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.
Arrangement for the periodic opening and closing of electrical circuits. It is known that power interruptions, especially periodic ones, as they rectify in power: or converters occur, to make th by gradually turning on Schaltelemen in the manner of ohmic resistors in the circuit. To avoid losses, the resistance of the Schaltelemen should be as zero as possible in the closed state, but as infinite as possible in the open state.
The transition from resistance zero to resistance infinite cannot happen arbitrarily quickly. On the one hand, this is not practically feasible, on the other hand, it would also result in overvoltages in: the inductances through which the current: flows. It is therefore to a certain extent a "switching time" for the transition of the switching element from the conductive to the non-conductive state and vice versa.
During this switching time, losses occur in the resistor, which: heat the resistor and also become noticeable as a loss of power. With a given resistance curve, these losses are proportional to the square of the current to be interrupted, which means that the difficulties caused by these losses occur especially with strong currents.
If it is a question of multiphase converters with overlap of the current time of the individual phases that separate, <B> so </B> the switching time of the switching elements has to be adapted in a very specific way to the natural commutation time of the currents, if a minimum is used wants to achieve losses in the switching elements.
This minimum exists, as can be proven mathematically, in a certain connection with the (percentage): inductive short-circuit voltage of the commutation circuit, namely the losses in the switching resistors with the most favorable selection of the switching time in percentages are about half as large as the induc - Live short-circuit voltage in percent, that means z.
For example, with a normal short-circuit voltage of 6 / o, a 3.% power loss occurs in the resistors. In the case of large powers, this amount is so high that, apart from the deterioration in efficiency, the dissipation of heat from the resistors makes difficulties, and that the resistors with a view to this warming must be chosen to be uneconomically large.
To avoid these inconveniences, according to the invention, arrangements for periodic! Opening and closing of electrical circuits are used in which switching elements are used that are for a time in the state of finite resistance when moving from the most insulating to the most conductive state or vice versa To reduce power losses during the change in resistance, switching chokes are provided in the circuit of the switching elements.
Under Scha.ltdroisseln. In this context, chokes are to be understood that have a high-quality ferromagnetic core with a magnetization characteristic that achieves full saturation as far as possible even with small magnetic field strengths. By installing such switches in the commutation circuit, it can be achieved that the switching elements with variable resistance are largely relieved.
To the purpose meets. the arrangement is such that the switching time of the switching elements lies within the time during which the associated switching inductor is unsaturated. If the switching throttle is unsaturated, only the low magnetic current of the switching throttle can flow through the switching element.
As a result, the losses in the switching element, which are proportio nal to the square of the current, are only given by the magnetization current of the switching inductor, which is in the order of magnitude of i @ l "" or less of the rated current, even with very high rated currents.
It is known to use switching chokes in connection with mechanical contacts for reshaping or the direction of current. Compared to such Kontaktstroinrichtern; The invention has the further advantage that the mechanical contact device can be omitted, so that, overall, there is a static converter or converter. Furthermore, there is no risk of;
Damage to the contacts by switching fire in the event of a malfunction, especially if the switching elements are dimensioned in such a way that they can temporarily commutate the current, i.e. in the event of a malfunction even during the time during which the switching reactors are saturated, without perishing due to excessive warming.
Essentially means; that: you have to cope with a one-time disconnection of the rated current or the short-circuit current:
In the event of a malfunction after this one-off shutdown, it is easily possible to influence the control device for the @clialt element so that the resistance of the switching element remains at its high value until the external malfunction has been eliminated.
The stress on the switching elements, which in the worst case is caused by the short-circuit current in the event of a fault. is, can also be reduced with the help of the use of the switching throttles according to the invention, since the switching throttles limit the short circuit in a considerable way.
With regard to the short-circuit current, the switching reactors can be selected so large that their step length (that is the time during which they are in the unsaturated state when the peak value of the commutation voltage acts on them) is significantly greater a, ls the switching time of the switching elements.
For example, the step length for three-phase arrangements and three-phase current can be around 50 IIz. Select ss X 10-3 seconds. In this case the Da.uerl@urzscliluss flow that the throttles let through is practically zero.
With a smaller dimensioning of the switching chokes, it can be achieved that the continuous short-circuit current: m is about as large or greater than the nominal current. With the arrangement according to the invention, tasks of current interruption and conversion of any kind can be carried out. In particular, the arrangement according to the invention for feeding variable speed drives z. B. for rolling mills. Electric vehicles, machine tool drives, elevators and the like. These often require not only a controllable speed, but also a reversal of the direction of movement and network braking.
For the converter respectively. Uriform means this alternately. In operation: as rectifier and inverter with variable positive and negative voltage. This task cannot be solved simply and economically, neither with electrical valves nor with the previously known contact converters. The invention, however, gives one. Converter that allows this difficult control task to be mastered in the simplest possible way.
To .dem purpose it is advantageous. The control of the resistance, the Schaltele elements to make dependent on the magnetization of the switching chokes, z. B. in such a way that the enlargement of the resistance of the switching elements can only be used if .die switching throttle are already sufficiently far in the unsaturated area to be found. Various means are available for implementing this control of the resistance of the switching elements, depending on the shaft elements used.
One can also advantageously make use of a pre-excitation of the switching throttle, since this makes it possible to regulate and influence the passage of current through the switching throttle to a large extent. Substances have become known which change their resistance under the influence of irradiation with light to such an extent that they can be used as a switching element for the invention.
In order to implement a high-power converter with a low to high output with good efficiency, the change in the resistance of the switching elements must be, for example, three to nine orders of magnitude. A substance with which the: s, for example, can be achieved. can is c'admium sulfide. The light intensity required to control the resistance is technically easy to achieve.
As a switching element, however, resistors of other types are also suitable, such. B. carbon pressure resistors, which were their opponents under the influence of mechanical pressure change. It can. electrical resistors are also used, the electron and ion concentration of which is controlled.
One can also use electrolytic resistances in such a way that one periodically changes the cross-section through mechanical means or through evaporation processes that can be triggered by pressure fluctuations.
The use of metallic Lei ters, the resistance of which is controlled by temperature fluctuations, is also possible, in particular resistors in the field of superconductivity. One can under certain circumstances; also use conductive gases (plasma) as a switching element, whereby the ion and electron concentration of the gas is influenced by grids, recombination surfaces, pressure fluctuations, magnetic fields or the like.
With all of these. In the middle, the above-mentioned difficulty arises that when the resistance is increased, especially with a large rated current, a high power loss occurs on the switching element, which endangers its operation. Hence it is with all. this means the inventive combination with switching throttles of outstanding importance. Since the switching reactors are devices that are inactive themselves and have only low losses, their use will be economically and operationally acceptable in many cases.
Particularly effective switching chokes are obtained, for example, when using iron-nickel alloys for the core material. The resistance of the switching elements can of course also be influenced by mechanical movements, for example by the fact that a sliding contact grinds on a material of variable specific resistance and in this way periodically switches larger or smaller resistance into the circuit.
Instead of the grinding device, a rolling device can also be used. In order to further relieve the resistance of the switching elements in the conductive state, the latter can be bridged by a metallic contact and / or in the poorly conductive state they can be separated from the voltage by a periodically activated metallic contact.