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Kontaktlose Schalteinrichtung mit zwei in Antiparallelschaltung angeordneten
Halbleiterstromtoren Die Erfindung bezieht sich auf eine kontaktlose Schalteinrichtung
mit zwei in Antiparallelschaltung angeordneten Halbleiterstromtoren, die entsprechend
einem Ein- oder Aussehaltkommando einen Wechselstromlastkreis an- oder abschalten.
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Mit solchen Halbleiterstromtoren, das sind gesteuerte Gleichrichter
auf Halbleiterbasis, deren Zündbeginn gesteuert wird, können kontaktlose Steuerungen
von Starkstromkreisen für viele Zwecke in vorteilhafter Weise geschaffen werden.
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Halbleiterstromtore werden bekanntlich durch einen Impuls an der Steuerelektrode
gezündet und bleiben so lange stromführend, bis der Strom durch Null geht.
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Es sind inbesondere für Phasenanschnittsteuerungen relativ aufwendige
Steuersätze für antiparallel geschaltete Halbleiterstromtore bekanntgeworden, die
entweder RC-Glieder oder aber Kippstufen und Differenzierglieder zur Erzeugung der
Zündimpulse für die Stromtore verwenden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kontaktlose Schalteinrichtung
unter Verwendung von antiparallel geschalteten Halbleiterstromtoren anzugeben, die
mit einfacheren und dabei zuverlässigen Mitteln zur Erzeugung der Zündimpulse als
die bekannten Steuereinrichtungen auskommt. Hierdurch kann eine solche Schalteinrichtung
verhältnismäßig leicht in die Lage gebracht werden, die bekannten Schaltgeräte,
insbesondere elektromagnetische Schütze, auf vielen Anwendungsgebieten der Teeknik
zu ersetzen. Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß jedem
Halbleiterstromtor je ein Zündimpulstransformator mit vorgeschaltetem Steuerkreis
zugeordnet ist und daß an den Laststromkreis eine überlaufschaltung angekoppelt
ist, die synchron mit dem Laststrom den einen oder den anderen Steuerkreis abwechselnd
steuernde Signale zur Bildung der Zündimpulse erzeugt, derart, daß nur dasjenige
Stromtor einen Zündimpuls erhält, an dem eine Speisespannung mit einer in Durchlaßrichtung
des betreffenden Stromtores gerichteten Polarität anliegt. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn eine Zweiwege-Überlaufschaltung über einen Transformator an den Laststromkreis
angekoppelt ist und die Steuerkreise aus kontaktlosen elektronischen Steuer- und
Regelelementen, insbesondere unter Verwendung von steuerbaren Halbleitern aufgebaut
sind.
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An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben
und die Wirkungsweise erläutert.
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Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild der kontaktlosen Schalteinrichtung
in schematischer Darstellung unter Weglassung der für das Verständnis der Erfindung
nicht erforderlichen Teile.
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In Reihe zu dem Verbraucher V des an den Klemmen R und O eines Wechselstromnetzes
angeschlossenen Laststromkreises liegen die in Antiparallelschaltung angeordneten
Halbleiterstromtore, z. B-Siliziumstromtore S1 und S2. Die Ansteuerung der Stromtore
S1 bzw. S2 erfolgt für jedes getrennt über je einen Zündimpulstransformator Ü1 bzw.
Ü2. Jedem Zündimpulstransformator ist ein Steuerkreis zugeordnet, der aus an sich
bekannten kontaktlosen elektronischen Steuer-Bausteinen aufgebaut ist, wobei jeder
Baustein eine bestimmte Funktion darstellt. Die Funktionsgruppe für den Steuerkreis
des Impulstransformators Ü 1 besteht aus einer Leistungsstufe P1, dem Und-Gatter
U1 und der Umkehrstufe N1. Entsprechend besteht der Steuerkreis für den Impulstransformator
Ü2 aus der Leistungsstufe P2, dem Und-Gatter U2 und der Umkehrstufe
N2. Mehrere Funktionen können in an sich bekannter Weise in einem kombinierten
Baustein untergebracht sein, wie es an Hand der Umkehrstufen N31 und
N32 ge-
zeigt ist. Die genannten Funktionsgruppen sind zweckmäßig unter
Verwendung von Transistoren aufgebaut. Es ist auch möglich, an Stelle der Funktions=
gruppen eine funktionell ähnliche Halbleiterschaltung einzusetzen oder aber eine
Schaltung von Magnetverstärkern. Die Stromversorgung für die Steuerkreise erfolgt
durch eine geeignete Versorgungsspannung. Mit M ist ein Anschlußpunkt für diese
Versorgungsspannung bezeichnet, der das Potential O besitzt, mit N ein Anschlußpunkt,
der gegenüber dem Punkt M
eine negative Spannung von z. B. 24 Volt besitzt,
und mit P ein Anschlußpunkt, der gegenüber dem
Punkt M eine positive
Spannung von z. B. + 24 Volt besitzt. Diese zur Stromversorgung dienenden Anschlußpunkte
sind für die Umkehrstufe N 1 beispielsweise eingezeichnet.
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Im folgenden sei zunächst auf die Funktion der in vereinfachter Blockschaltbildweise
dargestellten Funktionsgruppen eingegangen. Die Eingangsklemmen sind allgemein mit
E bezeichnet, während die Ausgangsklemmen mit A bezeichnet sind. Eine Umkehrstufe
ist dadurch charakterisiert, daß an ihrem Ausgang A 0-Signal, d. h. etwa 0 Volt
erscheint, sobald an ihrem Eingang E ein Signal von ausreichend negativer Spannung
(nachfolgend als L-Signal bezeichnet) anliegt. Umgekehrt erscheint ausgangsseitig
L-Signal, wenn eingangsseitig 0-Signal anliegt. Die Funktion eines Und-Gatters ist
dadurch charakterisiert, daß an seinem Ausgang A L-Signal erscheint, wenn an allen
beschalteten Eingängen E gleichzeitig L-Signal anliegt. Umgekehrt erscheint am Ausgang
A 0-Signal, sobald an einem der beschalteten Eingängen E 0-Signal anliegt.
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Die Leistungsstufen P 1 und P 2 sind Verstärker, mit denen durch ein
L-Signal am Eingang E ein zwischen der Ausgangsklemme A und dem negativen Pol N
der Netzversorgung liegender Verbraucher eingeschaltet werden kann. Das Ausschalten
geschieht durch 0-Signal.
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Jedes der beiden Stromtore .S 1 und S 2 wird nur für seine Durchlaßphase
angesteuert. Der dazu nötige Steuerimpuls wird eigensynchron, d. h. abhängig vom
jeweiligen Laststrom gegeben. Die Abfragung der Phasenlage des Laststromes erfolgt
über einen Oberträger Ü3, dessen Primärwicklung 1 im Laststromkreis R-0 liegt. Die
Sekundärwicklung 2 des Oberträgers Ü3 bildet zusammen mit den Dioden 11,
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und 61, 62 eine Zweiwege-Überlaufschaltung. Der eine Weg der überlaufschaltung
führt von der Mittelanzapfung 3 der Sekundärwicklung 2, die an das Potential M angeschlossen
ist, über die Diodenstrecke 11 und den Widerstand 21 zurück zu einem Ende 31 der
Sekundärwicklung 2. Der andere Weg der überlaufschaltung führt sinngemäß von der
Mittelanzapfung 3 über die Diodenstrecke 12 und den Widerstand 22 zurück
zum anderen Ende 32 der Sekundärwicklung 2. Der eine Zweig der Zweiwege-Überlaufschaltung
ist über den Anschlußpunkt 41, die Leitung 51 und die Diode 61 mit dem Eingang E
der Umkehrstufe N1 verbunden; entsprechend ist der andere Zweig der überlaufschaltung
über den Anschlußpunkt 42, die Leitung 52 und die Diode
62 mit dem Eingang E der Umkehrstufe N2 verbunden. Die Diodenstrecke 11 und
12 wirken als Schwellwertdioden, d. h., sie werden erst dann leitend, wenn die an
ihnen anliegende Spannung der Sekundärwicklung 2 einen Mindestwert überschreitet.
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Die Sekundärwicklung 81 des Zündimpulstransformators V 1 ist zwischen
der Steuerelektrode 91 und der Elektrode 101 des Stromtores S 1 angeschlossen.
Entsprechendes gilt für die Sekundärwicklung 82 des Übertragers ü2 und die Klemmen
92 und 102 des Stromtores S2. Die Primärwicklung 71 des übertragers Ü1 ist mit einem
Ende über die Leitung 111 mit der Ausgangsklemme A der Leistungsstufe P 1 und mit
ihrem anderen Ende mit dem PotentialpunktN verbunden. Die parallel zur Primärwicklung
71 gelegte Reihenschaltung aus der Zenerdiode 121 und der Diode 131 dient zur Begrenzung
der induktiven Abschaltspitzen. Der gleiche schaltungsmäßige Aufbau wie beim Impulstransformator
Ü 1 liegt auch beim Impulstransformator U2 vor. Deshalb ist die Bezeichnung für
funktionsmäßig gleiche Teile so vorgenommen, daß sich die Bezugszeichen lediglich
in der letzten Stelle voneinander unterscheiden. Zum Beispiel ist die Sekundärwicklung
des Übertragers V 1 mit 81
bezeichnet und sinngemäß die Sekundärwicklung
des Übertragers Zig mit 82. Durch die Übertrager 01 bzw. Zj2 wird eine galvanische
Entkopplung der Transistorsteuerkreise vom Lastkreis bewirkt und auf Grund ihrer
Dimensionierung eine systemgerechte Übertragung der Steuerimpulse ermöglicht. Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Übertrager Ztl und Ü2 in an sich
bekannter Weise mit Wicklungsteilen zur Vormagnetisierung versehen sein können.
Auch können primär- und sekundärseitig Widerstände, z. B. aus Gründen der Spannungsfestigkeit,
angeordnet sein.
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Die Eingangsklemmen der Und-Gatter U1 und U2 sind mit E1 und E2 bezeichnet.
Beiden Und-Gattern U 1 und U 2 ist die Leitung 4 gemeinsam, über welche das Einschaltkommando
gegeben wird. Liegt an den Eingangsklemmen E 1 und E 2 des Und-Gatters U 1 L-Signal
an, dann tritt auch an dem Ausgang A des Und-Gatters U 1 ein L-Signal auf.
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Wie eingangs bereits erwähnt, läßt sich durch die erfindungsgemäße
Schalteinrichtung die Funktion eines Schützes auf kontaktlosem Wege nachbilden.
Damit eine der Hilfsschalterfunktion eines Schützes entsprechende Anzeige oder Signalabgabe
in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Laststromkreises erfolgen kann, ist die Last
V durch den Widerstand 5 und die Primärwicklung 6 des Übertragers Ü4 geshuntet.
An die Sekundärwicklung 7 des Übertragers (y4 ist die Wechselstromdiagonale einer
Gleichrichterbrücke 8 angeschlossen; die Gleichstromdiagonale ist einerseits an
dem einen Eingang E der Umkehrstufe N3 und andererseits an dem PotentialpunktM angeschlossen.
Parallel zur Gleichstromdiagonale ist ein Glättungskondensator 9 gelegt. Die Umkehrstufe
N 3 besteht als kombinierter Baustein aus zwei baulich miteinander vereinigten Teil-UmkehrstufenN31
und N32. Die von dem Minuspol der Gleichrichterbrücke 8 kommende Leitung
10 ist an den Eingang E der UmkehrstufeN31 angeschlossen. Tritt am Eingang
E der Umkehrstufe N31 ein L-Signal auf, dann hat der Ausgang A der Umkehrstufe N31
0-Signal und entsprechend auch der Anschluß Ö, der mit dem Ausgang A der Umkehrstufe
N31 verbunden ist. Vom Ausgang A der Umkehrstufe N31 führt noch eine Verbindungsleitung
13 zu dem Eingang E der Umkehrstufe N32. Tritt an dem Ausgang A der Umkehrstufe
N31 ein 0-Signal auf und damit auch an dem Eingang E der Umkehrstufe N 32, so hat
der Ausgang A der Umkehrstufe N32 L-Signal und entsprechend der damit verbundene
Anschluß S. Durch das an dem Anschluß S auftretende Potential läßt sich somit die
Funktion eines Schließers und durch das am Anschluß O auftretende Potential die
Funktion eines Öffners eines Schützes nachbilden. An Stelle der dargestellten lastspannungsabhängigen
Signalabgabe an die Umkehrstufe N3 ließe sich auch eine stromabhängige Signalabgabe
verwenden. Bei Sicherheitsschaltungen in ein- und mehrphasiger Ausführung kann die
dargestellte Hilfsschalteranordnung in Verbindung mit Hilfsschalteranordnungen anderer
kontaktloser Schalteinrichtungen und in Verbindung
mit äußeren Signalen
zu Auslöse-, Schutz- und Signalzwecken verwendet werden.
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Bei der Darstellung des Steuervorganges für die Stromtore S 1 und
S2 der Schalteinrichtung soll zunächst davon ausgegangen werden, daß im Lastkreis
R-0 kein Strom fließt. Dann wird auch am Übertrager Ü3 keine Spannung induziert,
so daß die Zweiwege-überlaufschaltung an beide Umkehrstufen N1 und N2 keine Aufsteuerungssignale,
d. h. 0 Volt, abgibt. Das bedeutet, daß an den Ausgängen A der beiden UmkehrstufenNl
und N2 L-Signal ansteht und damit auch an der Eingangsklemme E 2 des Und-Gatters
U 1 und an der Eingangsklemme E 2 des Und-Gatters U2. Die Und-Gatter U1 und
U2 sind damit auf ihren EingängenE2 für die Abgabe eines L-Signals vorbereitet.
Die Und-Bedingung ist jedoch noch nicht erfüllt, weil das »Ein«-Kommando noch nicht
gegeben ist. An den Ausgängen A der Und-Gatter U1 und U2 steht deshalb 0-Signal
an. Damit sind die nachgeschalteten Leistungsstufen P 1 und P 2, deren Eingänge
E mit den beiden Ausgängen A des Und-Gatters jeweils verbunden sind, gesperrt. Die
StromtoreS1 und S2 bekommen keine Zündimpulse.
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Das Zünden der Stromtore S 1 und S 2 wird eingeleitet, wenn auf die
Eingänge E 1 der Und-Gatter U 1 und U2 über die Leitung 4 ein Einschaltdauerkommando,
d. h. in diesem Falle eine Spannung von z. B. -24 Volt gegeben wird. Die schon vorbereiteten
Und-Gatter geben nun ein L-Signal an die beiden Leistungsstufen P 1 und P 2 weiter,
welche ihrerseits einen Startimpuls über die Übertrager ü 1 und Ü 2 auf die Stromtore
S 1 und S 2 geben. Es öffnet nun das Stromtor, das gerade in Durchlaßrichtung
beansprucht ist; die erste Halbwelle des Laststromes kann fließen.
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Es sei angenommen, daß das Stromtor S2 gezündet hat. Durch den Übertrager
Ü3 wird die Phasenlage des Stromes um 180° gedreht. über die Diode 61 wird dann
an den Eingang der UmkehrstufeNl ein Sperrsignal für den Steuerkreis des Stromtors
S 1 gegeben. Ein negatives Signal am Eingang E der Umkehrstufe N 1 bedeutet
0-Signal an ihrem Ausgang A und demnach auch am Eingang E 2 des Und-Gatters
U l. Das Und-Gatter U 1 gibt das 0-Signal an den Eingang E der Leistungsstufe
P 1 weiter, wodurch sie gesperrt wird. Unterschreitet nun die Spannung an der Diode
61 den Schwellwert, dann erhält die Umkehrstufe N 1 0-Signal am Eingang E. Am Ausgang
A der Umkehrstufe N 1 steht dann L-Signal an, das über das Und-Gatter U1
und die Leistungsstufe P 1 als Zündimpuls an den Zündimpulstransformator Ü 1 weitergegeben
wird, wodurch das Stromtor S 1 zündet, vorausgesetzt, daß es eine Speisespannung
in seiner Durchlaßrichtung erhält. Leitet das Stromtor S1, dann wird an die UmkehrstufeN2
L-Signal gelegt, so daß sie angesteuert wird und die P2-Stufe sperrt. Das bedeutet
eine Vorbereitung für den Ansteuerimpuls des Stromtors S 2, der wiederum dann erfolgt,
wenn das negative Ansteuersignal den Schwellwert der Diode 62 unterschreitet. Zweckmäßig
wird die zeitliche Lage der Steuerkommandos so gewählt, daß sich die Zündimpulse
überschneiden, d. h., jedes Stromtor bekommt schon kurz vor dem Nulldurchgang der
Halbwelle, durch die es in Sperr-Richtung beansprucht wurde, den Zündimpuls und
ist dann bei Einsetzen der Durchlaß-Halbwelle bereits zur Stromübernahme vorbereitet.