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Elektrischer Umformer Zusatz zum Patent 843 036 Im Patent
847 036 ist ein elektrischer Umformer beschrieben, bei dem die Stromumformung
mittels magnetischer Schalter unter Verwendung von Schaltdrosseln und parallel zu
den Schalterkontakten liegenden Ventilen bewirkt wird, wobei neben der Hauptstromwicklung
des elektromagnetischen Schalters auch noch zusätzliche Ausschaltspulen zur Verwendung
gelangen.
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Die Erfindung befaßt sich mit einer besonders vorteilhaftenAusführung
eines solchen Umformers. Ihr Kennzeichen besteht darin, daß der magnetische Schalter
außer der Hauptstromwicklung mindestens eine die Hauptstromwicklung beim Einschalten
unterstützende Zusatzwicklung aufweist, deren Erregung durch den beim Ummagnetisieren
einer gesättigten Drossel auftretenden Spannungsimpuls eingeleitet wird. Für viele
Anwendungen ist es zweckmäßig, in Reihe mit der Zusatzwicklung ein Ventil anzuordnen,
derart, daß nur Impulse einer Richtung auf die Zusatzwicklung einwirken. Es ist
aber auch möglich, ohne eine Hilfsstromquelle auszukommen, indem die beim Ummagnetisieren
der gesättigten Drossel auftretenden Spannungsimpulse unmittelbar auf die Zusatzwicklung
wirken. Um die Stromflußdauer in der Zusatzwicklung größer zu halten als die Impulsdauer
der Spannung,
ordnet man zweckmäßig parallel zur Zusatzwicklung
einen Kondensator an. Bei größerem Energiebedarf wird der Kondensator durch eine
zusätzliche Spannungsquelle zunächst aufgeladen und die Entladung über die Zusatzwicklung
durch. Aufhebung der Sperrwirkung des Ventils hervorgerufen, und zwar unter Ausnutzung
des Spannungsimpulses an der gesättigten Drossel. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, däß die Zusatzwicklung in' Reihe mit einer Diode und mindestens einem Teil
der Wicklung der gesättigten Drossel an ein Gleichstromnetz angeschlossen ist, dessen
Spannung kleiner ist als die Zündspannung der Diode, wobei die Erregung der Hilfswicklung
durch den Einschaltspannungsimpuls an der gesättigten Drossel .eingeleitet und durch
den Ausschaltspannungsimpuls unterbrochen wird. _ Einschaltspulen dieser Art haben
den großen Vorteil, daß die Windungszahl der Hauptstromspule weitgehend, im Grenzfall
bis auf eine Windung verringert werden kann, wodurch der Aufbau des magnetischen
Schalters einfacher und billiger wird. Bei der Einschaltspule nach der Erfindung
bleibt die funkenlöschende Eigenschaft des parallel zur Unterbrechungsstelle liegenden
Ventils voll erhalten, da keine zusätzlichen Induktivitäten in diesem Parallelkreis
vorhanden sind. Die Ausschaltung kann durch eine Feder bewirkt werden, wie dies
ebenfalls im Hauptpatent bereits beschrieben ist. Es kann jedoch zweckmäßig sein,
neben der Federkraft noch eine magnetische Ausschaltkraft vorzusehen, indem auch
eine Ausschaltspule durch den Spannungsimpuls einer gesättigten Drossel mittelbar
oder unmittelbar erregt wird, wobei jedoch in Reihe mit dieser Ausschaltspule ein
Ventil angeordnet wird. Eine besonders vorteilhafte Anordnung erhält man, sofern
die Ausschaltung nur mit Hilfe einer Ausschaltspule bewirkt wird, da dann beim Einschalten
nicht zusätzliche Energie zum Spannen der Ausschaltfeder aufgewendet werden muß.
In diesem Fall wird man die Anordnung zweckmäßig so treffen, daß das Ausschaltsystem
im stromlosen Zustand der Ausschaltspule magnetisiert ist, wobei diese Magnetisierung
beim Ausschaltvorgang durch Miterregung der Ausschaltspule verstärkt, beim Einschaltvorgang
durch Gegenerregung der Ausschaltspule geschwächt wird. Der Vorwärtsstrom des in
Reihe mit der Ausschaltspule liegenden Ventils bewirkt die Miterregung, der Rückstrom
die Gegenerregung. Die Magnetisierung des Ausschaltsystems im stromlosen Zustand
wird zweckmäßig durch Ausnutzung des remanenten Magnetismus des magnetischen Ausschaltkreises
bewirkt. Man kann aber auch zusätzlich einen permanenten Magneten anordnen oder
eine stromdurchflossene Wicklung vorsehen, die jedoch beim Ausschalten des Umformers
nicht unterbrochen werden darf, damit die Anker sich im Ruhezustand in Ausschaltstellung
befinden. Der für die Gegenerregung erforderliche Rückstrom des Ventils wird zweckmäßig
dadurch hervorgerufen, daß das Ventil durch einen Widerstand, insbesondere durch
einen regelbaren Widerstand, überbrückt wird. Es ist unter Umständen vorteilhaft,
auch dem Einschaltsystem eine Vorerregüng zu geben, die dann in gleicher Weise durch
den Vorwärtsstrom des in Reihe zur Einschaltwicklung liegenden Ventils verstärkt
und durch den Rückstrom geschwächt wird.
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In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung
schematisch dargestellt.
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Fig. i und 2 zeigen Anordnungen mit Zusatzeinschaltspule, wobei die
Ausschaltung mit Hilfe einer Feder erfolgt; Fig. 3 und -. stellen Ausführungen dar,
bei denen die Ausschaltung durch ein besonderes magnetisches Ausschaltsystem bewirkt
wird.
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In Fig. a bedeutet i eine Wechselstromquelle, 2 eine gesättigte Drossel
mit, der Hauptstromwicklung 3 und der Vorerregunswicklung q., die über eine Drossel
5 an ein Gleichstromnetz 6 angeschlossen ist, -7 den elektromagnetischen Schalter
mit den auch elektrisch leitenden Magnetpolen 8 und 9, die durch einen Luftspalt
io elektrisch und magnetisch getrennt sind. i i ist der prismenförmige Anker, der
von der Feder i2 getragen ist, die ihrerseits an den Isolierstücken 13 und 1q. befestigt
ist. Parallel zum Anker ist das Ventil 15 angeschlossen. 16 ist die aus wenigen,
im Grenzfall aus einer Windung bestehende Hauptstromwicklung, 17 die Zusatzwicklung.
Diese ist über die Triode 18 an den Kondensator i9 angeschlossen, der seinerseits
über einen Widerstand 2o mit dem Gleichstromnetz 6 in Verbindung steht. Das Gitter
21 der Triode steht mit einer Anzapfung 22 der Hauptstromwcklung 3 der gesättigten
Drossel 2 in Verbindung; 23 ist die Belastung. Die Wirkungsweise der Anordnung ist
nun folgende: Bei positiv werdender Spannung des Generators i beginnt ein Strom
über die Hauptstromwicklung 3 der gesättigten Drossel 2; die Wicklung 16 des Schaltmagneten,
das Ventil 15 und - die Belastung 23 zu fließen. Hierdurch wird die gesättigte Drossel
urinmagnetisiert, wodurch in der Wicklung 3 und insbesondere auch am Gitter2r der
Triode IS ein Spannungsimpuls entsteht, durch den das Gitter positiv gemacht wird.
Der Kondensator i9 entlädt sich nun über die Triode i8 und die Wicklungen i6- und
17. Hierdurch entsteht eine so große Erregung des Magnetsystems 8, 9, daß der Anker
ii entgegen der Feder 12 angezogen wird. Die Magnetpole 8 und 9 sind damit durch
den Anker ii miteinander verbunden, wodurch das Ventil 1g überbrückt ist: Beim -Nulldurchgang
des Entladestromes des Kondensators i9 löscht die Triode 18, da am Gitter praktisch
keine oder bei abnehmendem Strom sogar eine negative Spannung besteht. Der Kondensator
i9 wird inzwischen über den Widerstand 2o aus dem Gleichstromnetz wieder aufgeladen.
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Nähert sich der Strom seinem Nulldurchgang, so überwiegt die Kraft
der Ausschaltfeder i2 die durch die Spule 16 zusammen mit dem Strom erzeugte magnetische
Haltekraft. Der Strom wird wieder auf das Ventil 15 umgeschaltet, das dann beim
Stromnulldürchgang löscht. Damit das Abfallen
des Ankers auch bei
verringerter Windungszahl der Hauptstromwicklung 16 bei genügend kleinem Strom erfolgt,
ist es zweckmäßig, ein Magnetsystem zu verwenden, bei dem das Verhältnis von Anzugs-
zu Abfallamperewindungen groß ist.
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In Fig. 2 bedeutet 31 die Wechselstromquelle, 3,2 eine gescherte gesättigte
Drossel mit dem Eisenkern 33 und der Hauptstromwicklung 34. 35 und 36 sind Anzapfungen,
37 ist eine Diode, 3,8 und 39 sind die Schienen einer Gleichstromversorgung. 4o
ist der magnetische Schalter mit den Polen 41 und 42, die durch den Luftspalt 43
voneinander getrennt sind. 44 ist der prismenförmige Anker, der mit der Blattfeder
45 verbunden ist, die ihrerseits an den Isolierstücken 46 und 47 befestigt ist.
48 ist die Hauptstromwicklung, 49 die Zusatzwicklung, So ein Widerstand, 51 das
die Pole 41 und 42 überbrückende Ventil; 5.2 stellt die Belastung dar. Die Wirkungsweise
der Anordnung ist folgende: Bei positiv werdender Spannung der Wechselstromquelle
31 beginnt ein Strom über die Hauptstromwicklung 34 der Drossel 32, die Hauptstromwicklung
48, das Ventil 51 und die Belastung 52 zu fließen. Hierdurch wird eine Ummagnetisierung
der Drossel 32 bewirkt. Zwischen den Anzapfungen 35 und 36 entsteht ein Spannungsimpuls,
der sich zur Gleichspannung an den Schienen 38 und 39 addiert. Unter Einfluß dieser
Summenspannung zündet die Diode 37, und es beginnt nun ein Gleichstrom zu fließen,
und zwar von der Schiene 38 über die Diode 37, die zwischen den Anschlüssen 35 und
36 liegende Teilwicklung, die Zusatzwicklung 49 den Widerstand 5o und zurück zur
Schiene 39. Hierdurch wird das Magnetsystem 41, 42 erregt und der Anker 44 angezogen.
Der Strom in der Hauptstromwicklung 48 steigt bis zu einem Maximalwert an, wodurch
der Kontaktdruck zwischen den Polen 41, 42 und dem Anker 44 entsprechend verstärkt
wird. Nachher fällt der Hauptstrom wieder ab; der Anker 44 wird aber durch die weiterbestehende
Erregung der Wicklung 49 mit Gleichstrom festgehalten. Im Augenblick, da die Ummagnetisierung
der Drossel 32 bei abnehmendem Strom beginnt, tritt zwischen den Anzapfungen
35 und 36 wiederum ein Spannungsimpuls, jedoch von entgegengesetzter Richtung, auf.
Er wirkt der Spannung an den Schienen 38, 39 entgegen; der Gleichstrom durch die
Zusatzspule 49 hört auf zu fließen, und die Entladung in der Diode 37 erlischt.
Nun bewegt sich der Anker 44 unter dem Einfluß der Feder 45 in die Ausschaltstellung.
Der Strom fließt bis zu seinem Nulldurchgang über das Ventil 51. Man erkennt somit,
daß die Einschaltung im wesentlichen durch die Erregung der Wicklung 49 bewirkt
wird, daß hingegen der bei großen Strömen notwendige hohe Kontaktdruck vornehmlich
durch die Erregung der Hauptstromwicklung 48 zustande kommt und daß die Ausschaltung
bei verschwindender Erregung der Spule 4() und infolge des kleinen Stromes auch
entsprechend kleiner Erregung der Spule 48 praktisch ohne magnetische Gegenkraft
lediglich durch die Wirkung der Ausschaltfeder 45 erfolgt. In Fig.3 bezeichnet 61
die Wechselstromquelle, 62 eine gesättigte gescherte Drossel mit dem Luftspalt 63,
64 die Hauptstromwicklung mit den Anzapfungen 65 und 66. 67 stellt eine Hilfswicklung
dar. 68 und 69 sind Ventile, insbesondere Trockengleichrichter. 70 ist ein
regelbarer Parallelwiderstand, 71 ein Kondensator. 72 ist der elektromagnetische
Schalter mit den Polen 73 und 74. 75 ist die Hauptstromspule, 76 die Zusatzeinschaltspule,
78 der Anker, 79 das Ausschaltsystem mit den Polen 8o und 81, dem permanenten Magneten
82 und der Ausschaltspule 83. 84 ist das parallel zur Unterbrechungsstelle liegende
Ventil, 85 die Belastung.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Sowie in der Wicklung
64 ein Strom zu fließen beginnt, tritt zwischen den Anzapfungen 65 und 66 ein Spannungsimpuls
auf, der einen Stromstoß über die Wicklungen 75 und 76 und das Ventil
68 bewirkt. Zugleich wird der Kondensator 71 aufgeladen. Unter der
Wirkung dieses Stromstoßes wird der Anker 78 angezogen, wodurch die Pole 73 und
74 überbrückt werden. Nach Aufhören des Spannungsimpulses entlädt sich der Kondensator
71 über die Wicklungen 75, 76, so daß die Magnetisierung über die Dauer des
Spannungsimpulses hinaus verlängert wird, und zwar bis die Erregung der Hauptstromspule
75 eine ausreichende Haltekraft gewährleistet. Nähert sich der Hauptstrom seinem
Nulldurchgang, so wird die Drossel 62 wieder ummagnetisiert. Die Spannung zwischen
den Anzapfungen 65 und 66 hat umgekehrtes Vorzeichen. Ein Strom über die Einschaltwicklungen
75, 76 kann wegen der sperrenden Wicklung des Ventils 68 nicht fließen. Es entsteht
jedoch auch an der Wicklung 67 ein Spannungsimpuls, durch den nun die Ausschaltspule
83 erregt wird, und zwar derart, daß sie die magnetisierende Wirkung des permanenten
Magneten 82 unterstützt. Hierdurch wird der Anker 78 in Ausschaltrichtung angezogen,
und er hebt sich somit in der Nähe des Stromnulldurchganges von den Polen 73 und
74 ab. Der Anker 78 bleibt dann infolge der Wirkung des permanenten Magneten 82'
in der Ausschaltstellung. Tritt wiederum die Einschaltummagnetisierung der Drossel
62 auf, so wiederholt sich das Spiel im Einschaltstromkreis, wie bereits beschrieben.
Es fließt aber zusätzlich auch noch ein Strom von der Wicklung 67 über den Widerstand
70 und die Ausschaltspule 83, jedoch in umgekehrter Richtung, wodurch die
anziehende Kraft des permanenten Magneten 82 so weit geschwächt wird, daß der Anker
78 auch ohne die anziehende Wirkung des Magnetsystems 72 abfallen würde. Man erkennt,
daß die Beschleunigung des Ankers in Einschah- und Ausschaltrichtung im wesentlichen
nur durch magnetische Kräfte erfolgt, die einerseits durch Erregung der Einschaltwicklung
76, andererseits durch Erregung der Ausschaltwicklung 83 erzeugt werden. Der permanente
Magnet 82 sichert lediglich die Ausschaltstellung des Schalters im stromlosen Zustand.
Seine Wirkung beim Einschaltvorgang wird durch Gegenerregung der Spule 83 kompensiert:
Fig.4
zeigt schließlich noch eine Ausführungsform der Erfindung, wie sie speziell für
hohe Stromstärken mit Vorteil angewendet wird. Es bedeutet 9o die Wechselstromquelle,
yi die gesättigte Drossel mit den Wicklungen 92 und 93 und dem Vorerregungssystem
94. Die Haupterregung der gesättigten Drossel gi erfolgt durch den stromdurchflossenen
Leiter 95, d. h. die Drossel 9i ist in Form eines Einleiterstromwandlers gebaut.
96, 97 sind Ventile, 98, 99 Widerstände. Der magnetische Schalter ioo besitzt die
Pole ioi und io2. 103 ist ein permanenter Magnet, 104 die Zusatzeinschaltspule.
Die Haupterregung erfolgt durch den Stromdurchgang durch die Schienen io5 und io6,
die isoliert nebeneinanderliegen und zusammen mit dem Magnetsystem ioi, io2 ebenfalls
ein einem Einleiterstromwandler verwandtes Gebilde darstellen. 107 ist der Anker,
io8, iog das Ausschaltmagnetsystem mit dem permanenten Magneten i io und der Ausschaltspule
i i i. 112 ist das Überbrückungsventil, 113 die Belastung.
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Die Wirkungsweise der Anordnung entspricht in allen wesentlichen Punkten
der von Fig. 3. Durch Anordnung des permanenten Magneten io3 wird dafür gesorgt,
daß der Anker io7 bis gegen den Stromnulldurchgang in der Einschaltstellung festgehalten
wird. Beim Ausschälten wird durch den Rückstrom des Ventils 96; der über den Widerstand
98 fließt, die Wirkung des Magneten 103 kompensiert, und zwar in gleicher Weise,
wie dies an Hand der Fig. 3 für den Einschaltmagneten bereits beschrieben wurde.
In der Einschaltstellung bewirkt der Anker 107 eine Verbindung der beiden Schienen
io5 und io6.
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Selbstverständlich kann man die Einleiteranordnung auch ohne zusätzliches
Ausschaltsystem verwenden, z. B. in Anordnungen nach Fig. i und z.
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Bei Verwendung von sehr schnellen Ein- und Ausschaltmagnetsystemen
mit einer Schaltzeit von höchstens io-4 Sekunden wird als gesättigte Drossel zweckmäßig
die Schaltdrossel selbst verwendet, wie dies in den Ausführungsformen nach Fig.
i bis 4 angenommen ist. Für größere Schaltzeiten, beispielsweise von etwa 3 # 10-4
Sekunden, wird im allgemeinen die Einschaltstufe zu lang, was entsprechend hohen
induktiven Spannungsabfall bedingt. In diesem Fall verwendet man als gesättigte
Drossel nicht die Schaltdrossel, sondern eine zusätzliche gesättigte Drossel mit
entsprechend kleineren Stufenzeiten.
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Der Vorteil von Umformern der beschriebenen Art besteht darin, daß
die ohmschen Verluste und der induktive Spannungsabfall der Hauptstromwicklung verschwindend
gering gemacht werden können. Zudem lassen sich die Abmessungen und damit auch die
Herstellkosten wesentlich herabsetzen. Insbesondere bei der Einleiterausführung
nach Fig. 4 ist es ohne großen Aufwand möglich, die Umformer kurzschlußsicher zu
bauen. Bei Anordnung eines Ausschaltsystems kann eine Feder mit wesentlich geringererÄusschaltkraft
verwendet werden, was ebenfalls zu einer Verringerung des Amperewindungsbedarfes
beim Einschalten beiträgt. Im Grenzfall ist es sogar möglich, die Feder gänzlich
wegzulassen, wodurch Herstellung, Montage und Justierung des magnetischen Schalters
vereinfacht werden. Das Ausschaltsystem bringt noch den zusätzlichen Vorteil, daß
die Anker in der Endlage magnetisch festgehalten werden. Ein Zurückschwingen, was
eine Verringerung der Spannungsfestigkeit zur Folge hätte, ist weitgehend verhindert.