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Schaltungsanordnung, insbesondere zur Vermeidung von Störungen bei der Einschaltung von ruhenden, mit Schaltdioden bestückten Gleich-Wechselstrom-Umformern, die durch einen Rechteckstrom gesteuert werden
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die insbesondere dazu geeignet ist, während der Einschaltung von ruhenden, mit Schaltdioden bestückten. Gleich-Wechselstrom-Umformern, die durch einen Rechteckstrom gesteuert werden, das Ausbleiben einer Diodenöffnung nach der ersten bzw. den ersten auf die Einschaltung folgenden Betriebsperioden zu vermeiden.
In einer bevorzugten Verwirklichung bezieht man sich auf die ruhenden Gleich-Wechselstrom-Umformer, deren Arbeitsweise und Bemessungsbegriffe der Hauptbauteile in einer Arbeit von W. Mc. Murray - D. P. Shattuck ausführlich beschrieben sind, die in der Zeitschrift"Communication and Electronics" vom November [1961]. S. 531-542 erschienen ist.
Der besseren Deutlichkeit halber ist in Fig. 1 der Zeichnung ein Beispiel des erwähnten GleichWechselstrom-Umformers dargestellt. In diesem Umformer entsprechen die Klemmen 1 und 2 den Eingangsklemmen für die Gleichspannung, wogegen die Klemmen 3 und 4 den Wechselstromausgang bilden.
Die Schaltdioden'12 und 13 arbeiten wechselweise als geöffnete und geschlossene Schalter, so dass, abgesehen von den Enden der Drosselspule 10, an den Primärwicklungsenden des Transformators 15 eine Rechteckspannung liegt, deren Wert doppelt so gross wie die Speisespannung ist. Ein Steuerstrom, der ebenfalls rechteckig ist, wird an die Klemmen 5, 6 und 7 so angelegt, dass die positive Halbwelle über Klemme 5 eingeht und über Klemme 6 ausgeht, wobei die Diode 12 geschlossen wird und die negative Halbwelle über Klemme 7 eingeht und über Klemme 6 ausgeht, wobei die Diode 13 geschlossen wird.
Genannter Steuerstrom schaltet die Dioden 12 und 13 vom Sperrzustand auf leitenden Zustand (Zündung). Die umgekehrte Umschaltung vom leitenden Zustand auf Sperrzustand (Öffnen) erfolgt bei Schliessen der entgegengesetzten Diode und an die zu sperrende Diode wird die Spannung angelegt, mit welcher der Kondensator 14 geladen ist. Diese Spannung ist in umgekehrtem Sinne für die Zeit gerichtet, die erforderlich ist, um die Diode wieder in den Sperrzustand zu bringen.
Die Reaktanzspu- le 10 hat den Zweck, den Kurzschluss des Kondensators 14 durch die Speisequelle, die mit kleinem Innenwiderstand angenommen wird, sofort nach Umschaltungsanfang zu verhindern, wogegen die Dito- den 9 und 11 die in der Reaktanzspule 10 aufgespeicherte Energie bei Umschaltungsende der Spel- sequelle zurückgeben, wodurch Überspannungen an den Dioden 12 und 13 vermieden werden ; ferner veranlassen sie das Vor- bzw. Nachfliessen etwaiger Belastungsblindströme. Wenn die Dauer der Spannungsumkehr an den Enden der Diode, die schliessen soll, unter einen Mindestwert sinkt, welcher von der Diodencharakteristik und vom Stromkreisumfang abhängig ist (20 li ist zur Zeit der Richtwert für eine Siliciumschaltdiode), dann bleibt die Öffnung der Siliciumdiode aus.
Die Dauer der Öffnungsumkehr verkürzt sich mit der Steigerung des abgegebenen Stromes und des
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Magnetisierungsstromes, wobei beide Ströme im Zeitpunkt gemessen werden, in dem diejenige Diode schliesst, die der zu öffnenden Diode entgegengesetzt ist bzw. mit dem Sinken der an den Enden des Kon- densators 14 liegenden Spannung bei gleichen Verhältnissen. Das Ausbleiben der Öffnung entspricht praktisch einem Kurzschluss und setzt den Umformer ausser Betrieb, wobei die Schutzvorrichtungen ansprechen-z. B. Schmelzsicherungen, die der Einfachheit halber im Ausführungsbeispiel nicht angegeben sind.
Das Ausbleiben der Öffnung infolge übermässiger Verkürzung der Umkehrungsdauer kann durch ein oder mehrere der folgenden Verhältnisse verursacht werden, die bei der Einschaltung auftreten, je nach der Art der Schaltung, die zur Erzielung des Steuer-Rechteckstromes angewendet wird : a) Der Transformator befindet sich in der positiven Remanenz und die erste Halbperiode hat ein solches Vorzeichen, dass sie den Transformatorfluss im positiven Sinn steigert :
Nach dem Bruchteil einer Halbperiode kann der Kern seinen Sättigungszustand erreichen, wodurch eine übermässige Steigerung des Magnetisierungsstromes entsteht. b) Die Frequenz des Steuerstromes erreicht nicht sofort den Betriebswert, so dass, falls die ersten Halbperioden eine längere Dauer als die Solldauer hätten, die Transformatorsättigung sowie eine übermässige Steigerung des Magnetisierungsstromes erfolgen würden. c) Die Dauer der ersten Halbperiode kann viel kürzer als die normale sein, weshalb der Kondensator 14 bis zu dem Wert noch nicht geladen sein mag, der eine für die nachfolgende Diodenöffnung ausreichende Umkehrdauer sicherstellt. d) Die Amplitude des Steuerstromes erreicht nicht sofort den Betriebswert.
Es kann vorkommen, dass die erste Halbperiode die entsprechende Diode richtig schliesst, aber dass die Amplitude der zweiten Halbperiode, obwohl grösser als die der ersten, noch nicht ausreichend ist, die entgegengesetzte Diode zu schliessen, denn der zum Schliessen erforderliche kleinste Strom streut sehr je nach Diodenexemplar ; dadurch würde eine dreimal längere Halbperiode als die normale entstehen sowie die entsprechende Sättigung des Transformators.
Einige derartige Störungen sind im Aufsatz von W. Mc. Murray, D. P., Shattuck erwähnt ; im selben Aufsatz werden auch Massnahmen angegeben, um solche Störungen zu beseitigen.
Zur Vermeidung der in a) beschriebenen Störung schlagen W. Mc. Murray und D. P. Shattuck ein verhältnismässig kompliziertes System vor, das zahlreiche Relais und Kontaktgeber erfordert und das die Beseitigung der Störung nach c) nicht absolut gewährleistet.
Nach diesem System wird im Kern des Transformators 15 ein Luftspalt vorgesehen, der ausreichend ist, die positive Remanenz praktisch auf Null herabzusetzen und die Arbeitsinduktion auf weniger
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dass zuerst der Steuerstromgenerator eingeschaltet wird : Wenn dieser sicher im Betriebszuständ ist-nach einigen j. ! - kann man den Leistungsstromkreis mit einem in Reihe liegenden Schutzwiderstand einschalten, dann den Schutzwiderstand kurzschliessen und schliesslich die Belastung einschalten.
Der Zweck der Erfindung ist die Beseitigung der oben erwähnten Störungen mit Hilfe einfacher Mittel und mit minimalem Aufwand an mechanischen Bauteilen wie Relais, Kontaktgeber usw.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung von Störungen beim Einschalten von ruhenden Gleich-Wechselstrom-Umfonnern, die mit Schaltdioden bestückt sind und durch einen Rechteckstrom gesteuert werden, wobei erfindungsgemäss zwischen dem Rechteckspannungs-Generator, dessen gesamter Se- rienwiderstand den Fluss des gewährleisteten Steuerstromes ermöglicht, und den Umformer-Eingangsklemmen für den genannten Steuerstrom eineReaktanzspule liegt, deren Kem eine rechteckförmige Hystereseschleife aufweist und welche nach Einschaltung der Steuerrechteckspannung die Erreichung des Mindestwertes des die Sperrung der gesteuerten Umformer-Dioden bewirkenden Steuerstromes um eine Zeitdauer verzögert, die ausreichend ist,
um die Herstellung der Verhältnisse zur Öffnung der vorher geschlossenenDioden zu ermöglichen.
In den Fig. 2 und 3 der Zeichnungen ist ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung
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ten von ruhenden Gleich-Wechselstrom-Umformern, die mit Schaltdioden bestückt sind und durch einen Rechteckstrom gesteuert werden. Fig. 3 zeigt einige Halbperioden nach der Öffnung des in Fig. 2 dargestellten Kontaktes 21, den ungefähren Spannungsverlauf zwischen den Klemmen 26 und 27, u. zw. : Fig. 3b den Verlauf des Steuerstromes der Dioden 13, Fig. 3c den ungefähren Verlauf des Steuerstromes der Diode 14, Fig. 3d den Spannungsverlauf an den Enden der Reaktanzspule 20 und Fig. 3e den Verlauf des magnetischen Flusses in der Reaktanzspule 20.
Die in Fig. 2 alS Ausführungsbeispiel dargestellte Schaltungsanordnung soll im folgenden beschrieben werden, u. zw. als eine in einem Umformer nach Fig. 1 angewendete Schaltungsanordnung ; selbstverständlich könnte diese bei einem beliebigen Umformer angewendet werden, welcher dieselben Steue-
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rungs-und Einschalteigenschaften aufweist.
In Fig. 2 ist der Schalter 16 dargestellt, welcher es ermöglicht, den in Fig. 1 im einzelnen dargestellten Einphasen-Umformer 24 mit einer Gleichspannung über die Klemmen zu speisen. Die Steuerstrom-Eingangsklemmen 5 und 7 für den Einphasen-Umformer 24 sind mit den Pluspolen der Dioden 17 und 18 und dem Widerstand 19 verbunden, zu denen sie parallelliegen.
Die Klemme 6, welche die gemeinsame Verbindung mit den beiden Kathoden der gesteuerten Dioden 12 und 13 bildet, ist dagegen mit den Minuspolen der Dioden 17 und 18 verbunden. Der Pluspol einer dieser beiden Dioden ist über die Raktanzspule 20 und den Widerstand 22 mit der ersten Klemme 26 des Steuergenerators 23 verbunden und der Pluspol der'andern Dioden mit der Klemme 27. Der gemeinsame Punkt zwischen der Reaktanzspule 20 und dem Widerstand 22 ist mit der Klemme 27 des Generators 23 über den Ruhekontakt eines Relais 21 verbunden, das mit der gleichen Spannung gespeist wird, die über die Klemmen 24 und 25 den Steuergenerator speist und die hinter dem Hauptschalter 16 abgezweigt wird.
Der Steuergenerator 23, der zwischen den Ausgangsklemmen 26 und 27 eine Rechteck-Wechselspannung abgibt, kann auf viele bekannte Weisen verwirklicht werden : Bei einer bevorzugten Ausft1h- rung wird ein bistabiler Transistor-Oszillator verwendet.
Die Reaktanzspule 20 hat einen luftspaltlosen Kern, dessen Werkstoff eine rechteckförmige Hystereseschleife aufweist ; sie ist so bemessen, dass die Zeit, die erforderlich ist, um den Fluss von der negativen Remanenz auf die positive Sättigung zu verändern, mit der vom Generator 23 abgegebenen Spannung, vermindert um den Spannungsabfall in den Widerständen 22 und 19, wenigstens so gross ist wie die Zeit, die der Kondensator 14 auch bei den schlechtesten Verhältnissen zur Ladung braucht, ausgehend vom Schliesszeitpunkt der ersten Schaltdiode, bei dem Pegel, der benötigt wird, um eine ausreichende Dauer der Öffnungsumkehrung zu haben.
Der Widerstand 19 ist so bemessen, dass der von der Reaktanzspule vor der Sättigung aufgenommene Strom an den Widerstandsenden einen Spannungsabfall ergibt, der unter. dem Mindestwert liegt, welcher mit Sicherheit keine der beiden Schaltdioden 12 und 13 mehr schliesst. Die Spannungsamplitude und der Wert des Widerstandes 22 sind so gewählt, dass bei geöffnetem Kontakt des Relais 21 und nach der Sättigung der Reaktanzspule 20 ein Strom fliesst, dessen Amplitude dazu weitgehend ausreicht, auch bei schlechtesten Verhältnissen das Schliessen der Schaltdioden zu gewährleisten, und dass bei geschlossenem Kontakt des Relais 21 kein so grosser Strom fliesst, dass der Generator 23 überlastet oder dessen Anfachung gehindert wird.
Das Relais 21 spricht an und öffnet seinen Kontakt mit einer Verzögerung von einigen Halbperioden, oder jedenfalls nicht bevor die vom Generator 23 abgegebene Steuerspannung den Betriebszustand erreicht hat. Das heisst, nach Schliessen des Schalters 16 kann keine der beiden Schaltdioden 12 und 13 des Einphasen-Umformers 24 schliessen, solange der' Kontakt des Relais 21 nicht öffnet, wonach die vom Generator 23 abgegebene Spannung die zweite.
Strom-Halbwelle im folgenden Stromkreis fliessen lässt :
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trode der Schaltdiode. 13. Klemme 6, Diode 18. Klemme 27.
Die negative Strom-Halbwelle fliesst dagegen im folgenden Kreis :
2. Klemme 27, Klemme 7, Kathoden-Kontrollelektrode 12, Klemme 6, Diode 17, Reaktanzspule 20, Widerstand 22, Klemme 26.
Die positive Halbwelle, schliesst die Schaltdiode 13, die negative Halbwelle schliesst die Schaltdiode 12. Die beiden Halbwellen können aber nicht den maximalen Wert sofort nach der Spannungsumkehr erreichen, denn die Reaktanzspule 20 muss sich zuerst bis zur Sättigung magnetisieren.
Die Verzögerung ô (s. Fig. 3), die durch die Reaktanzspule 20 hervorgerufen wird, verändert jedoch nicht erheblich den Betrieb des Einphasen-Umformers 24 und verhindert zwar, dass nach der Einschaltung die zweite Diode in einem zu kurzen Zeitabstand schliesst gegenüber der ersten Diode. So wird beim Schliessen des Schalters 16 eine Spannung an die Schaltdiode 12 und 13, an den SteuerGenerator 23 und an die Spule des Relais 21 angelegt, das anzuziehen beginnt. Solange der Kontakt des Relais 21 geschlossen bleibt, ist der Steuerstrom in den Schaltdioden 12 und 13 gleich Null und beide Dioden 12 und 13 bleiben geöffnet. Wenn das Relais 21 öffnet, sind folgende drei Verhältnisse möglich :
1.
Die Reaktanzspule 20 liegt in der positiven Remanenz und die vom Generator abgegebene Spannung ist positiv : der Steuerstrom fliesst ohne Verzögerung und schliesst die erste Diode ; nach der Um- kehr muss aber die durch die Reaktanzspule 20 hervorgerufene Verzögerungszeit vergehen, bevor die zweite Diode schliessen kann. Auch wenn das Relais 21 sofort nach der Umkehr öffnet, hat der Kon-
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densator die erforderliche Zeit, sich regelmässig zu laden.
2. Die Reaktanzspule liegt in der negativen Remanenz und die vom Generator abgegebene Spannung ist positiv : die Verzögerungszeit muss vergehen, bevor die erste Diode schliessen kann und im ungünstigsten Fall, dass die Spannungsumkehr sofort nach der Verzögerungszeit erfolgt, muss wieder eine Zeit vergehen, die der Verzögerungszeit gleich ist, damit die zweite Diode schliessen kann.
3. Die Reaktanzspule liegt im mittleren Zustand : die erste Diode schliesst nach einer als die Verzögerungszeit kürzeren Zeit ; die zweite Diode kann aber erst nach einem Zeitabstand von der ersten Diode schliessen, der wieder der Verzögerungszeit gleich ist.
In der gleichen Weise arbeitet dann der Stromkreis, wenn die Anfangszustände umgekehrtes Vorzeichen haben gegenüber Fällen nach 1. und 2.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die in der Erfindung beschriebene Schaltung die Störungen nach b), c) und d) beseitigt. Die bei a) erwähnte Störung kann mit den oben beschriebenen bekannten Mitteln beseitigt werden.
Die konstruktiven Einzelheiten könnten natürlich je nach Bedarf unterschiedlich sein ; der Kontakt des Relais 21 könnte z. B. ein mit der Reaktanzspule 20 in Reihe geschalteter Arbeitskontakt sein, um den Stromkreis zu schliessen, anstatt einen Kurzschluss zu unterbrechen.
Das Relais 21 könnte durch elektronische Elemente ersetzt werden, wie z. B. Transistoren, Halbleiter usw. Anstatt des Widerstandes 19 könnte ein Kondensator, eine Reaktanzspule oder beide diesen miteinander kombinierenden Elemente angeordnet werden.
Zwischen den Dioden 17,18 und der Reaktanzspule 20 könnte man einen Isoliertransformator einschalten, dessen Magnetisierungsstrom einen solchen Wert haben könnte, dass der Widerstand 19 überflüssig wird.
Bei einer weiteren Verwirklichung der Erfindung könnte ein Arbeitskontalztbzw. zweiter Kontakt, des Relais 21 vorgesehen werden, welcher die Reaktanzspule 20 nach der Öffnung des Ruhekontaktes bzw. ersten Kontaktes, des Relais 21 kurzschliesst, so dass die Verminderung der Flankensteilheit des Steuerstromes vermieden wird, welche durch die Reaktanzspule 20 unvermeidlich hervorgerufen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Vermeidung von Störungen bei der Einschaltung von ruhenden, mit Schaltdiodenbestückten Gleich-Wechselstrom-Umformern, die durch einen Rechteckstrom kontrolliert und gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rechteeksteuerspannungs-Gene- rator, mit welchem ein Widerstand in Reihe geschaltet ist, der den gewünschten Steuerstrom fliessen lässt, und den Umformer-Eingangsklemmen für den genannten Steuerstrom eine Reaktanzspule eingeschaltet ist, die auf einem Kern mit rechteckiger Hystereseschleife gewickelt ist und die das Erreichen des Mindestwertes des Steuerstromes, der das Schliessen der Umformer-Schaltdioden nach der Umkehr der Rechteck-steuerspannung bewirkt, um eine Zeit verzögert, die ausreichend ist,
die Herstellung der Bedingungen für die Öffnung der vorher geschlossenen Diode zu ermöglichen.