DE1011926B

DE1011926B - Magnetverstaerker mit innerer Selbstsaettigung in Wechselstromschaltung

Info

Publication number: DE1011926B
Application number: DES41957A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-12-15
Filing date: 1954-12-15
Publication date: 1957-07-11

Description

Magnetverstärker mit innerer Selbstsättigung in Wechselstromschaltung Bei Magnetverstärkern mit innerer Selbstsättigung, die zur Speisung von Wechselstromverbrauchern dienen, z. B. bei Magnetverstärkern in sogenannter Doppel- oder Doublerschaltung, müssen die mit den Drosselspulen in Reihe liegenden Trockengleichrichterventile wegen der Beanspruchung beim Einschalten für erheblich höhere Sperrspannungen bemessen werden als für die an sich im Dauerbetrieb an den Ventilen auftretenden. Um Durchschläge mit Sicherheit zu vermeiden, müssen mehrere Ventilzellen je Ventil in Reihe geschaltet werden, obwohl für die Dauerbeanspruchung eine einzige Ventilzelle genügen würde. Der Aufwandsanteil für die Ventile steigt zudem bei Magnetverstärkern mit zunehmender Leistung an. Während nämlich nach den bekannten Wachstumsgesetzen die Größe -der Drosselspulen weniger als proportional mit der Leistung zunimmt, nimmt die Größe der Ventile proportional mit der Leistung zu. Wechselstrom abgebende Magnetverstärker größerer Leistung mit Ventildrosseln: besitzen daher einen verhältnismäßig großen Kostenanteil für Gleichrichter, wenn mit mindestens drei oder vier Selenzellen j e Ventil bei den normalen Netzspannungen von 220 oder 380 gearbeitet wird. Es wäre daher wünschenswert, mit nur einer einzigen Zelle je Ventil auszukommen. Die Erfindung weist einen Weg, durch den dies ermöglicht wird.
Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen, die an den Ventilen nur eine Sperrspannung in wenigstens annähernd der Höhe des im Dauerbetriebszustand möglichen Wertes zulassen, und die Ventile sind für diese Sperrspannung bemessen. Die Mittel können spannungsabhängige Widerstände sein, die den Ventilen .parallel geschaltet sind und bis zu der an den Ventilen im Dauerbetriebszustand möglichen Sperrspannung einen unschädlich geringen, darüber jedoch einen merklichen Nebenfluß bilden. Die Wirkung ist um so besser, je schärfer der Knick in der Kennlinie der spannungsabhängigen Widerstände ist.
Eine Parallelschaltung von spannungsabhängigen Widerständen zu den Ventilen von Ventildrosseln mag die Frage aufwerfen, ob dann das gute Arbeiten der Ventildrosseln, insbesondere deren Verstärkerkennlinie, erhalten bleibt. Die Frage ist zu bejahen, wenn die Ventile und die parallel geschalteten spannungsabhängigen Widerstände in der erfindungsgemäßen Weise bemessen werden. Am Ventil steht bekanntlich eine Spannung, die aus den Wicklungsspannungen- im geschlossenen Kreis der Doublerschaltung zusammengesetzt ist. Diese Spannung ist es auch, die von den spannungsabhängigen Widerständen verarbeitet wird, so daß die richtige Funktion der Ventildrosseln bei dem Magnetverstärker nach der Erfindung nicht gestört wird.
Die Verwendung spannungsabhängiger Widerstände an sich zur Verhinderung von Überspannungen an Einrichtungen in der Weise, daß man diesen die spannungsabhängigen Widerstände parallel schaltet, ist bekannt. Dabei kommt es jedoch lediglich darauf an, die Überspannungen abzuleiten. Die Erfindung betrifft demgegenüber eine neue Nutzanwendung der bekannten Lehre und geht einen wesentlichen Schritt über das Bekannte hinaus. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei aus Ventildrosseln aufgebauten :Magnetverstärkern in Wechselstromschaltung, sobald diese eine bestimmte Leistung überschreiten, erhebliche Ersparnisse hinsichtlich der verwendeten Ventile erzielt werden können, die um so größer sind, je größer die Leistung des Magnetverstärkers ist. Dies hängt zum Teil mit den schon erwähnten Wachstumsgesetzen bei Drosselspulen und Ventilen zusammen. Wesentlicher ist jedoch nachstehender Zusammenhang.
Bei aus Ventildrosseln in Wechselstromschaltung aufgebauten Magnetverstärkern kleiner Leistung haben die Drosselspulen einen verhältnismäßig großen ohmschen Widerstand. Der durch den Arbeitsstrom in diesem Widerstand entstehende entsprechend große Spannungsabfall stellt die Spannungsbeanspruchung der Ventile im Dauerbetrieb dar. Bei den in der Praxis verwendeten Magnetverstärkern kleinerer Leistung liegt der Spannungsabfall an den Drosselspulen bei etwa 10 bis 20% der Netzwechselspannung und darüber. Bei Magnetverstärkern mit Leistungen in der Größenordnung von 1 Kilowatt und mehr ist der ohmsche Widerstand der Drosselspulen dagegen sehr gering. Der an ihnen auftretende Spannungsabfall ist somit ebenfalls gering,F-:u#id dadurch sind - bezogen auf die gleiche speisende jÜetzspänttüng -- an den Ventilen nur geringe Dauersperrspannungen aufzunehmen, so daß eine einzige Selenzelle dafür ausreichen würde, wenn mtin @riicht auf die-Einschaltspannungen Rücksicht nehmen müßte. Die Aufteilung der Gesamtspannung, die an der Reihenschaltung aus Ventil und Drosselspule" beim Einschalten auftreten kann, ist mit sehr wenig Aufwand erfordernden Mitteln veränderbar, dd- schon ein spannungsabhängiger Widerstand, der nur den Mägnetisierungsstrom der Drossel am Ventil . i#9rbeiletet, dieses vor dem Durchschlag bewahren kann. Die spannungsabhängigen Widerstände- gestatten--daher, mit wenigen Zellen j e Ventil auszukommen und damit bei Magnetverstärkern größerer Leistung. wesentliche Ersparnisse an Kosten und Verlusten-zu erzielen.
Die spannungsabhängigen Widerstände können an sich beliebiger- Art sei-n.---Geeignet- sind beispielsweise sogenannte Varistoren, etwa aus Siliziumkarbid. Da sind spannungsabhängige Widerstände, die zur Verhinderung von Übersparnungen an sich bekannt sind und deren gekrümmte _Stromspannungskennlinie mit guter Näherung durch- die Beziehung J = k - Un gegeben ist, wobei 7L vom. -Material und den Dimensionen, n nur vom Material .abhängt und etwa zwischen 3,5 und 7 liegt: - ' Eine andere Art von -spanri-üngsabhängigen Widerständen, die mit Vorteil verwendet werden können, stellen Trockengleichrichter, insbesondere Einkristallflächengleichrichter, dar, die = unter Ausnutzung des sogenannten Zenereffektes' - den Ventilen mit gleicher Durchlaßrichtung parallel geschaltet werden. Der Zenereffekt ist an sich bekannt. Er besteht darin, daß der in Sperrichtung fließende, im normalen Sperrspannungsbereich sehr ' - kleine Sperrstrom eines Trockengleichrichters beim Überschreiten einer bestimmten Sperrspannung plötzlich stark ansteigt. Der Zenereffekt ist bei halbleitenden- Einkristallflächengleichrichtern besonders -scharf ausgeprägt. Deshalb eignen sie sich für die Zwecke der Erfindung besonders. Als Einkristallflächengleichrichter können beispielsweise solche auf Germanium- oder Siliziumbasis verwendet werden, ferner auf der Basis anderer ebenfalls bekannter Halbleiterstoffe; z. B. aus halbleitenden Verbindungen von der Form AIIIBv, d. h. aus einem der Elemente der III. Gruppe mit einem der Elemente der V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, wie etwa Gallumarsenid, Indiumphosphid oder Aluminiumantimonid. Da es durch die Erfindung ermöglicht wird, mit einer einzigen Zelle je Ventil auszukommen, wird 'man bei der Ausnutzung des Zenereffektes in diesem Fall das Ventil und den parallel geschalteten hinsichtlich des Zenereffektes ausgenutzten Trockengleichrichter in bezug auf ihr Material aufeinander abstimmen, d. h., man wird für den Trockengleichrichter ein Halbleitermaterial wählen, bei dein der Zenereffekf -zumindest oberhalb der im Dauerbetrieb vorhandenen Sperrspannung des parallel geschalteten Ventils und der Ventildrossel und unterhalb der Durchschlagspannung desselben eintritt.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen. Diese zeigt in Fig. 1 die Erfindung äm Beispiel der Doppelschaltung und in Fig.2 eine graphische Darstellung, aus der eine günstige Bemessung der parallel geschalteten spannungsabhängigen Widerstände entnommen werden kann.-In Fig. 1 speist ein nicht näher dargestellte Wechselstromnetz einen Verbraucher 1 über einen Magnetverstärker aus zwei antiparallel geschalteten Ventildrosseln, die je aus einer steuerbaren Drosselspule 2 bzw. 3 und einem damit in Reihe liegenden Trockengleichrichterventil4 bzw. 5 bestehen. Die Ventildrosseln haben nicht mit dargestellte Kerne aus hochwertigem Magnetwerkstoff mit rechteckförmigen Magnetisierungsschleifen und eine oder mehrere Steuerwicklungen 6. Parallel zu den Ventilen 4 und 5 ist gemäß der Erfindung je ein spannungsabhängiger Widerstand 7 bzw. 8 geschaltet.

In Fig. 2 stellt J die Magnetisierungskennlinie der Drosseln 2 und 3, aufgetragen von links nach re°@,tsj die Kurve a die Rückstromkennlinie der Ventile und 5 und die Kurve b die Stromspannungskennlinie der spannungsabhängigen Widerstände 7 und 8 vom Werte der iNetzspannung, z. B. 380 V, nach links aufgetragen, dar. Als spannungsabhängige Widerstände sind beispielsweise Varistoren aus Siliziumkarbid an-

genommen. Die gestrichelte Kurve a+b ist die Sa-

menkurve für a und b. Ihr Schnittpunkt mit de,

Kurve T gibt die Spannungsaufteilung der Gesaz:@

spannung auf Drossel 3 und Ventil 5 beim Einschalten

an, wenn die Polarität der Wechselspannung so ge-;

richtet war, daß das Ventil 4 in Durchlaßrichtung;,

liegt, die Drossel t aber so vormagnetisiert ist, daß

sie die volle Netzspannung übernimmt. UD, , ist dann ''

die Spannung an der Drossel 3, U" die Spannung U

am Ventil s. Liegt sie unterhalb der dargestellten

Durchschlagspannung Up der Ventile, so sind ",,l ese

auf jeden Fall gegen Durchschlag geschützt. Des ##'#WeT,

teren ist bei der ebenfalls eingezeichneten Daher4

betriebs-Sperrspannung US der Ventile der @trQn

nach der Kennlinie b noch so gering, daß eine Ver-

schlechterung der Steuerkennlinie des Magnetverstär-

kers nicht hervorgerufen wird. Man wird also dafür

Sorge tragen, daß die Spannung an den spannungs-

abhängigen Widerständen 7 und 8, die bei einem

Strom vorliegt, welcher mindestens gleich dem

Strom J beim Einschalten des Magnetverstärkers im

ungünstigsten Fall ist, kleiner ist als die Durchschlag-

spannung des jeweils parallel geschalteten Ventils 4

bzw. 5.

Es kann nach einem weiteren Merkmal der 'e'n-

dung vorteilhaft sein, zusätzlich Sicherheitsmaßnah-

men vorzusehen, durch die ein Einschalten des Magnet-

verstärkerarbeitsstromes bei einem Magnetisierungs-

zustand der Drosselspulen mit zur Arbeitsdurch-

flutung entgegengesetzter Richtung verhindert wird,

Dadurch wird man bei der Dimensionierung der gP@,an-

nungsabhängigen Widerstände von deren Eigenschaften

und Kenngrößen unabhängiger; es wird insbesondere

ermöglicht, die spannungsabhängigen Widerstände

kleiner zu dimensionieren, da infolge der Sicherheits-

maßnahmen der in einer Drosselspule beim ungünst3K'7

sten Magnetisierungszustand mögliche höchste Mag'n,'

tisierungsstrom J geringer wird. Die Sicherheitsma.ßi#

nahmen lassen sich auf verschiedene Weise verwirk-'

liehen. Man wird sie außerdem dem Anwendüngs-

zweck des betreffenden Magnetverstärkers und der

jeweiligen Schaltung anpassen. Beispielsweise können

an sich bekannte Verriegelungsschaltungen angewen-

det werden. Man wird eine solche Schaltung so aus-

führen, daß das Einschalten eines Magnetverstärker-

arbeitsstromes erst dann ermöglicht wird oder auch'

bei selbsttätiger Steuerung erst dann erfolgen kann;

wenn vorher in den Drosseln ein bestimmter Magneti-

sierungsstrom zum Erzeugen eines der Arbeitsdtt"tT,eh-''

flutung gleichgerichteten Magnetisierungszuständes

eingeschaltet worden ist. Die Schaltung kann beispielsweise so arbeiten, daß durch das Einschaltkommando des Magnetverstärkers zunächst nur der genannte Magnetisierungsstrom eingeschaltet wird und daß, etwa durch ein Zeitrelais im Stromkreis dieses Stromes, alsdann selbsttätig der Magnetverstärkerarbeitsstrom eingeschaltet wird. Im Falle von Magnetverstärkern, die an einen praktisch kurzgeschlossenen Lastkreis angeschaltet werden müssen, wie z. B. im Falle eines stillstehenden Drehstrommotors mit Kurzschlußläufer, kann es vorteilhaft sein, durch Sicherheitsmaßnahmen, z. B. ebenfalls durch eine Verriegelungsschaltung oder eine bestimmte Bemessung der Steuer- und Vormagnetisierungskreise der Magnetverstärker, dafür zu sorgen, daß keine Drosseldurchflutung vorhanden sein kann, die wesentlich größer ist, als dem normalen Magnetisierungsstrom der Drosselspulen bei voller Wechselspannung entspricht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. :Magnetverstärker mit innerer Selbstsättigung in Wechselstromschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die an den Ventilen nur eine Sperrspannung in wenigstens annähernd der Höhe des im Dauerbetriebszustand möglichen Wertes zulassen, und daß die Ventile nur für diese Sperrspannung bemessen sind.
2. Magnetverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Ventilen spannungsabhängige Widerstände parallel geschaltet sind, die bis zu der im Dauerbetriebszustand des Magnetverstärkers an den Ventilen möglichen Sperrspannung einen unschädlich geringen, darüber jedoch einen merklichen Nebenschluß bilden.
3. Magnetverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Widerstände Varistoren sind und z. B. aus Siliziumkarbid bestehen.
4. Magnetverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Widerstände aus Trockengleichrichtern, insbesondere aus Einkristallflächengleichrichtern, bestehen, die den Ventilen mit gleicher Durchlaßrichtung unter Ausnutzung des Zenereffektes parallel geschaltet sind.
5. Magnetverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stromspannungskennlinie der Ventile und die ihrer parallel geschalteten spannungsabhängigen Widerstände bei einer Spannung schneiden, die oberhalb der Dauerbetriebs-Sperrspannung der Ventile und zugleich unterhalb der Stoßdurchschlagspannung der Ventile liegt.
6. Magnetverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an den spannungsabhängigen Widerständen, die bei einem Strom vorliegt, der mindestens gleich dem Drosselstrom beim Einschalten im ungünstigsten Fall ist, kleiner ist als die Durchschlagspannung der parallel geschalteten Ventile.
7. Magnetverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise eine Verriegelungsschaltung, vorgesehen sind zum Verhindern des Einschaltens des Magnetverstärkerarbeitsstromes bei einer Vormagnetisierung oder einer Remanenz der Drosselspulen mit zur Arbeitsdurchflutung entgegengesetzter Richtung. B. Magnetverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise eine Verriegelungsschaltung, vorgesehen sind zum Verhindern des Einschaltens des Magnetverstärkerarbeitsstromes bei praktisch kurzgeschlossenem Belastungskreis und gleichzeitig einer Drosseldurchflutung, die wesentlich größer ist, als dem normalen Magnetisierungsstrom bei voller Wechselspannung entspricht.