Anordnung zum periodischen Öffnen und Schliessen elektrischer Stromkreise. Es ist bekannt, Stromunterbrechungen, insbesondere periodische, wie sie in Strom richtern :oder Umformern vorkommen, durch allmähliches Einschalten von Schaltelemen ten nach Art Ohm-sch-er Widerstände in den Stromkreis vorzunehmen. Zur Vermeidung von Verlusten soll hierbei im geschlossenen Zustand der Widerstand -des Schaltelemen tes möglichst Null, im geöffneten Zustand dagegen möglichst Unendlich sein.
Der Übergang vom Widerstand Null auf den Widerstand Unendlich kann nicht beliebig schnell vor sich gehen. Einmal ist dies prak tisch nicht durchführbar, zum :andern würde es ausserdem Überspannungen in :den vom Strom :durchflossenen Induktivitäten zur Folge haben. Es ist daher gewissermassen eine "Schaltzeit" für den Übergang des Schaltelementes aus dem leitenden in den nichtleitenden Zustand und umgekehrt er forderlich.
Während dieser Schaltzeit treten im Widerstand Verluste auf, die :den Wider- stand erwärmen und ausserdem sich als Leistungsverlust bemerkbar machen. Bei ge gebenem Widerstandsverlauf sind diese Ver luste dem Quadrat des zu unterbrechenden Stromes proportional, das heisst die durch diese Verluste hervörgerufenen Schwierig keiten treten besonders bei starkem Strom auf.
Handelt es sich um mehrphasige Strom richter mit Überdeckung der Stromzeit der einzalnen sich ablösenden Phasen, <B>so</B> hat man die Schaltzeit der Schaltelemente in ganz be- stimmter Weise der natürlichen Kommutie- rungszeit der Ströme anzupassen, wenn man ein Minimum an Verlusten in den Schaltele menten erreichen will.
Dieses Minimum be steht, wie sich rechnerisch nachweisen dässt, in bestimmtem Zusammenhang mit der (prozentualen): induktiven Kurzschlussspan- nung des Kommutierungskreises, und zwar sind die Verluste in den Schaltwiderstän den bei günstigster Wahl der Schaltzeit in Prozenten etwa halb so gross wie die induk- Live gurzschlussspannung in Prozenten, das heisst z.
B. bei einer üblichen Kurzschluss- spannung von 6/o treten 3,% LeistungSver- lust in den Widerständen auf. Bei grossen Leistungen isst dieser Betrag so hoch, dass abgesehen von der Verschlechterung eines Wirkungsgrades die Abführung -der Wärme aus den Widerständen Schwierigkeiten macht, und dass die Widerstände mit Riicl@- sicht auf diese Erwärmung unwirtschaftlich gross gewählt werden müssen.
Zur Vermeidung dieser Übelstände wer den nach der Erfindung bei Anordnungen zum periodischen !Öffnen und Schliessen elek- triseher Stromkreise, bei denen Schaltele mente benutzt werden, die beim Überbang vom möglichst isolierenden in den möglichst leitenden Zustand oder umgekehrt sich eine Zeitlang im Zustand endlichen Widerstandes befinden, zur Verringerung der Leistungs verluste während der Widerstandsänderung Schaltdrosseln im Stromkreis der Schalt elemente vorgesehen.
Unter Scha.ltdroisseln. sind dabei Drosseln zu verstehen, die einen hochwertigen ferromar;netisehen Kern mit einer Magnetisierungskennlinie, .die schon bei kleinen magnetischen Feldstärken mög lichst die volle Sättigung erreicht, besitzen. Durch den Einbau solcher Scha,ltdro:;seln in den Kommutierungskreis lässt es sich er reichen, dass die Schaltelemente mit ver änderlichem Widerstand weitestgehend ent lastet werden.
Zu dem Zweck trifft. man die Anordnung derart, dass die Schaltzeit der Schaltelemente innerhalb der Zeit liegt, während der die zugehörige Schaltdrossel ungesättigt ist. Bei ungesättigter Schaltdros sel kann nur der geringe 1@Iagnet.isierungs- strom der Schaltdrossel durch das Schalt , element fliessen.
Infolgedessen sind die Ver luste in dem Schaltelement, die proportio nal dem Quadrat der Stromstärke sind, auch bei sehr grossen Nennströmen nur durch den Magnetisierungsstram der Schaltdrossel ge geben, der in der Grössenordnung von i@l"" oder weniger des Nennstromes liegt.
Es ist bekannt, Schaltdrosseln in Verbin dung mit mechanischen Kontakten zur Um- formung oder Stromrichtung zu benutzen. Gegenüber derartigen Kontaktstroinrichtern ; hat -die Erfindung den weiteren Vorteil, da.ss das mechanische Kontaktgerät in Fortfall kommen kann, so dass sich insgesamt ein ruhender Umformer oder Stromrichter er- gibt. Des weiteren, entfällt die Gefahr der ;
Beschädigung der Kontakte durch Schalt feuer in Störungsfällen, besonders dann, wenn man die Schaltelemente derart bemisst, dass sie vorübergehend, das heisst in Stö- rungsfällen auch w ä.lirend der Zeit, \vährend der die Schaltdrosseln besättigt sind, den Strom kommutieren können, ohne durch zu grosse Erwärmung zugrunde zu gehen.
Im wesentlichen bedeutet; dies, dass :sie einen ein maligen Abschaltvorgang des Nennstromes oder des Kurzschlussstromes bewältigen müssen:.
Es ist leicht möglich, bei Vorliegen einer Störung nach diesem einmaligen Abschal ten die Steuervorrichtung für das @clialt- element so zu beeinflussen, da.ss der Wider stand des Schaltelementes auf seinem hohen Wert verbleibt, bis die äussere Störung be seitigt ist.
Die Beanspruchung der Schaltelemente, die in Störungsfällen im schlimmsten Fall durch den Kurzschlussstroin gegeben. ist, lässt sich mit Hilfe der Ve rwen-dung der Schaltdrosseln naeb der Erfindung ebenfalls vermindern, da, die Schaltdrosseln den Kurzsclilusssti-o-ni in erheblicher Weise be grenzen.
Man kann mit Rücksicht auf den Kurzschlussstrom die Schaltdrosseln so gross wählen, da-ss ihre Stufenlänge (das ist die Zeit, während der sie in ungesättigtem Zu stand sind, wenn der Scheitelwert der Kom- mutierungsspannung auf sie einwirkt) wesentlich grösser ist a,ls die Schaltzeit der Schaltelemente.
Beispielsweise kann mann die Stufenlänge bei dreiphasigen Anordnungen und Drehstrom von 50 IIz etwa. ss X 10-3 Sekunden wählen. In diesem Fall ist der Da.uerl@urzsclilussstrom, den die SchaRdros- seln durchlassen, praktisch Null.
Bei einer kleineren Bemessung der Schaltdrosseln kann man erreichen, dass der Dauerkurz- schlussstro:m etwa ebenso gross oder grösser als der Nennstrom ist. Mit der Anordnung nach der Erfindung lassen sich Aufgaben der Stromunterbrechung und -Umformung jeder Art ausführen. Insbesondere eignet sich die Anordnung nach der Erfindung zur Speisung von Regelantrieben z. B. für Walz werke. Elektrofahrzeuge, Werkzeugmaschi nenantriebe, Aufzüge und :dergleichen. Bei diesen wird oft nicht nur eine regelbare Ge schwindigkeit, sondern darüber hinaus Um kehrung der Bewegungsrichtung und Netz bremsung verlangt.
Für den Stromrichter bezw. Uriformer bedeutet dies abwechse.In- den Betrieb :als Gleich- und Wechselrichter mit veränderlicher positiver und negativer Spannung. Diese Aufgabe ist weder mit elek- trisehen Ventilen noch mit den bislang be kannt gewordenen Kontaktumformern ein fach und wirtschaftlich zu lösen. Durch die Erfindung erhält man jedoch .einen. Umfor mer, der diese schwierige Regelaufgabe auf einfachste Weise zu beherrschen gestattet.
Zu .dem Zweck ist es vorteilhaft, .die Steuerung des Widerstandes, der Schaltele mente vom Magnetisierungszustand der Schaltdrosseln abhängig zu machen, z. B. in der Weise, dass,die Vergrösserung des Wider standes der Schaltelemente nur einsetzen kann, wenn .die Schaltdrossel sich bereits genügend weit im ungesättigten Gebiet be finden. Zur Ausführung @dieser Steuerung des Widerstandes der Schaltelemente stehen je nach den verwendeten Schaftelementen verschiedene Mittel zur Verfügung.
Man kann dabei mit Vorteil auch von einer Vor erregung der Schaltdrosseln Gebrauch machen, da diese es ermöglicht, im weiten Umfang -den Stromdurchgang durch die o Schaltdrossel zu regeln und zu beeinflussen. Es sind Stoffe bekannt geworden, die ihren Widerstand unter dem Einfluss einer Bestrahlung mit Licht in so hohem Masse verändern, dass sie zur Verwendung als Schaltelement für die Erfindung in Frage kommen.
Um einen Starkstromumformer kleiner bis grosser Leistung mit gutem Wir kungsgrad auszuführen, muss die Änderung des Widerstandes der @S@chaltelemente bei- spiellsweise drei bis neun Grössenordnungen be tragen. Ein Stoff, mit dem,die:s beispielsweise erzielt werden. kann, ist C'admiumsulfid. Die zur Steuerung des Widerstandes benötigte Lichtintensität ist dabei technisch leicht zu erzielen.
Als Schaltelement eignen sich jedoch auch Widerstände anderer Art, wie z. B. Kohledruckwiderstände, die ihren Wider stand unter dem Einfluss, von mechanischem Druck ändern. Es können. auch elektrische Widerstände verwendet werden, deren Elek tronen- und Ionenkonzentration gesteuert' wird.
Man kann auch elektrolytis,che Wider stände in der Weise verwenden, dass man periodisch Querschnittsveränderungen durch mechanische Mittel oder durch Verdamp- fungsvorgänge, -die durch Druckschwankun gen .ausgelöst werden können, vornimmt.
Auch die Anwendung von metallischen Lei tern, die in ihrem Widerstand durch Tem peraturschwankungen gesteuert werden, kommt in Frage, so insbesondere Wider stände im Bereich der Supraleitfähigkeit. Man kann unter Umständen; auch leitende Gase (Plasma) als Schaltelement benutzen, wobei die Ionen- und E.lektronenkonzentra- tion des Gases durch Gitter, Rekombinations- flächen, Druckschwankungen, magnetische Felder oder .dergleichen beeinflusst wird.
Bei allen diesen. Mittelln tritt die oben erwähnte Schwierigkeit auf, dass bei der Erhöhung des Widerstandes, insbesondere bei grossem Nennstrom, ein hoher Leistungs verlust am Schaltelement auftritt, der sein Arbeiten gefährdet. Daher ist bei allen. die sen Mitteln die erfinderische Kombination mit Schaltdrosseln von hervorragender Be deutung. Da die Schaltdrosseln selbst ruhende Geräte sind und nur geringe Ver luste aufweisen, wird man ihre Verwendung in vielen Fällen wirtschaftlich und betrieb lich in Kauf nehmen können.
Besonders wirksame Schaltdrosseln erhält man bei- spielsweise bei Verwendung von Eisennickel- legierungen für das Kernmaterial. Der Widerstand der Schaltelemente kann natürlich auch durch mechanische Bewegun- gen beeinflusst werden, beispielsweise da durch, dass ein Schleifkontakt auf einem Material veränderlichen spezifischen Wider standes schleift und auf diese Weise perio disch grösseren oder kleineren Widerstand in den Stromkreis einschaltet.
Statt der Schleifvorrichtung kann man auch eine Wälzvorrichtung verwenden. Man kann auch zur weiteren Entlastung des Widerstandes der Schaltelemente im gut leitenden Zustand letztere durch einen metallischen Kontakt überbrücken und/oder sie im schlechtleiten- den Zustand durch einen metallisch perio disch betä,tig-ten Kontakt von der Spannung abtrennen.