DE966694C - Mechanischer Schaltstromrichter mit elektromagnetisch betaetigten Kontakten - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 5. SEPTEMBER 1957

S 22649 VIII b/ si d

Es sind mechanische Schaltstromrichter bekannt, bei denen die Stromumformung mittels elektromagnetisch betätigter Kontakte erfolgt. Die Schaltkontakte besitzen ein Magnetsystem mit einer Hauptstromwicklung, die in Reihe mit dem Kontakt geschaltet ist und diesen so lange geschlossen hält, bis der Strom in ihr nach Ablauf der natürlichen Stromführungsdauer den Betrag des Haltestromes unterschreitet. Bei einem mit derartigen Kontakten ausgerüsteten Stromrichter paßt sich somit die Schließungsdauer der Kontakte selbsttätig den jeweiligen Belastungsverhältnissen an.

Es ist ferner bekannt, in Reihe mit den Kontakten Schaltdrosseln anzuordnen, durch die am Ende der Stromführungszeit eine Stromabflachung (stromschwache Pause, genannt »Ausschaltstufe«) zur Erleichterung der Ausschaltverhältnisse hervorgebracht wird. Zwecks Verhinderung einer vor zeitigen Kontaktöffnung während des der Atisschaltstufe vorangehenden Abfalles des Kontaktstromes und der von ihm ausgeübten Haltekraft können in bekannter Weise zusätzliche Stromkreise mit besonderen Haltespulen vorgesehen sein, mittels welcher den Schaltmagneten eine zusätzliche Erregung zugeführt wird, so daß die resultierende Haltekraft jeweils erst nach Beginn der Ausschaltstufe unter den Mindesthaltewert des betreffenden Schaltmagneten sinkt und sich infolgedessen die Kontakte jeweils erst während der Ausschaltstufe öffnen. Durch die gleiche Schaltdrossel, welche die Ausschaltstufe hervorbringt, oder durch eine zweite, getrennte Schaltdrossel kann auch bei Beginn der Stromführungsdauer eine als »Einschaltstufe« bezeichnete Stramabflachung erzeugt werdein,

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die ein zu schnelles Ansteigen des Kontaktstromes unmittelbar nach der ersten Kontaktberührung verhindert. Durch Vormagnetisierung der Schaltdrosseln mittels besonderer Hilfsstromkreise können die Augenblickswerte des Hauptstromes, den die Kontakte ein- und ausschalten müssen, während der Dauer der Ausschalt- und Einschaltstufen praktisch auf den Wert Null oder auf geringe positive Werte gebracht werden. ίο Die Erfindung fußt auf der Überlegung, daß beim Vorhandensein von Ein- und Ausschaltstufen das Schließen und Öffnen des Kontaktes nicht vom Hauptstrom unmittelbar besorgt werden kann. Beim Einschalten nämlich muß das Magnetsystem eine Durchflutung von mindestens der Höhe der Anzugsdurchflutung besitzen, damit sich der Kontakt überhaupt schließt; von der Hauptstromspule aber kann ein derartiger Betrag erst zur Verfügung gestellt werden, wenn nach Ablauf der Einschaltstufe der Kontaktstrom auf einen entsprechenden Wert angestiegen ist. Die für andere Verhältnisse bereits vorgeschlagene Steuerung des Einschaltens durch den Strom eines dem Kontakt unmittelbar parallel geschalteten natürlichen Ventils ist daher bei Verwendung einer praktisch in der Nullinie verlaufenden Einschaltstufe nicht möglich. Beim Ausschalten dagegen würde sich der Kontakt bei alleiniger Verwendung einer Hauptstromspule dann öffnen, wenn der abnehmende Kontaktstrom einen der AbfalldurchfLutung entsprechenden Wert unterschreitet. Die Kontakttrennung würde also· bereits vor dem Beginn der Ausschaltstufe erfolgen, was mit einem Aufreißen des restlichen Kontaktstromes und folglich mit Werkstoffwanderung verbunden ist. Demgegenüber besteht die Erfindung in der Verwendung besonderer Steuermittel zur Erregung einer zur Kontaktschließung erforderlichen Anzugskraft in einem wählbaren Augenblick bei positiv gerichteter, d. h. in der vorgeschriebenen Stromflußrichtung treibender Einschaltspannung, jedoch vor dem auf die Einschaltstufe folgenden Anstieg des Kontaktstromes, und einer zum Halten ausreichenden Magnetkraft während des der Ausschaltstufe vorhergehenden Abfalls des Kontaktstromes. Für die Steuerung des Schließ- und Öffnungsvorgangs kann beispielsweise ein Nebenschlußstromkreis oder auch ein getrennter Stromkreis vorgesehen sein, durch den die Kontaktschließung eingeleitet und mindestens bis zum Beginn der Ausschaltstufe aufrechterhalten wird.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 1 eine einphasige Einwegschaltung dargestellt. In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Spannung und der Ströme für den Fall der Belastung des Gleichrichters mit einem ohmschen Widerstand wiedergegeben. Mehrphasige Gleichrichterschaltungen lassen sich durch sinngemäße Übertragung der Erfindungsgedanken ohne weiteres daraus ableiten.

In Fig. ι bedeutet 1 die Sekundärwicklung des Gleichrichtertransformators. Diese Wicklung speist den Hauptkreis des Gleichrichters, der aus der Reihenschaltung der Schaltdrossel 2 mit dem Kontakt 3, der Hauptstromspule 4 des den Kontakt betätigenden Magnetsystems und der Belastung 5 besteht. Die Schaltdrossel kann dabei mit im Bilde nicht dargestellten, anderweitig bereits vorgeschlagenen Vormagnetisierungskreisen zur Beeinflussung der Höhenlage der Einschaltstufe und der Ausschaltstufe und unter Umständen auch der Länge der Einschaltstufe versehen sein. Zur Verbesserung der Form der Ausschaltstufe kann die Schaltdrossel ferner mit an sich bekannten Streck- kreisen ausgestattet sein, die der Übersichtlichkeit wegen ebenfalls nicht dargestellt sind. Weiterhin kann parallel zum Kontakt ein an sich bekannter Parallelpfad angeordnet sein, der aus einem ohmschen Widerstand oder/und einer Kapazität oder aus einem Schwingungskreis oder aus einem ungesteuerten oder einem gesteuerten Ventil oder auch aus einer Kombination einzelner der vorgenannten Elemente besteht und in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellt ist. Ein Ausführungsbeispiel mit einem gesteuerten Ventil als Parallelpfad zum Kontakt findet sich später in Fig. 3.

Der Kontakt 3 des Hauptkreises kann sich ohne das Vorhandensein einer zusätzlichen Magnetdurchflutung nicht schließen, da die Hauptstromspule 4 bei noch geöffnetem Kontakt stromlos ist. Im Nebenschluß zu der aus der Schaltdrossel 2, dem Kontakt 3 und der Hauptstromspule 4 bestehenden Reihenschaltung (Zweig a-b) ist ein Steuerkreis angeschlossen, der ein steuerbares Ventil 6, z. B. ein gittergesteuertes Quecksilberdampf- oder Caesiumdampfgefäß, einen ohmschen Widerstand 7, die Nebenschlußspule 8 und eine Gleichspannungsquelle 9 enthält. Die Größe dieser Zusatzgleichspannung e_z wird zweckmäßig nur um ein geringes höher als die Zündspannung des Steuerventils 6 gewählt. Hierdurch wird erreicht, daß das Gefäß 6 praktisch nur dann zünden kann, d. h. der Kontakt sich nur dann schließt, wenn die zwischen den Punkten α und b wirksame Spannung, die die Einschaltspannung des Kontaktes darstellt, von der negativen Sperrspannung bereits auf einen positiven Wert angestiegen ist. Die Gittersteuerung des Gefäßes 6 kann zum Zwecke der Gleichspannungsregelung durch Teilaussteuerung (Anschnittspannungsregelung) mit Hilfe irgendeiner der zahlreichen bekannten Methoden erfolgen. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 geht hervor aus Fig. 2. Hierin ist e die sinusförmige Sekundärspannung der Transformatorwicklung 1, i_si der Strom in dem vorbeschriebenen Nebenschlußsteuerkreis und ik der über den Kontakt fließende Strom im Hauptkreis. Wird das Steuergefäß 6 durch Zuführung eines positiven Gittersteuerimpulses nach Ablauf des Steuerwinkels α gezündet, so führt der Steuerkreis einen zunächst ansteigenden Strom. Beim Erreichen des Ansprechwertes i_m schließt sich der Kontakt (Zeitpunkt »Ein«). Der Kontaktstrom i^ hat zunächst während der Dauer der Einschaltstufe Δ t_E eine nur sehr geringe Höhe·. Unter dem Einfluß der während der Einschaltstufe an der Schaltdrossel 2, d. h. zwischen den Punkten α und b, liegenden Spannung steigt der Steuerstrom während der Einschaltstufe

noch weiter an und vergrößert dadurch den Kontaktdruck. Die Einschaltstufe ist beendet, wenn die Drossel 2 ihre Sättigung erreicht hat. Von nun ab sind zwischen den Punkten α und b nur noch die geringen ohmschen und induktiven Spannungsabfälle der Wicklungen. 2,4 und des Kontaktes 3 wirksam. Der Steuerstrom i_st klingt daher auf einen im wesentlichen durch den ohmschen Widerstand des Steuerkreises bestimmten stationären Wert ab, der so eingestellt sein muß, daß er noch oberhalb des Abfallstromwertes i_aj, des Schalters liegt. Der Kontaktstrom i_k verläuft nach Ablauf der Einschaltstufe nach durch die Spannung e und den Belastungswiderstand 5 gegebenen Werten und nähert sich am Ende der Halbwelle dem Wert Null. Nun setzt die Ausschaltstufe At_A ein. An die Schaltdrossel legt sich jetzt eine Spannung umgekehrten Vorzeichens (Sperrspannung), wodurch der Steuerstrom auf Null und das Gefäß 6 zum Erlöschen gebracht wird. Bei Unterschreitung des Abfallwertes ίφ öffnet sich dabei der Kontakt wunschgemäß innerhalb der Ausschaltstufe (Zeitpunkt »Aus«). Durch die Aufrechterhaltung des Steuerstromes bis zum Einsatz der Ausschaltstufe ist also verhindert, daß der Kontakt 3 als Folge der nachlassenden magnetischen Zugkraft des Kontaktstromes allein sich bereits vorzeitig öffnet. Ein besonderer Vorteil dieser Schaltung ist, daß die Hauptstromspule 4 bei Stromrichtern für höhere Stromstärken mit geringer Windungszahl bis herunter zu nur einer einzigen Windung ausgeführt werden kann, wodurch der induktive Gleichspannungsabfall gering gehalten und eine Verschlechterung des Leistungsfaktors vermieden wird. Infolge der Verwendung der Nebenschlußsteuerung nach der Erfindung kann die Schaltung unterhalb der thermisch zulässigen Höchststromstärke mit Belastungsströmen beliebiger Höhe bis herunter zu einem Mindeststrom sehr geringen Beträges betrieben werden, der bekanntlich bei Verwendung einer Schaltdrossel zur Sicherstellung der richtigen Magnetisierung dieser Schaltdrossel notwendig ist. Soll der äußere Belastungskreis mit Strömen unterhalb dieser Größe betrieben werden, so kann in üblicher Weise eine interne Grundlast parallel zum äußeren Belastungskreis vorgesehen werden. Kommt jedoch eine derart geringe äußere Belastung betriebsmäßig nicht vor, so kann die Grundlast entbehrt werden, denn eine völlige Abschaltung der Last durch Unterbrechung des Belastungskreises oder durch Unterbrechung des Primärkreises des Gleichrichtertransformators, d.h. also durch Fortnahme der Wechselspannung oder durch Fortnahme des Zündimpulses des Steuerventils, ist ohne weiteres möglich.

In Fig. ι ist noch gezeigt, wie für den Fall, daß als Gleichspannungsquelle für den Steuerkreis eine Akkumulatorenbatterie verwendet wird, diese Batterie von dem mit ihr betriebenen Gleichrichter während des Betriebes geladen werden kann. Hierzu braucht lediglich der negative Pol N der Batterie in der in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Weise über einen Widerstand 10 zur Einstellung der Ladestromstärke mit dem an der Belastung 5 liegenden Ende der Transformatorwicklung oder noch zweckmäßiger mit einer Anzapfung geringerer Spannung verbunden zu werden. Dadurch ist es also¹ möglich, die Batterie in Dauerladung in ihrem richtigen Ladezustand zu erhalten. Die Gleichspannung e_z kann aber auch durch Gleichrichtung, z. B. der Betriebswechselspannung, vorzugsweise mittels eines Trockengleichrichters, gegebenenfalls in Verbindung mit Glättungsmitteln erzeugt werden.

In den Fig. 3 und 4 sind noch einige Abwandlungen und Ergänzungen der Schaltung nach Fig. 1 gezeigt. In gewissen Fällen z. B. ist es möglich, ohne die Batterie 9 oder eine andere Zusatzspannung auszukommen. Man erhält dann die Schaltung , Fig. 3. Oder es kann die Verwendung einer den Zündvorgang des Gefäßes 6 unterstützenden Zusatzwechselspannung e/ zweckmäßig sein, die z. B. durch eine zusätzliche Transformatorwicklung erzeugt werden kann, wie sie in Fig. 3 gestrichelt angedeutet ist. Um die Anstiegsdauer des Steuerstromes zu verkürzen und den Löschvorgang des Ventils 6 zu beschleunigen, kann der Widerstand 7 durch einen gestrichelt angedeuteten Kondensator 10 überbrückt werden. Parallel zum Kontakt 3 kann, wie bereits erwähnt, ein Parallelpfad angeordnet sein, der ein Weiterfließen eines nicht genau auf Null abgeglichenen Stufenstromes auch nach der Kontaktöffnung gestattet und dadurch die Fortdauer der richtigen Ummagnetisierung der Schaltdrossel während der Reststufe gewährleistet. In Fig. 3 ist als Beispiel ein steuerbares Ventil 11 dargestellt, als das wegen des geringen Spannungsabfalles von nur einigen Volt vorteilhaft ein gittergesteuertes Caesiumdanipfrohr benutzt wird. Das Ventil ist mit einem Gitterkreis versehen, der aus der negativen Vorspannung 12, der Steuerspule 13 und dem Gitterwiderstand 14 besteht. Die Steuerspule 13 ist eine Hilfswicklung auf der Schaltdrossel 2. Die Polarität dieser Spule wird so gewählt, daß sich das Gitter während der Ausschaltstufe gegenüber der Kathode auf positivem Potential befindet und das Ventil somit bei der Kontaktöffnung einen etwaigen positiven Reststrom übernehmen kann. :■

Verlegt man in Fig. 3 den Anschluß der Steuerspule 8 vom Punkt b nach Punkt c, so durchfließt der Steuerstrom außer der Nebenschluß spule 8 auch noch die Hauptstromspule 4, wodurch die magnetische Zugkraft beim Einschalten noch gesteigert wird. Auch in. Fig. 1 kann eine gleichartige Wirkung erzielt werden, ohne daß auf die Möglichkeit der Ladung der bei Punkt b angeschlossenen Batterie verzichtet wird, wenn man die Hauptstromspule in den Abschnitt α bis d verlegt und die Nebenschlußspule in den Anodenkreis des Steuerventils 6 einschaltet und beim Punkt d anschließt.

In Fig. 4 ist schließlich noch ein vom Hauptkreis potentialmäßig getrennter Steuerkreis gezeigt. Die Bezifferung entspricht derjenigen von Fig. 1. Der Löschimpuls für das Steuergefäß 6 wird hier durch eine Hilfswicklung 11 auf der Schaltdrossel 2 erhalten. In dieser Wicklung wird während der Aus-

schaltstufe durch die Ummagnetisierung der Schaltdrossel eine Spannung erzeugt, die der Richtung des Steuerstromes entgegengesetzt gerichtet ist und den Strom infolgedessen nach Eintritt der Ausschaltstufe auf Null bringt. Die Zusatzspannung kann an Stelle der im Bild dargestellten Gleichspannung 9 in gewissen Fällen auch eine Wechselspannung sein, die z. B. einer Hilfswicklung des Transformators ι entnommen wird (vgl. Fig. 3).

Damit auch bei der Schaltung nach Fig. 4 mit getrenntem Steuerkreis ein Zünden des Gefäßes und damit die Schließung des Kontaktes nur bei positiv gerichteter Einschaltspannung erfolgt, kann der Gittersteuerimpuls bei negativen Werten der Einschaltspannung unterdrückt werden, wozu beispielsweise eine von der Einschaltspannung beeinflußte Trockengleichrichter - Modulatorschaltung benutzt werden kann, oder auch ein Übertrager für den Gitterspannungsimpuls, der bei negativen Werten

20. der Einschaltspannung gesättigt wird.

Die Erfindung ist nicht auf mechanische Schaltstromrichter im engeren Sinne, d. h. zum speziellen Zwecke der reinen Gleichrichtung beschränkt, sondern kann gleichzeitig auch zur willkürlichen Unterbrechung und Wiedereinschaltung des gleichgerichteten Stromes und damit in den in den Ausführungsbeispielen gegebenen Schaltungen ohne weiteres zur Erzeugung von Gruppen gleichgerichteter Stromimpulse benutzt werden, wie sie

z. B. für Schweißzwecke oder in galvanischen Anlagen benötigt werden. Wird für jede der beiden Halbwellen eine der beschriebenen Einrichtungen in Antiparalielschaltung benutzt, so kann diese Anordnung auch als reine Wechselstromschalteinrichrung verwendet werden.

Claims (18)

1. Patentansprüche:

   i. Mechanischer Schaltstromrichter, dessen Kontakte elektromagnetisch geschlossen und gehalten werden und mit Schaltdrosseln zur Erzeugung von Ein- und Ausschaltstufen in Reihe liegen, gekennzeichnet durch besondere elektrische Steuermittel zur Erregung einer zur Kontaktschließung erforderlichen Anzugskraft in einem wählbaren Augenblick bei positiv gerichteter, d. h. in der vorgeschriebenen Stromflußrichtung treibender Einschaltspannung, jedoch vor dem auf die Einschaltstufe folgenden Anstieg des Kontaktstromes, und einer zum Halten ausreichenden Magnetkraft während des der Ausschaltstufe vorhergehenden Abfalls des Kontaktstromes.
2. 2. Schaltstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem des Kontaktes als Steuerwicklung eine zusätzliche Wicklung trägt, die vom Strom eines Nebenschlußsteuerkreises oder eines getrennten Steuerkreises gespeist wird.
3. 3. Schaltstromrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz des Erregerstromes der Steuerspule regelbar ist zum Zwecke der Spannungsregelung des Schaltstromrichters durch Teilaussteuerung.
4. 4. Schaltstromrichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Hilfsstromkreise, mit deren Hilfe die Schaltdrosseln derart vormagnetisiert werden, daß die Einschaltstufe mit der Kontaktschließung einsetzt.
5. 5. Schaltstromrichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Steuerkreis, der eine zum Zwecke der Spannungsregelung steuerbare Ventilanordnung, insbesondere ein gittergesteuertes Gas- oder Dampfentladungsgefäß, in solcher Schaltung enthält, daß die Unterbrechung des Steuerstromes während der Ausschaltstufe selbsttätig erfolgt.
6. 6. Schaltstromrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschung des Gas- oder Dampfentladungsgefäßes dadurch erfolgt, daß die während der Auisschaltstufe in ⁸" der Schaltdrosselhauptwicklung oder in einer auf der Schaltdrossel angebrachten Hilfswicklung auftretende Spannung als Gegenspannung im Steuerkreis wirksam ist.
7. 7. Schaltstromrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis im Nebenschluß zur Reihenschaltung von Schaltdrossel und Kontakt liegt und eine Zusatzspannungsquelle enthält, deren Spannung vorzugsweise annähernd gleich der Höhe der Zündspannung des Gas- oder Dampfentladungsgefäßes ist.
8. 8. Schaltstromrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Steuerstromes durch einen Widerstand einstellbar ist.
9. 9. Schaltstromrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand durch einen Kondensator überbrückt ist.
10. 10. Schaltstromrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung eine Gleichspannung ist.
11. 11. Schaltstromrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung durch eine Akkumulatorenbatterie geliefert wird.
12. 12. Schaltstromrichter nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine derartige Schaltung der im Steuerkreis liegenden Batterie, daß sie während des Betriebes des Stromrichters von diesem geladen wird.
13. 13. Schaltstromrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung durch Gleichrichtung der Betriebswechselspannung, vorzugsweise mittels eines Trockengleichrichters, gegebenenfalls in Verbindung mit Glättungsmitteln, erzeugt wird.
14. 14. Schaltstromrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung eine. Wechselspannung ist.
15. 15. Schaltstromrichter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung einer auf dem Stromrichtertransformator befindlichen Hilfswicklung entnommen wird.
16. 16. Schaltstromrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch ge-

    kennzeichnet, daß die Steuerspule des Magnetsystems für den Kontakt derart an den Hauptkreis des Stromrichters angeschlossen ist, daß der Steuerstrom während des Einschaltvorganges auch die Hauptstromwicklung des Magnetsystems in einem die magnetische Zugkraft erhöhenden Sinne durchfließt.
17. 17. Schaltstromrichter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei getrenntem Steuerkreis das Schließen des Kontaktes bei negativen Werten der Einschaltspannung durch Unterdrückung des Gittersteuerimpulses für das steuerbare Ventil verhindert wird.
18. 18. Schaltstromrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zum Schaltkontakt parallel liegenden Strompfad, der aus einem gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsgefäß, vorzugsweise einem Caesiumdampfentladungsgefäß, besteht und dessen Gitterspannung durch eine Hilfswicklung auf der Schaltdrossel nur während der Ausschaltstufe auf positiven Werten gehalten wird.

    In Betracht gezogene Druckschriften:

    Französische Patentschrift Nr. 876 342; schweizerische Patentschrift Nr. 218 505.

    Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsches Patent Nr. 930 272.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    © 709 662/85 S.57