DE1026412B - Schaltstromrichter - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, die Kontakteinrichtungen von Wechselstromschaltern, insbesondere bei Kontaktumformern, durch Ausschaltdrosselspulen zu entlasten, die einen Kern aus hochwertigem Eisen mit rechteckiger Hysteresisschleife besitzen und infolge ihrer Entsättigung die Stromkurve in der Nähe des Stromnulldurchganges stufenförmig abflachen. Während dieser stromschwachen Stufe liegt die treibende Spannung nahezu vollständig an der Wicklung der Schaltdrosselspule, so daß der Kontakt ohne Gefahr einer Bogenentladung geöffnet werden kann. Ein ähnliches Problem tritt beim Schließen der Kontakteinrichtungen auf; ein sofortiges Ansteigen des Stromes nach dem Schließen führt zu Metallwanderungen an den Kontaktflächen und muß vermieden werden. Man hat zur Schonung der Kontaktflächen beim Einschalten besondere Einschaltdrosseln vorgesehen, die eine Einschaltstufe des Stromes hervorrufen. Man kann aber auch der Ausschaltdrosselspule die Funktion dieser besonderen Einschaltdrosselspule übertragen. In diesem Fall ist es meist unerwünscht, die Schaltdrosselspule beim Einschalten die volle Stufe durchlaufen zu lassen, da während der Stufenzeit die betreffende Phasenspannung zur Gleichspannung nicht beiträgt.

Man hat daher bereits besondere Rückmagnetisierungseinrichtungen für die Schaltdrosselspule vorgesehen, die während der Unterbrechungszeit der in Reihe mit der Schaltdrosselspule liegenden Kontakteinrichtung einen Teil der Ummagnetisierung (Rückmagnetisierung) vorwegnehmen. Es ist auch bekannt, eine derartige Rückmagnetisierung zum Zwecke der Spannungsaussteuerung des Umformers steuerbar zu machen. Nach einem früheren Vorschlag ist ein solcher Rückmagnetisierungskreis aus der Reihenschaltung einer Hilfswicklung der Schaltdrosselspule, eines möglichst gut sperrenden Ventils und einer mit Gleichstrom vormagnetisieren Hilfsdrosselspule aufgebaut, wobei diese Reihenschaltung mit einer Wechselspannung gespeist ist.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Schaltstromrichter mit in Reihe mit den Unterbrechungsstellen angeordneten Schaltdrosselspulen und mit an eine Hilfswicklung der Schaltdrosselspulen angeschlossenen, die Wicklung einer Hilfsdrosselspule enthaltenden Rückmagnetisierungskreisen, die während der Öffnungszeit der Unterbrechungsstellen ein vorbestimmbares, zeitliches Spannungsintegral zur Rückmagnetisierung der Schaltdrosselspule erzeugen, das im Schließungszeitpunkt der Unterbrechungsstellen bereits abgelaufen ist. Die Erfindung besteht darin, daß in den Rückmagnetisierungskreisen die Reihenschaltung aus der Hilfswicklung der Schaltdrosselspule und der Wicklung der Hilfsdrosselspule an einer unsymmetrischen Wechselspannung liegt. Die Hilfs-Schaltstromrichter

Anmelder:

Siemens-Sdmckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Dietrich von Haebler, Berlin-Charlottenburg, ist als Erfinder genannt worden

drosselspule wird dabei so bemessen, daß der zu ihrer Ummagnetisierung erforderliche Magnetisierungsstrom kleiner ist als der Magnetisierungsstrom der Schaltdrosselspule und daß sie den symmetrischen Anteil der unsymmetrischen Wechselspannung zuzüglich der in dem Kreis auftretenden Schaltdrosselspannungen aufnehmen kann, ohne daß ihr Kern gesättigt wird. Wird nun erfindungsgemäß an die oben beschriebene Reihenschaltung eine unsymmetrische Wechselspannung gelegt, so tritt die Hilfsdrosselspule während eines Teiles der Periode einseitig in Sättigung, wobei der von der Wicklung geführte Strom sprunghaft von dem kleineren Magnetisierungsstrom der Hilfsdrosselspule zu dem sehr viel größeren Magnetisierungsstrom der Schaltdrosselspule übergeht. Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die unsymmetrische Wechselspannung den in Reihe geschalteten Quellen einer symmetrischen Wechselspannung und einer Gleichspannung entnommen werden. Die Steuerleistung einer solchen Anordnung ist um so geringer, je geringer der ohmsche Widerstand des Rückmagnetisierungskreises ist. Die Unsymmetrie der Wechselspannung kann aber auch als Weiterbildung der Erfindung dadurch hergestellt werden, daß man in Reihe mit den Wicklungen der Drosselspulen eine unvollkommen sperrende Ventileinrichtung legt und diese Reihenschaltung an eine symmetrische Wechselspannung anschließt. Das Sperrvermögen dieser Ventileinrichtung muß so bemessen sein, daß der Spannungsabfall an der Ventileinrichtung, wenn sie in Sperrichtung den Magnetisierungsstrom der Hilf sdrossel führt, unterhalb der Amplitude der Wechselspannung bleibt. Zu diesem Zweck kann als unvollkommen sperrende Ventileinrichtung ein Trockengleichrichter verwendet werden, dessen Fläche so groß gewählt ist, daß die

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obengenannte Bedingung für den Sperrspannungsabfall erfüllt ist. Besonders, zweckmäßig sind jedoch Ventileinrichtungen, bei denen das Sperrvertnögen eines an sich gut sperrenden Ventils durch besondere Schaltelemente vermindert-ist. So kann man in Reihe mit den Wicklungen der Drosselspule ein durch einen ohmschen Widerstand übefbrücktes Ventil legen und diese Reihenschaltung an eine symmetrische Wechselspannung anschließen. Zu dem gleichen Zweck kann man auch in Reihe mit den.Wicklungen der Drosselspule ein in Durchlaßrichtung mit Gleichstrom vorbelastetes Ventil legen.

Will man nun zum Zwecke der Spannungsaussteue-•rung des Umformers die Länge der Einschaltstufe beeinflussen, so kann man nach einer Weiterbildung der Erfindung den Grad der Unsymmetrie der unsymmetrischen Wechselspannung veränderbar machen. Wenn die unsymmetrische Wechselspannung den in Reihe geschalteten Quellen einer symmetrischen Wechselspannung und einer Gleichspannung entnommen wird, kann man die Gleichspannung veränderbar machen. Mit Vorteil kann man insbesondere den Gleichspannungsanteil einem Gleichrichter entnehmen, der an einer veränderbaren Wechselspannung liegt. Bei den obengenannten Ausführungsformen der Erfindung mit unvollkommen sperrender Ventileinrichtung kann man zu dem gleichen Zweck den Überbrückungswiderstand bzw. den Vorbelastungsstrom veränderbar machen.

Die Fig. 1 bis li* zeigen Ausführungsbeispiele und die Wirkungsweise der Erfindung.

Die Fig. 1 stellt in schematischer Form einen dreiphasigen Schaltstromrichter dar, der über einen Transformator mit den Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes verbunden ist. Die Sekundärwicklungen 1 des Transformators sind über die Hauptstromwicklungen 2 der Schaltdrosselspulen 3 und die Kontakteinrichtungen 4 mit einer Gleichstromschiene 5 verbunden. Der Gleichstromkreis ist über eine Glättungsdrosselspule 6 und die Last 7 geschlossen. Die Antriebsvorrichtungen der Kontakteinrichtungen 4 sind der besseren Übersicht halber weggelassen. Die Schaltdrosselspulen 3 können in an sich bekannter und nicht dargestellter Weise so vormagnetisiert sein, daß der Stufenstrom einen geringen positiven Wert hat bzw. praktisch Null ist. Eventuell außerdem vorhandene Streckkreise der Schaltdrosseln sind ebenfalls nicht dargestellt.

Die Schaltdrosselspulen 3 sind mit Rückmagnetisierungskreisen 8 versehen, von denen nur einer für die Phase R dargestellt ist. Die Rückmagnetisierungskreise für die Phasen 5¹ und T sind in gleicher Weise ausgeführt. Im Ausführungsbeispiel besteht der Rückmagnetisierungskreis 8 aus der Reihenschaltung einer Hilfswicklung 9 der Schaltdrosselspule 3, einer Wicklung 10 der Hilfsdrosselspule 11 und einem ohmschen Widerstand 12, der aber auch mit dem ohnehin vorhandenen ohmschen Widerstand der Leitungen und Wicklungen identisch sein kann. Die beschriebene Reihenschaltung liegt nun an der Reihenschaltung einer Wechselspannungsquelle 13 (Spannung U_w) und einer Gleichspannungsquelle 14 (Spannung U_g). Die von der Gleichspannungsquelle 14 abgegebene Spannung ist veränderbar. Die Spannung U_w hat entweder die gleiche Phasenlage wie die verkettete Spannung der Phasen T und R des Speisenetzes, oder sie eilt ihr um einen geringen Bruchteil der Periode voraus; entsprechendes gilt für die treibenden Wechselspannungen der beiden anderen Rückmagnetisierungskreise.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist in den Fig. 2 bis 7 näher erläutert. Die Fig. 2, 4 und 6 stellen den Spannungsablauf U_H an der Wicklung 10 der Hilfs drosselspule 11 bei verschiedenen Graden der Unsymmetrie der Rückmagnetisierungsspannungen dar; in den Fig. 3, 5 und 7 sind der Magnetisierungskurve des Hilfsdrosselkernes (B₁₁ als Funktion des Wicklungsstromes i) die Magnetisierungszustände eingetragen, die der Hilfsdrosselkern unter dem Einfluß der in verschiedenem Grade unsymmetrischen Rückmagnetisierungsspannungen durchläuft.

Die Fig. 2 und 3 geben den Spannungsverlauf an der Wicklung 10 und die Magnetisierungszustände des Kernes der Hilfsdrosselspule 11 für den Fall fehlender Rückmagnetisierung wieder. Die Spannung U_g der Gleichspannungsquelle 14 ist gleich Null; die Grundkurve der Fig. 2 entspricht also der symmetrischen Wechselspannung U_w. An der Wicklung 10 der Hilfsdrosselspule 11 treten die zusätzlichen Spannungsflächen, d. h. die zeitlichen Spannungsintegrale £₀ und A, auf, die von der Einschaltstufe und von der Ausschaltstufe der Schaltdrosselspule 3 herrühren. Die Spannungsflächen oberhalb und unterhalb der Zeitachse sind gleich, d. h. IV₀ (negative Fläche der Grundkurve) + E₀ = P₀ (positive Fläche der Grundkurve) + A. Die Wechselspannung U_w einschließlich der zusätzlichen Ein- und Ausschaltspannungen ist so bemessen, daß die Kennlinie der Hilfsdrosselspule (Fig 3) nur in ihren ungesättigten Teilen durchlaufen wird. Sofern der Hilfsdrosselkern sich einmal im oberen Sättigungszustand befunden hat, was im Betrieb immer der Fall gewesen sein wird, befindet er sich nach Fig. 3 zu Beginn der Rückmagnetisierungsperiode im Zustand α und durchläuft dann nacheinander beispielsweise die Zustände! b, c, d zurück zu a. Diesen! Zuständen entsprechen die gleich bezeichneten Punkte auf der Spanniungskurve nach Fig. 2.

Die Fig. 4 und 5 stellen den Spannungsverlauf an der Wicklung 10 bzw. die Magnetisierungszustände des Kernes der Hilfsdrosselspule 11 für den Fall dar, daß die Schaltdrosselspule vollständig zurückmagnetisiert wird, d. h. keine Einschaltstufe mehr auftritt. Die Grundkurve des Spannungsverlaufs nach Fig. 4 enthält jetzt· außer der symmetrischen Wechselspannung U_w einen Gleichspannungsanteil U_g, der nach einer im folgenden abgeleiteten Bedingung bemessen sein muß. Der Kern der Hilfsdrosselspule 11 wird durch die Spannungsfläche JV₁ in negativer Richtung bis zu dem Punkte/ magnetisiert, der wesentlich höher liegt als der Punkt b in Fig. 3. Er durchläuft nach dem Richtungswechsel der Spannung die Zustände gund h; sobald A + P₁ = A^T ₁ geworden ist, tritt er bei h in die Sättigung. Während die Wicklung 10 bisher nur den im wesentlichen konstanten Magnetisierungsstrom i# der Hilfsdrosselspule 11 geführt hat, läßt sie nunmehr nach Sättigung des Kernes sprunghaft den viel größeren Magnetisierungsstrom i_s der Schaltdrosselspule 3 durch, d. h., sie erreicht den Zustand k ihrer Magnetisierungskurve. Damit beginnt die Rückmagnetisierung der Schaltdrosselspule 3. Für die Rückmagnetisierung steht die Spannungsfläche R₁ nach Fig. 4 zur Verfugung; die schraffierte Spannungsfläche V₁ geht für die Deckung der ohmschen Verluste im Rückmagnetisierungskreis verloren. Solange der wesentlich kleinere Magnetisierungsstrom der Hilfsdrosselspule i_H fließt, spielen die ohmschen Verluste keine Rolle. Wenn nun, wie im Beispiel nach Fig. 4, die Rückmagnetisierungsfläche R₁ gleich der Ausschaltungsstufenfläche A ist, kann keine Einschaltstufe mehr auftreten. Diese Bedingung läßt sich durch die Wahl eines entsprechenden Gleichspannungsanteiles U_g stets erfüllen.

Die Fig. 6 und 7 erläutern die Verhältnisse bei einem Fall einer mittleren Rückmagnetisierung, d. h. also auch mittlerer Einschaltstufe. Der Kern der Hilfsdrosselspule 11 wird durch die Summe der Flächen E₂ und N₂ vom Punkt m bis auf den Punkt η nach Fig. 7 in negativer Richtung ummagnetisiert, wobei der Punkt η zwischen den Punkten b und / (Fig. 3 bzw. 5) liegt. Der Hilfsdrosselkern durchläuft nach dem Richtungswechsel der Spannung die Zustände p und q. Bei q wird er gesättigt, erreicht den Zustand r, der dem Magnetisierungsstrom i_s der Schaltdrosselspule entspricht, und kehrt im weiteren Verlauf der Spannungskurve über die Punkte q und m nach η zurück. Die Sättigung des Kernes der Hilfsdrosselspule 11 tritt ein, sobald A + P₂ = E₂ + N₂ geworden ist; für die Rückmagnetisierung steht demnach die Fläche R₂ zur Verfügung, die in Fig. 6 wesentlich kleiner ist als in Fig. 4. Die Einschaltstufenfläche E₂ ist gleich der Differenz der Flächen A und R₂. Diese Flächenbeziehungen stellen sich beim Einschalten oder Ändern der Rückmagnetisierungsspannung nach wenigen Perioden als Gleichgewichtszustand ein.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Rückmagnetisierung für die drei Schaltdrosselspulen des Schaltstromrienters nach Fig. 1, bei der wie oben die unsymmetrische Wechselspannung den in Reihe geschalteten Quellen einer symmetrischen Wechselspannung und einer regelbaren Gleichspannung entnommen wird, stellt die Fig. 8 dar. Gleiche Bezeichnungen beziehen sich in beiden Figuren auf gleiche Schaltelemente. Der Wechselspannungsanteil der Rückmagnetisierungsspannung wird von einem Transformator 15 geliefert, der mit den Phasen R', S' und T' eines Drehstromnetzes verbunden ist. Das Drehstromnetz R', S', T' kann mit dem Netz R, S, T nach Fig. 1 identisch sein, oder es kann ihm in der Phasenlage um einen geringen Bruchteil der Periode voreilen; jedenfalls muß die Rückmagnetisierung vor dem Einschalten der Kontakte beendet sein. Der Gleichspannungsanteil der treibenden Spannung der Rückmagnetisierungskreise wird durch eine Gleichrichteranordnung 16 erzeugt, die aus einem beliebigen Drehstromnetz 17 über einen Drehtransformator 19 gespeist wird, der als Spannungswandler geschaltet ist. Der Widerstand 18 dient dazu, dem negativen Magnetisierungsstrom der Hilfsdrosselspulen einen Parallelweg zu den in dieser Richtung sperrenden Gleichrichtern 16 zu bieten.

In gleicher Weise wie die bisher beschriebenen Anordnungen wirken auch die Rückmagnetisierungskreise nach den Fig. 9 und 10, bei denen die treibende Spannung eine symmetrische Wechselspannung ist und in Reihe mit den Wicklungen der Drosselspulen eine Ventileinrichtung geschaltet ist, deren Sperrvermögen steuerbar ist. Die Ventileinrichtung besteht in Fig. 9 aus dem an sich gut sperrenden \⁷entil 21 und einem Stellwiderstand22, der parallel zum Ventil liegt· Diese Ventileinrichtung nimmt in der einen Stromrichtung, und zwar wenn das Ventil 21 in Sperrichtung belastet ist, eine höhere Spannung auf als im anderen Falle, wenn es in Durchlaßrichtung belastet ist. Die an den Wicklungen 9 und 10 der Drosselspule liegende Wechselspannung wird daher unsymmetrisch. Der Grad der Unsymmetrie läßt sich durch Verstellen des Stellwiderstandes 22 ändern.

Bei der Anordnung nach Fig. 10 besteht die Ventileinrichtung aus einem ebenfalls gut sperrenden Ventil 24, das in Durchlaßrichtung mit Gleichstrom vorbelastet ist. Ist der Vorbelastungsgleichstrom genügend groß, so hat das Ventil in beiden Richtungen nahezu den gleichen Widerstand; mit Verkleinerung der Vorbelastung wird der Unterschied der Widerstände größer. Auch bei diesem Rückmagnetisierungskreis wird die in den Wicklungen 9 und 10 liegende Wechselspannung demnach unsymmetrisch, und zwar in einem durch Verstellen des Vorwiderstandes 23 wählbaren Grade.

DiebeschriebenenRückmagnetisierungsanordnungen können, falls etwa besondere Einschaltdrosselspulen vorhanden sind, auch bei diesen zur Verkürzung bzw. Steuerung der Einschaltstufe mit Vorteil verwendet werden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schaltstromrichter mit in Reihe mit den Unterbrechungsstellen angeordneten Schaltdrosselspulen und mit an eine Hilfswicklung der Schaltdrosselspulen angeschlossenen, die Wicklung einer Hilfsdrosselspule enthaltenden Rückmagnetisierungskreisen, die während der Öffnungszeit der Unterbrechungsstellen ein vorbestimmbares, zeitliches Spannungsintegral zur Rückmagnetisierung der Schaltdrosselspule erzeugen, das im Schließungszeitpunkt der Unterbrechungsstellen bereits abgelaufen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rückmagnetisierungskreisen die Reihenschaltung aus der Hilfswicklung der Schaltdrosselspule und der Wicklung der Hilfsdrosselspule an einer unsymmetrischen Wechselspannung liegt.

2. Schaltstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unsymmetrische Wechselspannung den in Reihe geschalteten Quellen einer symmetrischen Wechselspannung und einer Gleichspannung entnommen wird.

3. Schaltstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit den Wicklungen der Drosselspulen ein durch einen ohmschen Widerstand überbrücktes Ventil liegt und daß diese Reihenschaltung an einer symmetrischen Wechselspannung liegt.

4. Schaltstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit den Wicklungen der Drosselspulen ein in Durchlaßrichtung mit Gleichstrom vorbelastetes Ventil liegt und daß diese Reihenschaltung an einer symmetrischen Wechselspannung liegt.

5. Schaltstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Unsymmetrie steuerbar ist.

6. Schaltstromrichter nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung steuerbar ist.

7. Schaltstromrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung einem Gleichrichter entnommen wird, der an einer steuerbaren Wechselspannung Hegt.

8. Schaltstromrichter nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überbrückungswiderstand einstellbar ist.

9. Schaltstromrichter nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorbelastungsstrom steuerbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 298 668.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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