Kontaktumformer. Mechanische Umformer zur Gleichrich tung von Drehstrom können gewöhnlich auch zur Energieübertragung in umgekehrter Richtung vom Gleichstromnetz ins Dreh stromnetz benutzt werden, indem der Beginn der Kommutierungszeit, der bei Gleichrich tung hinter dem Zeitpunkt der Spannungs gleichheit von abgebender und übernehmen der Phase liegt, auf einen davor liegenden Zeitpunkt vorverlegt wird.
Hierbei macht ;sich jedoch, abgesehen von schädlichem Schaltfeuer an den Kontakten, dessen Herabsetzung auf ein erträgliches Mass mit verschiedenen an sich bekannten Mitteln möglich wäre, ein weiterer Übelstand be merkbar in Gestalt einer unverhältnismässig grossen Blindlelstungsaufnahme aus dem Drehstromnetz, die wiederum eine un erwünschte Erhöhung der Verluste zur Folge hat und dazu zwingt, unter Umständen be sondere Blindleistungserzeuger aufzustellen sowie die Leitungen und Geräte,
insbeson- dere den Zwischentransformator, wesentlich grösser zu bemessen, als es für die Wirklast allein erforderlich wäre. Durch die Benut zung von veränderlichen, in der Hauptsache ohmschen Widerständen, die in Reihe mit den Kontaktstehlen des Umformers geschal tet :
sind und während des Kommutierungs- vorganges jedesmavl von einem verschwin dend geringen Widerstandswert in einer Zeit von etwa 1 bis 2 Millisekunden durch syn chron mit den Phasenspannungen des WeGh- selstromnetzes arbeitende Steuereinrichtun gen auf einen sehr grossen Betrag gebracht werden, erreicht man eine .gewisse Unab hängigkeit in der Wahl des Zeitpunktes für den gommutierungsbeginn,
weil ein Teil der zur Stromänderung erforderlichen Kommu- tierungsspannung statt auf natürlichernWdge von der Differenz der treibenden Spannun gen der einander ablösenden Phasen, von der künstlich am Widerstand durch :den Kom- mutierungsstrom erzeugten Spannung geflie- fert wird.
Dann kann also durch geeignete Wahl der Lage des Kommutierungsabschnit- tes innerhalb eines begrenzten Bereiches die Blindleistungsaufnahme herabgesetzt wer den. Damit sind jedoch erhöhte Verluste am gommutierungswiderstand verbunden. Diese wachsen um so stärker an, je später der Kommutierungsabschnitt einsetzt, bis sie schliesslich unerträglich hoch werden.
Nach der Erfindung wird nun das gün- stigste Gesamtergebnis für das Arbeiten eines. derartigen mechanischen Umformers als Wechselrichter erzielt, indem bei An wendung von veränderlichen und selbsttätig synchron mit der Wechselspannung gesteuer ten, -in der Hauptsache, ohmschen Kommutie- rungswiderständen die Antriebsvorrichtung für die Kontakte so ausgeführt bezw. ein gestellt wird,
dass bei Nennbetrieb von der gesamten Kommutierungszeit ein solcher Teil vor dem Zeitpunkt der Spannungs gleichheit der einander ablösenden Phasen liegt, dass einerseits die an den Ko,mmutie- rungswiderständen entstehenden Verluste in den Grenzen 1 bis 2 % der Gesamtleistung bleiben, und dass anderseits die Blindlei- stungsaufnahme aus dem Netz auf einen Bruchteil des bei reiner Spannungskommu- tierung erforderlichen Betrages herabgesetzt wird.
Dies ist für gewöhnlich dann der Fall, wenn von der gesamten Kommutierungszeit ,etwa 2/s vor und etwa '1s hinter dem Zeit punkt der Spannungsgleichheit der einander ablösenden Phasen liegen, In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Aus führungsbeispiel für einen mehrphasigen Kontaktumformer mit synchron gesteuerten Schaltwiderständen und einstellbarer An triebsvorrichtung für die Kontakte schema tisch dargestellt.
Dis Fig. 2 und 3 zeigen Ausschnitte aus den Spannungskurven in der Nachbarschaft eines Kommutierungsvorgan- ges, und in den Fig. 4 und 5 ist der Ver lauf von Strom, Spannung und Leistung während eines Kommutierungsvorganges für verschiedene Lagen der Kommutierungszei- ten graphisch aufgezeichnet.
Nach Fig. 1 liegt an einem Drehstrom- netz RST die Primärwicklung I eines Trans formators, dessen Sekundärwicklung 1I über die in Grätzsehaltung angeordneten Kon taktstellen K,<I>bis</I> K,; mit einem Gleichstrom netz NP in Verbindung steht.
Die Kontakte werden zum Beispiel über eine Nockenwelle TIVh durch einen Synchronmotor Mb ange trieben, der über einen Drehtransformator Dz; an das Drehstromnetz angeschlossen sein kann.
In Reihe mit den Kontaktstellen lie gen drehstromseitig veränderliche Vorsehalt- widerstände R,, Iij, R;, die etwa mittels Wälzsegmenten von einem weiteren Syn- chronmotorMR, der ebenfalls'übereinenDreh- transformator DR an das Drehstromnetz ange schlossen ist, zum Beispiel über eine weitere Nockenwelle TYR synchron mit der Wechsel spannung derart gesteuert werden,
dass der in den Kommutierungskreis eingeschaltete Wi derstandsbetrag innerhalb der Kommutie- rungszeit von Null auf einen so grossen Be trag anwächst, dass schliesslich der noch zu unterbrechende Reststrom zirka. 1 Ampere oder weniger beträgt. Mit Lp sind die sym bolisch dargestellten Streuinduktivitäten des gesamten Drehstromkreises, bezogen auf eine Phase, bezeichnet.
Gleichstromseitig sind Glättungsdrosseln G angeordnet. LT bezeich net die verkettete Wechselspannung, LT" U, Lrr, sind die drei Phasenspannungen, UR ist die Spannung am Vorschaltwiderstand; mit J ist der Gleichstrom bezeichnet. Die in der Figur dargestellte Stellung ,der Kontakte und die eingezeichneten Pfeile entsprechen demjenigen Zeitabschnitt tk, in dem die Stromübertragung von der Phase 1 auf die Phase 2 übergeht.
In Fig. 2 ist angenommen, dass dieser Zeitabschnitt tk jedesmal vollständig vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegt. Nimmt man an, dass das Wechsel stromnetz eine normale Frequenz von 50 Perioden in der Sekunde hat, und dass der Zeitabschnitt tk von Beginn bis zum Ende des Kommutierungsvorganges insge samt eine Millisekunde umfasst, so beträgt der Winkel ss, zwischen dem Beginn der Kommutierung und dem Schnittpunkt der beiden Spannungskurven -18 (er sei für diesen Fall als negativ definiert),
der Win kel ss2 :ist gleich Nu(11, da das Ende der Kom- mutierung mit dem Schnittpunkt der Span nungskurven zusammenfällt. In Fig. 3 ist ein anderer Fall dargestelf in welchem die Kommutierungszeit zur Hälfte vor und zur andern. Hälfte hinter dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegt, also ss1 = - 9 und ss2 <I>=</I> -i- 9 .
Dieser Fall ist im Ilin- blick auf den Blindleis,tungsbedarf der gün- stigste; denn -es wird Blindleistung weder aufgenommen noch abgegeben. Jedoch sind die Verluste am Vorschaltwiderstand im zweiten Fall grösser atl,s im ersten.
Das er gibt sich aus dem Vergleich .der Fig. 4 und 5, die diesen beiden Fällen entsprechen, und in denen die gesamte zur Kommutierung er forderliche Energie sowie der auf die natür liche Kommutierungsspannung und der auf die künstlich am gommutierungswiderstand erzeugte Spannung entfallende Anteil aufge tragen sind. Die Fig. 4 und 5 beruhen auf der Annahme, dass die Streuspannung des ge samten Drehstromteil.s 8 % beträgt.
Sie kann bei einer derartigen Anordnung verhältnis mässig klein sein im Vergleich zu den bis her üblichen Wechselrichtern, welche mit einem Quecksilberlichtbogen arbeiten und gegen zu hohe Kurzschlussströme durch eine besonders grosse Streuinduktivität geschützt werden müssen.
Die Kommutierungsleistung NI; ist der Streuspannung E in Prozent direkt proportional, sie beträgt in Hundertteilen der Gleichstromleistung N__, die vom Um former aus dem Gleichstromnetz entnommen wird: NkIN- <I>=</I> i/2 E #(%). Dies folgt bei Annahme stets gleicher Kommutierungs- dauer aus der Tatsache, dass der insgesamt für die Kommutierung aufzubringende Im puls von der prozentualen Streuspannung abhängig ist.
Deshalb wird u. a. der Ver bindungstransformator zwischen den Kon taktstellen und dem Drehstromnetz vorteil haft mit kleiner Streuung, zum Beispiel von weniger als 10 %, ausgeführt. Derjenige An teil, der von dem Schaltwiderstand aufge bracht werden muss, .ist um den natürilichen Anteil kleiner, den die Differenzspannung der einander ablösenden Phasen selbst auf bringt.. Hieraus: kann auf den Mittelwert der Spannung am Schaltwiderstand während der Kommutierungszeit geschlossen werden.
Dieser beträgt für die oben bezeichneten Fälle nach rechnerischer Ermittlung 11 bezw. <B>27%</B> von der Spannung auf der Gleichstromseite. Da aus praktischen Grün den die Spannung am Widerstand nicht ,gleich zu Beginn der Kommutierung den vollen Wert haben kann, ist annähernd mit einem derartigen zeitlichen Verlauf :dieser Spannung zu rechnen, :
dass sie von dem Werte Null aus im ersten Drittel der Kom- mutierungszeit auf einen bestimmten Wert anwächst, bis die an der Induktivität lie gende Kommutierungsispannung einen be stimmten Wert erreicht hat, der dann wäh rend der übrigen zwei Drittel der Kommu- tierungszeit konstant gehalten wird.
Der zu .erst genannte Spannungswert am Schalt- widerstand muss so gross sein, dass der Strom der abgebenden Phase am Schluss der Kom- mutierungs.zeit tk den Wert Null erreicht hat.
Daraus sind die Kurven der Fig. 4 und 5 rechnerisch bezw. auf graphischem Wege ermittdt. Diese Kurven geben ver schiedene während eines Kommutierungsvor- ganges von beispielsweise. 1 ms Dauer auf tretende Teilspannungen und Leistungs anteile sowie den Strom der abgebenden Phase in Abhängigkeit von der Zeit wieder.
Die genannten gommutierungsgrössen sind dabei nicht in absoluten Werten angegeben, sondern in Anteilen des Nennwertes der ent- sprechenden Grössen auf der Gleichstrom seite. Die nach links unten schraffierten Flächen stellen die natürliche Kommutie- rungsarbeit unter ider Wirkung der Diffe renz der Phasenspannungen :
dar, die nach rechts unten schraffierten Flächen die Kom- mutierungsarbeit des Schailtwiclerstandes. Die gesamte gommutierungsleistung beträgt in beiden Fällen 4%, was sich nach den oben dargelegten Zusammenhängen aus: der Annahme einer Streuspannung von 8 % un mittelbar ergibt.
Von der Gesamtleistung von 4% entfallen nach Fig. 4 auf die na.tür. liehe Kommutierung 3,l6 % , so dass in den Schaltwiderständen eine Verlustleistung von 0,84% zu vernichten ist. Nach Fig. 5 ent fallen auf die natürliche Kommutierun, nur 0,86/'o, so dass 3,14% in den Schaltwider ständen verlorengehen. Dadurch würde die Wirtschaftlichkeit des Betriebes gefährdet sein, insbesondere gegenüber den bekannten Wechselrichtern.
Erträglich -wäre dagegen ein Verlust von etwa. 1 %, selbst wenn dafür eine gewisse Blindleistungsa.ufnahme in Kauf genommen werden muss. Der Lei stungsfaktor beträgt in dem der Fig. 4 ent sprechenden Fall 0,985, was einer Blindlei- stungsaufnahme von 17 % entspricht. In dem der Erfindung entsprechenden Fall, der zwischen den beiden dargestellten Fällen liegt, ist die Blindleistungsaufnahme gerin ger, dafür sind die Verluste in den Schoult- widerständen etwas grösser.
Sie betra--en zum Beispiel nicht viel mehr als 1 % und sind daher ebenfalls erträglich.
Die für Nennstrom bemessene Abstufung der Schaltwiderstände ergibt bei andern Strömen eine andere zusätzliche Spannung. während die natürliche Kommutierungsspan- nung die gleiche bleibt. Soll erreicht wer den, dass die zusätzliche Spannung am derstand bei Überstrom bezw. bei Teillast nicht wesentlich verschieden ist von der bei Nennstrom erforderlichen, so ist es erforder lich, dass sich die Kommutierungszeit mit dem Strom ändert.
Liegt, wie vorstehend angegeben, ein grösserer Teil der Kommtitie- rungszeit vor dem Schnittpunkt der Phasen spannungen, so müssen Überströme eine län gere Kommutierungszeit haben; bei Teilbe lastung ist die Kommutierungszcit kürzer zu bemessen.
Zu diesem Zweck kann die Steue rung des Kontaktantriebes durch eine selbst tätig in Abhängigkeit von der Belastung ge steuerte Verstelileinrichtun- zur Verände rung der Überlappungszeit der Kontakte ge regelt werden, wie sie etwa. in den Schweizer Patenten Nr.<B>1</B>99581, Nr. 202967, Nr. 208839 und Nr.209231 beschrieben und dargestellt sind.