeweils zu einem Zeitpunkt, der noch  weiter links von dem Punkt     ac,   <I>=</I>     u=    liegt,  was noch grösseren     Blindstrombedarf    ergibt.  



  Diese Nachteile werden nach der Erfin  dung dadurch vermieden, dass das Absinken  des Stromes nicht mehr oder nicht nur durch  den     Kurzschlussstrom        ii,    bewirkt wird, wel  cher als Folge einer richtig gewählten Span  nungsdifferenz zwischen     u,    und     e4.    entsteht,  sondern dass in die abzuschaltende Phase  periodisch jedesmal vor einer Stromunterbre  chung ein den Widerstandswert des     Kommu-          tierungskreises    erhöhender veränderlicher Wi  derstand, dessen Höchstbetrag mindestens die  Grössenordnung der im     Kommutierungskreise     wirksamen Blindwiderstände hat,

   mit wach  senden Werten     eingeschaltet    und derart ge  steuert wird, dass er seinen Endwert erst un  mittelbar vor der Unterbrechung erreicht.  



  An Hand der     Fig.    5 und 6 soll die Er  findung näher erläutert werden.     Fig.    5 zeigt  ein Schaltschema zur Verdeutlichung des  Grundgedankens und in     Fig.    6 sind Einzel  heiten einer bevorzugten Ausführungsform  schematisch angegeben.  



  Der synchron zuzuschaltende Widerstand  kann überwiegend     Ohmscher    Widerstand sein,  damit die Phasenverschiebung zwischen Strom       und    Spannung im Unterbrechungsaugenblick  möglichst gering ist.  



  In     Fig.    5 ist angedeutet, dass in Phase 1  der Widerstand     r    bereits     teilweise    eingeschal  tet ist, während Phase 2 keinen Widerstand  enthält. Es wird somit, und zwar in gewis  sem Grade unabhängig davon, ob das Kurz  schliessen links oder rechts von     u1   <I>=</I>     u-.    statt  findet, der Strom in Phase 1 abnehmen, und    zwar je nach     Wahl    von r auf beliebig kleine  Werte.  



  Es kann zweckmässig sein, den Schaltvor  gang sowohl bei Wechsel- als auch bei       Gleichrichterbetrieb    ungefähr symmetrisch zu  dem Zeitpunkt zu legen, in welchem     2c,    =     -s_     ist. In diesem Fall ergeben sich im allgemei  nen die kleinsten Verluste.  



  Eine weitere Massnahme besteht darin,  das Einfügen des Widerstandes sehr     schnell_     durchzuführen, zum     Beispiel    in etwa 1 ms  oder weniger, dadurch können die Verluste  auf etwa<B>1.00'</B> oder weniger der Gleichstrom  leistung reduziert     -werden.    Eine Anordnung,  um dies zu erreichen, ist in     Fig.    6 dargestellt.  Es bedeuten     r,    und     r;;    zwei Widerstände, auf  denen sich wiegenförmige Gegenkontakte     1, ,     und     k@    abwälzen.

   Diese werden     angepresst     durch Federn f, und     f,.,    und synchron bewegt  durch Gestänge     g,    und befindet sich  in einer Mittelstellung, k.. in der     Anfa,ngSstel-          lung.    Der Strom     i.,    -wird ganz unterbrochen,  wenn     k,    sich vom Endkontakt<I>b,</I> abhebt und  sich auf     das    Isolierstück c, setzt.

   Zwischen  den Kontakten<I>b,,</I>     b,    einerseits und den Wie  gen<I>k,,</I>     k.    anderseits ordnet man möglicher  weise jeweils einen Parallelpfad     rr,,        nan,    be  stehend aus Kapazität oder     Ohmschen    Wi  derstand oder     einer    Kombination der beiden.  



  Das Einschalten kann     ebenfalls    über die  Widerstände     r    erfolgen. Es kann aber zur  Verringerung der Verluste und zur schnelle  ren Übernahme der Last in der Folgephase  zweckmässig sein, direkt, d. h. ohne Wider  stand,einzuschalten. Dies kann zum Beispiel  in der Weise geschehen, dass das Segment     /c,     zunächst durch eine bewegliche und ebenfalls  synchron gesteuerte     Isolierleiste    abgehoben  wird, sich auf dieser zurück-wälzt und dann  im richtigen Schaltmoment auf den ruhenden  Anfangskontakt     ca,    aufgesetzt     -wird,    indem  sich die Isolierleiste -wieder zurückbewegt.

    Zur unmittelbaren     Zuschaltung    der Folge  phase kann jedoch auch eine vorzugsweise  mit     Abhebekontakten    ausgerüstete Kontakt  einrichtung e,     bezw.        e,    dienen, von der auch  die Stromführung während der     Hauptüber-          tragungsperiode        jedesmal    übernommen wer-      den kann. Beim     Abschaltvorgang    wird diese  zusätzliche     Kontakteinrichtung    jedesmal zu  erst geöffnet, bevor die Einfügung des Ab  schaltwiderstandes beginnt.  



  Zum Antrieb der Kontakte     e1        bezw.        e_.     kann beispielsweise eine Welle     w    dienen, die  von einem in der Zeichnung nicht dargestell  ten, synchron mit der Wechselspannung lau  fenden Antriebsmotor angetrieben wird und  mit Nocken, Exzentern oder dergleichen ver  sehen ist, die über     abgefederte    Zwischen  stössel     s,        bezw.        s,    die bewegten Kontaktstücke  entgegen einer Federkraft periodisch anhebt.  Beim Zurückgehen der Stössel werden die be  wegten Kontaktstücke durch die erwähnte  Federkraft fest auf     gepresst.     



  In Reihe mit dem Unterbrechungskontakt  kann ferner eine weitere Trennstelle ange  ordnet sein, die sich später öffnet und früher  schliesst als der Unterbrechungskontakt. Diese  zusätzliche Trennstelle dient dazu, die Sicher  heit gegen Rückzündungen während der  Sperrzeit zu erhöhen.  



  Ordnet man die Widerstände in Luft an,  so ist es zweckmässig, den     Spannungsabfall-          zwischen    zwei Stufen in die Grössenordnung  der     Ionisierungsspannung    der Kontaktmate  rialien zu legen (etwa 8<B>...</B> 10 V), da dann  kein Lichtbogen auftritt.  



  Um die     Endabschaltung    ebenfalls licht  bogenfrei zu machen, ist es zweckmässig, den  Widerstand so zu wählen, dass er bei der be  treffenden treibenden     Spannung    den Strom  unter den sogenannten     Grenzstrom    des Kon  taktwerkstoffes absenkt. Unter Grenzstrom  versteht man denjenigen durch Versuche fest  stellbaren Stromwert, unterhalb dessen ein  stabiler Lichtbogen nicht bestehen kann,  selbst wenn die Kontaktentfernung     unend-          lieh    klein und die treibende     Spannung    sehr  gross ist.

   Der     Grenzstromwert    liegt bei       Ag-Kontakten    etwa bei     0';9   <B>...</B> 1     Amp.        Da3     Schalten wird erleichtert, wenn man Wider  standsmaterial mit grossem positivem Tempe  raturkoeffizienten, zum Beispiel reines Eisen,  Wolfram und dergleichen, anwendet.  



  Man kann     ntürlich    auch jedes andere ge  eignete Material verwenden, insbesondere    stetig veränderliche Widerstände in Form von  Kohle-,     Silitstäben,        Kohledrucksäulen    mit  synchron gesteuerter Druckkraft und derglei  chen oder auch Flüssigkeitswiderstände.  



  Bei der Anordnung nach     Fig.    6 kann es  zweckmässig sein, die Kontaktbahn in ein  besonders geeignetes Medium zu legen, zum  Beispiel     Pressgas,    isolierende Flüssigkeit  oder auch in Vakuum. In letzterem Fall ist  eine     Lichtbogenbildung    weitgehend verhin  dert, und es kann der Widerstand unter Um  ständen in einer Stufe eingeschaltet werden.  



  Die geschilderte Anordnung eignet sich  vor allem für mechanische Umformer. Die       Widerstandszuschaltung    kann entweder durch       einen    synchron mit der Wechselspannung lau  fenden Antrieb erfolgen oder auch anderwei  tig, zum Beispiel magnetisch in Abhängig  keit von irgendwelchen Befehlsgrössen, etwa  vom Augenblickswert und/oder von der Än  derungsgeschwindigkeit des zu unterbrechen  den Stromes oder von einer andern     damit-zu-          sammenhängenden    elektrischen Grösse oder  dergleichen, beispielsweise derart, dass der       Abschaltvorgang    nur dann eingeleitet wird,  wenn der Wert des abzuschaltenden Stromes  unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes  liegt, der so gewählt ist,

   dass die     einzelnen     Teile der     Abschaltvorrichtüng    bei seiner Ab  schaltung nicht gefährdet werden. Die Wi  derstände     können    mit genügend grosser, ge  gebenenfalls künstlich vergrösserter Ober  fläche in ruhender oder     zwangläufig,    zum  Beispiel durch einen     Ventilator    bewegter  Luft, angeordnet sein; es kann auch künst  liche Kühlung durch Wasser oder<B>01</B> oder  dergleichen angewendet werden.  



  Die Vorteile der     Kommutierung    mit Hilfe  eines periodisch kurz vor der     Unterbrechung     einzufügenden Widerstandes bestehen in       erster    Linie     darin,    dass ein     unmittelbarer     Übergang vom     Gleichrichterbetrieb    zum       Wechselrichterbetrieb    und umgekehrt mög  lich ist, ohne dass an der     Kontakteinrichtung     irgendwelche wesentlichen Umstell- oder Ein  stellvorgänge erforderlich sind.

   Die Energie  richtung ist lediglich durch das     Verhältnis     der Spannungen der beiden     eingeschlossenen         Systeme bestimmt, wobei der Arbeitstakt der  mechanisch bewegten Teile stets der gleiche  bleibt. Ein weiterer Vorteil ist die Verringe  rung des     Blindleistungsbedarfes.    Es ist unter  Umständen möglich, überhaupt ohne zuge  führte Blindleistung auszukommen, ja ge  gebenenfalls sogar in     gewissen    Grenzen       Blindleistung    zu erzeugen und an das Netz       zurückzuliefern.     



  Der Erfindungsgegenstand ist sowohl für       Sternpunktschaltung    als auch für     Graetz-          Schaltung    anwendbar. Ist beispielsweise eine       Graetz-Schaltung    mit sechs Unterbrechungs  stellen für     Sechsphasenbetrieb    ausgeführt, so  genügt es im allgemeinen, nur drei     Vorwider-          stände    in den drei Zuleitungen vor der Ver  zweigungsstelle zu den je zwei Unterbre  chungsstellen anzuordnen.  



  Zur Erleichterung der Unterbrechung  können in Reihe mit den     Vorwiderständen          bezw.    mit den Unterbrechungsstellen hoch  gesättigte     Eisendrosseln,    zum Beispiel     d,,        d#,     in     Fig.    6, geschaltet sein, die sich nur bei  sehr kleinen Stromwerten in der Nähe des       Stromnulldurchganges        entsättigen,    wenn der  Stromwert einen Bruchteil des Nennwertes  unterschreitet und durch Abflachung des Ver  laufs der Stromkurve an dieser Stelle eine  stromschwache Pause hervorrufen.     Derartige     Drosseln sind beispielsweise in den schwei  zerischen Patenten Nr. 198525 und 202967  beschrieben.

   Auch die sonstigen in den ge  nannten Patenten und den Zusatzpatenten  Nr. 206923, 208138,<B>210751</B> und 212135 be  schriebenen Einrichtungen können vorteilhaft  mit dem Erfindungsgegenstand kombiniert  werden.  



  Der beschriebene Kontaktumformer wird  vorteilhaft in folgender Weise in Betrieb ge  nommen. Nach     Ingangsetzung    der periodisch  bewegten mechanischen Teile wird der Um  former über einen in den Zuleitungen zum  speisenden Netz liegenden     Anlasswiderstand     unter Spannung gesetzt, während an der Aus  gangsseite eine kleine Grundlast angeschlos  sen ist. Der     Anlasswiderstand    wird in einer  oder mehreren Stufen kurzgeschlossen. Dabei  ist es möglich, während des     Anlassvorganges       das möglichst     funkenfreie    Arbeiten sämt  licher     Kontakteinrichtungen    zu beobachten  und erforderlichenfalls einzelne mechanische  Teile oder elektrische Regeleinrichtungen  nachzustellen.

   Sobald festgestellt ist, dass der  Umformer einwandfrei auf die Grundlast  arbeitet, kann die Hauptlast zugeschaltet  werden.  



  Der Umformer besitzt ferner eine erhöhte  Sicherung     gegen    Störungen durch Span  nungsschwankungen in einem verhältnis  mässig weiten Bereich. Der über die Kontakte  fliessende     Kurzschlussstrom    wird durch den  periodisch zuzuschaltenden Widerstand ver  ringert.

   Es ist ferner möglich, den Speise  transformator mit verhältnismässig kleiner  Streuung auszuführen, während nämlich bei  den bekannten Umformungseinrichtungen die  Transformatoren absichtlich mit einer ver  hältnismässig grossen     Streuung    ausgeführt  werden, damit sie im Falle von Rückzündun  gen als Strombegrenzer wirken und Zerstö  rungen durch     allzuhohe    Fehlerströme verhin  dern, ist eine solche Vorsichtsmassnahme bei  dem oben beschriebenen Umformer nicht er  forderlich, weil die wünschenswerte Sicher  heit gegen zu hohe Ströme durch die zusätz  lichen Einrichtungen.     bereit;    gegeben ist.

    Durch die     vorbeschriebenen    Vorteile wird  die wirtschaftliche     Übertragung    grosser Lei  stungen mit hohen Spannungen ermöglicht.

Claims (1)

1. PATEN TA N S PRUCII Kontaktumformer, dadurch gekennzeich net, dass in die abzuschaltende Phase perio disch jedesmal vor einer Stromunterbrechung ein den Widerstandswert des Kommutie- rungskreises erhöhender veränderlicher Wi derstand, dessen Höchstbetrag mindestens die Grössenordnung der im Kommutierungskreise wirksamen Blindwiderstände hat, mit wach senden Werten eingeschaltet und derart ge steuert wird, dass er seinen Endwert erst un mittelbar vor dem Unterbrechungsaugenblick erreicht.

   UNTTERANSPRÜCHE: 1. Kontaktumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der synchron gesteuerte Widerstand überwiegend Ohmscher Widerstand ist. 2. Kontaktumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltvor gang zum Zwecke der Phasenablösung ein schliesslich der Widerstandszuschaltung so wohl bei Wechselrichter- als auch bei Gleich richterbetrieb mittels der zu diesem Zweck verstellbar ausgeführten Synchronsteuerein- richtung so eingestellt ist,

   dass er etwa um jeweils die gleiche Zeitspanne vor bezw. nach dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit be ginnt bezw. endet. 3. Kontaktumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die synchron ge steuerte Antriebsvorrichtung für das Ein fügen und Vergrössern des zuzuschaltenden Widerstandes so ausgebildet ist, dass der ge nannte Vorgang höchstens eine Zeitspanne von 1 ms erfordert. 4. Kontaktumformer nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch besondere, den Strom jedesmal während der Hauptübertragungs- periode führende Kontakte, die als Abhebe kontakte ausgeführt sind. 5.

   Kontaktumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die den zu- zuschaltenden Widerstand überbrückenden Hilfskontakte als Abhebekontakte ausgebil- det sind. 6. Kontaktumformer nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegte Kontaktteil als Wälzsegment ausgebildet ist, das sich nach Art einer Wiege über die ruhende Kontaktbahn hinwegbewegt. 7. Kontaktumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Kontakt, an welchem die endgültige Strom unterbrechung stattfindet, ein Nebenpfad ge schaltet ist. B.

   Kontaktumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit dem Unterbrechungskontakt eine weitere Trennstelle liegt, die sich später öffnet und füher schliesst als der Unterbrechungskontakt. 9. Kontaktumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerein richtung für die Kontaktbewegung so ausge- bildet ist, dass die Einschaltung jedesmal un mittelbar erfolgt. 10.

   Kontaktumformer nach Unteran- sprucli 9, dadurch gekennzeichnet, dass das den Widerstand steuernde Wälzsegment so geführt ist, dass es bei der Rückwärts bewegung mit den Zwischenkontakten nicht in Berührung kommt und in dem durch die Synchronsteuerung gegebenen Einschalt augenblick unmittelbar auf den Anfangskon takt des Widerstandes aufgesetzt wird. 11. Kontaktumformer nach Unteran spruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beson dere Einschaltkontakte vorgesehen sind, durch welche der Stromkreis unter Überbrückung des Widerstandes unmittelbar geschlossen wird. 12.

   Kontaktumformer nach Patentan spruch mit abgestuftem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall zwischen je zwei Stufen in der Grössenord nung der Ionisierungsspannung des Werk stoffes-der Regelkontakte liegt. 13. Kontaktumformer nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass der volle Endwert des Widerstandes so gross gewählt ist, dass der Strom nach Einschaltung des vollen Widerstandswertes kleiner ist als der sogenannte Grenzstrom, unterhalb dessen ein stabiler Lichtbogen nicht bestehen kann. 14.

   Kontaktumformer nach Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für den zuzuschaltenden Wider stand einen positiven Temperaturkoeffizien ten hat. 15. Kontaktumformer nach Unteran spruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand aus reinem Eisen besteht. 16. Kontaktumformer nach Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand stetig veränderlich ist. 17. Kontaktumformer nach Unteran spruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand aus einer Kohledrucksäule be steht, auf die eine synchron gesteuerte Druck kraft wirkt.

   18. Kontaktumformer nach Patentan spruch mit Stufenwiderstand, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Kontaktbahn in ein Isoliermedium eingehüllt ist. 19. Kontaktumformer nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, da,ss der Wi derstand in einer Stufe mittels einer im Va kuum angeordneten Kontakteinrichtung ein geschaltet wird. 20. Kontaktumformer nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung für die Zuschaltung des Widerstandes synchron mit derWechselspan- nung angetrieben wird. 21.

   Kontaktumformer nach Palenta.n- sprueh, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung für die Zuschaltung des Widerstandes magnetisch in Abhängigkeit von einer von dem zu unterbrechenden Strom abhängigen Grösse angetrieben wird. 22. Kontaktumformer nach Unteran spruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung für die Zuschaltung des Widerstandes von einer Bestimmungsgrösse des zu unterbrechenden Stromes abhängig ist. 23.

   Kontaktumformer nach Unteran- spruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die die Einschaltung des Widerstandes steuernde Grösse so gewählt ist, dass der Abschaltvor- bang nur dann eingeleitet wird, wenn der <B>.</B> a# zuschalleade Sl-rom unter einem vorbe- stimmten, die einzelnen Teile der Absehalt- vorrichtung nicht b-efährdenden Stromwert liegt.

   24. Kontaktumformer nach Patentan spruch, dadurch gel@ennzeiehnel:, dass die Wi- derstandskörper mit künstlich vergrösserter Oberfläche in Luft ata Kühlmittel angeord net sind. -)5. Kontaktiunformer nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wi derstandskörper mil: einer Vorrichtung zur künstlichen. Kiililiuiz, mittels einer bewegten KühlflfissigI@eit versehen sind.

   26. Kontaktumformer nach Pa-tentan- sprucli, dadurch gekonnzeiehnet, dass in Reihe mit dem zuzusclialten@len Widerstand eine hochgesättigte, sich nur bei sehr kleinen Stromwerken von einem Bruchteil des Nenn wertes erstsättigende Eisendrossel geschaltet ist,

   die den Verlauf des zu Stromes in der Nähe des Stromnull dureh- ganges abflacht.