DE1029448B

DE1029448B - Anordnung zur Erzeugung einer stromschwachen Pause waehrend des Abschaltvorganges

Info

Publication number: DE1029448B
Application number: DEK22372A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Fritz Kesselring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-03-25
Filing date: 1954-05-28
Publication date: 1958-05-08

Description

strom) überlagerte resultierende Impulsstrom während 30 günstigeren Ausschaltbedingungen führt. Es ist beson

der Dauer der zu erzeugenden stromschwachen Stufe praktisch entgegengesetzt gleiche Steilheit aufweist wie der Netzstrom. Mit einer solchen Anordnung ist es insbesondere auch bei hohen Spannungen möglich, auf wirtschaftliche Weise eine lichtbogenfreie
herbeizuführen.

Um die erfindungsmäßige Vorschrift zu erfüllen, ist es notwendig, daß sich der Impulsstrom in seinem zeitlichen Verlauf mindestens während einer vorgegebenen Zeit, der

ders zweckmäßig, zwei Halbwellen oder eine volle Periode des Impulsstromes dem abzuschaltenden Strom zu überlagern, und zwar derart, daß eine Halbwelle vor und eine nach dem Nulldurchgang liegt. Es kann aber auch zweck-Unterbrechung 35 mäßig sein, nur eine Halbwelle zu verwenden, wobei diese vor oder nach dem Nulldurchgang liegen kann. An Stelle sinusförmiger Impulse können auch anders geformte Impulse zur Anwendung gelangen, beispielsweise Impulse, die nach einem Exponentialgesetz verlaufen. Um eine

sogenannten Stufenzeit Δ t, dem abzuschaltenden Strom 40 möglichst genaue Anpassung des Impulsstromes an den anpaßt, wobei die Stromrichtungen über den Schalter ent- Verlauf des Abschaltstromes zu erzielen, kann auch ein gegengesetztes Vorzeichen aufweisen müssen. Da ein mehrwelliger Impulsstrom verwendet werden, wobei

Amplitude und Frequenz der Oberwellen z. B. entsprechend der Fourierentwicklung des zeitlichen Verlaufes des

Wechselstrom oder auch der Kommutierungsstrom eines Gleichrichters in der Umgebung des Nulldurchganges

meist angenähert geradlinig und mit einer bestimmten 45 abzuschaltenden Stromes zu bestimmen sind.
Steilheit verläuft, genügt es für viele Fälle, wenn vorge- Soll der Strom während der Stufe auch bei großem schrieben wird, daß die Stromsteilheit des Impulsstromes Nennstrom bis zu mehreren 1000 A beispielsweise kleiner derjenigen des abzuschaltenden Stromes im Augenblick als 1 A sein, so ist es im allgemeinen notwendig, noch zudes Nulldurchganges entspricht. Diese einfache Methode sätzliche Hilfsmittel vorzusehen. Beispielsweise kann ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nur kurze Stufen- 50 man in Reihe mit dem Schalter ein Ventil, insbesondere längen von Bruchteilen einer Millisekunde verlangt einen für den Nennstrom bemessenen Trockengleichwerden. Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, die richter oder auch eine kleine Schaltdrossel vorsehen, Steilheit des Impulsstromes etwas größer als diejenige des wobei durch geeignete Bemessung des Impulskreises abzuschaltenden Stromes zu machen. Auf diese Weise dafür zu sorgen ist, daß am Ventil bzw. an der Schalt-

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ganz bestimmten Zeitpunkt τ vor dem Stromnulldurchgang werden diese beiden Spannungsabfälle einander gleich. Unmittelbar darauf aber überwiegt der Spannungsabfall an der Induktivität 14; das Gitter der Triode 9 5 wird positiv, wodurch das Rohr zündet und sich der Kondensator 7 über die Induktivität 8 und die Schaltbrücke 6 entlädt. Erfindungsgemäß ist nun die Amplitude und Frequenz des Impulskreises so gewählt, daß sich der Impulsstrom I_f dem zu unterbrechenden Strom I in der

sammenfällt. Durch Subtraktion des Stromes I₁ von I erhält man den resultierenden Strom I_r, der eine stromschwache Stufe während der Zeit Δ t sa r/2 aufweist.

In Fig. 2 ist angenommen, daß der Impulsstrom I₁ während zwei Halbwellen fließt. Es ergibt sich damit eine stromlose Pause, die ungefähr gleich τ ist. Wird der Impulsstrom etwas größer gemacht als I₁ (gestrichelter Verlauf Ii), so ergibt sich eine Stufenzeit Δ t', wobei der

g g gg g

pulsstromes I₁- und eines passend gewählten, exponentiell abklingenden Impulsstromes I_e: Durch Übereinanderlagerung dieser beiden Impulse gelingt es, den Stufenstrom I₁.' l ri

drossel nur eine relativ zur Amplitude der Netzspannung kleine Spannung liegt; insbesondere sollte diese Spannung Werte von etwa 50 V nicht überschreiten.

in den Fig. 1 bis 4 sind einige Impulsformen dargestellt, während Fig. 5 die Anwendung der Erfindung auf einen Wechselstromschalter und Fig. 6 bis 8 auf Gleichrichter zeigen.

In den Fig. 1 bis 4 bedeutet I den abzuschaltenden
Strom, der mit einer besimmten Steilheit durch den
Stromnulldurchgang O geht. I₁ ist der Impulsstrom io Nähe des Stromnulldurchganges anpaßt. Da einerseits und J₇. der resultierende, über den Schalter fließende die Zündzeit τ entsprechend der Formel τ = λ/r nur von Strom. dem Verhältnis Xjr abhängt und daher beliebig wählbar

In Fig. 1 setzt der sinusförmige Impulsstrom I₁ im ist, kann die Zündung unabhängig von der Größe des Punkt P, der um die Zeit τ vor dem Stromnulkhirch- Netzstromes I immer zu einem festen vorgegebenen Zeitgang O liegt, ein; er ist so geformt, daß seine Tangente 15 punkt relativ zum Stromnulldurchgang erfolgen (vgl. hierim Stromnulldurchgang O mit dem Verlauf von 7 zu- zu die schweizerische Patentschrift 229 046). Während

S der so erzeugten stromschwachen Pause wird nun der

Schalter 3 geöffnet, was praktisch strom- und spannungslos erfolgt. Im Augenblick, da der Impulsstrom I₁ durch 20 Null geht, löscht die Triode 9, der Impulskreis ist unterbrochen, und die Abschaltung ist damit vollzogen (s. Fig. 1). Bei der geschilderten Anordnung kommt also nur die eine vor dem Stromnulldurchgang liegende Halb ) welle des Impulsstromes zur Wirkung. Will man auch Stufenstrom 'die drei Nulldurchgänge A, 0, B aufweist. 25 noch die zweite Halbwelle ausnutzen und damit eine Fig. 3 zeigt die Überlagerung eines sinusförmigen Im- doppelte Stufendauer erreichen (vgl. Fig. 2), so müssen

entweder zwei Trioden in Gegentaktschaltung verwendet werden, wobei die erste in der beschriebenen Weise wirkt,

g während die zweite, deren Gitter gleichermaßen positiv

sehr niedrig zu halten, was insbesondere für Gleichrichter 30 gemacht wurde, nun die entgegengesetzt gerichtete Imvon großer Bedeutung sein kann. pulshalbwelle durchläßt. Nach vollzogener Abschaltung

Fig. 4 zeigt noch die Übereinanderlagerung von zwei des Hauptstromes müssen die Gitter dann wieder in an sinusförmig verlaufenden Stufenströmen I_n und I_i2 ent- sich bekannter Weise an einer entsprechend hohen negasprechend einer Fourierentwicklung des Stromverlaufes tiven Vorspannung liegen. Man kann jedoch auch die von I. Auch hierdurch gelingt es, den Stufenstrom I_r ent- 35 Trioden durch einen geeignet gesteuerten Schalter, z. B. sprechend herabzusetzen. Durch Hinzufügen weiterer einen Vakuumschalter, ersetzen, mit dessen Hilfe der Oberwellen kann der Stufenstrom I/ über eine vorge- Impulsstrom ein- und ausgeschaltet wird,
gebene Zeit auf einen beliebig kleinen Wert gebracht In Fig. 6, die im wesentlichen mit Fig. 5 übereinstimmt,

werden. wobei die gleichen Elemente mit den entsprechenden

In Fig. S bedeutet 1 eine Wechselstromquelle, die auf 40 Zahlen bezeichnet sind, ist in Reihe mit dem Schalter 3 eine beliebige Belastung 2 arbeitet; 3 ist ein Schalter mit noch ein Ventil 21 angeordnet. Unter der Einwirkung des den feststehenden Kontakten 4, 5 und der Schaltbrücke 6. Impulsstromes geht der resultierende Strom I₁. vor dem 7 ist der Kondensator, 8 die Induktivität des Impuls- Gesamtstrom J durch Null (vgl. z. B. den gestrichelten kreises, 9 eine Triode mit den Elektroden 10,11 und dem Stromverlauf I_r' in Fig. 2). Im Punkt A (Fig. 2) beginnt Gitter 12. 13 ist ein kleiner Shunt mit dem Widerstands- 45 das Ventil 21 zu sperren, und es kann sich nun die Schaltwert r, 14 eine Induktivität von der Größe λ, die, unter brücke 6 praktisch stromlos und bei geringer Spannung Umständen über einen Widerstand 15, parallel zum Kon- von den Kontakten 4 und 5 trennen,
densator 7 liegt. Parallel zu dem Shunt 13 und der Fig. 7 entspricht im wesentlichen Fig. 6. Es ist lediglich

Induktivität 14 liegt die Primärspule 16 eines Spanmings- an Stelle des Stromventils eine Schaltdrossel 22, bestehend wandlers 17, dessen Sekundärspule 18 über die Batterie 19 50 aus dem Eisenkern 23, der Hauptstromwicklung 24 und und den Gitterwiderstand 20 mit dem Gitter 12 bzw. einer allfälligen Vormagnetisierungswicklung 25, getreten, direkt mit der Elektrode 10 der Triode 9 verbunden ist. Nl

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Fließt ein Wechselstrom von der Wechselstromquelle 1 über den Schalter 3 und die Belastung 2, so liegt an dem Konden- 55 sator 7 der induktive Spannungsabfall der Induktivität 14. Da die Stromänderungsgeschwindigkeit j proportional dem Höchstwert von / ist, so wird der Kondensator auf eine

um so höhere Spannung aufgeladen, je größer der Strom I g p

ist; insbesondere ist seine Spannung proportional /, also: 60 1000 μΡ, aufweist und nur auf mäßige Spannung, bei- U_c = k i. Die Anordnung ist nun so getroffen, daß bei spielsweise 50 V, aufgeladen wird, wobei selbstverständansteigendem Strom die Summe der Spannungsabfälle am lieh durch entsprechend kleine Induktivität 8 dafür zu Widerstand 13 und der Induktivität 14 zusammen mit sorgen ist, daß der Impulsstrom ausreichend groß wird der Spannung der Batterie 19 eine negative Vorspannung und die Impulsfrequenz den gewünschten Wert aufweist, am Gitter 12 der Triode 9 hervorruft. Beginnt nun der 65 Auch bei den Anordnungen nach Fig. 6 und 7, die insbe-Strom I zu fallen und sich seinem Nulldurchgang zu sondere für mechanische und elektromagnetische Gleichnähern, so kehrt sich zunächst das Vorzeichen des Span- richter von Bedeutung sind, braucht der Impulskreis nungsabfalls an der Induktivität 14 um. Gleichzeitig nicht als Schwingungskreis ausgeführt zu sein; man kann nimmt unter Beibehaltung der gleichen Richtung jedoch beispielsweise auch einen aus Kapazität und Widerstand der Spannungsabfall am Widerstand 13 ab. Zu einem 70 bestehenden Impulskreis verwenden.

g ggg , g

Im Augenblick, da der resultierende Strom /,, gegen Null geht, wird die Schaltdrossel 22 ummagnetisiert und sperrt während dieser Zeit den Strom über den Schalter 3.

Damit sowohl das Ventil 21 in Fig. 6 als auch die Schaltdrossel in Fig. 7 kleine Abmessungen erhalten, ist dafür zu sorgen, daß die daran liegende Spannung mögliehst niedrig ist. Dies kann dadurch erzielt werden, daß der Kondensator 7 eine relativ große Kapazität, z.B. d S

In Fig. 8 bedeutet 30 einen Dreiphasentransformator mit den in Dreieck geschalteten Primärwicklungen 31 und den in Stern geschalteten Sekundärwicklungen 32,32', 32". 33 ist die Belastung. Nachfolgend wird nur noch die zur Transformatorwicklung 32 gehörende Phase erläutert, da die Schaltungen in den beiden anderen Phasen identisch sind. 34 ist eine kleine Schaltdrossel mit dem Eisenkern 35, dem Luftspalt 36 und der Wicklung 37. 38 und 39 sind Ventile; 40 ist ein Widerstand mit dem verschiebbaren Abnahmekontakt 41. 42 ist eine Luftdrosselspule mit den Anzapfungen a, b und c. 43 und 44 sind Kondensatoren, 45 ist eine weitere Luftdrosselspule mit den Anzapfungen it, ν und w. 46 ist eine Triode mit den Elektroden 47, 48 und dem Gitter 49. 50 ist ein schneller elektromagnetischer Schalter mit den feststehenden Kontakten 51, 52 und der Schaltbrücke 53, die von der Feder 54 gehalten wird. 55 ist eine Hauptstromeinschaltwicklung, 56 eine Zusatzeinschalt wicklung, 57 eine Ausschaltwicklung, 58 ein Ventil, 59 ein Widerstand, 60 ein Spannungswandler mit der Primärwicklung 61 und der Sekundärwicklung 62; 63 ist eine Batterie und 64 ein hochohmiger Widerstand.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: In dem Augenblick, da die Spannung der Transformatorwicklung 32 gegenüber dem Punkt O positiv wird, beginnt ein 'Strom von der Wicklung 32 über das Ventil 38, die Zusatzeinschaltwicklung 56, den Punkt O und die Belastung 33 zu fließen. Hierdurch wird die Schaltbrücke 53 angezogen, und die Kontakte 51 und 52 werden miteinander verbunden. Bis zu diesem Zeitpunkt floß auch noch ein kleiner Strom von der Transformatorwicklung 32 über die Wicklung 37 der Schaltdrossel 34, den Widerstand 40, die Induktivität 42, die Hauptstromeinschaltwicklung 55 und das Ventil 58 zum Punkt 0. Da jedoch die Drossel 34 ummagnetisiert werden muß, ist dieser Strom nur sehr klein. Vom Augenblick an, da der Schalter 50 geschlossen ist, liegt an der Drossel 34 die volle Kommutierungsspannung, so daß sie schnell ummagnetisiert wird. Der Strom steigt an, und der Kontaktdruck erhöht sich unter dem Einfluß der vom Hauptstrom durchflossenen Wicklung 55. Die Ausschaltwicklung 57 ist infolge der Sperrwirkung des Ventils 39 noch stromlos.

Fällt nun der Strom ab und nähert sich seinem Nulldurchgang, so wird in gleicher Weise, wie dies an Hand von Fig. 5 beschrieben wurde, das Gitter 49 der Triode 46 zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt vor dem Stromnulldurchgang positiv, und die Röhre zündet. Damit entladen sich nun die Kondensatoren 43 und 44 über die ganze bzw. den Teil v-w der Induktivität 45, die Schaltbrücke 53 und die Hauptstromeinschaltwicklung 55, wodurch dem über den Schalter fließenden Strom eine stromschwache Stufe aufgedrückt wird. Wählt man die Kapazitäten 43 und 44 nebst den zugehörigen Induktivitäten und Spannungen an der Drossel 42 entsprechend den Anzapfungen a-c bzw. b-c richtig, so überlagern sich die beiden Schwingungen derart, daß der Stufenstrom sehr klein wird. Will man eine noch bessere Anpassung erzielen, so könnten entweder weitere Kondensatoren an passende Teilspannungen der Drossel 42 angeschlossen werden, oder es könnte eine der Schaltungen nach den Fig. 6 und 7 zur Anwendung gelangen. Es ist leicht einzusehen, daß man ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand den Stufenstrom beliebig klein machen kann. Im Moment, da der Hauptstrom in der Wicklung 55 in den Stufenstrom übergeht, hört die anziehende Wirkung dieser Wicklung praktisch auf, und die Schaltbrücke 53 bewegt sich zunächst unter dem Einfluß der Feder 54 in der Ausschaltrichtung. Kurz hinterher wird die Schaltdrossel 34 in der umgekehrten Richtung ummagnetisiert; es entsteht nun an der Ausschaltwicklung 57 eine Spannung, die anschließend in die Sperrspannung übergeht. Durch Erregen der Wicklung 57 wird die Schaltbrücke 53 in dem Maße, wie die Sperrspannung ansteigt, von den feststehenden Kontakten 51, 52 entfernt. Im Augenblick, da der Hauptstrom durch Null geht, sperrt das Ventil 58, und die Abschaltung der Transformatorphase 32 ist vollzogen.

Der große Vorteil der geschilderten Anordnung besteht darin, daß ihre Wirkungsweise vollkommen unabhängig von der treibenden Spannung sowie der Art und Größe der Belastung ist. Insbesondere werden zur Steuerung oder Vormagnetisierung keine Spannungen benötigt, die in irgendeiner Weise von den Nachbarphasen (32' und 32") abgeleitet sind. Bekanntlich trifft dies bei vormagnetisierten Schaltdrosselspulen, wie sie für Kontaktumformer verwendet werden, nicht zu. Dies hat dann zur Folge, daß Spannungsunsymmetrien u. dgl. die Vormagnetisierung stören, womit das Arbeiten des Gleichrichters gefährdet ist.

Ein weiterer großer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die erforderlichen Kondensatoren und Luftdrosselspulen nur einen Bruchteil einer für die volle Spannung bemessenen Schaltdrossel kosten.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung einer stromschwachen Stufe während des Abschaltvorganges bei Schalteinrichtungen mit wechselnder Stromrichtung mit einem zur Unterbrechungsstelle parallel liegenden Impulsstromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstromkreis derart ausgebildet ist, daß der dem zu unterbrechenden Strom (Netzstrom) überlagerte resultierende Impulsstrom während der Dauer der zu erzeugenden stromschwachen Stufe praktisch entgegengesetzt gleiche Steilheit aufweist wie der Netzstrom.

2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß Impulsstrom und Netzstrom im Nulldurchgang die gleiche Steilheit aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Netzstrom gleichzeitig mindestens zwei Impulsströme überlagert werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Netzstrom ein sinusförmiger Impulsstrom und mindestens noch ein zweiter sinusförmiger Impulsstrom höherer Frequenz überlagert werden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der eine Impulsstrom gedämpft ist.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Netzstrom ein sinusförmiger und ein nach einer Exponentialfunktion verlaufender Impulsstrom überlagert werden.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstrom im Nulldurchgang des Netzstromes aufhört.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstrom frühestens im Nulldurchgang des Netzstromes beginnt.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstrom einen bezüglich des Nulldurchganges des Netzstromes zentralsymmetrischen Verlauf hat.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstrom unabhängig von der Größe des Netzstromes immer im gleichen Zeitpunkt in bezug auf den Nulldurchgang des Netzstromes einsetzt.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Unterbrechungsstelle stromsperrende, für den vollen Netzstrom bemessene, jedoch nur vom Spannungsabfall am Impulsstromkreis beanspruchte Mittel angeordnet sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als stromsperrendes Mittel ein Ventil verwendet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als stromsperrendes Mittel eine Schaltdrossel verwendet ist.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstrom einen derartigen Verlauf aufweist, daß der resultierende Strom vor dem Nulldurchgang des Netzstromes durch Null geht und der Spannungsabfall im Impulsstromkreis in der Sperrrichtung des Ventils wirkt.

15. Anordnung nach den Ansprüchen 8 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall im Impulsstromkreis mindestens während der Kontakttrennung in der Sperrichtung des Ventils wirkt.

16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstrom einen derartigen Verlauf aufweist, daß die in Reihe mit der Unterbrechungsstelle liegende Schaltdrossel mindestens teilweise ummagnetisiert wird.

17. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schalter das Auslösekommando gleichzeitig mit dem Einsetzen des Impulsstromes gegeben wird.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenzeit des Schalters derart gewählt wird, daß die galvanische Kontakttrennung in den Bereich des kleinsten Stufenstromes fällt.

19. Anordnung nach Anspruch 1 für elektromagnetisch betätigte Schalter mit vom Netzstrom gespeister, in Reihe mit der Unterbrechungsstelle liegender Einschaltwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltwicklung auch vom Impulsstrom durchflossen

ίο ist.

20. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen und zum Sperren des Impulsstromkreises mindestens ein steuerbares Stromventil verwendet ist.

21. Anordnung nach den Ansprüchen 9 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei im Gegentakt arbeitende steuerbare Stromventile verwendet sind.

22. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen und zum Sperren des ■ Impulsstromkreises eine Funkenstrecke mit Zündelektrode dient.

23. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen und zum Sperren des Impulsstromkreises ein Vakuumschalter verwendet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 260 903,269 254,274 77I₁ 712 498, 742 715, 822 128, 863 960.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen