DE1169028B - Schaltung zur Begrenzung der AEnderungs-geschwindigkeit eines von einer Wechselstrom-quelle gelieferten elektrischen Stromes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H02j;

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H02d

Deutsche Kl.: 21d3-2

S 81245 VIIIb/21 d3
1. September 1962
30. April 1964

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit eines von einer Wechselstromquelle gelieferten elektrischen Laststromes unter Verwendung induktiver Widerstandselemente.

In vielen elektrischen Schaltungen, in denen eine Belastung von einer Wechselstromquelle erregt wird, sind Schutzvorrichtungen vorgesehen, um den Wert von plötzlichen Stromzunahmen (inklusive Zunahme vom Werte Null aus), z. B. bei Überlastungen oder Fehlschaltungen, zu begrenzen, um eine Beschädigung der Bestandteile der Schaltung zu vermeiden. Die meisten Schutzvorrichtungen sprechen jedoch nicht augenblicklich an, sondern bedürfen einer kurzen Zeit, um den Strom in der Belastung zu begrenzen oder den Stromkreis zu öffnen. In dieser kurzen Zeit kann aber bereits ein Schaden entstehen.

Ein Versuch zur Lösung des Problems besteht darin, den maximalen Belastungsstrom, der im Stromkreis fließen kann, z. B. durch einen Widerstand zu begrenzen. Um bei Stromänderungen wirksam zu sein, ist aber ein so großer Widerstandswert erforderlich, daß die Arbeit der Schaltung im stationären Zustand stark beeinträchtigt wird durch hohe Spannungs- und Leistungsverluste. Eine andere Lösung sieht die Anordnung einer induktiven Impedanz in Reihe mit der Belastung vor, jedoch ruft auch eine solche Impedanz im stationären Zustand hohe Leistungsverluste, Spannungsabfälle, Gegenspannungen u. dgl. hervor, wenn sie wirksam sein soll, so daß die Wirksamkeit der Schaltung in stationärem Zustand stark vermindert wird.

Es ist auch eine Schaltanordnung zum Schütze elektrischer Stromkreise gegen unerwünschte Stromänderungen bekannt, bei welcher eine Drosselspule verwendet wird, deren Kern eine Magnetisierungskennlinie mit scharfen Sättigungsknicken aufweist und die durch Vormagnetisierung bei normalen Stromwerten gesättigt ist. Für eine solche Schaltungsanordnung wird also eine Drosselspule mit hochwertigem Kernmaterial und einer besonderen Vormagnetisierungswicklung benötigt, die von einer besonderen konstanten Stromquelle gespeist werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit einfachen Mitteln aufzubauen ist und lediglich einfache Drosselspulen mit gewöhnlichem Kernmaterial benötigt, die keine Vormagnetisierungswicklung und keine zusätzliche Stromquelle benötigen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Widerstandselemente überbrückende Gleichrichterelemente derart vorgesehen sind, daß

Schaltung zur Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit eines von einer Wechselstromquelle gelieferten elektrischen Stromes

Anmelder:

The Superior Electric Company, Bristol, Conn.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 4

Als Erfinder benannt:

Allen Ross Perrins, Cheshire, Conn. (V. St. A.)

jedes induktive Widerstandselement nur von einem Strom gleicher Richtung durchflossen wird und die bei Abnahme des Laststromes in jedem induktiven Widerstandselement entstehende Induktionsspannung die zugehörigen Gleichrichteielemente in Durchlaßrichtung beaufschlagt.

Im Laststromkreis können zwei induktive Widerstandselemente mit parallel geschalteten Gleichrichterelementen vorgesehen sein, wobei die Gleichrichterelemente entgegengesetzte Durchlaßrichtung haben. Es kann auch im Laststromkreis eine Zweiweg-Gleichrichterbrücke liegen, deren Gleichstrom-Ausgangsklemmen von einem induktiven Widerstandselement überbrückt sind. Wenigstens einer der die Enden des induktiven Widerstandselementes miteinander verbindenden Brückenzweige kann steuerbare Gleichrichter enthalten. Der Laststromkreis kann über einen Gleichrichter gespeist werden und ein von einem den Laststrom sperrenden Gleichrichter überbrücktes induktives Widerstandselement enthalten. Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird die Änderungsgeschwindigkeit eines Belastungsstromes wirksam verringert, während sie im stationären Zustand nur einen vernachlässigbaren Einfluß hat. Die Schaltung ist mit wenigen, verhältnismäßig billigen und betriebssicheren Schaltelementen herstellbar. Sie weist im stationären Zustand zwischen Stromquelle und Belastung nur eine kleine Impedanz auf, während die Impedanz bei Zunahme des Stromes über einen vorher stationären Wert einen hohen Wert annimmt. Die erfindungsgemäße Schaltung arbeitet so, als ob Schalter vorhanden wären, welche die Induktanz einschalten, wenn der Belastungsstrom über

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den stationären Wert hinaus zunimmt und welche die Induktanz ausschalten und dafür eine kleine ohmsche Impedanz einschalten, wenn der Wert des Belastungsstromes den stationären Wert unterschreitet, wobei bei einer erneuten Zunahme dieses Stromes über den stationären Wert hinaus die Induktanz wieder eingeschaltet wird.

Die Erfindung ist im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Schema einer ersten Schaltung, in welcher Wechselstrom von einer Quelle an eine Belastung geliefert wird,

F i g. 2 das Schema einer zweiten Schaltung, in der ebenfalls Wechselstrom von einer Quelle an eine Belastung geliefert wird,

Fig. 3 das Schema einer dritten Schaltung, in welcher gesteuerte Silikongleichrichter benutzt werden, um den Wert eines Wechselstromes zu steuern und

Fig. 4 das Schema einer vierten Schaltung, in welcher ein einseitig gerichteter, pulsierender Strom die Belastung erregt.

In F i g. 1 ist die eine Ausführungsform der Erfindung darstellende Schaltung als Ganzes mit 10 bezeichnet. Die Schaltung weist ein Eingangsklemmenpaar 11,12 auf. Ein Leiter 13 verbindet die Eingangsklemme 12 mit der Belastung 14. Die Eingangsklemme 11 ist über einen Schalter 15 und eine erste, die Geschwindigkeit der Änderung des Stromes begrenzende Vorrichtung 16 und eine zweite ebenfalls diese Änderungsgeschwindigkeit begrenzende Vorrichtung 17 sowie einen Leiter 18 mit der Belastung 14 verbunden.

Die Eingangsklemmen 11 und 12 der in Fig. 1 gezeigten Schaltung sind mit einer Einphasen-Wechselstromquelle von z.B. 120VoIt und 60 Hz verbunden. Die Belastung ist nur schematisch angedeutet, da die Art derselben für die Schaltung unwesentlich ist, abgesehen davon, daß es notwendig ist. diese Belastung und/oder andere Komponenten der Schaltung von plötzlichen Zunahmen des Stromes zu schützen.

Die Begrenzungs- oder Schutzvorrichtung 16 besteht aus einer Induktanz 19 und einem Gleichrichter 20, der zur Induktanz 19 parallel geschaltet ist. Die Schutzvorrichtung 17 besteht ebenfalls aus einer Induktanz 21 und aus einem zu derselben parallel geschalteten Gleichrichter 22. Vorzugsweise sind die Induktanzen 19 und 21 sowie die Gleichrichter 20 und 22 einander gleich, mit dem Unterschied jedoch, daß der Gleichrichter 20 so geschaltet ist, daß er den Belastungsstrom in Richtung auf die Klemme 12 hin leitet, während der Gleichrichter 22 diesen Strom in Richtung auf die Klemme 11 hin leitet.

Die Arbeitsweise der Begrenzungsvorrichtung 17 von Fig. 1 soll beschrieben werden unter der Annahme, daß der Schalter 15 geschlossen wird, wenn der Wechselstrom an der Klemme 11 am Anfang der Wechselstromperiode positiv wird. Der Belastungsstrom fließt dann durch den Gleichrichter 20, wird durch den Gleichrichter 22 gezwungen, durch die Induktanz 21 zu fließen und gelangt dann über die Belastung 14 zur Klemme 12. Die Induktanz 21 hat eine solche Dimension und einen solchen Gütefaktor »Q«, daß sie im wesentlichen eine induktive Impedanz von hohem Wert darstellt und daher die Zunahme des Belastungsstromes in der Belastungsschaltung entgegenwirkt. Da es sich um eine im wesentlichen induktive Impedanz handelt, entsteht an derselben ein Spannungsabfall, welcher der Geschwindigkeit des durch sie fließenden Stromes entspricht, und dieser Spannungsabfall vermindert die an der Quelle zur Verfügung stehende Spannung an der Belastung und begrenzt infolgedessen den Belastungsstrom. Der Belastungsstrom wird so lange zunehmen, wie die Spannung der Quelle größer ist als der Spannungsabfall an der Belastung; im Augenblick, in dem diese beiden Spannungen einander gleich sind, ist die Gegen-EMK an der Induktanz gleich Null. Wenn der Momentanwert der Spannung der Quelle abnimmt, nimmt der Belastungsstrom ab, und dies verursacht, daß in der Induktanz eine kleine Spannung induziert wird, deren Polarität der Gegen-EMK entgegengesetzt ist und einen Umlaufstrom im Sinne des in der Fig. 1 dargestellten Pfeiles durch den Gleichrichter 22 und die Induktanz 21 erzeugt. Der Wert des Umlaufstromes durch den Gleichrichter 22 wird — unter theoretisch idealen Bedingungen — so lange zunehmen, wie der Belastungsstrom abnimmt, bis der Belastungsstrom Null wird; in diesem Augenblick ist dann der Wert des Umlaufstromes gleich dem Wert

as des Belastungsstromes in dem Augenblick, in welchem der Spannungsabfall an der Belastung der Spannung an der Quelle gleich war.

Während des nächsten Stromimpulses, wenn die Spannung der Quelle an der Klemme 11 positiv ist, wird der Belastungsstrom tatsächlich rückwärts durch den Gleichrichter 22 fließen, bis er den Wert des Umlaufstromes erreicht; aber der Teil des Belastungsstromes, der den Umlaufstrom übersteigt, wird durch den Gleichrichter 22 gesperrt und gezwungen, durch die Induktanz 21 zu fließen. Dadurch wird die Induktanz 21 in den Stromkreis eingeschaltet, bzw. in demselben wirksam, so daß die Geschwindigkeit der Zunahme des Belastungsstromes begrenzt wird, da es sich um eine im wesentlichen induktive Impedanz von relativ hohem Wert handelt. Dieser zweite Impuls wird jedoch in der Induktanz 21 einen höheren Energiezustand bewirken, der seinerseits einen höheren Wert des Umlaufstromes erzeugt, so daß dann ein höherer Teil des Belastungsstromes in Rückwärtsrichtung durch den Gleichrichter fließt.

Nach einer gewissen Anzahl von Impulsen, vorzugsweise zwei oder mehr, je nach dem Wert der Induktanz und deren Verhältnis zu anderen Stromkreisparametern, wird der Umlaufstrom im wesentliehen dem Spitzenwert des stationären Belastungsstromes gleich sein. Die Induktanz ist bestrebt, den totalen Wert des durch sie fließenden Stromes in derselben Richtung konstant zu halten, ob es nun gerade der Belastungsstrom, der Umlaufstrom oder die Summe von beiden Strömen ist. Für Werte des Belastungsstromes, die geringer sind als der Wert des Induktanzstromes, weist die Vorrichtung nur eine im wesentlichen ohmsche Impedanz von kleinem Wert auf, aber wenn der Wert des Belastungsstromes beginnt, den Induktanzstrom zu überschreiten, weist die Vorrichtung in der Schaltung eine im wesentlichen induktive Impedanz auf, aber wenn der Wert des Induktanzstromes auf den gehobenen Pegelwert des Belastungsstromes gehoben ist, hat die Vorrichtung in der Schaltung wiederum nur eine im wesentlichen ohmsche Impedanz von kleinem Wert.

Wenn der Belastungsstrom in der anderen Richtung fließt, also die Klemme 12 positiv ist, findet ein

ähnlicher Vorgang in der Begrenzungsvorrichtung 16 statt, so daß in derselben ein Umlaufstrom in Richtung des betreffenden Pfeiles entsteht.

Es dürfte klar sein, daß, wenn die Klemme 11 positiv ist, der Strom durch den Gleichrichter 20 in jedem Augenblick im wesentlichen gleich sein wird, dem Belastungsstrom zuzüglich dem Umlaufstrom der Vorrichtung 16, während der Strom durch den Gleichrichter 22 gleich sein wird dem Umlauf strom in der Vorrichtung 17 abzüglich dem Belastungsstrom. Bei Änderung der Polarität der Eingangsklemmen 11, 12, werden die Werte der Ströme durch die Gleichrichter vertauscht.

Die obige Darstellung entspricht einer idealen Schaltung, während in der Praxis ein Spannungsabfall an den Gleichrichtern auftritt sowie Eisen- und Kupferverluste in den Induktanzen. Daher ist es zwar erwünscht, daß der Umlaufstrom gleich dem Spitzenwert des stationären Belastungsstromes sei; in Wirklichkeit wird der Umlaufstrom aber seinem theoretischen Wert nur nahe kommen, wenn der Belastungsstrom seinen Spitzenwert hat, während bei etwas kleinerem Belastungsstrom die obenerwähnten, im wesentlichen ohmschen Verluste in der Vorrichtung einen kleinen Abfall des Umlaufstromes erzeugen, der durch den Belastungsstrom wieder ersetzt werden muß.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in der lediglich eine Induktanz benutz ist. Die Klemmen 11 und 12, der Schalter 15, die Belastung 14 und eine die Geschwindigkeit der Stromänderung begrenzende Vorrichtung 23 sind vorgesehen, wobei die Vorrichtung 23 unabhängig von der Belastung und mit derselben in Serie geschaltet ist. Die Vorrichtung 23 besteht aus einer Brücke mit den Gleichrichtern 24 a, 24 b, 24 c, 24 d, die in der aus der Figur ersichtlichen Richtung leitend sind und aus einer Induktanz 25, die zwischen gegenüberliegenden Klemmen der Brücke angeordnet ist. In der dargestellten Schaltung ist eine Wechselstromquelle vorgesehen und wird die Belastung mit Wechselstrom gespeist.

Im stationären Zustand fließen die durch die Gegen-EMK der Induktanz 25 erzeugten Umlaufströme in Richtung der Pfeile 25 a und 25 b, wobei ihre Werte durch die relativen Widerstände ihrer Wege bestimmt werden. Wenn die Klemme 11 positiv ist, fließt der Belastungsstrom tatsächlich in Rückwärtsrichtung durch die Gleichrichter 24 b und 24 d und in Vorwärtsrichtung durch die Gleichrichter 24 a und 24 c; somit ist der Strom in den Gleichrichtern 24 a und 24 c gleich dem Belastungsstrom zuzüglich den Umlaufströmen, während in den Gleichrichtern 24b und 24 d der Strom gleich ist den Umlauf strömen abzüglich dem Belastungsstrom. Wenn der Belastungsstrom zunehmen sollte und beginnt seinen stationären Spitzenwert zu übersteigen (der im wesentlichen gleich ist dem Wert der Summe der Umlaufströme), wird er größer als die Umlaufströme und kann daher nicht ganz in Rückwärtsrichtung durch die Gleichrichter 24 b und 24 d fließen. Der Teil des Belastungsstromes, der über den Umlaufstrom hinausgeht, wird somit gezwungen, über die Induktanz 25 zu fließen, wodurch die Geschwindigkeit der Stromänderung begrenzt wird.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung, wie auch in der ersten Ausführungsform, fließt der Strom durch die Induktanz immer in der gleichen Richtung, obwohl die Belastung mit Wechselstrom erregt wird. In F i g. 3 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die derjenigen nach F i g. 2 ähnlich ist. Es sind wieder an eine Wechselstromquelle angeschlossene Eingangsklemmen und eine Belastung 14 vorhanden, die mit Wechselstrom erregt wird. Die die Geschwindigkeit der Stromänderung begrenzende Vorrichtung besteht in diesem Fall aus einer Brücke 26, den Gleichrichtern 27 α und 27 b und den gesteuerten Silikongleichrichtern28fl und 28 b. Die in dieser Schaltung vorgesehene Brücke arbeitet auf ähnliche Weise wie die in F i g. 2 gezeigte Brücke, mit der Ausnahme, daß die gesteuerten Silikongleichrichter dazu dienen, den Wert des Belastungsstromes mit HiKe von Spannungen zu steuern, die den Toren der Silikongleichrichter zugeführt werden.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher Eingangsklemmen 11a und 12 a mit einer Wechselstromquelle verbunden sind und die Belastung 14 a mit einem pulsierenden, mittels einer Zweiweggleichrichterbrücke 30 gleichgerichteten Stromes erregt wird. In Serie mit der Belastung 14 a ist eine Vorrichtung 31 zur Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit des Stromes angeordnet, welche Vor- richtung aus einer Induktanz 32 und einem Gleichrichter 33 besteht. Bei stationären Bedingungen wird der Belastungsstrom in der Vorrichtung 31 einen Umlaufstrom in Richtung des Pfeiles erzeugen. Diese Vorrichtung arbeitet in gleicher Weise wie die anderen, vorgängig beschriebenen Begrenzungsvorrichtungen; bei Werten des Belastungsstromes, die kleiner sind als der Umlaufstrom, fließt der Belastungsstrom in Rückwärtsrichtung durch den Gleichrichter 33, während bei jeder Zunahme des Stromes derselbe durch die Induktanz 32 fließt, wodurch seine Änderungsgeschwindigkeit begrenzt wird.

In den beschriebenen Ausführungsforrnen der Erfindung sind Halbleiterdioden als Gleichrichter vorgesehen. Man kann aber selbstverständlich auch Gleichrichter anderer Art vorsehen, z. B. Thyratrons. Ferner kann jeder Gleichrichter auch aus einer Anzahl von parallel geschalteten, gleichrichtenden Elementen bestehen.

Aus den beschriebenen Ausführungsformen geht klar hervor, daß in der erfindungsgemäßen Schaltung eine Induktanz und ein Gleichrichter einen Weg bilden, in dem sich ein Umlaufstrom ausbildet, dessen Wert im wesentlichen gleich ist dem Spitzenwert des stationären Belastungsstromes. Für Werte des Belastungsstromes, die gleich oder geringer sind als der Umlaufstrom, ist der Leistungsverlust in der Schaltung gering, da derselbe lediglich durch die Gleichrichter und die Induktanz bedingt ist, deren ohmsche Impedanzen klein sind. Wenn der Belastungsstrom jedoch beginnt, den Umlaufstrom zu übersteigen, wird sein den Wert des Umlauf stromes übersteigender Teil durch die Induktanz getrieben, so daß seine im wesentlichen induktive Impedanz von reativ hohem Betrag im Stromkreis wirksam wird und die Änderungsgeschwindigkeit des Belastungsstromes begrenzt. Wenn der Belastungsstrom zunimmt, bewirkt dies ferner eine Zunahme des Wertes des Umlaufstromes, bis letzterer dem neuen Spitzenwert des stationären Stromes im Stromkreis nahezu gleich ist. Bei Abnahme des Stromes hat die Begrenzungsvorrichtung keinen Einfluß auf die Belastung, da der Umlaufstrom in dieser Vorrichtung selbst gedämpft wird, ent-

sprechend deren Gütefaktor »Q«, und nicht in dem die Belastung enthaltenden Stromkreis.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit eines von einer Wechselstromquelle gelieferten elektrischen Laststromes unter Verwendung induktiver Widerstandselemente, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Widerstandselemente überbrückende Gleichrichterelemente derart vorgesehen sind, daß jedes induktive Widerstandselement nur von einem Strom gleicher Richtung durchflossen wird und die bei Abnahme des Laststromes in jedem induktiven Widerstandselement entstehende Induktionsspannung die zugehörigen Gleichrichterelemente in Durchlaßrichtung beaufschlagt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Laststromkreis zwei induktive Widerstandselemente (19, 21) mit parallel geschalteten Gleichrichterelementen (20, 22) vor-

gesehen sind, wobei die Gleichrichterelemente entgegengesetzte Durchlaßrichtungen haben.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Laststromkreis eine Zweiweg-Gleichrichterbrücke (24α bis 24d; 27 a, 27 b, 28 a, 28 b) liegt, deren Gleichstromausgangsklemmen von einem induktiven Widerstandselement (25, 29) überbrückt sind.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der die Enden des induktiven Widerstandselementes (29) miteinander verbindenden Brückenzweige (28 a, 28 b; 27a, 27 b) steuerbare Gleichrichter (28 a, 28 b) enthält.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laststromkreis über einen Gleichrichter (30) gespeist wird und ein von einem den Laststrom sperrenden Gleichrichter (33) überbrücktes Widerstandselement (32) enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 933 822.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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