DE1258970B - Anordnung zur Lastumschaltung bei Stufentransformatoren mit steuerbaren Halbleitergleichrichtern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIf

Deutsche KL: 21 d2-53/03

S 72959 VIII b/21 d2

14. März 1961

18. Januar 1968

Bei den heute üblichen Verfahren zur Lastumschaltung von Stufentransformatoren werden Überschaltwiderstände oder Drosseln als Überschaltmittel benutzt. In diesem Fall müssen die Unterbrechungsstellen des Lastumschalters ein Vielfaches der Stufenleistung schalten können. So sind auch schon lichtbogenfrei arbeitende Lastumschalter bekannt, die mit antiparallel geschalteten, steuerbaren elektrischen Ventilen und Überschaltimpedanzen arbeiten. Auch ist es bekannt, daß man eine Lastumschaltung ohne Überschaltimpedanz mit Hilfe von Transduktoren durchführen kann. Ein derartiger Transduktorschalter ist allerdings gewichts- und raummäßig sehr aufwendig. Heute können steuerbare Halbleitergleichrichter für Ströme und Spannungen hergestellt werden, die eine Verwendung zur lichtbogenfreien Lastumschaltung ermöglichen. So wurde bereits vorgeschlagen, auf die Überschaltwiderstände zu verzichten und die Umschaltung mit derartigen steuerbaren Halbleitergleichrichtern vorzunehmen. Bei der wohl einfachsten Anordnung liegt dann in jeder der beiden Zuleitungen zu den Wählerarmen je ein Gerät mit steuerbaren Halbleitergleichrichtern, die in der Weise gesteuert werden, daß zur Lastumschaltung das zunächst stromführende Gerät im natürlichen Nulldurchgang des Laststromes gesperrt und das andere Gerät innerhalb weniger Mikrosekunden danach zur Stromübernahme gezündet wird. Die theoretisch niedrigste Schaltleistung, die jedes der beiden Geräte bewältigen muß, ist gleich der Stufenleistung.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine speziell für diesen Zweck geeignete Steuerung notwendig. Die eventuell naheliegende Idee, die für die obenerwähnten Transduktorschalter angegebenen Steuerungen zu verwenden, bei denen ebenfalls das in F i g. 1 angegebene Grundprinzip einer gegenseitigen Steuerung der beiden Wählerzweige bekannt ist, ist wegen der sehr unterschiedlichen Wirkungsweise des Transduktorschalters und des Halbleiterschalters nicht ausführbar. Die beim Transduktorschalter verwendeten sogenannten stromsteuernden Transduktoren geben durch ihre strombegrenzende Charakteristik die Möglichkeit, beide Wählerarme an der Stromführung zu beteiligen, d. h. beide Transduktoren gleichzeitig voll oder teilweise zu erregen, ohne daß ein Stufenkurzschluß eintritt. Der Umschaltvorgang erstreckt sich immer über mehrere Halbwellen, und die Forderung an die Steuerung besteht lediglich darin, die Höhe einer Gleichstromvormagnetisierung zu ändern. Beim Halbleiterschalter erfolgt dagegen die Umschaltung in Mikrosekunden in einem bestimmten vorgegebenen Zeitpunkt synchron zum Laststrom, und die Anordnung zur Lastumschaltung bei
Stufentransformatoren mit steuerbaren
Halbleitergleichrichtern

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Werner Stein, 8500 Nürnberg

Erregung darf niemals an den Geräten beider Wählerarme gleichzeitig vorhanden sein, wenn ein Stufenkurzschluß vermieden werden soll.

In der vorliegenden Erfindung wird eine Steuerung der Gleichrichtergeräte angegeben, die den oben angeführten Forderungen genügt und es ermöglicht, die theoretisch niedrigste Schaltleistung annähernd zu erreichen. Von besonderem Vorteil dabei ist, daß die dazu verwendeten Schaltelemente bei geeigneter Auslegung eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer haben und daß die Schaltung als Funktionseinheit von einer eventuell vorhandenen Alterung ihrer Einzelelemente nur geringfügig berührt wird. Darüber hinaus werden die Steuergeräte von der Stufenspannung mit Energie versorgt, so daß keine Hochspannungsisolation zwischen Steuergeräten und Halbleitergleichrichtergeräten notwendig ist. Die Steuerung kann also auf jedem Potential gegen Erde eingesetzt werden. Sie arbeitet bei Lastströmen von Null bis zum Maximalstrom mit der gleichen Präzision und ist auch dann geeignet, wenn die Stufenspannungen nicht gleichmäßig, sondern stark unterschiedlich sind.

Erfindungsgemäß wird das angestrebte Ziel dadurch erreicht, daß parallel zu jedem der zwei Halbleitergleichrichtergeräte der Eingang eines Steuergerätes mit hoher Eingangskapazität liegt, dessen Ausgang an den Steuereingang des Halbleitergleichrichtergerätes im anderen Wählerarm angeschlossen ist, wobei innerhalb des Steuergerätes parallel zu seinem Eingang die mit einem Kondensator in Reihe geschaltete Primärwicklung eines ersten Übertragers und die mit einem Widerstand in Reihe geschaltete Primärwicklung eines zweiten Übertragers liegen und ferner die Sekundärwicklungen der beiden Übertrager an je einen Gleichrichter angeschlossen sind, deren Gleich-

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wie in Fig. 1 vereinfacht dargestellt, direkt in der Zuleitung, sondern in einer Gleichrichteranordnung 65, deren Wirkungsweise später erläutert wird. Der eine Ausgang der Anordnung führt über die Kapazität 661 mit parallelem Ableitwiderstand 662 zu einem Übertrager 69, der andere über den Widerstand 67 zu einem zweiten Übertrager 68. Beide Übertrager sind einseitig verbunden und an die Zuleitung 61 angeschlossen. Die Sekundärwicklungen der Übertrager

Stromseiten additiv zusammengeschaltet den Ausgang des Steuergerätes bilden.

An Hand der F i g. 1 und 2 wird das Umsteuerprinzip näher erläutert und für die Ausführung eines Steuerkreises gemäß dem Erfindungsgedanken ein Beispiel gegeben.

Die F i g. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der Gesamtanordnung. 1 bezeichnet einen Teil der Regelwicklung mit den beiden benachbart liegenden Anzapfungen 2 und 3. 11 und 12 sind die beiden beweglichen io speisen über die Gleichrichter 641 und 642 die Erre-Stufenkontakte des Wählers, die an den Anzapfungen gerleitung 64, die an einen mit 51 bezeichneten der Regelwicklung 1 in üblicher Weise entlangschal- steuerbaren Halbleitergleichrichter angeschlossen ist. bar sind. In den Zuleitungen zu den Stufenkontakten Wie gezeichnet, arbeitet immer eine Sekundärwick-11 und 12 liegen die beiden steuerbaren Halbleiter- lung eines Übertragers mit einer des anderen Ubertragleichrichtergeräte 4 und 5, deren andere Seite ver- 15 gers zusammen, so daß auf der Gleichstromseite bunden wird und in die abgehende Lastleitung 13 beide Ströme überlagert werden. Sekundär können übergeht. Die Geräte 4 und 5 enthalten zwei oder durch mehrere Wicklungen (gestrichelt angedeutet) mehr steuerbare Halbleitergleichrichter, die Vorzugs- so viele Steuerkreise geschaffen werden, wie für die weise eine Antiparallelschaltung bilden und je nach galvanisch getrennte Speisung der gesteuerten HaIbihrem Erregungszustand eine Wechselspannung sper- 20 leitergleichrichter notwendig sind, ren oder einen Wechselstrom durchlassen können. Im stationären Zustand liegt zwischen den Zulei-

Parallel zum Gerät 4 liegt über die Zuleitungen 61 tungen 61 und 62 die Stufenspannung. Bei geschlos- und 62 und den Schalter 63 der Eingang des Steuer- senem Schalter 63 fließen durch die Übertrager gerätes 6, dessen Ausgang 64 auf die Steuergitter der Ströme, die im wesentlichen durch die Kapazität 661 Halbleitergleichrichter von 5 geht. Der Eingang des 25 und den Widerstand 67 bestimmt sind. Die Phasen-Steuergerätes 7 liegt über die Zuleitungen 71 und 72 verschiebung und die Addition der Ströme auf der sowie über den Schalter 73 parallel zum Gerät 5, Sekundärseite ergibt einen lückenlosen Gleichstrom, während der Ausgang von 7 auf die Steuergitter von so daß eine einwandfreie Öffnung des Gerätes 4 4 einwirkt. oder 5 unabhängig von der Phasenlage des Laststro-

Ein Umsteuervorgang sei an folgendem Beispiel 30 mes erreicht wird. In der obenerwähnten Umschalterläutert-. An 5 liegt die Stufenspannung, während der pause, in der die Geräte 4 und 5 geschlossen sind, Laststrom über die Anzapfung 2, den Stufenkontakt kann der Laststrom, mit dem Wert Null beginnend, 11, das Gerät 4 und die abgehende Lastleitung 13 über den Kondensator 661 und den Übertrager 69 fließt. Der Schalter 73 ist geschlossen, und im statio- fließen, ohne daß zwischen 62 und 61 eine wesentnären Zustand erregt die Stufenspannung das Steuer- 35 liehe Spannung auftritt, da der Kondensator 661 sich gerät 7 so, daß über den Ausgang 74 das Gerät 4 nur langsam auflädt und 69 relativ niederohmig ist. offengehalten wird. Der Umsteuervorgang wird Dabei fließt auch in den Sekundärkreisen ein Strom, durch das Schließen des Schalters 63 vorbereitet. Die- der die Zündung auslöst, wenn er eine bestimmte ses Schließen ruft noch keine Wirkung hervor, da Höhe erreicht hat. Damit ist eine Wirkungsweise gedie Spannung an 4 und damit am Eingang von 6 so 40 maß dem Erfindungsgedanken bereits erreicht. Es klein ist, daß sie noch kein Ausgangssignal an 64 be- muß noch darauf geachtet werden, daß der sekunwirkt. Nun wird durch das Öffnen des Schalters 73 därseitige Steuerstrom nach dem Öffnen des Schalters die Erregung von 4 unterbrochen. Danach kann der 63 innerhalb weniger Mikrosekunden gegen Null Laststrom noch bis zum natürlichen Nulldurchgang geht, da andernfalls, wenn 63 zufällig unmittelbar vor weiterfließen, und das Gerät 4 sperrt. Bis zum Zün- 45 dem Nulldurchgang des Laststromes geöffnet wird, den des Gerätes 5 ist eine Pause von mindestens meh- im kritischen Zeitpunkt ein Steuerstrom Undefinierter reren Mikrosekunden erforderlich, damit das Gerät 4 Höhe fließt, der unter ungünstigen Umständen zur seine volle Sperrfähigkeit wiedererlangen kann. Der Zündung beider Seiten und damit zum Stufenkurz-Laststrom, der in dieser Zeit von Null ausgehend nur schluß führen kann. Der Widerstand 645 sowie das relativ kleine Werte erreicht, wird nicht unterbro- 50 i?C-Glied644 und 643 bewirken nach dem Öffnen chen, sondern fließt über das eingeschaltete Steuer- von 63 ein schnelles Absinken des Steuerstromes. Die gerät 6 weiter und zündet, wenn er eine bestimmte
Größe erreicht hat, das Geräts, welches dann den
Laststrom übernimmt 6 ist dabei so ausgelegt, daß
während der kurzzeitigen Übernahme des Laststroms 55
am Eingang nur eine relativ kleine Spannung auftritt,
die dann an 4 liegt und in bezug auf die Beanspruchung von 5 zur Stufenspannung addiert oder subtrahiert werden muß. Je kleiner diese Spannung ist, um

so näher kommt man dem Idealfall, daß die umge- 60 des Zündzeitpunktes ist dadurch zu erreichen, daß schaltete Leistung die Größe der Stufenleistung hat. man nicht den gesamten Laststrom durch den Über-Nachdem 5 gezündet wurde, geht die Stufenspannung
auf 4 über und sorgt am Eingang von 6 für die stationäre Erregung des Gerätes 5. Die Fig. 2 zeigt als
Beispiel die Schaltung eines Steuerkreises, der die ge- 65
stellten Forderungen erfüllt An den Zuleitungen 61
und 62 liegt das Steuergerät entsprechend F i g. 1 parallel zu 4 oder S. Der Schalter 63 befindet sich nicht,

Gleichrichteranordnung 65 verhindert, daß sich der Kondensator 661 nach dem Abschalten über den Widerstand 67 und die Übertrager 68 und 69 entlädt.

Die relativ kleinen Kapazitäten 681 und 691 parallel zu den Übertragern leiten hochfrequente Impulse, die sich über die Sperrkapazitäten der Gleichrichter 65 auf die Steuerkreise auswirken, ab.

Eine unter Umständen erwünschte Verzögerung

trager 69 fließen läßt, sondern einen Teil in das i?C-Glied 612 und 611 (gestrichelt angedeutet) ableitet.

In Abwandlungen des angegebenen Steuerkreises kann z. B. der Kondensator 661 oder der Widerstand 67 auf die Sekundärseite der Übertrager gelegt werden. Der Schalter 63 muß nicht unbedingt in der an-

gegebenen Weise ausgeführt werden. An seiner Stelle können beispielsweise elektronische Schaltelemente, vorzüglich Transistoren, auf der Primär- oder Sekundärseite der Übertrager die Abschaltung synchron zum Laststrom vornehmen.

Die Weiterschaltung des Wählerarmes 11 auf die übernächste Anzapfung des Transformators, also auf einen auf den Kontakt 3 folgenden Kontakt, geschieht in bereits bekannter Weise, wobei das stromführende Halbleitergleichrichtergerät 5 durch einen in der Zeichnung nicht weiter angegebenen Überbrückungsschalter kurzgeschlossen wird. Das steuerbare Halbleitergleichrichtergerät 5 benötigt keinen Steuerstrom mehr, so daß der Wählerarm 11 vom Kontakt 2 ablaufen und auf den übernächsten Anzapfungskontakt des Transformators auflaufen kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Lastumschaltung bei Stufen- ao transformatoren im natürlichen Nulldurchgang des Laststromes innerhalb weniger Mikrosekunden mittels je eines gesteuerten Halbleitergleichrichtergerätes in beiden Wählerarmen ohne Überschaltwiderstände und/oder Drosseln, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jedem der zwei Halbleitergleichrichtergeräte (4 und 5) der Eingang eines Steuergerätes (6 und 7) mit hoher Eingangskapazität liegt, dessen Ausgang an den Steuereingang des Halbleitergleichrichtergerätes im anderen Wählerarm angeschlossen ist, daß innerhalb des Steuergerätes parallel zu seinem Eingang die mit einem Kondensator (661) in Reihe geschaltete Primärwicklung eines ersten Übertragers (69) und die mit einem Widerstand (67) in Reihe geschaltete Primärwicklung eines zweiten Übertragers (68) liegen und daß die Sekundärwicklungen der beiden Übertrager an je einen Gleichrichter (641 und 642) angeschlossen sind, deren Gleichstromseiten additiv zusammengeschaltet den Ausgang des Steuergerätes bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übertragerprimärwicklungen gemeinsam mit einer Gleichrichteranordnung (65) in Reihe liegen, deren Gleichstromseite durch einen Steuerschalter (63) überbrückbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteranordnung (65) aus sechs Einweggleichrichtern besteht, von denen zwei mit entgegengesetzter Polung in Reihe mit der Primärwicklung des ersten Übertragers liegen und den negativen Brückenpol bilden, von denen weitere zwei mit entgegengesetzter Polung in Reihe mit der Primärwicklung des zweiten Übertragers liegen und den positiven Brückenpol bilden, von denen der fünfte zwischen dem negativen Brückenpol und dem Zweig des zweiten Übertragers und der sechste zwischen dem positiven Brückenpol und dem Zweig des ersten Übertragers liegt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Steuergerät ein aus Kondensator und Widerstand bestehendes Verzögerungsglied (611 und 612) vorgeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 640 565;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1018 941,1054127; schweizerische Patentschriften Nr. 161159,
224490;

»Elektronik«, 1960, Nr. 7, S. 199/200;
»Feinwerktechnik«, 1958, H. 12, S. 428.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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