DE908038C - Umformungsanordnung - Google Patents

Umformungsanordnung

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DE908038C
DE908038C DES4237D DES0004237D DE908038C DE 908038 C DE908038 C DE 908038C DE S4237 D DES4237 D DE S4237D DE S0004237 D DES0004237 D DE S0004237D DE 908038 C DE908038 C DE 908038C
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DE
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voltage
forming arrangement
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DES4237D
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Floris Koppelmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Expired legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/20Contact mechanisms of dynamic converters
    • H02M1/26Contact mechanisms of dynamic converters incorporating cam-operated contacts

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

  • Umformungsanordnung Bekannt ist eine Umformungsanordnung zum Energieaustausch zwischen einem Gleichstromsystem und einem Drehstromsystem gegebener Frequenz, dessen verkettete Phasenleitungen sich auf je zwei synchrongesteuerte, im Gegentakt arbeitende und an verschiedene Pole des Gleichstromsystems angeschlossene Kontakteinrichtungen verzweigen und in dem gemeinsamen Leitungsteil je eine stromabflachende Sättigungsdrossel außerhalb der Verzweigung aufweisen. Entsprechende Anordnungen können auch für Wechselstromsysteme mit größerer Phasenzahl m verwendet werden. Damit geglätterter Gleichstrom bzw. möglichst sinusförmiger Wechselstrom erzielt werden kann, sind die Kontakteinrichtungen so gebaut bzw. eingestellt, daß sich die Schließungszeiten der einander ablösenden Phasen überlappen. Zur Umformung einer im vorausfestgelegten Leistung genügt es nicht, die einzelnen Teile der Anordnung für den Nennstrom und für die Nennspannung mit den erforderlichen Sicherheitszuschlägen zu bemessen. Da nämlich die Zeitspanne begrenzt ist, die vom Beginn der Kommutierung einer Phase bis zur erneuten Schließung derselben Phase in umgekehrter Richtung zur Verfügung steht, so kann es vorkommen, daß trotz ausreichender Bemessung der Einzelteile die gewünschte Leistung nicht erreichbar ist, weil die Spannung bei Überschreitung eines unter dem gewünschten Höchststrom liegenden Wertes steil abzufallen beginnt. Zur Vermeidung dieses Übelstandes sind erfindungsgemäß das Streuverhältnis e der Kommutierungskreise, der Steuerwinkel a und die Abmessungen und Eigenschaften der Sättigungsdrosseln so aufeinander abzustimmen, daß ist, m = Phasenzahl der Wechselstromseite der Umformungsanordnung, (o = Kreisfrequenz der Wechselspannung, BJ = Induktion des Drosselkerns bei einem gegebenen Belastungsstrom J, BS = Sättigungsinduktion des Drosselkerns, J t$ = Ummagnetisierungsdauer der Sättigungsdrossel von --j- Bs auf-. Bs, bezogen auf den Scheitelwert der Kommutierungsspannung.
  • An Hand der Fig. = bis g sollen die Erfindung und einige Vorschläge zur weiteren Verbesserung näher erläutert werden. Fig. i zeigt beispielsweise eine Drehstromumforrnungsanordnung. Mit 12 ist die Sekundärwicklung eines Transformators -oder die Ankerwicklung eines besonderen Drehstromgenerators bezeichnet. Die von der Wicklung 12 ausgehenden Phasenleitungen verzweigen sich auf j e zwei der Kontakteinrichtungen i bis 6, die in der Reihenfolge ihrer Bezifferung abwechselnd mittels einer schematisch angedeuteten Exzenterwelle 15 geschlossen und geöffnet werden. Die Kontakteinrichtungen i, 3 und 5 sind an den einen Pol eines Gleichstromnetzes 2o angeschlossen, die Kontakteinrichtungen 2, 4 und 6 an den anderen Pol: In den Phasenleitungen sind außerhalb der Verzweigung Drosseln 13 angeordnet, deren Magnetkern 14 beim Nennstromwert hochgesättigt ist und sich nur in der Nähe des Stromnullwertes entsättigt, wodurch eine Abflachung der Stromkurve in Gestalt einer die Stromunterbrechung erleichternden stromschwachen Pause hervorgerufen wird. Der Magnetkern 14 besteht aus einer magnetisch hochwertigen Eisensorte, deren Magnetisierungskennlinie im ungesättigten Gebiet möglichst wenig gegen die Flußachse geneigt sein, an den Übergangsstellen in die gesättigten Gebiete möglichst scharfe Knicke aufweisen und in den gesättigten Gebieten möglichst parallel zur Erregerachse verlaufen soll. Die Exzenterwelle 15 kann beispielsweise durch einen Synchronmotor 16 angetrieben werden. Ist ein besonderer Generator zur Speisung der Umformungsanordnung vorgesehen, so kann die Exzenterwelle 15 mit der Generatorwelle gekuppelt sein. Zwecks Einstellung der Kontaktzeitpunkte ist die Winkelstellung der Exzenter gegenüber der Phasenlage der Wechselspannung verstellbar, z. B. durch Änderung der Winkelstellung des Drehfeldes des Antriebsmotors 16. Diese kann durch Verdrehung des Motorständers oder vermittels eines Drehtransformators 17 bewirkt werden. Die Antriebsspannung wird z. B. einer Wicklung 18 entnommen, die als Sekundärwicklung eines besonderen Hilfstransformators ausgeführt oder als Zusatzwicklung auf dem Haupttransformator untergebracht werden kann. Zur Erzielung eines möglichst obenvellenfreien Gleichstromes ist eine Glättungsdrossel ig vorgesehen. Eine Grundlast 21 kann zur Erleichterung des Anlaßvorganges und zur Sicherung eines Mindestbelastungswertes dienen.
  • Parallel zu den Kontakteinrichtungen sind Nebenstrompfade angeordnet, die in der Zeichnung durch Kondensatoren 22 und Ohmsche Widerstände 23 verkörpert sind. Sie sollen den Anstieg der wiederkehrenden Spannung verzögern. Die Parallelpfade können durch Hilfskontakteinrichtungen 7, 8, g periodisch unterbrochen werden. Die Hilfskontakteinrichtungen können durch eine Exzenterwelle 38 angetrieben werden, die über ein Kupplungsgetriebe 39 mit der Hauptwelle 15 gekuppelt sein kann. Die Parallelpfade enthalten ferner zur Erleichterung des Einschaltvorganges Wicklungen 24, die auf einem Magnetkern 25 angebracht sind. Der Magnetkern 25 ist auch mit der Drosselwicklung 13 verkettet und hat die gleichen magnetischen Eigenschaften wie der Hauptkern 14, womöglich in noch höherem Grade. Die Windungszahl der Wicklung 24 ist im wesentlichen gleich der Windungszahl der Wicklung 13, ihr Wicklungssinn ist entgegengesetzt.
  • Auf den Kern 14 kann eine besondere Vormagnetisierungswicklung 26 zur Steuerung seines magnetischen Verhaltens angebracht sein, die z. B. mit Drehstrom aus einer anzapfbaren Wicklung 28 über einen Drehtransformator 27 gespeist werden kann. Die Wicklung 28 kann wiederum die Sekundärwicklung eines Hilfstransformators oder eine zusätzliche Wicklung auf dem Haupttransformator sein. Ferner kann der Kern 14 noch mit einer weiteren Steuerwicklung 29 versehen sein, durch die ihm eine zusätzliche, beispielsweise nicht sinusfönnige Spannung zugeführt werden kann. Zur Erzeugung dieser Spannung können Hilfsdrosseln 30 verwendet werden; die auf einem aus gleichem oder ähnlichem Werkstoff wie die Kerne 14 und 25 bestehenden Hilfskern 31 angebracht sind, der mittels einer weiteren Wicklung 32 aus einer anzapfbaren Hilfswicklung 34 über einen Drehtransformator 33 erregt wird. Auch die Hilfswicklung 34 kann die Sekundärwicklung eines Hilfstransformators oder eine Zusatzwicklung des Haupttransformators sein. Die Regeleinrichtungen der Drehtransformatoren 17, 27 und 33 können, wie angedeutet, miteinander gekuppelt sein, ebenso können damit auch die Regeleinrichtungen der anzapfbaren Wicklungen 28 und 34 gekuppelt sein.
  • Die Drosselwicklungen 13 können durch Parallel-Pfade mit Ohmschen Widerständen 35, Kondensatoren 36 und vor allem Induktivitäten 37 überbrückt sein.
  • Fig.2 zeigt die Spannungskurven und Fig.3 Stromkurven der Umformungsanordnung und darunter die Kontaktschließungs- und -öffnungszeiten in Abhängigkeit von der Zeit t bzw. von dem -Winkel oi t, wenn o) = 2 .71 f die Kreisfrequenz der Wechselspannung ist. Die Schnittpunkte der Spannungskurven U1, U3, U5 liegen um elektrisch auseinander. Dementsprechend müssen auch die Einschaltzeitpunkte (z. B. t1 und t4) der verschiedenen Phasen um den gleichen Winkel gegeneinander versetzt sein. Außerdem muß jede Phase während einer Wechselspannungswelle zweimal eingeschaltet werden, einmal auf den +-Pol und einmal auf den --Pol des Gleichstromnetzes 2o. Die zugehörigen beiden Kontakteinrichtungen arbeiten zu diesem Zweck im Gegentakt, d. h. unter einem Winkel von i8o° gegeneinander versetzt. Zwischen dem Zeitpunkt der Zuschaltung der ablösenden Phase und dem Zeitpunkt, in dem die soeben abgelöste Phase in entgegengesetzter Richtung erneut zugeschaltet werden muß, steht daher ein Winkel von zur Verfügung (z. B. 1, bis t6 bzw. t1 bis t3). In der Zeit, die diesem Winkel entspricht, müssen sich zwei Vorgänge abspielen, nämlich die eigentliche Kommutierung des Stromes und die Umsättigung der Drossel 13- Maßgebend für den Ablauf dieser beiden Vorgänge ist die Spannung, die in dem von der ablösenden Phase und der übernehmenden Phase gebildeten Kommutierungskreis wirksam ist. Der Verlauf dieser Spannung U$ ist in Fig. q. für den Kommutierungsstromkreis dargestellt, der durch die beiden gemäß Fig. i gerade geschlossenen Kontakteinrichtungen 5 und i gebildet wird. Im Schnittpunkt to der beiden Phasenspannungskurven U5 und U1 beginnt die Kurve der Kommutierungsspannung UK vom Werte Null aus anzusteigen. Sie ist gleich der verketteten Spannung der beiden Phasen. Ihr Maximalwert ist also wenn U" der Nennwert der Phasenspannung ist. Der betrachtete Kommutierungsvorgäng werde durch Schließung der Kontakteinrichtung i im Zeitpunkt t1 um einen Winkel a nach dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit to eingeleitet. Für die eigentliche Kommutierung möge ein Spannungszeitintegral entsprechend der Fläche K (Fig. q) aufzuwenden sein. Dieses enthält auch einen Anteil, durch den der Drosselkern 14 der stromabgebenden 'Phase 5 von der Induktion Bj beim Stromwert J auf die im Augenblick seiner Entsättigung, d. h. am Sättigungsknick, vorhandene Induktion Bs und der Drosselkern der übernehmenden Phase i von Bs auf Bj gebracht wird. Da nun die Drossel der stromabgebenden Phase 5- auch mit der Kontakteinrichtung 2 in Reihe liegt, so rnuß ihr Kern 14 bis zum entgegengesetzten Sättigungsknick ummagnetisiert werden, bevor im Augenblick t3 die Kontakteinrichtung 2 geschlossen wird. Die Induktion dieses Drosselkerns muß sich also um den Betrag 2 B, ändern. Dazu sei ein Spannungszeitintegral entsprechend der Fläche M erforderlich. Das gesamte aufzuwendende Spannungszeitintegral entsprechend den Flächen K + M muß in der Zeit von 1l bis 1, entsprechend einem Winkel von durchlaufen sein, es darf somit höchstens den Wert UK",ax [cos a -- cos (a + 6o)] haben. Würde es größer sein, so würde das bedeuten, daß die Ummagnetisierung der Drossel beim Schließen der Kontakteinrichtung 5 noch nicht beendet ist, daß sich also die Drossel noch im ungesättigten Zustand befindet. Dann kann der eigentliche Kommutierungsvorgang nicht sofort nach der Kontaktschließung einsetzen, sondern erst später, nachdem sie die Drossel bis zum Knick der Magnetisierungskurve gesättigt hat, d. h. bei einem größeren Winkel a, als ursprünglich angenommen wurde. Der Winkel a ist nun aber für die Spannung auf der Gleichstromseite maßgebend. In Fig. 5 ist der Verlauf der Gleichspannung U, in Abhängigkeit von a für Leerlauf aufgetragen. Er folgt einer Kosinuslinie, und seine Werte vermindern sich bei der Belastung um den Spannungsabfall an den im Stromkreis liegenden Impedanzen und um einen weiteren Betrag, der sich daraus ergibt, daß während der Kommutierungszeit auf der Gleichstromseite nicht die volle Spannung entsprechend den in Fig:2 ausgezogenen Linien, sondern der strichpunktiert eingezeichnete Mittelwert aus den Spannungen der abgebenden und der übernehmenden Phase auftritt. Aus Fig. 5 erkennt man, daß bei nicht rechtzeitig beendeter Umsättigung der Drosselkerne 1q. die Gleichspannung zusätzlich gesenkt wird. Damit dies vermieden wird, darf der Strom nicht größer sein als Hierin ist I_ die Induktivität des gesamten zwei Phasen umfassenden Kommutierungskreises einschließlich der Luftinduktivität der beiden zugehörigen Drosseln 13.
  • UK."" m d t3 stellt die Fläche M dar, woraus sich gemäß Fig. 6 die Definition von d t, als Dauer der Ummagnetisierung der Drossel 13 von + Bs auf - Bs, bezogen auf den Maximalwert der Kommutierungsspannurig, ergibt. Für diese Ummagnetisierungsdauer, die auch als relative stromschwache Pause bezeichnet werden kann, sind : die Abmessungen der Drossel, d. h. die Windungszahl ze, der Wicklung 13, der Querschnitt q des Magnetkerns 1q. . und seine Sättigungsinduktion Bs; maßgebend nach der Gleichung Der Faktor berücksichtigt -den zusätzlichen Aufwand für die oben geschilderte Änderung des Magnetisierungszustandes der beiden beteiligten Drosseln während des eigentlichen Kommutierungsvörganges von t1 bis t2.
  • Damit der Nennstrom oder ein größerer Strom erzielt werden kann, ohne daß die obenerwähnte zusätzliche Spannungssenkung eintritt, muß die Bedingung erfüllt sein. Daraus folgt die erfindungsgemäße Formel, wenn berücksichtigt wird, daß der dem Nennstrom 1, entsprechende Effektivwert in erster Annäherung gleich dem Effektivwert jn des Wechselstromes und das Streuverhältnis ist. Zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Bedingung empfiehlt es sich, das Streuverhältnis e klein zu machen, d. h. kleiner als es bei anderen Umformungsanordnungen, insbesondere solchen mit Quecksilberdampfentladungsgefäßen, mit Rücksicht auf den Kurzschlußstrom üblich ist. Dazu kann der dreh stromseitig angeschlossene Transformator oder Generator mit außergewöhnlich kleiner Streuindulctivität ausgeführt werden, die Streu- bzw. Luftinduktivität der Sättigungsdrosseln ist beispielsweise durch Parallelschaltung mehrerer Wicklungszweige und Verwendung von Ringkernen so weit wie möglich herabzusetzen, Verbindungsleitungen und Schaltgeräte sind mit möglichst geringer Streuinduktivität auszuführen. Das gesamte Streuverhältnis e soll insbesondere kleiner sein als 8 °/o. Auf den Kurzschlußstrom braucht keine besondere Rücksicht genommen zu werden, weil er bekanntlich ohnehin durch die Entsättigung der Drosseln 13 auf einen verhältnismäßig niedrigen Dauerwert begrenzt wird, so daß es sogar möglich ist, durch einen absichtlich herbeigeführten Kurzschluß auf der Wechseistromseite der Kontakteinrichtungen z, 3 und 5 einerseits und 2, q. und 6 andererseits diese Kontakteinrichtungen vor Beschädigungen gegen Schaltfeuer in etwa vorkommenden Störungsfällen zu schützen.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung eines möglichst großen Belastungsstromes besteht darin; daß die Umformungsanordnung nicht voll ausgesteuert, sondern mit einem Aussteuerwinkel a > 0 betrieben wird, wie es in den Fig. 2 bis q. beispielsweise dargestellt ist. Der Aussteuerwinkel kann entweder fest eingestellt werden, wenn eine Regelung in größerem Bereich nicht erforderlich ist, oder es kann durch einen Anschlag, z. B. an der Regeleinrichtung 17, dafür gesorgt werden, daß ein bestimmter kleinster Winkel a, nicht unterschritten werden kann. Damit hierbei eine bestimmte Höhe der Gleichspannung U" erzielt werden kann, muß die Wechselspannung entsprechend der Fig. 5 von vornherein höher gewählt werden. Es empfiehlt sich, mit einem kleinsten Aussteuerwinkel von etwa g° e1. zu arbeiten, weil das Spannungsintegral über o bis g° keinen merklichen Beitrag zur Kommutierung liefert, wie Fig. q. zeigt, und weil andererseits gemäß Fig. 5 die Spannungsabsenkung bei a = g° noch unbedeutend ist. Die Maßnahme, dts durch Verwendung verhältnismäßig kleiner Schaltdrosseln klein zu machen, trägt ebenfalls zur Erhöhung der Strombelastbarkeit bei. Gleichzeitig wird jedoch dadurch die Dauer der stromschwachen Pause verkürzt. Die Drosseln dürfen also nicht zu klein gewählt werden, weil sonst die Sicherheit einwandfreier Unterbrechung zu sehr beeinträchtigt werden könnte, die reit Rücksicht auf die unvermeidlichen, durch mechanische Ungenauigkeiten bedingten Schwankungen der Kontaktzeiten und mit Rücksicht auf etwaige Störungen bzw. Abweichungen von dem normalen symmetrischen Verlauf der Wechselspannung geboten ist. Außerdem ist durch die mehr oder weniger lange Dauer der stromschwachen Pause bei gegebener Lage des Ausschaltzeitpunktes die untere Belastungsgrenze und somit die Größe des Belastungsbereiches bedingt. Wenn beispielsweise der Ausschaltzeitpunkt bei der höchsten Strombelastung am Anfang der stromschwachen Pause liegt, d. h. mit dem Zeitpunkt 1, zusammenfällt, so rückt bei kleinerer Belastung infolge der Verkürzung der Kommutierungsdauer das Ende der stromschwachen Pause immer näher an den Ausschaltzeitpunkt heran. Die kleinste zulässige Strombelastung ist dann dadurch gegeben, daß ein aus Sicherheitsgründen erforderlicher Teil der stromschwachen Pause auch bei diesem kleinsten Strom noch hinter dem Ausschaltzeitpunkt liegen muß: Die geschilderte Betriebsbeschränkung kann jedoch dadurch aufgehoben werden, daß der Ausschaltzeitpunkt und damit die Überlappungszeit der Kontakte in Abhängigkeit von der Belastung stetig oder stufenweise verändert wird.
  • Bei Verwendung großer Sättigungsdrosseln kann die Ummagnetisierung bei großer Strombelastung durch eine zusätzliche Vormagnetisierung des Drosselkerns 1q. beschleunigt und dadurch die Belastungsgrenze erhöht werden. Die Vormagnetisierüng kann mit Hilfe der Wicklung 26 bewirkt werden und muß in dem gleichen Sinne wirken wie der Strom, der während des folgenden Stromübertragungszeitabschnittes durch die Hauptwicklung x3 fließt. Die Vormagnetisierung, deren Anwendung auch bei kleinen Belastungen vorteilhaft ist, damit zur Erhöhung der Schaltsicherheit der Strom in der Hauptwicklung während der stromschwachen Pause noch die gleiche Richtung hat wie während des vorangegangenen Stromübertragungszeitabschnittes, kann bei höherer Belastung gegebenenfalls selbsttätig dadurch ver- j stärkt werden, daß die von der angezapften Transformatorwicklung 28 entnommene Spannung heraufgesetzt wird. Die genannte Vormagnetisierung kann auch dazu benutzt werden, um den während der Wirkungszeit der Sättigungsdrossel durch die Hauptwicklung 13 fließenden Strom zusätzlich bis nahezu auf den Wert Null auszugleichen. Zur Aufrechterhaltung dieses Ausgleichs ist es erforderlich, bei Änderungen des Aussteuerwinkels a auch die Phasenlage des Vormagnetisierungsstromes im gleichen Sinne zu ändern. Hierzu dient die Kopplung des Drehtransformators 27 mit dem Drehtransformator 17.
  • Zur Beschleunigung der Ummagnetisierung kann auch eine Hilfsspannung, beispielsweise mittels der Hilfswicklung 29, zusätzlich eingeführt werden. Die i Hilfsspannung kann vorzugsweise eine von der Sinusform abweichende, insbesondere annähernd rechteckige Kurvenform haben. Eine solche Hilfsspannung erhält man aus der Wicklung 3o infolge der obenerwähnten Sättigungseigenschaften des Magnet- i kerns 31. Es empfiehlt sich, die Fremdspannung erst jedesmal nach der Kontaktöffnung wirksam werden zu lassen, d. h. in der Zeit von t2 bis t3. Eine fremd zugeführte Hilfsspannung kann aber ferner auch dazu benutzt werden, um bei hoher Strombelastung die Kommutierungszeit zu verkürzen. Die Fremdspannung muß hierzu jedesmal kurz nach der Kontaktschließung in den Kommutierungskreis selbst eingeführt werden.
  • Eine Verkürzung der stromschwachen Pause kann schließlich auch dadurch herbeigeführt werden, daß ein Teil des Magnetkernquerschnittes der Sättigungsdrossel bei hoher Strombelastung unwirksam gemacht wird. Zu diesem Zweck kann der Magnetkern gemäß Fig. 7 aus zwei Teilen 1q. und i4.' bestehen. Der Teil 1q.' trägt eine besondere Wicklung q0, die oberhalb einer vorbestimmten Belastungsgrenze mittels eines Schalters 41 gegebenenfalls selbsttätig kurzgeschlossen werden kann.
  • Macht man die Leitfähigkeit des Parallelpfades 22, 23 groß, so wird dadurch zwar ebenfalls die Ummagnetisierung des Drosselkerns 1q. beschleunigt, es besteht jedoch dann die Gefahr, daß sich nach der Kontaktöffnung eine Stromschwingung mit beträchtlicher Amplitude, z. B. nach der Kurve J, in Fig. 8, ausbildet, durch welche die Überlastbarkeit der Umformungsanordnung bei gegebener Kleinstbelastung und unveränderlicher Lage des Ausschaltzeitpunktes beeinträchtigt wird. Es muß nämlich vermieden werden, daß die Schwingung mit dem Ausschaltzeit-# unkt zusammenfällt, da sonst der Strom gerade im ffnungsaugenblick einen verhältnismäßig hohen Wert haben könnte. Die Belastung dürfte daher nur so weit gesteigert werden, daß vor dem Öffnungsbeginn hinreichend Zeit zum Abklingen der Schwingung zur Verfügung steht. Um diese Zeitspanne wird also die zur Beherrschung eines Belastungsbereiches nutzbare Dauer der stromschwachen Pause verringert, wenn grobe Kondensatoren 22 zur Verwendung gelangen. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, für den Parallelpfad Kondensatoren 22 mit verhältnismäßig kleiner Kapazität zu wählen. Das Überschwingen des Stromes gemäß der Kurve J, kann weiter dadurch gemildert bzw. unschädlich gemacht werden, daß der Parallelpfad nach der Kontaktöffnung ebenfalls unterbrochen wird. In dem in Fig. i dargestellten, zwischen t1 und 1, liegenden Zeitpunkt ist der Parallelpfad zu der Kontakteinrichtung 5, die sich demnächst öffnen soll, über die Hilfskontakteinrichtungen 7 und 8 und über die Hauptkontakteinrichtung i geschlossen. Kurz nach der Öffnung der Kontakteinrichtung 5 im Zeitpunkt 1, wird zwecks Unterbrechung des Parallelpfades die Hilfskontakteinrichtung 7 geöffnet. Bevor dann die Kontakteinrichtung 2 im Augenblick 1, geschlossen wird, schließt sich die Hilfskontakteinrichtung 9, so daß ein über die Hilfskontakteinrichtungen 8 und 9 und die Hauptkontakteinrichtung 6 verlaufender Parallelpfad für die Kontakteinrichtung 2 vorhanden ist, der die Einschaltspannung an diesem Kontakt auf einen niedrigen Wert absenkt. Der Einschaltstrom wird hierbei durch den Drosselkern 25 auf einen sehr niedrigen Wert begrenzt, da dieser Kern erst ummagnetisiert werden muß, bevor der Strom in den beiden mit ihm verketteten Wicklungen 13 und 2q., die nunmehr infolge des aus dem Kondensator 22 rückwärts fließenden Entladungsstromes gleichsinnig magnetisierend wirken, steil ansteigen kann. Auf diese Weise wird also durch den Drosselkern 25 beim Einschalten eine stromschwache Pause hervorgebracht. Da der Kern 25 einen bedeutend kleineren Querschnitt hat als der Kern 1q., ist diese stromschwache Pause sehr kurz, so daß sie in Fig. 3 vernachlässigt ist. Vom Ende dieser stromschwachen Pause ab ist der Beginn des eigentlichen Kommutierungsvorganges zu rechnen, so daß also durch sie der Aussteuerwinkel a um einen geringen Betrag vergrößert wird.
  • Während der Kontaktöffnung soll sich der Magnetkern 25 jedesmal im gesättigten Zustand befinden, damit er den Übertritt des Stromes in den Parallelpfad 22, 23 nicht stört. Dies kann bei gleicher Windungszahl der Wicklungen 13 und 24 durch Wahl eines geeigneten Magnetmetalls mit einer Magnetisierungskennlinie, deren abfallender Ast den Sättigungsknick erst unterhalb des Nullwertes der Erregung aufweist, oder anderenfalls durch Wahl einer etwas kleineren Windungszahl für die Wicklung 24 öder endlich in jedem Fall durch Vormagnetisierung des Kerns 25 mittels einer zusätzlichen Wicklung 42 (Fig. 7) erzielt werden. Die Wicklung 42 wird vorteilhaft mit synchronem Wechselstrom aus einer Hilfswicklung, ähnlich den Wicklungen 28 und 3q., über einen Drehtransformator gespeist, dessen Regeleinrichtung ebenfalls mit der Regeleinrichtung des Transformators 17 gekuppelt sein kann. Die Größe und Phasenlage dieses Vormagnetisierungsstromes kann so eingestellt werden, daß er auch beim Einschaltvorgang den gewünschten Magnetisierungszustand des Magnetkerns 25 herstellt. Die Wicklung 24. ist in diesem Fall entbehrlich.
  • Das Überschwingen des Stromes gemäß Kurve J, in Fig. 8 kann ferner mit Hilfe der zur Wicklung 13 parallel geschalteten Induktivität 37 gemildert werden. Durch geeignete Abstimmung dieses Parallelpfades kann der über den Parallelpfad 22, 23 fließende, resultierende Strom jy die in Fig. 8 durch eine ausgezogene Linie angegebene Kurvenform erhalten. Zum Vergleich ist noch die Stromkurve Jd gestrichelt eingetragen. Dieser Strom würde durch die Drossel 14 fließen, wenn weder der Parallelpfad 22, 23 noch der Parallelpfad 35, 36, 37 vorhanden wäre. Die Nulllinie o in Fig. 8 gilt mit, die Nullinie o' ohne Vormagnetisierung durch die Wicklung 26, die wegen der kurzen Dauer der betrachteten Zeitspanne in erster Annäherung als konstant betrachtet werden kann, wenn der Vormagnetisierungsstrom während dieser Zeit seinen Maximalwert durchläuft. Bei Anwendung des Parallelpfades 35, 36, 37 kann der Parallelpfad 22, 23 dauernd geschlossen bleiben; so daß die Hilfskontakteinrichtungen 7, 8, 9 überflüssig sind. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, daß auch nach der Öffnung der Hauptkontakteinrichtungen ein überwiegender Teil der Kommutierungsspannung an der ungesättigten Drossel 13 liegt und deren Ummagnetisierung herbeiführt. Wenn dagegen der Parallelpfad 22, 23 nach der Öffnung der Hauptkontakte unterbrochen wird, liegt die Kommutierungsspannung zum überwiegenden Teil an der geöffneten Hilfskontakteinrichtung, so daß die Umniagnetisierung des Drosselkerns 14 eine besonders starke V ormagnetisierung mittels der Drossel 26 oder eine zusätzliche, mittels der Wicklung ag eingeführte Hilfsspannüng, wie beschrieben, erfordert, es sei denn, daß der Drosselkern 14 die Eigenschaft spontaner Magnetisierung besitzt, die bekanntlich einige Magnetlegierungen aufweisen, d. h. daß die Induktion des Magnetkerns 1q. oberhalb einer bestimmten Feldstärke ohne Steigerung der letzteren von selbst weiter zunimmt. Die Verwendung eines Magnetmetalls mit spontaner Magnetisierung kann auch neben den oder statt der übrigen obenerwähnten Maßnahmen zur Beschleunigung der Ummagnetisierung und damit zur, Erhöhung der Strombelastbarkeit beitragen bzw. dienen; denn sie ermöglicht es, mit sehr kleinen Parallelkondensatoren 22 oder sogar ganz ohne Parallelpfad auszukommen und dadurch die erwähnten Schwingungen und die von ihnen verursachte Verringerung der nutzbaren Dauer der stromschwachen Phase zu vermeiden.
  • Bei :Magnetkernen ohne die zuletzt erwähnte Eigenschaft ist die Neigung der gesättigten Teile der Magnetisierungskennlinie maßgebend für das Verhältnis - , das seinerseits für den dritten Summanden der erfinderischen Formel 'mitbestimmend ist. Damit letzterer nicht durch schlechte Magneteigenschaften des Drosselkerns 14 übermäßig vergrößert wird, wählt man vorteilhaft ein Magnetmetall, das ein Verhältnis von BJ: Bs < i,i aufweist. Im Zusammenhang mit dem Magnetkern 25 wurde bereits erwähnt, daß eine auf die Kontaktschließung folgende stromschwache Pause den Aussteuerwinkel a vergrößert. Ferner wurde geschildert, daß auch der Magnetkern 1q. eine solche stromschwache Pause hervorrufen kann, wenn seine Ummagnetisierung nicht rechtzeitig beendet ist. Dieser Umstand kann bei der Umformungsanordnung nach der Erfindung verschiedenen Nebenzwecken dienlich sein. Zunächst kann damit willkürlich die Spannung auf der Gleichstromseite wenigstens in einem kleinen Bereich in der Größenordnung von etwa io °/o geregelt und dadurch beispielsweise der durch die Belastungszunahme bedingte Spannungsabfall mindestens teilweise kompoundiert werden. Dies kann u. a. durch Herabregelung des Vormagnetisierungsstromes in der Wicklung 26 oder der mittels der Wicklung 29 zusätzlich eingeführten .Hilfsspannung erreicht werden, wodurch u. a. bei sinkender Belastung das Ansteigen der Gleichspannung verringert werden kann.
  • Da ferner, wie erwähnt, auch bei Überschreitung des durch die erfindungsgemäße Formel gegebenen Höchstbelastungswertes eine Spannungssenkung infolge nicht rechtzeitiger Beendigung der Ummagnetisierung des Drosselkerns 1q verursacht wird, so kann dieser Vorgang dazu benutzt werden, um bei Überschreitung der obersten Belastungsgrenze eine völlige Stillsetzung der Umformungsanordnung zu umgehen. Dazu ist es erforderlich, daß der bei der zulässigen Hilfsbelastung am Anfang, 12, der stromschwachen Pause liegende Öffnungszeitpunkt bei Überschreitung dieser Belastung mittels stromabhängiger Steuerung selbsttätig auf einen späteren Zeitpunkt zwischen 12 und t3 verlegt wird. Dann geht die Stromunterbrechung auch in diesem Falle während der stromschwachen Pause unter erleichterten Bedingungen vor sich. Eine weitere Erhöhung des Belastungsstromes hat ein starkes Absinken der Gleichspannung tf" zur Folge, so daß sich etwa der in Fig. g dargestellte Verlauf der Belastungskennlinie mit einem deutlichen Knick an der Stelle J.". ergibt. Das bedeutet, daß mit einer weiteren Verringerung des Widerstandes im Verbraucherkreis oder der Gleichstromgegenspannung oberhalb von 1."x ein wesentlich geringerer Stromanstieg verbunden ist als unterhalb von Jma,, Andere unerwünschte Folgen können dagegen nicht eintreten.

Claims (13)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Anordnung zum Energieaustausch zwischen einem Gleichstromsystem und einem mehrphasigen Wechselstromsystern gegebener Frequenz, dessen verkettete Phasenleitungen sich auf je zwei synchron gesteuerte, im Gegentakt arbeitende und an verschiedene Pole des Gleichstromsystems angeschlossene Kontakteinrichtungen verzweigen und in dem gemeinsamen Leitungsteil außerhalb der Verzweigung je eine stromabflachende Sättigungsdrossel aufweisen, mit sich überlappenden Schließungszeiten der einander ablösenden Phasen, dadurch gekennzeichnet, daß das Streuverhältnis e. der Kommutierungskreise, der Steuerwinkel a und die Abmessungen und Eigenschaften der Sättigungsdrosseln so aufeinander abgestimmt sind, daß ist, m =Phasenzahl der Wechselstromseite der Umformungsanordnung, (o = Kreisfrequenz der Wechselspannung, Bj = Induktion des Drosselkerns bei einem gegebenen Belastungsstrom J, B,s = Sättigungsinduktion des Drosselkerns, d t, == Ummagnetisierungsdauer der Sättigungsdrossel von -a- PS auf - Bs, bezogen auf den Scheitelwert der Kommutierungsspannung.
  2. 2. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verringerung der Streuinduktivität des drehstromseitig angeschlossenen Transformators oder Generators, der Sättigungsdrosseln sowie der Verbindungsleitungen und Schaltgeräte ein Streuverhältnis e der Kommutierungskreise von weniger als 8 % erzielt ist.
  3. 3. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließzeitpunkt der Kontakteinrichtungen auf einen vorbestimmten kleinsten Aussteuerwinkel ao eingestellt ist oder bei verstellbarem Aussteuerwinkel die Unterschreitung dieses Winkels ao durch einen Anschlag od. dgl. an der Verstelleinrichtung unmöglich gemacht wird. q.
  4. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkern durch eine während der Ummagnetisierung der Sättigungsdrossel wirksame, gegebenenfalls verstärkte Vormagnetisierung abwechselnd jedesmal in Richtung des bevorstehenden Stromflusses zusätzlich erregt wird.
  5. 5. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der während der Wirkungszeit der Sättigungsdrossel fließende Strom durch entsprechende Vormagnetisierung der Sättigungsdrossel zusätzlich bis nahezu. auf den Wert Null ausgeglichen wird und daß dieser Ausgleich bei Änderungen des Aussteuerwinkels durch gekoppelte Regelung der Vormagnetisierung im wesentlichen aufrechterhalten wird.
  6. 6. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwendung oder/und die Ummagnetisierung der Sättigungsdrosseln mit Hilfe einer zusätzlich eingeführten Hilfsspannung beschleunigt.wird. .
  7. 7. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei annähernd voller Aussteuerung ein Teilquerschnitt des Magnetkerns der Sättigungsdrosseln durch eine kurzgeschlossene Zusatzwicklung unwirksam gemacht wird. B.
  8. Umformungsanordnung nach Anspruch i, q oder 6 mit einem vorzugsweise kapazitiven Parallelpfad zur Unterbrechungsstelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelpfad jedesmal nach der Öffnung der Unterbrechungsstelle ebenfalls unterbrochen wird.
  9. 9. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sättigungsdrossel eine Induktivität parallel geschaltet ist. io.
  10. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern der Sättigungsdrosseln aus einem Werkstoff besteht, dessen Induktion oberhalb einer bestimmten Feldstärke ohne Steigerung der letzteren von selbst weiter zunimmt. ii.
  11. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Magnetkern der Sättigungsdrosseln verwendete Werkstoff ein Verhältnis von aufweist.
  12. 12. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregelung in verhältnismäßig kleinem Bereich von wenigen Hundertteilen der Nennspannung durch Änderung der Vormagnetisierung der Sättigungsdrosseln bewirkt wird.
  13. 13. Umformungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der zulässigen Höchstbelastung am Anfang der stromschwachen Pause liegende Öffnungszeitpunkt bei Überschreitung dieser Belastung mittels stromabhängiger Steuerung selbsttätig auf einen späteren Zeitpunkt verlegt wird.
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