DE1413478C - Lastumschalter fur Stufentransforma toren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lastumschalter für Stufentransformatoren mit mehreren Abgriffen, bei dem die beiden umzuschaltenden Abgriffe mit dem Lastkreis über zwei Schaltimpedanzen verbunden sind, von denen jede mindestens zwei Thyristoren enthält, und mit zwei den Nulldurchgang des Laststromes feststellenden Nulldurchgangsdetektoren, die eingangsseitig über je einen Steuerkontakt mit einer Steuerschaltung verbunden sind, die der verzögerten Erregung der Thyristoren der zuvor gesperrten Schaltimpedanz dient.

Bei einem bekannter! Lastumschalter dieser Art ist es nicht möglich, die jeweils gesperrte Schaltimpedanz von der Spannung abzutrennen. Es ist vielmehr unbedingt notwendig, die Stufenspannung an den Klemmen der gesperrten Schaltimpedanz aufrechtzuerhalten, weil diese Spannung die Zündung der Thyristoren der anderen Schaltimpedanz bei jeder Halbwelle des Laststromes bestimmt. Es ist also nicht möglich, einen der Stufenkontakte mit Hilfe eines Spannungswählers auf einen anderen Abgriff des Stufentransformators umzuschalten, ohne den Laststrom zu unterbrechen. Außerdem müssen die Schalter bei der bekannten Anordnung so ausgeführt sein, daß sie unter der ganzen Stufenspannung geöffnet werden können. Sie müssen also entsprechend bemessen werden.

Bei einem anderen bekannten Lastumschalter wurde die Notwendigkeit einer Pause, erkannt, die wenigstens gleich der Zeit ist, die notwendig ist, damit die Thyristoren ihre vollständige Sperrkapazität erreichen. Dennoch kann es in bestimmten Betriebsfällen vorkommen, daß die Dauer zwischen dem Nulldurchgang und dem öffnungszeitpunkt des Schalters kleiner als die Zeit ist, die zur Erreichung des vollständigen Sperrzustandes der Schaltimpedanz benötigt wird. Es besteht daher die Gefahr, daß sich die Thyristoren in der einen Schaltimpedanz erneut zünden, und da inzwischen auch die andere Schaltimpedanz entsperrt worden ist, entsteht ein Stufenkurzschluß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lastumschalter zu schaffen, bei dem die Umschaltung der Stufenkontakte ohne Unterbrechung des Laststroms erfolgen kann und jede Gefahr eines Stufenkurzschlusses ausgeschlossen ist.

Nach der Erfindung wird dies bei einem Lastumschalter der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß je einer der beiden Nulldurchgangsdetektorcn in Reihe mit je einer der beiden Schaltimpcdanzen liegt und jeder Nulldurchgangsdetektor im Augenblick des Nulldurchgangs des durch die zugeordnete Schaltimpedanz fließenden Stromes ausgangsseitig einen Impuls abgibt, daß die Steuerschaltung eine bistabile elektronische Kippschaltung enthält, deren beide Eingänge an die beiden Stcuerkontakte angeschlossen sind, und daß parallel zu jeder Schaltimpcdanz mindestens zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zcncrdioden liegen.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Lastumschalters macht es durch die Verwendung einer an sich bekannten bistabilen elektronischen Kippschaltung möglich, die jeweils geölfnete Schaltimpedanz in Betrieb und die jeweils gesperrte Schaltimpedanz außer Betrieb zu halten, ohne daß es erforderlich ist, daß die jeweils gesperrte Schaltimpedanz an Spannung liegt. Die gesperrte Schaltimpedanz kann also durch einen Spannungswähler auf einen anderen Abgriff der Wicklung umgeschaltet werden, während der Laststrom durch die entsperrte Schaltimpedanz geht. Außerdem liegen die Steuerschaltungen nur an sehr kleinen Spannungen. Die parallel zu den Schaltimpedanzen liegenden, gegensinnig in Serie geschalteten Zenerdioden, die in bekannter Weise eine Spannungsbegrenzung bewirken, schützen die Schaltimpedanzen gegen Überspannungen, die insbesondere bei einem induktiven Lastkreis auftreten können.

ίο Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß jedem Ausgang der bistabilen Kippschaltung ein Verzögerungsglied nachgeschaltet ist, dessen Verzögerungszeit richtungsabhängig ist, derart, daß die größere Verzögerungszeit beim Umschalten der zugeordneten Schaltimpedanz auf Stromdurchlaß auftritt.

Eine andere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß jede Schaltimpedanz aus einer Ringschaltung von zwei Thyri-

ao stören und zwei Halbleitergleichrichter!! besteht, bei der der von den beiden Thyristoren gebildete Eckpunkt über den zugeordneten Nulldurchgangsdetektor mit dem Lastkreis und der von den beiden Halbleitergleichrichtern gebildete Eckpunkt mit einem Abgriff des Stufentransformators verbunden ist, bei der die verbleibenden Eckpunkte der Ringschaltung an eine durch die Steuerschaltung geschaltete, in Stromflußrichtung der Thyristoren gepolte Gleichspannung angeschlossen sind und bei der die Steuerelektroden der Thyristoren durch Impulse steuerbar sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser zweiten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode jedes Thyristors über ein Verzögerungsglied mit einer Ausgangswicklung eines Impuls-Übertragers verbunden ist, dessen zwei unter sich windungsgleiche Eingangswicklungen von einer zweiten bistabilen elektronischen Kippschaltung erregbar sind, deren beide Eingänge in Abhängigkeit von den beiden Nulldurchgangsdetektoren steuerbar sind.

Der Lastumschalter ist dann vorzugsweise so ausgestaltet, daß die zweite bistabile Kippschaltung derart über elektronische Schaltglieder verriegelt ist, daß ein Impuls an die Steuerelektroden der beiden Thyristoren einer Schaltimpedanz nur dann abgebbar ist, wenn der dieser Schaltimpedanz zugeordnete Steuerkontakt geschlossen ist und die in Stromflußrichtung der Thyristoren dieser Schaltimpedanz gepolte Gleichspannung anliegt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erll'utert. Darin zeigt

Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lastumschalters,

Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Strömen an verschiedenen Stellen der Anordnung von Fig. I,

Fig. 3 das Schaltbild eines Verzögcrungsglicds der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Verzögerungsglieds von F i g. 3,

Fi g. 5 das Schaltbild eines Gleichspannimgswandlers der Anordnung von F i g. 1,

F i g. 6 das Diagramm der vom Gleichspannungswandler von F i g. 5 abgegebenen Spannung,

F i g. 7 das Schaltbild einer zweiten Aiisführungsform des eriindungsgemiißen Lastumschallers.

Die Schaltungsanordnung von F i μ. 1 dient als Lastumschalter für einen Stufentransformator mit

einer Primärwicklung'l und einer Sekundärwicklung, die in eine Hauptwicklung 2 und eine Regelwicklung 3 unterteilt ist. Die Regelwicklung 3 ist mit Abgriffen 4 und 5 verbunden, so .daß sie durch den Lastumschalter entweder abgeschaltet oder in Serie mit der Hauptwicklung 2 geschaltet werden kann.

Der Lastkreis des Stufentransformators ist durch eine Impedanz 14 dargestellt, die völlig beliebig, insbesondere linear oder nichtlinear sein kann. Die Übertragung des Laststroms zur Impedanz 14 erfolgt entweder von dem Abgriff 4 über einen ersten Stromzweig 21, der eine Schaltimpedanz 6 enthält, oder vom Abgriff 5 über einen zweiten Stromzweig 22, der eine Schaltimpedanz 7 enthält.

Jede dieser beiden Schaltimpedanzen enthält wenigstens zwei Thyristoren 8, 9 bzw. 10, 11, die mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel zueinander geschaltet sind, so daß sie den Durchgang der beiden Halbwellen des Wechselstroms ermöglichen.

Die beiden Stromzweige 21 und 22 enthalten andererseits jeweils einen Nulldurchgangsdetektor 12 bzw. 13, die den Nulldurchgang des Laststroms in dem betreffenden Stromzweig feststellen. Hierfür kann jede Detektoranordnung verwendet werden, die im Augenblick des Nulldurchgangs des Laststroms einen Impuls an seinen Ausgangsklemmen 29 bzw. 30 abgeben kann. Beispielsweise kann ein solches Gerät aus einem Magnetkreis mit sehr rechteckiger, Hysteresisschleife gebildet sein, der so bemessen und vormagnetisiert ist, daß er vom Laststrom mit einer Wicklung gesättigt werden kann, die nur eine sehr geringe Zahl von Amperewindungen aufweist. Dann liefert eine Sekundärwicklung dieses Magnetkreises an den Klemmen 29 bzw. 30 bei jedem Nulldurchgang des Stroms abwechselnd einen positiven und einen negativen Impuls.

Eine bistabile Kippschaltung 15, beispielsweise eine Transistorkippschaltung, besitzt zwei Eingänge 31 und 32, die so ausgeführt sind, daß die Einwirkung eines Impulses von vorgegebener Polarität am Eingang 31 ein Umkippen von einem Zustand A in einen Zustand B hervorruft, während ein Impuls am Eingang 32 ein Umkippen vom Zustand B in den Zustand A zur Folge hat.

Diese Kippschaltung besitzt andererseits zwei Ausgänge 33 und 34, welche an ihren Klemmen im Zustand A die miteinander verknüpften Spannungen Vo bzw. Vm und im Zustand B die Spannungen Vm bzw. Vo abgeben.

Die Eingänge 31 und 32 sind über Steuerkontakte 18 bzw. 19 mit den Ausgangsklemmen 29 bzw. 30 der Nulldurchgangsdetektoren verbunden.

Der Ausgang 33 der Kippschaltung 15 ist mit den Klemmen 35 eines potentialtrennenden Gleichspannungswandler 16 verbunden. Dieser besitzt getrennte Ausgänge 20, die mit den Steuerelektroden 25 und 26 und den Katoden der Thyristoren der Schaltimpedanz 6 verbunden sind.

Der Ausgang 34 der Kippschaltung 15 ist mit den Klemmen 36 eines potentialtrennenden Gleichspannungswandlers 17 verbunden, der gleichfalls getrennte Ausgänge 20 aufweist, die mit den Steuerelektroden 27 und 28 und den Katoden der Thyristoren der Schaltimpedanz 7 verbunden sind.

Die Gleichspannungswandler 16 und 17 sind so ausgeführt, daß sie bei Zuführung der Spannung Vo arbeiten und bei Zuführung der Spannung Vm nicht arbeiten. Derartige potcntiultrennenilc Gleichspannungswandler können beispielsweise nach Art eines elektronischen Zerhackers aus Elektronenröhren oder Halbleiterschaltungselemcnten bestehen, die eine Vorspannungselektrode haben, welche bei Zuführung einer Spannung Vo ihren Betrieb zuläßt und bei Zuführung einer Spannung Vm den Betrieb sperrt.

Die Unterdrückung des Anodenstroms eines Thyristors in einem Zeitpunkt t., (F i g. 2) reicht nicht aus, daß dieser augenblicklich seinen isolierenden Zustand

ίο annimmt, selbst wenn die seiner Steuerelektrode zugeführte Spannung gleichzeitig unterdrückt wird. Es ist nämlich bekannt, daß während einer Dauer, die in der Größenordnung von 100 us liegen kann, die Zuführung einer Spannung, welche die Anode des Thyristors positiv gegen seine Katode macht, ein spontanes Wiederzünden des Thyristors trotz der Unterdrückung der Spannung des Steuerkreises ermöglichen würde. Aus diesem Grund ist es notwendig, ein zu schnelles Erscheinen von Spannungen zu verhindern, welche beim Zünden der Thyristoren dor zu öffnenden Schaltimpedanz erzeugt werden könnten und gegebenenfalls dazu führen könnten, daß die Anoden der Thyristoren der zu sperrenden Schaltimpedanz positiv gegen ihre Katoden gemacht würden. Es ist daher erforderlich, daß die Unterbrechung der Steuerspannung der Thyristoren der zu sperrenden Schaltimpedanz schneller gesteuert wird als das Zünden der Thyristoren der zu öffnenden Schaltimpedanz, damit sich nicht ein Kurzschluß zwisehen den Klemmen 4 und 5 der Wicklung 3 ausbilden kann.

Zu diesem Zweck ist der Eingang 35 des Gleichspannungswandlers 16 mit dem Ausgang33 der Kippschaltung 15 über ein Verzögerungsglied 23 verbunden. In gleicher Weise ist der Eingang 36 des Gleichspannungswandlers 17 mit dem Ausgang34 der Kippschaltung 15 über ein Verzögerungsglied 24 verbunden. Die Verzögerungsglieder 23 und 24 haben jeweils zwei verschiedene Zeitkonstanten, damit der Übergang von der Spannung Vm zur Spannung Vo an den Eingängsklemmen 35 bzw. 36 mit größerer Verzögerung erfolgt als der Übergang von der Spannung Vo zur Spannung Vm, so daß das Sperren einer Schalimpedanz schneller gesteuert wird als das Öffnen der anderen Schaltimpedanz.

Das als Beispiel in F i g. 3 dargestellte Verzögerungsglied besitzt Eingangsklemmen 37, welche zum Anschluß an einen der Ausgänge 33 und 34 der Kippschaltung bestimmt sind, und Ausgangsklemmen 38, welche mit einem der Eingänge 35 und 36 der Gleichspannungswandler 16 und 17 verbunden werden. *

Ein Kondensator 39 überbrückt die Ausgangsklemmen 38, und im Längszweig liegt ein Widerstand 40, über welchen der Kondensator 39 aufgeladen wird, wenn die Spannung an den Eingangsklenimcii 37 zunimmt.

Ein Widerstand 41 überbrückt den Widerstand 40 in Serie mit einer Gleichrichterzelle 42, deren Durehlaßrichtung den Durchgang des Stroms während des Aufladens des Kondensators zuläßt. Die Verzögerungsleitung hat dann eine kleine Zeitkonstante 7'1, welche durch die Resultierende aus den Widerständen 40 und 41 bestimmt ist, die sehr klein sein kann.

Wenn dagegen die Spannung an ilen Hingangsklemmen 37 abnimmt, kann sich der Kondensator nicht über den Widerstand 41 entladen, weil die Gleichrichterzelle 42 gesperrt ist. Die Verzögerungs-

leitung hat daher während dieser Betriebsphase eine sehr viel größere Zeitkonstante T2. Das Diagramm von Fig. 4 läßt folgendes erkennen: Wenn die Spannung an den Eingangsklemmcn 37 des Verzögerungsglied^ von einem Wert Vo auf einen Wert Vm entlang der Kurve 43 ansteigt, wächst die Spannung an den Ausgangsklemmen 38 sehr schnell mit einer Zeitkonstante 7" I entlang der Kurve 44. Die gesteuerten Thyristoren werden schnell gesperrt.

Wenn die Spannung an den Eingangsklemmcn vom Wert Vm zu dem Wert Vo entlang der Kurve 45 übergelit, nimmt die Spannung an den Ausgangsklemmen langsamer mit einer Zeitkonstante T2 entlang der Kurve 46 ab, und das öffnen der gesteuerten Thyristoren erfolgt mit größerer Verzögerung.

Die umzuschaltenden Zweige 21 und 22 liegen oft auf hohen Spannungen, so daß es erforderlich ist, daß die auf der Spannung der Sleucrelektroderi 25, 26 bzw. 27, 28 liegenden Schaltungen von den Niederspannungsorganen, insbesondere der Kippschaltung 15 und den Steuerkontakten 18 und 19 isoliert sind.

Zu diesem Zweck können die Steuerspannungen über einen Trenntransformator zu den Steuerelektroden übertragen werden. Die Gleichspannungswandler 16 und 17 können dann jeweils einen Wechselrichter enthalten, welcher die Primärwicklung des Trcnntransfonnators so speist, daß in der Sekundärwicklung eine Rechteckspannung induziert wird, die anschließend gleichgerichtet wird. Der Wechselrichter wird vom Eingang 35 bzw. 36 gesteuert, der seinen Betrieb bei einer Spannung Vo zuläßt, während er den Betrieb bei einer Spannung Vm verhindert.

Die gleichgerichtete Rechteckspannung ermöglicht es, eine Steuerspannung nach der Kurve Ue des Diagramms von Fig. 6 zu erhalten, die praktisch eine Gleichspannung ist. Es kann vorkommen, daß ein Zwischenraum zwischen zwei Rechteckzacken der gleichgerichteten Spannung Ue mit dem Beginn einer Halbwelle des Laststroms Ic zusammenfällt, der über den von dieser Spannung erregten Thyristor geht, wie im Diagramm von Fig. 6 dargestellt ist. Es ist deshalb wichtig, daß die Totzeit J / zwischen zwei Rechteckzacken so klein ist, daß selbst in einem solchen Fall das Wiederzünden des Thyristors gewährleistet ist, wenn dieser die Übertragung des Laststroms wieder aufnehmen soll.

Ein solcher Wechselrichter, der von den auf hoher Spannung liegenden Steuerkreisen isoliert ist, kann nach dem Schaltbild von F i g. 5 realisiert werden.

Ein Trcnntransformator 50 trägt eine Primärwicklung 63 mit einer Mittelanzapfung 61. Der negative Pol einer Gleichspannungsquelle 62 ist mit der Mittelanzapfung 61 der Wicklung 63 verbunden, während ihr positiver Pol über den einen oder den anderen von zwei synchronisierten Schaltern, die bei dem dargestellten Beispiel durch pnp-Transistoren 51 und 52 gebildet sind, abwechselnd mit der Klemme 59 und der Klemme 60 der Wicklung verbunden wird.

Die Emitter 53 und 54 der Transistoren sind mit dem positiven Pol der Stromquelle 62 verbunden, und ihre Kollektoren 55 bzw. 56 sind mit der Klemme 59 bzw. 60 der Wicklung 63 verbunden.

Eine Induktionswicklung 64 zur Steuerung der Transistoren ist auf dem Magnetkreis des Transformators angebracht. Sie enthält eine Mittelanzapfung 67, die mit den Emittern 53 und 54 verbunden ist, während ihre äußeren Klemmen 65 und 66 mit den Basen 57 und 58 über Widerstände 68 und 69 verbunden sind, die zur Begrenzung des Stroms in den Basiskreisen dienen. Ein Widerstand 70 verbindet die Basis 57 des Transistors 51 mit dessen Kollektor 55, damit eine Asymmetrie hervorgerufen wird, auf Grund welcher die Kippschwingung ausgelöst werden kann.

Die Verbindung der Mittelanzapfung 67 mit den Emittern 53 und 54 erfolgt über die Ausgangsklemmen 38 des Verzögerungsglieds 23 bzw. 24 in der Weise, daß eine an diesen Klemmen erscheinende Spannung Vm die Basen 57 und 58 positiv gegen die Emitter 53 und 54 macht, so daß die beiden Transistoren gesperrt sind.

Wenn eine in der Nähe des Wertes Null liegende Spannung Vo an den Ausgangsklemmen 38 des Verzögerungsgliedes erscheint, arbeitet der- Wechselrichter normal. Ein linear ansteigender Strom fließt abwechselnd durch die beiden Transistoren, wodurch auf der Sekundärseite des Transformators 50 eine Rechteckspannung induziert wird.

Diese Sekundärseite trägt ebenso viele Wicklungen 71, wie die zu steuernde Impedanz Thyristoren enthält, also bei dem Schalter von F i g. 1 zwei Sekundärwicklungen 71. Jede Wicklung 71 besitzt eine Mittelanzapfung 72 und speist einen Zweiweggleichrichter mit zwei Gleichrichterzellen 73, so daß an den Ausgangsklemmen 20 eine dem Diagramm von Fig. 6 entsprechende, praktisch kontinuierliche Gleichspannung abgegeben wird.

Die Schaltungsanordnung von F i g. 1 arbeitet dann in folgender Weise:

Wenn die Kippschaltung 15 im Zustand A ist, gibt sie eine Spannung Vo an ihren Ausgangsklemmen 33 und eine Spannung Vm an ihren Ausgangsklemmen 34 ab. Die Spannung Vo bewirkt den Betrieb des Gleichspannungswandler 16, wodurch die Schaltimpedanz 6 geöffnet wird. Die Spannung Vm widersetzt sich dem Betrieb des Gleichspannungswandlers 17), so daß die Schaltimpedanz 7 gesperrt ist. Der Laststrom wird ausschließlich über den Zweig 21 übertragen.

Wenn die Kippschaltung 15 im Zustand B ist, gibt sie eine Spannung Vm an ihren Ausgangsklemmen 33 und eine Spannung Vo an ihren Ausgangsklemmen 34 ab. Der Gleichspannungswandler 16 ist nicht in Betrieb, so daß die Schaltimpedanz 6 gesperrt ist. Der Gleichspannungswandler 17 ist in Betrieb, so daß die Schaltimpedanz 7 geöffnet ist. Der Laststrom wird ausschließlich über den Zweig 22 übertragen.

Die Umschaltung vom Zweig 21 auf den Zweig 22 erfolgt durch ein Umkippen der Kippschaltung aus dem Zustand Λ in den Zustand B. Der Stromfluß über die Schaltimpedanz 6 erfolgt entsprechend der Kurve /_e des Diagramms von F i g. 2, und man schließt den Steuerkontakt 18 in einem beliebigen Zeitpunkt, beispielsweise im Verlauf der negativen Halbwelle der Kurve I₆. Das Umkippen erfolgt erst zur Zeit f₂, ohne daß der Impuls im Zeitpunkt f, eine Wirkung hat, wenn die zur Einwirkung auf den Eingang 31 der Kippschaltung erforderliche Polarität der Polarität eines am Ende einer positiven Halbwelle abgegebenen Impulses entspricht.

Das Umkippen aus dem Zustand A in den Zustand B erfolgt außerordentlich schnell. Der Laststrom wird entsprechend der Kurve I₇ von Fig. 2 praktisch augenblicklich von der Schaltimpedanz 7 übernommen, und der Strom in der Impedanz 14

7 8

entspricht der Kurve I₁₄ dieses Diagramms. Im für einen Stufentransformator bestimmt ist, der eine

Zeitpunkt i., geht die Spannung an den Ausgangs- Primärwicklung 101, eine Hauptsekundärwicklung

klemmen 33 der Kippschaltung 15 unmittelbar von 102 und eine Rcgelwicklung 103 aufweist. Die Ab-

dem Wert Vo auf den Wert Vm über, so daß der griiTe 104 und 105 der Regelwicklung 103 werden

Gleichspannungswandler 16 zu arbeiten aufhört. Die 5 durch den Lastumschalter mit zwei Stromzweigen

Spannungen, welche dieser Gleichspannungswandler 121 bzw. 122 so verbunden, daß der Strom über den

zu den Steuerelektroden 25 und 26 der Thyristoren 8 einen oder den anderen dieser beiden Zweige zu dem

und 9 liefert, werden also in diesem Zeitpunkt t., Lastkreis 114 übertragen v/ird.

unterbrochen. " Wie bei der Ausfiihrungsform von Fig. 1 enthal-

Die Anoden-Katoden-Spannung des Thyristors 9 io ten die Zweige 121 und 122 jeweils eine Schaltimpewar während der dem Zeitpunkt Z₂ vorangehenden danz 106, 107 und einen Nulldurchgangsdetektor positiven Halbwelle negativ. Durchlesen Thyristor 112, 113 mit Ausgangsklemmen 129 bzw. 130.
floß also kein Anodenstrom, und er geht unmittelbar Die Schaltimpedanz 106 besteht aus einer Ringin den gesperrten Zustand über, sobald im Zeit- schaltung mit zwei Halbleiterglcichrichtern 174 und punkt f., seine Zündspannung unterbrochen wird. 15 175 und zwei Thyristoren 108 und 109, die alle mit

Dage'gen floß durch den Thyristor 8 während der gleicher Durchlai3richtung entlang der Ringschaltung

dem Zeitpunkt t₂ vorangehenden Halbwelle ein An- in Serie geschaltet sind.

odenstrom. Es besteht daher die Möglichkeit, daß Der Stromzweig 121 ist einerseits an den Eckpunkt dieser Thyristor während einer Zeitdauer, die in der zwischen der Katode des Halbleitergleichrichters 174 Größenordnung von 100 μβ liegen kann, nach dem 20 und der Anode des Halbleitergleichrichters 175 und Zeitpunkt t₂ wieder gezündet wird. Dieses Wieder- andererseits an den Eckpunkt zwischen der Katode zünden könnte durch eine Spannung hervorgerufen des Thyristors 108 und der Anode des Thyristors werden, welche während dieser Zeitdauer von 100 μβ 109 angeschlossen. Ein Gleichspannungswandler 116 infolge des Zündens der Thyristoren 10 und 11 der mit Eingangsklemmen 135 ist an seinen Ausgangs-Schaltimpedanz 7 erzeugt werden könnte. Dieses 25 klemmen 120 mit seinem positiven Pol an den Eck-Wiederzünden wird durch die Verzögerungsglieder 23 punkt zwischen der Anode des Thyristors 108 und und 24 verhindert. Das Verzögerungsglied 23 bewirkt, der Katode des Halbleitergleichrichters 175 und mit daß die Vorspannung des Gleichspannungswandlers seinem negativen Pol an den Eckpunkt zwischen der 16 mit einer sehr kleinen Zeitkonstante 71 von dem Katode des Thyristors 109 und der Anode des Halb-Wert Vo auf den Wert Vm übergeht, was eine prak- 30 leitergleichrichters 174 angeschlossen. Der Stromtisch augenblickliche Sperrung des Gleichspannungs- kreis dieses Gleichspannungswandlers schließt sich Wandlers zur Folge hat. Dagegen läßt das Verzöge- also über die Thyristoren, während diese erregt sind, rungsglied 24 den Übergang der Vorspannung des ohne daß dieser Gleichstrom über die Halbleiter-Gleichspannungswandlers 17 vom Wert Vm auf den gleichrichter fließen kann.

Wert Vo nur mit einer größeren Zeitkonstante Γ2 35 Die Schaltimpedanz 107 enthält in gleicher Weise zu, so daß die Schaltimpedanz 7 mit einer kleinen zwei Halbleitergleichrichter 176 und 177 sowie zwei Verzögerung in den geöffneten Zustand gebracht wird. Thyristoren 110 und 111, welche in gleicher Weise Die Schaltimpedanz 6 kann daher ihren gesperrten miteinander verbunden sind. Die Schaltimpedanz ist Zustand endgültig annehmen, bevor die Schaltimpe- in derselben Weise mit dem Stromzweig 122 und mit danz 7 geöffnet wird. Dadurch wird jede Gefahr eines 40 den Ausgangsklemmen 120 eines Gleichspannungs-Kurzschlusses zwischen den Klemmen 4 und 5 der wandlers 117 verbunden, der zwei Eingangsklemmen Regelwicklung 3 des Stufentransformators ausge- 136 aufweist.

schaltet. Diese sehr geringfügige Verzögerung bleibt Die Gleichspannungswandler 116 und 117 können

jedoch ohne wesentliche Wirkung auf den Laststrom. nach dem gleichen Prinzip wie diejenigen von Fig. 1

Das Umschalten von dem Zweig 22 auf den Zweig 45 aufgebaut sein, beispielsweise in Form eines Wech-

21 erfolgt in völlig gleicher Weise durch ein Um- selrichters, der einen Transformator so speist, daß

kippen der Kippschaltung 15 aus dem Zustand B in eine praktisch kontinuierliche Gleichspannung an

den Zustand A nach dem Schließen des Steuerkon- den Klemmen eines Gleichrichterkreises abgegeben

takts 19 in einem beliebigen Zeitpunkt. wird.

Es ist zu erkennen, daß bei der Ausführungsform 50 Eine bistabile Kippschaltung 115 besitzt einen

von F i g. 1 die Steuerelektroden der Thyristoren der Eingang 131, welcher bei Zuführung eines Impulses

jeweils geöffneten Schaltimpedanz während der Dauer die Kippschaltung aus einem Zustand A in einen

des Durchgangs des Laststroms dauernd an Spannung Zustand B bringt, und einen Eingang 132, welcher

liegen. bei Zuführung eines Impulses die Kippschaltung

Die meisten Thyristoren können ohne weiteres den 55 umgekehrt aus dem Zustand B in den Zustand A

Dauerstrom übertragen, der sich dadurch in ihren bringt.

Steuerkreisen ergibt. Bei Thyristoren, welche diesen Die Eingangsklemmen 131 sind mit den Ausgangs-Strom nicht dauernd zulassen, kann dieser jedoch klemmen 129 des Nulldurchgangsdetektors 112 über dadurch vermieden werden, daß zwischen der Anode einen Steuerkontakt 118 verbunden. Die Eingangsund der Katode jedes der Thyristoren während der 60 klemmen 132 sind mit den Ausgangsklemmen 130 Dauer der Stromübertragung eine Gleichspannung so des Nulldurchgangsdetektors 113 über einen Steuerangelegt wird, daß ein Strom fließt, der die Zündung kontakt 119 verbunden.

des Thyristors aufrechterhalten kann. Es genügt dann Die Kippschaltung 115 gibt im Zustand A eine

die Zuführung eines einfachen Impulses zu den Spannung Vo an ihren Ausgangsklemmen 133 und

Steuerelektroden der Thyristoren, damit diese ge- 65 eine Spannung Vm an ihren Ausgangsklemmen 134

öffnet werden. ab. Umgekehrt erhält man im Zustand B eine Span-

Dieses Ergebnis wird bei der Ausführungsform nung Vm an den Klemmen 133 und eine Spannung von F i g. 7 erreicht, die wiederum als Lastumschalter Vo an den Klemmen 134. Die Klemmen 133 sind

mit den Eingangsklemmen 135 des Gleichspannungswandlers 116 verbunden, und die Klemmen 134 sind mit den Eingangsklemmen 136 des Gleichspannungswandlers 117 verbunden, wobei jeweils der Betrieb dieser Gleichspannungswandler bei der Vorspannung Vo zugelassen und bei der Spannung Vm gesperrt wird.

Eine zweite bistabile Kippschaltung 178 enthält zwei Eingänge 179 und 180, die so ausgeführt sind, daß die Kippschaltung bei Zuführung eines Impulses am Eingang 179 aus einem Zustand A in einen Zustand D umkippt, während die Zuführung eines Impulses am Eingang 180 das umgekehrte Umkippen auslöst. Ein erster Ausgang 181 liefert im Zustand A eine Spannung Ve, und ein zweiter Ausgang 182 liefert im Zustand D die Spannung Ve.

Die Eingangsklemmen 179 sind mit den Eingangsklemmen 131 der ersten Kippschaltung 115 über ein elektronisches Schaltglied 183 von geringer Leistung verbunden, dessen Stcuerkreis mit den Ausgangsklemmen 133 der Kippschaltung 115 so verbunden ist, daß dieser Thyristor nur dann gcölTnet wird, wenn an den Klemmen 133 die Spannung Vm bestellt, nachdem die Kippschaltung 115 in den Zustand B gegangen ist.

In gleicher Weise sind die Eingangsklcmmen 180 mit den Eingangsklcmmen 132 der Kippschaltung 115 über ein elektronisches Schaltglied 184 verbunden, dessen Stcuerkreis mit den Ausgangsklemmen 134 der Kippschaltung 115 verbunden ist.

An die Ausgangsklemmen 181 der Kippschaltung 178 sind zwei Wicklungen 187 in Serie angeschlossen. Jede dieser Wicklungen liegt auf einem Impiilsübertragcr 185 bzw. 186, dessen Magnetkreis eine rechteckige Hysteresisschlcife hat, und sie hat eine so große Windungszahl, daß sie diesen Magnetkreis sättigen kann, wenn die Spannung Ve an den Klemmen 181 erscheint.

In gleicher Weise sind zwei Wicklungen 188 in Serie an die Ausgangsklemmen 182 der Kippschaltung 178 angeschlossen. Diese Wicklungen liegen in gleicher Weise auf den Magnetkrciscn der Impulsübertrager 185 und 186, und sie haben die gleiche Windungszahl wie die Wicklungen 187, jedoch entgegengesetzt gerichtete Amperewindungen beim Erscheinen einer Spannung Ve an den Klemmen 182.

Die Wicklungen 187 und 188 stellen die Eingangswicklungen der Impulsübertrager 185 und 186 dar. Der Impulsübertrager 185 trägt ferner zwei Ausgangswicklungen 189, und der Impulsübertrager 186 trägt zwei Ausgangswicklungen 190. In diesen Ausgangswicklungen werden Impulse entgegengesetzter Richtung induziert, je nachdem, ob eine Spannung Vc an den Klemmen 181 oder an den Klemmen 182 erscheint. Die Ausgangswicklungen 189 sind mit den Stellerelektroden der Thyristoren 108, 109 der Schaltimpcdanz 106 in solchem Sinne verbunden, daß das Zünden durch denjenigen Impuls bewirkt wird, der beim Erscheinen tier Spannung Vc an den Klemmen 181 induziert wird, während ein Impuls, der durch eine Spannung Vc an den Klemmen 182 induziert wird, ohne Wirkung auf die Thyristoren tier Selialtimpcdanz 106 bleibt. In gleicher Weise sintl die Ausgangswicklungen 190 mit den Steuerelektroden der Thyristoren 110, Hl tier S'ehaltiinpedan/. 107 derart verbunden, daß das Zünden dieser Thyristoren ausgelöst wird, wenn eine Spannung Ve an den Klemmen 182 erscheint.

Ebenso wie bei der Schaltungsanordnung von Fig. 1 enthalten die Steuerkreise der Thyristoren Verzögerungsglieder 123 und 124, jedoch haben diese Verzögerungsglieder nur eine einzige Zeitkonstante, die so bemessen ist, daß das Zünden mit einer Verzögerung erfolgt, durch welche die Schaltimpedanz erst dann geöffnet wird, wenn die Schaltimpedanz des anderen umzuschaltenden Zweiges vollständig gesperrt ist. Die Umschaltung geschieht dann in folgender Weise: Wenn die Kippschaltungen 115 und 178 im Zustand A sind, arbeitet der Gleichspannungswandler 116, der eine vollkommene oder nahezu vollkommene Gleichspannung abgibt. Da die Thyristoren 108 und 109 der Schaltimpedanz 106 nach dem vorangehenden Umkippen in den Zustand A in einer nachstehend noch zu erläuternden Weise gezündet worden sind, schickt der Gleichspannungswandler 116 dauernd über die Thyristoren einen Gleichstrom, der sie im geöffneten Zustand hält. Der Zweig 121 überträgt daher den Strom von der Klemme 104 zum Lastkreis 114. Der Gleichspannungswandler 117 ist durch die Spannung Vm an den Ausgangsklemmen 134 der Kippschaltung 115 gesperrt, und der Zweig 122 führt keinen Strom.

Die Umschaltung vom Zweig 121 zum Zweig 122

erfolgt dadurch, daß der Steuerkontakt 118 in einem beliebigen Zeitpunkt geschlossen wird, beispielsweise während der negativen Halbwelle des über die Schaltimpedanz 106 fließenden Laststroms entsprechend der Kurve/,, des Diagramms von Fig. 2. Die Ausgangsklemmen 129 des Nulldurchgangsdetcktorsll2 sind mit den Eingangsklemmen 131 der Kippschaltung 115 so verbunden, daß der Impuls im Zeitpunkt I₁ am Ende der negativen Halbwelle der zur Auslösung des Umkippens erforderlichen Polarität entspricht. Die Kippschaltung 115 geht daher im Zeilpunkt /, in den Zustand D.

4" Die Spannung an den Ausgangsklemmen 133 der Kippschaltung 115 geht von Vo nach Vm, und der Gleichspannungswandler 116 hört zu arbeiten auf. Die Zündung der Thyristoren 108 und 109 der Schaltimpedanz 106 wird nicht mehr vom Gleichspannungswandler 116 aufrechterhalten. Jedoch bleibt diese Zündung während einer sehr kurzen Zeitdauer bestehen, die in der Größenordnung von 100 |ts liegen kann und ausreicht, um den stromführenden Zustand des Thyristors 108 aufrechtzuerhalten, wenn dieser durch die sich an den Zeitpunkt f, anschließende positive Halbwolle.an Spannung gelegt wird. Die Schaltimpetlaiiz 106 wird also erst im Zeitpunkt /., gesperrt.

Die Spannung an i\c\\ Ausgangsklemmen 134 tier Kippschaltung 115 geht gleich/eilig im Zeitpunkt r, von Vm nach Vo, wodurch der Gleichspannungswandler 117 in Betrieb gesetzt wird. Jedoch sind die Thyristoren 110 und III der Schallinipedanz 107 noch nicht gezündet, so daß der Gleichspannungswandler 117 noch keinen Strom über die Thyristoren schicken kann.

Die Spannung Vm an den Ausgangsklemmen 133 tier Kippschaltung 115 zündet das elektronische Schaltglied 183, wodurch tlie liingangsklemmeii 179 der Kippschaltung 178 mit ilen Ausgangsklemmen 129 ties Nulldiiichgangsdetektois 112 verbunden werden. Der darauffolgende Impuls im Zeitpunkt (., geht also zu den Klemmen 179. Die Verbindungen

sind so ausgeführt, daß dieser Impuls die Polarität hat, weiche für die Auslösung des Umkippens der Kippschaltung 178 erforderlich ist, so daß diese im Zeitpunkt Λ, in den Zustand B geht.

Die Spannung Ve an den Ausgangsklemmen 181 der Kippschaltung 178 verschwindet, und gleichzeitig erscheint eine Spannung Ve an den Ausgangsklemmen 182. Die Wicklungen 188 werden erregt, während die Erregung der Wicklungen 187 aufhört. Da die Amperewindungen dieser Wicklungen entgegengesetzte Richtungen haben, ändert sich die Richtung der Sättigung der Magnetkreise der Impulsübcrttager 185 und 186. Dadurch wird ein Impuls in den Wicklungen 189 und 190 erzeugt. Die Verbindungen der Steuerelektroden der Thyristoren 110 und 111 mit den Wicklungen 190 sind so ausgebildet, daß der dann abgegebene Impuls die Polarität hat, welche für das Zünden der Thyristoren 110 und 111 erforderlich ist. Dagegen sind die Verbindungen der Steuerelektroden der Thyristoren 108 und 109 mit den Wicklungen 189 so getroffen, daß der abgegebene Impuls die entgegengesetzte Polarität wie der erforderliche Zündimpuls hat, so daß er ohne Wirkung bleibt.

Die Schaltimpedanz 107 wird daher mit einer durch die Verzögerungsglieder 124 bestimmten Verzögerung nach dem Zeitpunkt /., geöffnet, und der Gleichspannungswandler 117 hält den stromführenden Zustand aufrecht.

Die Umschaltung von dem Zweig 122 auf den Zweig 121 erfolgt in gleicher Weise durch Schließen des Steuerkontaktes 119. Die Kippschaltung 115 geht in den Zustand A. Der Gleichspannungswandler 116 beginnt zu arbeiten, und der Gleichspannungswandler 117 wird durch die Spannung Vm an den Klemmen 134 gesperrt. Die Kippschaltung 178 geht eine Halbwelle nach der Kippschaltung 115 gleichfalls in den Zustand A. Die Spannung Ve an den Klemmen 182 verschwindet, und eine Spannung Ve erscheint an den Klemmen 181. Die Wicklungen 187 werden erregt, während die Erregung der Wicklungen 188 aufhört. Die Sättigung der Magnetkreise der Impulsübertrager 185 und 186 ändert ihre Richtung, wodurch ein Impuls zu den Steuerelektroden der Thyristoren geschickt wird, welcher die entgegengesetzte Richtung wie im vorhergehenden Fall hat. Dadurch werden die Thyristoren 108 und 109 gezündet, so daß die Schaltimpedanz 106 geölliiet wird.

Wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 erfolgt daher die Umschaltung praktisch augenblicklich beim Nulldurchgang des Stroms im Lastkreis 114, so daß sich auch diese Umschaltung durch ein vollständiges Fehlen von Kurzschlußströmcn zwischen den beiden umgeschalteten Abgriffen des Stufentransfonnators auszeichnet.

Hs ist offensichtlich, daß bei beiden Ausführungsformen des beschriebenen Lastumschalter Überspannungen für eine sehr kurze Zeit wahrend der Umschaltung an den Halbleiterorganen auftreten können, welche die Schaltinipcdan/cn bilden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Lastkreis induktiv ist, weil der Nulldurchgang des Stroms in der I ast dann mit dom Zeitpunkt zusammenfällt, in welchem die Spannung an den Klemmen der Transfornialo! wicklungen ein Maximum ist und den Wert V \n hat.

Damit ein wirksamer Schul/ der beiden Schaltimpcdim/cn gegen diese Überspannungen erzielt wird, sind zwei Zencrdioden 291 und 292 gegensinnig in Serie an die Klemmen der zu schützenden Schaltimpedanz angeschlossen. Diese Anordnung bewirkt eine Spannungsbegrenzung unabhängig von der Polarität der Überspannung. Die Zenerdioden sind so bemessen, daß ihre Zenerspannung kleiner als die kleinste Spannung ist, welche die Thyristoren der Impedanz beschädigen könnte, aber merklich größer als die Spitzenspannung, welche im regulären Bctrieb an den Klemmen der Schaltimpedanz auftritt, wenn ihre Thyristoren gesperrt sind.

Es ist offensichtlich, daß der beschriebene Lastumschalter bei allen Stufentransformatorcn mit beliebig vielen Abgriffen anwendbar ist, bei welchen zwei Abgriffe in an sich bekannter Weise durch einen Spannungswähler vor der Umschaltung ausgewählt werden.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Lastumschalter für Stufentransformatorcn mit mehreren Abgriffen, bei dem die beiden umzuschaltenden Abgriffe mit dem Lastkreis über zwei Schaltimpcdanzcn verbunden sind, von denen jede mindestens zwei Thyristoren enthält, und mit zwei den Nulldurchgang des Laststroms feststellenden Nulldurchgangsdetektoren, die eingangsseitig über je einen Steuerkontakt mit einer Steuerschaltung verbunden sind, die der verzögerten Erregung der Thyristoren der zuvor gesperrten Schaltimpcdanz dient, dadurch gekennzeichnet, daß je einer der beiden NuIldurchgangsdetektoren (12, 13; 112.113) in Reihe mit je einer der beiden Schaltimpedanzen (6, 7; 106, 107) liegt und jeder Nulldurcimaimsdetektor (12, 13; 112, 113) im Augenblick des Nulldurchgangs des durch die zugeordnete Schaltimpedanz (6, 7; 106, 107) fließenden Stroms ausgangssei tig einen Impuls abgibt, daß die Steuerschaltung eine bistabile elektronische Kippschaltung (15; 115) enthält, deren beide Hingänge an die beiden Steuerkontakte (18, 19; 118, 119) angeschlossen sind, und daß parallel zu jeder Schaltimpedanz (6, 7; 106, 107) mindestens zwei gegensiniiig in Reihe geschaltete Zenerdioden (291, 292) liegen.

2. Lastumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schallimpedanz (6, 7; 106, 107) aus zwei gegenparallelueschalteten Thyristoren (8, 9 bzw. 10, 11; 108, 109 bzw. 110, 111) besteht. ' ·

3. Laslumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ausgang der'

'55 bistabilen Kippschaltung (15) ein Verzögerungsglied (23, 24) nachgeschaltet ist. dessen Verzögeiimgszeit richtungsabhängig ist. derart, daß die größere Verzögeriingszeit beim Umschalten der zugeordneten Schaltimpedanz (6, 7) auf

6ü Stronidurchlaß auftritt. ·

4. Lastumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis' 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuereingang jetler Schaltinipedanz (6,7) ein potentialtrennender Gleichspannungswandler (16, 17) nach Art eines elektronischen Zerhackers vorgeschaltet ist.

5. Lastumschalter nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß jede Seluiltimpedanz (106,

107) aus einer Ringschaltung von zwei Thyristoren (108,109 bzw. 110, 111) und zwei HaIbleiterglcichrichtcrn (174, 175 bzw. 176, 177) besteht, bei der der von den beiden Thyristoren (108, 109 bzw. 110, 111) gebildete Eckpunkt über den zugeordneten Nulldurchgangsdctcktor . (112 bzw. 113) mit dem Lastkreis (114) und der von den beiden Halbleitergleichrichtern (174, 175 bzw. 176, 177) gebildete Eckpunkt mit einem Abgriff (104 bzw. 105) des Stufcntransformators verbunden ist, bei der die verbleibenden Eckpunkte der Ringspaltung an eine durch die Steuerschaltung geschaltete, in Stromflußrichtung der Thyristoren (108, 109 bzw. 110, 111) gcpolte Gleichspannung angeschlossen sind und bei der die Steuerclekfrodcn der Thyristoren (108, 109, 110, Hl) durch Impulse steuerbar sind.

6. Lastumschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung von einem potcntialtrenncnden Glcichspannungswandler (116, 117) nach Art eines elektronischen Zerhackers geliefert ist.

7. Lastumschalter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode jedes Thyristors (108, 109, 110, 111) über ein Verzögerungsglied (123, 124) mit einer Ausgangswicklung eines Impulsübertragers (185,186) verbunden ist. dessen zwei unter sich windungsgleiche Eingangswicklungen (187, 188) von einer zweiten bistabilen elektronischen Kippschaltung (178) erregbar sind, deren beide Eingänge (179,

180) in Abhängigkeit von den beiden NuIldurchgangsdctcktoren (112, 113) steuerbar sind.

8. Lastumschalter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsübertrager (185, 186) einen Magnetkreis aus einem Material mit im wesentlichen rechteckiger Hystcrcsisschleife besitzt.

9. Lastumschalter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Thyristoren (108, 109 bzw. HO, 111) einer Schaltimpcdanz (106 bzw. 107) ein gemeinsamer Impulsübertrager (185 bzw. 186) mit zwei Ausgangswicklungen (189 bzw. 190) vorgesehen ist.

10. Lastumschalter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende Eingangswicklungen (187 bzw. 188) der Impulsübertrager (185, 186) in Reihe an je einen Ausgang (181 bzw. 182) der zweiten bistabilen Kippschaltung (178) angeschlossen sind.

11. Lastumschalter nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite bistabile Kippschaltung (178) derart über elektronische Schaltgliedcr (183, 184) verriegelt ist, daß ein Impuls an die Steuerelektroden der beiden Thyristoren (108, 109 bzw. 110, 111) einer Schaltimpedanz (106 bzw. 107) nur dann abgebbar ist, wenn der dieser Schaltimpedanz zugeordnete Stcuerkontakt (118 bzw. 119) geschlossen ist und die in Stromflußrichtung der Thyristoren dieser Schaltimpedanz gepolte Gleichspannung anliegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen