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Die Erfindung bezieht sich auf Wechselstromschaltvorrichtungen ohne
bewegte Kontakte, die im folgenden kurz als kontaktfreie Schalter bezeichnet sind.
Ein Schalter für verhältnismäßig große Wechselströme erfordert besondere Mittel
entweder zum Löschen des Schaltlichtbogens oder zur Stromunterbrechung beim Stromnulldurchgang.
Zum Erreichen des einen oder anderen dieser Ziele oder beider werden oft komplizierte
Mittel verwendet.
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Die Entwicklung kontaktfreier Halbleiterelemente hat es ermöglicht,
deren Verwendung in Wechselstromschaltkreisen für verhältnismäßig hohe Spannung
und Stromstärke in Betracht zu ziehen. Solche Vorrichtungen, wie gesteuerte Siliciumgleichrichter
oder als »Thyristor« bekannte Halbleiterstromtore, haben Eigenschaften, wodurch
ihre Anwendung zum Ausschalten von Wechselstromsystemen wünschenswert wird.
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Es sind solche kontaktfreie Wechselstromschaltvorrichtungen bekannt,
die zwei mit Anode, Kathode und Steuerelektrode versehene Halbleiterstromtore in
Gegenparallelschaltung sowie eine an die Stromquelle anschließbare Steueranordnung
enthalten. Die Erfindung geht von solchen bekannten Schaltvorrichtungen aus und
verbessert sie durch eine sehr genaue und den Betriebsbedingungen der kontaktfreien
Schaltvorrichtungen besonders gut anpaßbare Steuerung unter Erfassung von Zeitpunkten,
in denen die steuernde Ausgangsgröße einen bestimmten, jeweils vorwählbaren Augenblickswert
erreicht. Dies geschieht nach der Erfindung durch Vergleich der veränderlichen Ausgangsgröße
mit einer wählbaren konstanten Ausgangsgröße der Steueranordnung und Abgabe von
Freigabe- oder Sperrsignalen in den erwähnten Zeitpunkten.
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Die kontaktfreie Wechselstromschaltvorrichtung nach der Erfindung
enthält somit zwei mit Anode, Kathode und Steuerelektrode versehene Halbleiterstromtore
in Gegenparallelschaltung und eine an die Stromquelle anschließbare Steueranordnung
und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung einerseits eine während
jeder Halbwelle der einen Polarität mit den Augenblickswerten der Stromquelle veränderliche
erste Ausgangsgröße, andererseits eine wesentlich niedrigere gleichbleibende zweite
Ausgangsgröße einer Empfangs- oder Steuerschaltung zuführt, welche Empfangsschaltung,
sobald die erste Ausgangsgröße einen vorgewählten Wert erreicht, anspricht und an
die Steuerelektrode des entgegengesetzt zu jener Halbwelle gepolten Stromtors ein
Freigabesignal abgibt und nach dem Ansprechen unter dem Einfluß der zweiten Ausgangsgröße
dauernd eingeschaltet bleibt und dabei ein fortlaufendes Freigabesignal an das andere
Stromtor abgibt.
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Die Vorteile eines kontaktfreien Stromunterbrechers gemäß der Erfindung
bestehen unter anderem darin, daß dieser zum einfachen und selbsttätigen Ausschalten
im Stromnulldurchgang oder Einschalten bei Spannungsnulldurchgang verwendbar ist,
ohne Spannungs- oder Stromstöße hervorzurufen. Ferner kann eine unbegrenzte Anzahl
von nach der Erfindung gesteuerten Halbleiterstromtorstufen zum Betrieb mit hoher
Spannung oder hohem Strom in Reihe bzw. parallel geschaltet werden. Die Freigabe
des Stromweges tritt auch dann nur an Spannungsnullstellen und die Sperrung nur
an Stromnullstellen ein. Ferner kann der Betrieb mit einer Schaltdauer von nur 20
Mikrosekunden erfolgen, und es ist sicheres Schalten von Hochstrombelastungen, wie
Kondensatorbatterien, möglich.
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Der Schalter unterbricht also nicht nur Wechselströme ohne die Notwendigkeit
der Lichtbogenunterdrückung, sondern ist auch für das Ausschalten von Hochspannungs-
und Hochstromkreisen verwendbar; er kann in einfacher Weise ferngesteuert werden;
er arbeitet bei Schaltstößen mit niedrigem Geräuschniveau und hat hohe Lebensdauer.
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Andere Ziele und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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F i g. 1 ist ein Schaltbild eines Stromunterbrechers gemäß der Erfindung;
F i g. 2 zeigt zwei kennzeichnende Halbwellenformen und F i g. 3 ein Schaltbild
eines erfindungsgemäßen Stromunterbrechers mit Reihenschaltung von Halbleiterstromtoren
für Hochspannungsbetrieb.
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Nach F i g. 1 ist eine (nicht dargestellte) Wechselstromquelle zur
Speisung einer Belastung 13 an die Klemmen 10 und 11 angeschlossen. Zwischen der
Stromquelle und der Last liegt eine deren Anschließen und Abschalten bewirkende
kontaktfreie Schaltvorrichtung 50. Ihre Schaltvorgänge werden durch eine
an sie angeschlossene Steuerschaltung veranlaßt. In dieser sind Steuermittel oder
Schaltungsabschnitte 30 und 40 von ähnlichem Aufbau zum Steuern des Durchlasses
von Halbwellen entgegengesetzter Polarität vorgesehen.
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Die Schaltvorrichtung 50 enthält in Gegenparallelschaltung zwei Halbleiterstromtore
51 und 52 zur Steuerung je einer Halbwelle des zur Last 13 fließenden Wechselstroms.
Zwischen die Steuerelektrode und die Kathode des Stromtors 51 sind ein Widerstand
53 und ein Kondensator 55 geschaltet, ebenso ein Widerstand 54 und ein Kondensator
56 zwischen die Steuerelektrode und die Kathode des Stromtors 52. Die Steuerschaltung
führt den Steuerelektroden der Stromtore 51. und 52 geeignete Eingangssignale zu,
die an den Steuerklemmen der Stromtore aufrechterhalten werden, um diese bei Spannungsnulldurchgang
oder nahe daran zünden zu lassen, und abgeschaltet werden, um die Stromtore bei
Stromnulldurchgang zu löschen.
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Die Steuerschaltung enthält als Fühlanordnung einen Transformator
15 mit einer Primärwicklung 15p und mehreren Sekundärwicklungen. Der eine Steuerschaltungsabschnitt
30 umfaßt die Sekundärwicklungen 15 s und 15 t, der andere Abschnitt 40 die
Sekundärwicklungen 15 u und 15 v.
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In dem Abschnitt 30 liefert die Sekundärwicklung 15 s ein Kriterium
für die Polarität und Amplitude des den Klemmen 10 und 11 zugeführten Wechselstroms.
Eine Diode 21 beschränkt das Ansprechen auf die eine Polarität, und ein Begrenzungselement,
wie z. B. eine Zenerdiode 22, verhindert das Entstehen eines Freigabesignals, bis
die Spannung um einen vorgesehenen Betrag den Nullwert übersteigt. In den Stromkreis
zwischen Zenerdiode 22 und Steuerelektrode des Stromtors 52 sind ein Widerstand
23, eine Diode 24 mit negativem Widerstand und ein Widerstand 25 eingeschaltet.
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Die Diode 24 ist von solcher Art, daß sie bei Anlegen einer ihren
Durchbruchswert erreichenden Spannung leitend wird und so lange leitend bleibt,
wie ein Mindeshaltestrom aufrechterhalten wird. Dieser Mindeststrom bringt eine
zweite Spannung oder
Haltespannung hervor, die bedeutend niedriger
ist als die erste.
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Die Sekundärwicklung 15 t des Transformators
15
ist mit zur Vollweggleichrichtung dienenden Dioden 26 und 27, einem Filterkondensator
28 und über einen Kupplungswiderstand 29 mit der Diode 24 von negativem
Widerstand verbunden.
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Der zweite Steuerschaltungsabschnitt 40 ist mit dem ersten
Abschnitt 30 gleichartig, mit der Ausnahme, daß er durch seine Schaltung auf Halbwellen
entgegengesetzter Polarität anspricht. Dies wird, wie in der Schaltung angedeutet,
dadurch erreicht, daß die Sekundärwicklung 15 u mit entgegengesetzter Polarität
wie die Wicklung 15 s angeschlossen ist.
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Zur Betätigung des Stromunterbrechers ist ein primäres Steuermittel,
z. B. ein die Stromquelle und den Transformator 15 verbindender und trennender Schalter
60, vorgesehen.
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Dies könnte ein Handschalter sein, wie in der Zeichnung angedeutet,
wenn es sich im Grunde um das Einschalten der Anlage zum Verbinden der Last 13 mit
der Stromquelle handelt; oder es könnte ein strom- oder spannungsabhängiger Auslöser
oder ein Relais sein, wodurch die Last bei gewissen Stromkreiszuständen von der
Stromquelle abgeschaltet wird, sofern es im wesentlichen um das Abschalten der Anlage
geht. Ob der Schalter 60 zum Einschalten oder zum Abschalten dient, schließt
er jedenfalls die Last 13 an die Stromquelle nur an Spannungsnulldurchgängen
an, und er schaltet die Stromquelle von der Last 13 nur an den Nullstellen
der Stromkurve ab.
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Sind bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung die Klemmen
10 und 11 betriebsmäßig an die Stromquelle angeschlossen, so erhält
die Transformatorwicklung 15 keine Spannung, wenn der Schalter
60
offen ist. Bei stromlosem Transformator 15 sind die Steuerelektroden des
Stromtors 51 und 52 nicht erregt, und die Schaltvorrichtung 50 ist gesperrt. Beim
Schließen des Schalters 60 werden der Transformator 15 und seine Sekundärwicklungen
erregt.
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Es sei angenommen, daß im Augenblick des Schließens des Schalters
60 die Klemme 10 gegenüber der Klemme 11 positiv ist und die
Wicklung 15 s an ihrer oberen Klemme positiv wird. Wenn die positive Amplitude
der Halbwelle in einem ausgewählten mittleren Bereich derselben hoch genug ist,
um die Zenerdiode 22 und die Diode 24 zu durchbrechen, so fließt Strom
von der Wicklung 15 s durch die Diode 21, die Zenerdiode 22,
den Widerstand 23, die Diode mit negativem Widerstand 24 und den Widerstand
25 zur Steuerelektrode des Stromtors 52. Der Strom ruft eine Spannung an den Widerstand
54 hervor, und das Stromtor 52 wird in zündungsbereiten Zustand gebracht.
Wenn während der nächsten Halbwelle die Klemme 11 gegenüber der Klemme
10 positiv wird, zündet das Stromtor 52, und es fließt Strom von der Klemme
11 durch das Stromtor 52 zur Last 13.
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Unter den angenommenen Bedingungen erhält das Stromtor 51 kein
Freigabesignal bis zur folgenden Halbwelle (bei der die Klemme 11 gegenüber der
Klemme 10 positiv wird), weil eine der Diode 21
ähnliche Diode 31 den
Strom während dieser Halbwelle sperrt. Das Stromtor 51 zündet nahe dem Spannungsnulldurchgang
der nächsten Halbwelle, wenn die Spannung in der Durchlaßrichtung des Stromtors
51 liegt.
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Die Energiezufuhr von der Sekundärwicklung 15 t
(und
15 u) ist so gewählt, daß nach dem anfänglichen Durchbruch
der Diode 24 mit negativem Widerstand ein Haltestrom über diese Diode aufrechterhalten
wird und der Strom aus der Wicklung 15 t durch das Vollwellengleichrichtesystem
der Dioden 26 und 27, den Widerstand 29, die Diode 24 mit negativem
Widerstand, den Widerstand 25 und den Widerstand 54 weiterfließt und einen Steuergleichstrom
am Stromtor 52 aufrechthält.
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Das Schließen des Schalters 60 führt dem Stromtor 51 oder
52 ein Freigabesignal nur während desjenigen Teils der Halbwelle zu, in welchem
die Polarität zwischen Klemme 10 und Klemme 11 der Stromrichtung des
das Freigabesignal empfangenden Stromtors entgegengesetzt ist. Diese Freigabe bleibt
aufrecht, solange der Transformator 15 erregt ist. Das freigegebene Stromtor
ist dann in einem Zustand, daß es beim Spannungsnulldurchgang zündet, wenn die Polarität
der Spannung in seine Durchlaßrichtung wechselt.
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Um die Stromquelle von der Belastung 13 abzuschalten, wird
der Schalter 60 geöffnet, um den Transformator 15 abzuschalten. Daraufhin
verschwinden die Freigabesignale an den Steuerelektroden beider Stromtore
51 und 52. Das gerade stromleitende Stromtor führt weiter Strom, bis
der nächste Stromnulldurchgang eintritt, und erlischt dann. Das andere Stromtor
erhält kein Freigabesignal und bleibt gelöscht.
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Da es oft erwünscht ist, das Freigabesignal nicht gerade im Spannungsnulldurchgang
eintreten zu lassen, werden Mittel vorgesehen, die eine Zufuhr des Freigabesignals
zur Steuerelektrode an den Spannungsnullstellen verhindern. Dies wird, wie in F
i g. 2 veranschaulicht, durch solche Wahl der Kennlinien der Zenerdiode
22 und der Diode 24 mit negativem Widerstand erreicht, daß das positive
Freigabesignal nur bei einem Mindestwert dem Stromtor 52 - oder mittels des anderen
Steuerabschnitts 40 dem Stromtor 51- zugeführt wird.
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In F i g. 2 sind zwei typische Spannungswellenformen A und
B dargestellt. Durch geeignete Wahl der Schaltungselemente, insbesondere
der Diode 24
mit negativem Widerstand, bewirkt die Schaltung, daß die Freigabeimpulse
den Steuerelektroden des einen oder anderen Stromtors nur zugeführt werden, wenn
die Spannung oberhalb eines vorausbestimmten Niveaus X liegt. Das Stromtor mit der
negativen Vorspannung erhält also kein Zündsignal, wenn nicht die Spannung in der
positiven Halbwelle nach dem Schließen des Schalters 60 zwischen den Ordinaten
E und H bei der Wellenform A oder zwischen den Ordinaten F und G bei
der Wellenform B liegt. Hierdurch ist ein wirksames Steuersystem geschaffen, das
alle Fehl- oder Stoßimpulse ausschaltet, die durch stoßartiges Arbeiten nahe den
Nullstellen der Spannungswelle auftreten könnten. Auch kann das Niveau X so gewählt
werden, daß ein das Aufbauen der Spannung für eine gewählte Belastung anzeigende
Signal erhalten wird.
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Mehrere Stromtore können in Reihe oder parallel geschaltet werden,
um Unterbrechungssysteme für Hochspannungs- oder Hochstromkreise zu gewinnen. F
i g. 3 zeigt ein Beispiel einer Anordnung, die in gleicher Weise wie die in F i
g. 1 dargestellte Vorrichtung arbeitet und zum Schalten verhältnismäßig hoher Spannungen
benutzbar ist. Die zur Beschriftung der F i g. 3 benutzten Bezugszeichen entsprechen
den
in F i g. 1 verwendeten, abgesehen von ihrer Versetzung aus der Zehnerreihe in die
Hunderterreihe.
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Nach F i g. 3 ist eine Wechselstromquelle über die Klemmen 110 und
111 durch eine kontaktfreie Schaltvorrichtung 150 an eine Belastung 113 angeschlossen.
Diese Schaltung arbeitet in der gleichen grundsätzlichen Weise wie die nach F i
g. 1 bei Öffnen und Schließen eines die Energie zur Betätigung zweier Steuerschaltungsabschnitte
130 und 140 zuführenden Schalters 160, wodurch die Freigabesignale für die Schaltvorrichtung
150 gesteuert werden.
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Die Freigabesignale für die kontaktfreie Schaltvorrichtung 150 werden
also durch die Schaltungsabschnitte 130 und 140 im allgemeinen ebenso wie durch
die vergleichbaren Schaltungsabschnitte nach F i g. 1 geliefert, jedoch mit dem
Unterschied, daß der von den Abschnitten 130 und 140 ausgehende Gleichstrom Wechselrichtern
oder Oszillatoren 170 bzw. 180 zugeführt wird. Die Wechselrichter liefern einen
Ausgangswechselstrom an die Transformatoren 171 bzw. 181. Dieser Wechselstrom ist
vorzugsweise von hoher Frequenz, um ein im wesentlichen sofortiges Ansprechen im
Augenblick des Einsetzens des Wechselrichters herbeizuführen. Solange der Schalter
160 geschlossen ist und die Wechselrichter 170 und 180 erregt sind, fließt Strom
durch die Transformatoren 171 und 181.
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Es seien beispielsweise die Sekundärwicklungen des Transformators
171 betrachtet, wovon die Wicklung 171 s mit Mitteln zum Gleichrichten und Filtern
des in ihr fließenden Wechselstroms verbunden ist. Diese Mittel können eine Diode
172, einen Filterkondensator 173 und einen Widerstand 174 umfassen. Während des
Arbeitens des Oszillators 170 wird der Transformator 171 erregt, und es tritt eine
gleichgerichtete Freigabespannung zwischen der Kathode und der Steuerelektrode eines
Stromtors 175 auf.
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Diese Spannung wird allen an einen Transformator, z. B. den Transformator
171, angeschlossenen Stromtoren zugeführt und hält einen Freigabegleichstrom zur
betreffenden Steuerelektrode in derselben Weise aufrecht, wie in Verbindung mit
der Schaltung nach F i g. 1 beschrieben worden ist. Diese Schaltung vermeidet die
Notwendigkeit eines gemeinsamen Kondensatornetzwerks oder einer Anpassung der Schaltzeiten
der reihengeschalteten Stromtore, da diese freigegeben werden, ehe sie Strom führen.
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Im Vorstehenden wurden bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, doch
sind zahlreiche Abwandlungen und Kombinationen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.