DE1147678B

DE1147678B - Einrichtung zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen zwei Gleichstromkreisen

Info

Publication number: DE1147678B
Application number: DEL40847A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Floris Koppelmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-01-04
Filing date: 1962-01-04
Publication date: 1963-04-25

Description

Einrichtung zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen zwei Gleichstromkreisen In manchen praktischen Fällen besteht das Bedürfnis, zwischen zwei Gleichspannungskreisen wechselseitig Energie auszutauschen, und zwar bei beliebiger gegenseitiger Größe und Richtung der beiden Gleichspannungen. Es kann ein solcher Energieaustausch auch zwischen Wechselstrom- oder Drehstromnetzen erfolgen, die durch einen zwischengeschalteten Gleichstromkreis miteinander gekuppelt werden.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen zwei Gleichstromkreisen in beliebiger Größe und Richtung über eine Drossel als Speicher. Erfindungsgemäß ist in jedem Gleichstromkreis an jeder Polarität seiner Gleichstromquelle eine Antiparallelschaltung aus einem gesteuerten und einem ungesteuerten Halbleiterelement vorgesehen, wobei die an gleicher Polarität liegenden Antiparallelschaltungen die zwei Stromkreise hinsichtlich der Durchlaßrichtung gleichartig sind.
Die Gleichspannungen können im allgemeinsten Fall beliebige Größe und Richtung haben, und zwar wird der Leistungsfluß gesteuert durch Halbleiterdioden und gesteuerte Halbleitertrioden, insbesondere solche Halbleitertrioden, welche in an sich bekannter Weise durch negative Kondensatorstromstöße zu einem vorgebbaren Zeitpunkt gelöscht werden können. Dieses Löschverfahren entspricht dem bekannten Löschverfahren bei Quecksilbergleichrichtern oder Thyratronen. In dem gewünschten Löschzeitpunkt wird ein vorher geladener Kondensator über eine Halbleitertriode derart entladen, daß der Strom durch die zu löschende Halbleitertriode während einer bestimmten Zeitspanne Null ist, wobei diese Zeitspanne mindestens so groß ist wie die Freiwerdezeit der Triode, so daß letztere nach dem Abklingen des Kondensatorstromstoßes ihre Sperrfähigkeit wiedererlangt hat.
In den Fig. 1 bis 4 ist ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung mit insgesamt acht Halbleiterzellen dargestellt. In diesen Figuren werden vier verschiedene Betriebsfälle erläutert. Durch einen Pfeil ist die Richtung des Energieflusses angedeutet. Mit 1, 4, 6 und 8 sind dabei durch Kondensatorstoß oder ein entsprechendes anderes Verfahren löschbare gesteuerte Halbleitertrioden bezeichnet, in der Zeichnung angedeutet durch zwei Steuergitter. 2, 3, 5 und 7 stellen einfache Halbleiterdioden dar.
Nach Fig.l wird zunächst Energie von der größeren Batterie 10 an die kleinere Batterie 11 auf regelbare oder steuerbare Weise abgegeben. Dazu wird 1 periodisch geöffnet und geschlossen. 4, 6 und 8 sind ständig gesperrt. Die Diode 3 arbeitet als Frei-Laufdiode, d. h., sie übernimmt den Drosselstrom während der Sperrzeit von 1. Durch Beaufschlagung der Zünd- und Löschgitter der Halbleitertriode 1 kann der Strom und damit die Stärke der Energieübertragung den Anforderungen der praktischen Verwendungen entsprechend gesteuert oder geregelt werden.
In Fig.2 ist der Betrieb mit entgegengesetztem Energiefiuß angedeutet. Hier ist die Halbleitertriode 8 ständig leitend, der Energiefluß wird durch öffnen und Schließen der Halbleitertriode 4 gesteuert. Bei offener Halbleitertriode 4 fließt der Drosselstrom durch die Diode 2. Die Halbleitertriode 6 ist ständig gesperrt. Die Größe der Batterien 14 und 15 verhält sich wie in Fig. 1.
Entsprechend Fig.3 ist angenommen, daß die größere Spannung die Gleichspannungsquelle 13 auf der rechten Seite der Drossel hat und daß trotzdem Energie von links aus der Gleichspannungsquelle 12 nach rechts übertragen werden soll. Zu dem Zweck wird die Halbleitertriode 1 ständig leitend gehalten. Die Steuerung des Energieflusses erfolgt mit der löschbaren Halbleitertriode 6. Ist diese geöffnet, fließt der Drosselstrom durch die Diode 7. Die Halbleitertrioden 4 und 8 werden ständig gesperrt gehalten: Nach Fig. 4 wird Energie aus der rechten, größeren Spannungsquelle 17 in die linke, kleinere Spannungsquelle 16 übertragen. Zu dem Zweck wird 8 periodisch geöffnet und geschlossen. Der Strom fließt bei gesperrter Halbleitertriode 8 durch die Freilaufdiode 5. Die Halbleitertrioden 1, 4 und 6 sind ständig gesperrt.
Durch Beaufschlagung der Gitter der vier löschbaren Halbleitertrioden ist es möglich, bei beliebiger Größe der beiden Spannungsquellen einen Energieaustausch beliebiger Stärke und Richtung zu steuern oder zu regeln. Für die praktischen Fälle, bei denen auch die Polarität der beiden Spannungsquellen sich noch umkehren kann, müssen die vier Dioden 2, 3, 5 und 7 durch vier steuerbare Halbleitertrioden ersetzt werden, so daß bei der dargestellten Anordnung insgesamt acht löschbare Halbleitertrioden erforderlich sind. Die Anforderungen an die Steuerung dieser Gleichrichter können durch die heute bekannten logischen Steuerschaltungen erfüllt werden. Dabei wird man diese Steuerschaltungen je nach dem Verwendungszweck der Energieübertragungseinrichtung mit Sollwerten von Strömen, Spannungen, Drehzahlen bei elektrischen Maschinen usw. beaufschlagen. Weiterhin ist es möglich, wenn sämtliche Halbleiterzellen löschbar sind, in die logische Steuerung auch Schutzfunktionen einzubauen, derart, daß in Kurzschlußfällen oder beim Versagen eines der Halbleiterelemente die übrigen selbsttätig gesperrt werden. Die Anwendung der an sich bekannten, für das Arbeiten der Halbleitertrioden vorgesehenen, nicht näher dargestellten Löschschaltung stellt im Zusammenhang mit der offenbarten Einrichtung einen Teil der Erfindung dar.
Die heute zur Verfügung stehenden steuerbaren Siliziumzellen haben so kleine Spannungsabfälle in Durchlaßrichtung und so große Sperrspannung in beiden Richtungen, daß der Aufbau einer wirtschaftlichen Anordnung nach der Erfindung möglich ist. Diese Gleichrichterelemente sind außerdem räumlich so klein und so anspruchslos in ihrem Betrieb, daß sie weit größere Anwendungsgebiete erschließen, als es bislang den Vakuum- oder Gasentladungsdioden oder -trioden, beispielsweise mit Quecksilbergleichrichtern oder Thyratronen, vorbehalten war. Mit zur Verfügung stehenden Transistoren läßt sich die Erfindung auf dem Starkstromgebiet praktisch nicht verwirklichen. Möglich ist es, durch Reihen- und Parallelschaltung gesteuerter Siliziumzellen ohne besondere Schwierigkeiten das Gebiet der mittleren Leistungen von 100 bis 1000 kW zu erschließen, beispielsweise für regelbare Gleichstromantriebe aller Art einschließlich Nutzbremsung und Drehrichtungsumkehr.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen zwei Gleichstromkreisen in beliebiger Größe und Richtung mit einer Drossel als Energiespeicher in einer der zwei Verbindungen der beiden Gleichstromkreise, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Gleichstromkreis an jeder Polarität seiner Gleichstromquelle eine Antiparallelschaltung aus einem gesteuerten und einem ungesteuerten Halbleiterelement vorgesehen ist und die an gleicher Polarität liegenden Antiparallelschaltungen der zwei Stromkreise hinsichtlich der Durchlaßrichtung gleichartig sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitertrioden in an sich bekannter Weise durch Kondensatorstromstöße gelöscht werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Schalten der Halbleitertrioden logische Steuerschaltungen vorgesehen sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3; dadurch gekennzeichnet, daß die logischen Steuerungen in Fehlerfällen Schutzmaßnahmen auslösen.
5. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Energietransport aus der Batterie (10) in die Batterie (11) bei ständig gesperrten Halbleitertrioden (4, 6 und 8) die Halbleitertriode (1) periodisch geöffnet und geschlossen wird, wobei die Diode (3) Drosselstrom während der Sperrzeit übernimmt.
6. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Energietransport aus der Batterie (15) in die Batterie (14) bei ständig leitender Halbleitertriode (8) und gesperrten Halbleitertrioden (6 und 1) der Energiefluß durch Öffnen und Schließen der Halbleitertriode (4) gesteuert wird, wobei während der Sperrzeit der Drosselstrom durch die Diode (2) fließt.
7. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Energietransport aus der Batterie (13) in die Batterie (12) bei ständig leitender Halbleitertriode (1) und gesperrten Halbleitertrioden (4 und 8) die Steuerung bzw. Regelung des Energieflusses durch die löschbare Halbleitertriode (6) erfolgt, wobei während der Sperrzeit der Drosselstrom durch die Diode (7) fließt. B. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Energietransport aus der Batterie (17) in die Batterie (16) bei ständig gesperrten Halbleitertrioden (1, 4 und 6) die Halbleitertriode (8) geöffnet und geschlossen wird, wobei während der Sperrzeit der Drosselstrom durch die Diode (5) fließt.