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Schaltanordnung zur Umformung von Starkstrom Die Erfindung betrifft
in erster Linie eine Schaltanordnung, mit der Starkstromumformer mit mechanisch
bewegten Kontakten hinsichtlich der sich periodisch wiederholenden Einschaltvorgänge
verbessert werden können. Zu diesem Zweck kann bekanntlich zu den Kontakten ein
Hilfsstromzweig parallel geschaltet sein, der eine Entladungsstrecke enthält. Diese
wird durch Synchronsteuerung jedesmal kurz vor der Kontaktschließung gezündet.
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Erfindungsgemäß kann die Anordnung in der Weise vorteilhaft weiter
ausgebildet werden, daß die Zündung,der Entladungsstrecke nach Art einer Gittersteuerung
von einem bei der Schließung der Hauptkontakte sich abspielenden Vorgang gesteuert
wird. In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt eine dreiphasige Umformungsanordnung in Brückenschaltung,
durch .die beide Halbwellen des umzuformenden Wechselstromes ausgenutzt werden;
Fig. 2 enthält eine Einzelheit der in Fig. i dargestellten Anordnung; ;die Fig.3
und 4 zeigen abgeänderte Schaltanordnungen in einphasiger Darstellung, aus der Anordnungen
beliebiger Phasenzahl in mehr oder weniger enger Anlehnung an Fig. i ohne weiteres
abgeleitet werden können.
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Nach Fig. i führen die von einem Drehstromnetz kommenden Leitungen
der drei Phasen u, v, w
zunächst zu Drosselspulen i i mit
einem Magnetkern 12, der bei Nennstrom hochgesättigt ist und durch seine Entsättigung
.bei einem -sehr kleinen Stromwert in der Nähe des .Strom-nullwertes eine die Unterbrechung
erleichternde stromschwache Pause hervorruft. Der Magnetkern besteht vorzugsweise
aus einer hochwertigen Eisenlegierung, so daß seine Magnetkennlinie im ungesättigten
Gebiet möglichst wenig gegen ,die Flußachse geneigt ist, an den Übergangsstellen
in die gesättigten Gebiete einen möglichst scharfen Knick aufweist und in den gesättigten
Gebieten möglichst parallel zur Erregerachse verläuft. Zur zusätzlichen Steuerung
des Magnetisierungszustandes kann der Drosselkern 12 mit einer besonderen Vormagnetisierungswicklung
13 versehen sein. Bei der dargestellten Brückenschaltung ist zur Vorma@gnetisierung
ein Hilfswechselstrom zu verwenden. In Reihe mit .den genannten Drosseln i i können
Hilfsdrosseln i4 angeordnet sein, deren Magnetkern i 5 die vorgenannten Eigenschaften
womöglich in noch höherem Grade besitzen soll. Die Drosseln 14 sind ebenfalls bei
Nennstrom hochgesättigt und werden vorzugsweise mittels einer zusätzlichen Vorm.agnetisierungswicklung
16 so gesteuert, daß sie sich jedesmal bei der Schließung der mit ihnen in Reihe
liegenden Kontaktstellen in ungesättigtem Zustand befinden. Dadurch wird der bei
der Kontaktschließung entstehende Strom vorübergehend auf sehr kleine Augenblickswerte
begrenzt, bis die Drossel 14 ihren Sättigungswert erreicht hat: Die Kontaktstellen
i bis 6 werden in der Reihenfolge ihrer Bezifferung in gleichmäßigen Zeitabständen
während jeder Wechselspannungsquelle abwechselnd geschlossen und geöffnet. Sie können
vorzugsweise aus je zwei ruhenden Kontaktstücken 17 und 18 und einer beweglichen
Schaltbrücke ig bestehen. Die letzteren werden entweder von einem in der Zeichnung
nicht dargestellten Synchronmotor angetrieben, der von dem gleichen Netz wie die
Uräformungsanordnung gespeist wird, oder von synchron arbeitenden elektromagnetischen
Steuereinrichtungen, die zur Kontaktschließung in Abhängigkeit von der Netzspannung
und zur Kontaktöffnung vorteilhaft in Abhängigkeit von Größe und/oder Verlauf des
zu unterbrechenden Stromes gesteuert werden können. An der Antriebsvorrichtung können
Hilfseinrichtungen vorgesehen sein, mit denen die Lage der Schaltzeitpunkte gegenüber
der Phasenlage der Wechselspannung verschoben werden können. Damit kann der Aussteuerungsgrad
der Umformungsanordnung geändert und die Ausgangsspannung geregelt werden. Zu den
einzelnen Kontaktstellen können vorzugsweise kapazitive Nebenpfade parallel geschaltet
sein, durch die der Anstieg der wiederkehrenden Spannung an den sich öffnenden Kontakten
verzögert wird.
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Zur Überbrückung der Kontaktstellen beim Schließungsvorgang ist ein
Hilfsstromkreis vorgesehen, der eine Entladungsstrecke 2o, z. B. ein Glühkathodenrohr
oder ein Gefäß mit flüssiger Kathode, .enthält. Diese kann durch eine Umschalteinrichtung
23 abwechselnd zwischen je zwei von den drei Wechselstromphasen u, v, w gelegt
werden. Die Umschalteinrichtung besitzt beispielsweise, wie Fig.2 zeigt, drei Schleifsegmente,
die über Schleifringe mit den Phasen 2c, v, w verbunden sind, gegebenenfalls
über Sicherungen 27. Die nicht gezeichnete Antriebsvorrichtung für die Schleifsegmente
muß ebenfalls synchron mit der Wechselspannung laufen und kann zudiesiemZweck mit
der Antriebsvorrichtung für die Hauptkontakte gekuppelt sein.
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Betrachtet werde ein Zeitpunkt, in welchem die Kontaktstelle i .der
Phase u geschlossen werden soll. Die Kontaktstellen 5 der Phase w und 6 der Phase
v sind in diesem Augenblick geschlossen, die Kontaktstellen 2, 3 und 4 geöffnet.
Drehen sich jetzt die Schleifsegmente in Richtung des in Fig. 2 eingetragenen Pfeiles,
so wird die Phase u mit der Phase w über das Entladungsrohr 2o verbunden. Die Kontaktbrücke
ig an der Kontaktstelle i treffe bei ihrer Schließbewegung zuerst auf den Kontakt
17. Sie schließt hierdurch einen weiteren Hilfsstromkreis über einen der,Strombegrenzungswiderstände
31 und einen Teil der Primärwicklung eines Hilfstransformators 24. In .diesem Hilfskreis
entsteht unter dem Einfluß der zwischen den noch nicht geschlossenen Kontakten 18
und ig herrschernden Spannung ein Stromstoß, .der in der Sekundärwicklung des Hilfstransformators
24 eine Spannung erzeugt. Durch diese wird die von einer Gitterbatterie 25 gelieferte
Vorspännung um so viel .erhöht, daß die Entladungsstrecke 2o .gezündet wird. Die
Entladungsspannung kann teilweise oder ganz von einer weiteren Batterie 21 gedeckt
werden, zu der ein Kondensator 22 parallel geschaltet sein kann. Jetzt ist der Kontakt
ig mit dem Kontakt 18 über die noch geschlossene Kontaktstelle 5, die Umschalteinrichtung
23 und das Entladungsrohr 2o verbunden, ohne daß ein gefährlicher Spannungsunterschied
zwischen ihnen besteht. Die endgültige Schließung der Kontaktstelle i durch Berührung
der Kontakte 18 und ig geht daher im wesentlichen spannungsfrei vor sich. Reicht
die Spannung der Hilfsbatterie 21 nicht aus, um die Entladungsspannung des Rohres
2o völlig zudecken, so entfällt,auf die sich schließenden Tontakte i8 und ig eine
geringe Restspannung. Diese kann durch entsprechende Bemessung der Batteriespannung
21 so klein gehalten werden, daß zwischen den Kontaktstücken ig und 2o bei Dauerbetrieb
keine merkliche Materialwanderung stattfinden kann, z. B. kleiner -als io Volt.
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Damit die Kontaktbrücke ig stets zuerst den Kontakt 17 berührt, kann
dieser gegenüber dem Kontakt 18 in Kontaktrichtung etwas vorgeschoben sein. Es genügt
eine Zeitdifferenz in der Größenordnung von 1o-4 Sekunden bzw. ein Unterschied von
wenigen hundertstel Millimetern zwischen der Stellung der Kontakte 17 und 18, da
der Gesamthub der Kontaktbrücke ig in der Größenordnung von einem oder mehreren
Millimetern liegt. Statt der verschiedenen Einstellung i der ruhenden Kontaktstücke
kann die gleiche Wirkung
auch mittels eines an der Kontaktbrücke
ig oder an dem Kontaktstück 17 angeordneten Vorkontaktes erzielt werden. Materialwanderung
an der Stelle der ersten Kontaktberührung kann durch entsprechende Bemessung der
Begrenzungswiderstände 3 i verhütet werden. Der Gitterstromkreis des Rohres 2o kann
vorteilhaft mit einem Begrenzungswiderstand 26 und mit einer Abschirmung versehen
sein, die in der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Gittertränsformator
24 kann etwa für ein Übersetzungsverhältnis von i : 5 ausgelegt sein. Die Umse'haltei:nrichtUng
23 kann statt mit Schleifsegmenten auch mit Abhebekontakten ausgerüstet sein, die
ebenso wie die Hauptkontakte in Gleichrichterschaltu@ng geschaltet sein und ähn,l,icih
wie diese, z. B. mittels Nocken, Exzenter od.,dgl. vorzugslveise über starre und
der Länge nach einstellbare Zwis,dhenstößel, angetrieben werden können. Bei der
Anordnung nach Fig.3 ist es gleichgültig, welcher von den beiden ruhenden Kontakten
17 und 18 zuerst mit der bewegten Kontaktbrücke ig in Berührung kommt. Trifft sie
nämlich zuerst auf den Kontakt 18, so wird der zur Gitterzündung erforderliche Stromstoß
mittels einer zusätzlichen Spannung, z. B. einer Batterie 28, hervorgerufen, die
in einem an die bewegliche Kontaktbrücke ig angeschlossenen zusätzlichen Hilfsstromkreis
angeordnet ist. Dieser Hilfsstromkreis enthält außerdem einen Kondensator 29 und
einen Begrenzungswiderstand 3o. Die Spannung der Batterie 28 und der Wert .des Begrenzungswiderstandes
30 werden so gewählt bzw. eingestellt, daß störende Materialwanderung zwischen
den zuerst miteinander in Berührung kommenden Kontaktteilen mit Sicherheit vermieden
wird. Eine gewisse kleine Einschaltleistung kann .u. U. vorteilhaft sein, indem
sie durch Verbrennung etwa herzutretender Schmutzteilchen für Siauberhaltung der
Kontaktflächen sorgt. Dieser günstige Wert der Einschaltleistung kann versuchsmäßig
durch Verstellung des Widerstandes 30 ermittelt werden. Eine Anzahl zusätzlicher
Hilfseinrichtungen, die in Verbindung mit Fig. i beschrieben sind, kann insbesondere
bei mehrphasiger Anordnung zur Vervollständigung der in Fig. 3 dargestellten Schaltung
herangezogen werden. Die Voraussetzung, :daß die Kontaktbrücke i g mit den ruhenden
Kontakten 17 und 18 nicht genau gleichzeitig, sondern mit einem Zeitunterschied:
von etwa io-4 Stekunden in Berührung kommt, ist gewöhnlich infolge unvermeidlicher
Ungenauigkeiten bei der Herstellung und beim Zusammenbau der Kontakteinrichtung
von vornherein ohne weiteres erfüllt. Sollte es der Zufall einmal wollen, daß die
beiden Kontaktstellen gleichzeitig geschlossen werden, so würde :die erfindungsgemäße
Hilfseinrichtung zunächst unwirksam sein. Infolgedessen würde .an den Kontaktstellen
zunächst Materialwanderung auftreten. Diese wird jedoch abgestoppt, sobald sie so
weit fortgeschritten ist, daß an .der einen oder anderen Kontaktstelle eine verfrühte
Berührung stattfindet, da in diesem Falle die Voraussetzung für die Wirksamkeit
der beschriebenen Hilfsanordnung gegeben ist.
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Statt durch einen Vorkontakt kann die Zündung des Entladungsrohres
auch durch einen Vorentladungsfunken an der Hauptunterbrechungsstrecke verursacht
werden. Für -diesen Fall genügt auch eine einfache Hauptunterbrechungsstrecke. In
Fig. q. ist eine entsprechende Anordnung, jedoch wiederum mit einer Doppelunterbrechungsstrecke,
dargestellt, weil :eine solche für Starkstromumformer ohnehin noch andere Vorteile
;aufzuweisen hat. Die Spannung der Batterie 28 ist hier so groß gewählt, daß sie
größer ist als die Sperrspannung am Kontakt und die Luftüberschlagspannung zwischen
den sich nähernden Kontakten zusammengenommen. Bei Zoo V Sperrspannung wird man
beispielsweise eine Batteriespannung von iooo V, mindestens 6oo V, wählen. Damit
durch den Überschlagfunken an den Kontakten keine Zerstörung angerichtet werden
kann, ist ein zusätzlicher Widerstand 31 vorgesehen, der so groß (z. B. io6 Ohm)
gewählt wird, daß der Strom höchstens einen Wert von etwa i Milliampere annehmen
kann. Der-Gittertransformator24 muß dazu für einen sehr kleinen Magnetisierungsstrom
ausgelegt sein, damit,die Zündung ,des Rohres 2o rechtzeitig einisetzt. Eine zurDeckung
derEntladungsspannung dienende Gleichspannung wird bei der Anordnung nach Fig. q.
von einem Kondensator 32 geliefert, der mittels eines zusätzlichen Wechselstromtransformators33
über
[email protected] wird. Im Entladungsstromkreis kann noch eine Drossel
35 vorgesehen sein, die dazu dient, nach vollständiger Schließung der Hauptkontakte
17 bis ig den Übergang des zunächst über das Entladungsrohr 20 fließenden Stromes
vom Rohrstromzweig auf den über die geschlossenen Hauptkontakte führenden Strompfad
zu verlangsamen: -Dadurch werden die Hauptkontakte im Schließungsaugenblick noch
sicherer vor Strombeanspruchung bewahrt. In Fig. q. ist auch ein paralleler Strompfad,
enthaltend einen Kondensator 36 und einen Widerstand 37, eingezeichnet, durch den,
wie oben erwähnt, bei der Kontaktöffnung der Anstieg der wiederkehrenden Spannung,
insbesondere in Verbindung mit der Sättigungsdrossel i i, 12, verzögert werden kann.
Die Anordnung nach Fig. q. kann durch zusätzliche Einrichtungen nach Fig. i bis
3 vervollständigt werden und umgekehrt.