-
Schaltumformer Die Erfindung bezieht sich auf einen Schaltumformer,
d. h. auf einen nach Art eines Schalters mit mechanisch bewegten Schaltstücken ausgerüsteten
Stromrichter, mit einer Schaltdrossel. Die Schaltdrossel ist eine mit der Unterbrechungsstelle
in Reihe geschaltete Drosselspule mit geschlossenem magnetischem Kreis, der nur
bei kleinen Strömen ungesättigt, jedoch bereits beim Überschreiten eines verhältnismäßig
niedrigen Stromwertes in der Größenordnung von z Amp. plötzlich infolge des einen
scharfen Sättigungsknick aufweisenden Verlaufs der Magnetisierungskurve gesättigt
ist. Die Schaltdrossel bildet also im Bereich des Stromnulldurchganges einen hohen
Widerstand und flacht infolgedessen die Stromkurve in der Nähe der Stromnulldurchgänge
ab. Dadurch wird die stromschwache Zeitspanne innerhalb jeder Periode verlängert.
Durch passende Bemessung der Schaltdrossel läßt sich dabei diese Abflachung so weit
treiben, daß absolute funkenfreie Unterbrechung auch bei hohen Strömen möglich wird.
Während des übrigen Teiles der Halbwelle dagegen, also während der eigentlichen
Stromübertragungszeit, bildet die Schaltdrossel nur einen sehr kleinen Widerstand.
Durch
regelbare Vormagnetisierung der Schaltdrossel kann der Stromwert, bei welchem die
Sättigung eintritt, verändert und somit bei Wechselstrom auch der Zeitpunkt der
Sättigung innerhalb der Wechselstromphase in gewissen Grenzen willkürlich verschoben
werden, wodurch eine Anpassung an verschiedene Belastungszustände ermöglicht wird.
. Es ist nun bereits vorgeschlagen worden, zur Unterbrechungsstrecke des Schaltumformers
einen Hilfsstromzweig parallel zu schalten, in welchem ein Widerstand angeordnet
ist, dessen Größe nur einen Bruchteil des Widerstandswertes der Schaltdrossel in
ungesättigtem Zustand beträgt, um so die Unterbrechungsstelle während des Abschaltvorganges
von der Spannungsbeanspruchung zu entlasten. Ein weiterer Vorschlag geht dahin,
den Parallelwiderstand während der Unterbrechungszeit zu vergrößern bzw. den parallelen
Stromzweig kurz nach der Trennung der Hauptkontakte ebenfalls zu unterbrechen, damit
nicht über diesen Zweig ein Rückstrom fließt. Es ist weiter vorgeschlagen, einen
zu den Hauptkontakten parallelen Stromzweig kurz vor dem Einschaltaugenblick der
Hauptkontakte zu schließen, um durch den über den parallelen Stromzweig fließenden
Strom in der Schaltdrossel eine Feldveränderung hervorzurufen, welche die Betriebsspannung
des Wechselstromnetzes schon vor dem Einschalten von der Unterbrechungsstelle weg
an die Schaltdrossel verlagert: Diese Maßnahme genügt jedoch nicht in allen Fällen
den gestellten Anforderungen, z. B. wenn der Einschaltzeitpunkt etwa 1/3 Periode
nach dem Nulldurchgang - der Spannung liegen soll. Dies kommt beispielsweise vor,
wenn ein weiter Regelbereich gefordert ist und zu diesem Zweck der Einschaltzeitpunkt
innerhalb einer Stromübertragungsperiode in weiten Grenzen verändert wird. Dann
würde also auch bei vorherigem Schließen eines Nebenweges keine genügend hohe Spannung
vorhanden sein, um in der Schaltdrossel die zum spannungsfreien Einschalten erforderliche
Feldveränderung hervorzurufen.
-
Um nun allen Anforderungen gerecht zu werden, wird nach der Erfindung
in einer mit der Schaltdrossel in einem gewissen Stromkreis liegenden Wicklung eine
zusätzliche synchrone, nach Größe und Phasenlage regelbare Hilfswechselspannung
hervorgerufen, von der jedesmal vor dem Einschalten der Hauptkontakte ein Stromstoß
durch die Schaltdrossel getrieben wird, der sie durch Feldveränderung veranlaßt,
im Augenblick des Einschaltens der Hauptkontakte die gesamte Betriebsspannung des
Wechselstromnetzes von der Unterbrechungsstelle weg zu übernehmen.
-
Man kann zu diesem Zweck erfindungsgemäß einen synchron mit der Wechselspannung
umlaufenden, gegebenenfalls mit der Steuerwelle des Schaltumformers gekuppelten
Hilfsgenerator verwenden. Der Hilfsgenerator wird vorteilhaft gleich so gebaut,
daß seine Spannungskurve die zwecks geeigneter Vormagnetisierung der Schaltdrossel
erforderlichen Oberwellen aufweist. Nach der weiteren Erfindung ist die Spannungskurve
des Hilfsgenerators nach Form, Phasenlage und Amplitudengröße regelbar veränderlich.
Das wird beispielsweise durch besondere abschaltbare bzw. regelbare Hilfserregerwicklungen,
von denen einige nur mit einem Teil des gesamten Magnetkreises verkettet sind, ferner
durch Bemessung der Eisenquerschnitte und Wahl der Eisensorten derart, daß der Sättigungspunkt
erreicht und überschritten wird, sowie durch verdrehbare Anordnung des Ständers
erzielt. Die Verwendung eines Hilfsgenerators, der wegen des kleinen, bis zur Sättigung
erforderlichen Magnetisierungsstromes nur für eine sehr geringe Leistung zu bemessen
ist, kommt in erster Linie für Großgleichrichter und andere große Umformereinheiten
in Frage.
-
Eine andere Möglichkeit,- die zur Vormagnetisierung der Schaltdrossel
erforderliche Spannung zu gewinnen, besteht nach der weiteren Erfindung in der Verwendung
einer zweiten Schaltdrossel, die jedoch zwei Wicklungen hat, von denen die eine
als Sekundärwicklung mit der Hauptschaltdrossel in Reihe liegt, während die andere
als Primärwicklung vom Wechselstromnetz erregt wird, und zwar zwecks Regelung über
einen Phasenschieber mit gegeneinander verdrehbaren Wicklungen. Die zweite Schaltdrossel
ist viel kleiner als die Hauptschaltdrossel, weil sie ja nur den. geringen Magnetisierungsstrom
für sie zu treiben hat. Durch die Eigenschaft der Drossel, sich bei Überschreiten
eines sehr niedrigen Stromwertes plötzlich zu sättigen, besitzt die in der Sekundärwicklung
hervorgerufene Spannung die erwünschte Form eines kurzzeitigen Spannungsstoßes.
Ihm entspricht stets ein r8o elektrische Grad später auftretender, entgegengesetzt
gerichteter Spannungsstoß. Dieser könnte den Ausschaltvorgang unter Umständen stören.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die Hilfsschaltdrossel besonders
vormagnetisiert ist. Dann beträgt die gegenseitige Verschiebung der Spannungsstöße
gegeneinander nicht mehr r8o°, sondern einen größeren bzw. kleineren Betrag. Wählt
man die Richtung der Vormagnetisierung so, daß der Abstand des nicht ausgenutzten
von dem vorhergehenden, zuni Einschalten ausgenutzten Spannungsstoßes größer ist
als i8o° elektrisch, so fällt der zweite Spannungsstoß z. B. in die.Zeit, während
der die Kontakte geöffnet sind, stört also dann nicht mehr. Die Vormagnetisierung
der zweiten Schaltdrossel kann entweder durch Verwendung permanenten. Magneteisens
geschehen oder besser durch eine Gleichstromerregerwicklung. Letztere bietet die
Möglichkeit einer Regelung, die besonders dann erwünscht ist, wenn zur Regelung
der Belastung des Schaltumformers die Einschaltdauer der Hauptkontakte verändert
wird.
-
Würde man die zum Hervorrufen der zusätzlichen Spannung dienende Wicklung
in den Hauptstromkreis legen, so müßte sie für den Durchgang des gesamten Stromes
bemessen sein. Würde man sie unmittelbar beiderseits an die Hauptschaltdrossel anschließen,
so daß sie, vom Hauptstromkreis aus betrachtet, zur Schaltdrossel parallel läge,
so müßte der von der Betriebsspannung des Wechselstromnetzes durch diesen Parallelzweig
getriebene
Strom von den Unterbrechungskontakten mit unterbrochen
werden, oder es müßte im Unterbrechungsaugenblick für eine genaue Kompensierung
der Betriebsspannung und der Zusatzspannung gesorgt werden. Beide Fälle bedeuten
eine Erschwerung des Betriebes. Diese wird vermieden, wenn die zusätzliche Wicklung
der weiteren Erfindung gemäß in einem zur Unterbrechungsstrecke parallelen Stromzweig
liegt. Erfindungsgemäß liegt im Parallelstromkreis außer der Hilfsschaltdrossel
noch ein Widerstand. Als solcher ist insbesondere ein Kondensator gut geeignet.
Es empfiehlt sich, mit dem Kondensator noch einen Dämpfungswiderstand in Reihe zu
schalten, der die Größe der Amplituden der Schwingungen in dem aus den Schaltdrosseln
und dem Kondensator gebildeten Schwingungskreis dämpft. Macht man diesen Dämpfungswiderstand
nach der weiteren Erfindung regelbar, so hat man die Möglichkeit einer weiteren
bequemen Regelung. Zusammen mit der Veränderung der Phasenlage der Primärspannung
der Zusatzdrossel und mit der Änderung ihrer Vormagnetisierung besitzt man drei
Regelmöglichkeiten, mittels deren alle Belastungsfälle beherrscht werden können.
Jede einzelne dieser drei Regelmöglichkeiten gestattet außerdem die Strom- und Spannungsregelung
des Schaltumformers in einem begrenzten Bereich.
-
In der Zeichnung ist in Fig. i als Ausführungsbeispiel der Erfindung
ein Schaltumformer in Verwendung als Gleichrichter in Form eines Schemas der Gleichrichteranlage
dargestellt, wobei von dem Schaltumformer und den dazugehörigen Hilfseinrichtungen
der besseren Übersichtlichkeit halber nur ein Pol dargestellt ist.
-
In Fig. i ist an das Netz i i der Haupttransformator 12 angeschlossen.
Dieser speist die Hauptstromkreise, in welchen sich die Schaltdrosseln 13, die Unterbrechungskontakte
14 und die Gleichstromlast 15 befinden. Da bei mehrpoligen Schaltumformern in den
Augenblicken des Einschaltens und des Ausschaltens stets noch ein zweiter Pol geschlossen
ist, so daß während der Übergangszeit eine Art Kurzschlußstromkreis besteht, so
ist in der Zeichnung als Hauptbelastung des einen dargestellten Pols eine induktive
Last 16 angegeben. Ihr gegenüber ist die Gleichstromlast 15 für die hauptsächlich
in Betracht kommenden Vorgänge während des Einschaltens und Unterbrechens vernachlässigbar.
Für den Synchronantrieb der Unterbrecherkontakte 14 ist ein Synchronmotor 17 vorgesehen,
der zwecks Veränderung der Schaltzeitpunkte über einen Phasenschieber 18 vom Netz
il gespeist wird. Parallel zu jedem Unterbrecherkontaktpaar 14 liegt die Sekundärwicklung
22 einer zweiten Schaltdrossel 2o und in Reihe damit ebenfalls innerhalb des Parallelstromzweiges
ein Kondensator 23, dessen Widerstandswert einen Bruchteil des Widerstandswertes
der Schaltdrossel 13 in ungesättigtem Zustand beträgt, und ein regelbarer Dämpfungswiderstand
24. Die Primärwicklung liegt über einen besonderen Phasenschieber 25 am Netz i i.
In den Stromkreis der Primärwicklung 21 ist außerdem zur Erzielung einer Phasenverschiebung
zwischen Strom und Spannung und zur Begrenzung des Stromes bei gesättigter Hilfsdrossel
eine Luftdrossel 26 eingeschaltet. Wird die Primärwicklung 21 erregt, so erhält
man in der Sekundärwicklung 22 Spannungsstöße von der in Fig. 2 dargestellten Form.
(ausgezogene Linien). Ein solcher Spannungsstoß treibt bei geöffneten Kontakten
14 einen Strom durch. die Schaltdrossel 13, der in dieser eine Feldänderung erzeugt.
Regelt man mit dem Phasenschieber 25 die Phasenlage der Spannungsstöße so ein, daß
der Spannungsstoß kurz vor dem Einschalten verschwunden ist, daß also in dem mit
t, bezeichneten Augenblick der Hauptkontakt eingeschaltet wird, so befindet sich
die Schaltdrossel 13 bei passender Größe und Richtung des Spannungsstoßes im Augenblick
des Einschaltens im ungesättigten Zustand und hat demgemäß einen hohen Widerstandswert
gegenüber dem nur einen Bruchteil davon betragenden Widerstandswert des Parallelkreises
22, 23 und 2q.. Infolgedessen liegt im Augenblick des Einschaltens praktisch die
gesamte Betriebswechselspannung an der Schaltdrossel 13, so daß die Unterbrechungskontakte
14 spannungslos einschalten. Die Höhe des Spannungs-und damit des vormagnetisierenden
Erregerstromstoßes hängt unter anderem von dem Dämpfungswiderstand 2,4 ab. Es kann
auch noch im Kreis der Primärspule 21 eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, und
zwar am besten eine rein induktive, z. B. ein induktiver Spannungsteiler, um möglichst
wenig Verluste zu bekommen. Auf eine genaue Regelung kommt es jedoch, und das ist
gerade der Vorteil dieser Schaltung, nicht an; denn es soll ja lediglich erreicht
werden, daß das Verhältnis der Widerstandswerte der Schaltdrossel 13 und des zu
den Kontakten 14 parallelen Stromzweiges sehr groß wird, der absolute Wert der Widerstände
spielt dabei keine Rolle. Auf jeden zum Einschalten nutzbaren Spannungsstoß folgt
nun aber, wie bereits oben erwähnt, nach 1/2 Periode T/2 ein entgegengesetzter Spannungsstoß,
der gegebenenfalls das Ausschalten der Kontakte 14 stören würde. Deswegen besitzt
die Schaltdrossel 2o noch eine dritte Wicklung i9, durch welche sie mit Gleichstrom,
beispielsweise aus einer besonderen Stromquelle 27, über eine Drossel 28 und eine
Regeleinrichtung 29 vormagnetisiert wird. Man erhält dann Spannungsstöße, die den
in Fig. 2 gestrichelt eingezeichneten Rechtecken entsprechen. Diese liegen nicht
mehr um 1/2 Periode, sondern abwechselnd um mehr bzw. weniger voneinander entfernt.
Stellt man die Phasenlage so ein, daß sich die Kontakte 14 zur Zeit t,' schließen,
so geschieht dies ebenfalls spannungsfrei. Der nächste, entgegengesetzt gerichtete
Spannungsstoß liegt dann aber in der Zeit, während welcher die Kontakte 14 geöffnet
sind und daher in diesem Zweig kein Nutzstrom fließt. Der Spannungsstoß und damit
der auf die Drossel 13 gegebene Stromstoß sind dann also für das Arbeiten des Schaltumformers
nicht von Bedeutung. Die vier verstellbaren Geräte 24, 25, 29 und 18 ergeben durch
getrennte und darüber hinaus durch gemeinsame Betätigung die verschiedensten Möglichkeiten
zur
Regelung unter Wahrung der günstigsten Schaltbedingungen, desgleichen
des funkenfreien Ein- und Ausschaltens.