DE1463075B2 - Vorrichtung zur Verhinderung von Über spannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verhinderung von Überspannungen, die an Induktionswicklungen beim Abschaltvorgang entstehen, wobei die Induktionswicklung durch ein Halbleiter-Schaltelement überbrückt ist, das beim Überschreiten eines der Überspannung entsprechenden Schwellenwertes der angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand schaltet.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß an Induktionswicklungen beim... plötzlichen Abschalten des hin- durchfließenden Stromes Spannungen auftreten, die ein Mehrfaches'^; der Betriebsspannung betragen. Diese Überspannung, .entsteht infolge Selbstinduktion beim schnellen Zusammenbrechen des elektromagnetischen Feldes. Insbesondere bei größeren Induktionswicklungen, z.. B. den Feld- und Ankerwicklungen mancher Elektromotoren, muß eine sehr erbebliche Feldenergie abgebaut werden, ehe die Überr spannung beseitigt ist.

Beachtet man diese Überspannung nicht, kommt es leicht zu Überschlägen, Kurzschlüssen, Wicklungsbränden und damit zu störenden Betriebsausfällen. Hierbei ist besonders zu beachten, daß die Überspannung nicht nur zwischen den Enden der Induktionswicklung auftritt, sondern in entsprechend reduziertem Maße auch zwischen den einzelnen Windungen der Wicklung.

Es ist bekannt, als Überbrückungselement eine Zener-Diode zu verwenden. Zur Funkenlöschung bei einem Kollektormotor kleiner Spannung sind auch schon zwei gegeneinander gepolte Zener-Dioden in Reihe geschaltet und jeder Ankerspule parallel geschaltet worden. Die Zener-Diode ist aber nur kurzzeitig leitend, da sie beim Unterschreiten der Zenerspannung wieder in den hochohmigen Zustand zurückkehrt. Daher dauert der dem Abschalten folgende Zustand relativ lange, und es treten sehr starke elektromagnetische Störeffekte auf. Die Möglichkeit, die Zenerspannung über mehrere Zenerpotenzen hinweg zu verändern, stößt in der Praxis auf fast unüberwindliche Schwierigkeiten. Die verarbeitbare Energie ist infolge des Vorhandenseins einer Sperrschicht begrenzt.

Des weiteren ist es bekannt, die hohen Spannungsspitzen durch den Einbau von kleinen Überspannungs-Funkenstrecken abzubauen. Derartige Funkenstrecken lassen sich aber nicht genau auf einen Wert kurz oberhalb der Netzspannung einstellen. Außerdem ändert sich der Überschlagwert dieser Funkenstrecke in Abhängigkeit von Verschmutzungen, Schmorstellen u. dgl. Man muß daher auch hierbei einen ganz erheblichen Sicherheitsfaktor bei der Isolation einkalkulieren.

Sodann ist es bekannt, als Überbrückungselement eine mit einem Widerstand in Reihe liegende Glimmröhre zu verwenden. Eine solche Glimmröhre ist aber empfindlich gegen Erschütterungen, wie sie insbesondere bei elektrischen Maschinen auftreten. Ihre Zündspannung läßt sich nicht allen gewünschten Überspannungen anpassen, weil eine untere Grenze der Zündspannung nicht unterschritten und eine obere Grenze der Zündspannung nicht überschritten werden kann.

Auch wurde schon zur Funkenlöschung angegeben, einen Varistor, also einen spannungsabhängigen Widerstand, dessen Widerstandswert mit steigender Spannung abnimmt, parallel zu einer Induktivität zu schalten. Über diesen Varistor fließt aber dauernd ein Leckstrom, der nicht vernachlässigt werden kann. Außerdem spricht der Varistor auf geringfügige Spannungserhöhungen nicht merkbar an; es besteht daher keine Möglichkeit, die Betriebsspannung kurz unterhalb des Uberspannungswertes zu wählen.

Sodann sind elektronische Halbleiterschaltelemente bekannt, die beim Überschreiten eines Schwellenwertes der angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand schalten, in diesem Zustand verbleiben und bei einer plötzlichen Stromunterbrechung in den hochohmigen Zustand zurückschalten.

Schließlich sind für Fernsprechzwecke Schaltelemente in der Form von aus mehreren monokristallinen Schichten aufgebauten Dioden bekannt, z. B. Fünf-Schicht-Dioden. Diese haben die Eigenschaft, daß sie beim Überschreiten eines Schwellenwertes der angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen und in der Nähe des Stromnulldurchganges wieder zurückschalten. Die Schwellenspannung ist bei diesen im wesentlichen von der Sperrschicht abhängig und kann nicht beliebig variiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Überbrückungselement zu Verhinderung von Überspannungen anzugeben, das die Nachteile der eingangs beschriebenen Überbrückungselemente nicht aufweist und insbesondere eine große Anpassungsfähigkeit an alle erdenklichen Anwendungszwecke besitzt, beim Normalbetrieb im wesentlichen als offener Schalter wirkt, gegen Erschütterungen unempfindlich ist, die Feldenergie vollständig zu vernichten gestattet, eine rasche Vernichtung der Feldenergie erlaubt, die mit dem häufigen Ein- und Ausschalten verbundenen elektromagnetischen Störungen verhindert und auch für große Abschaltleistungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Halbleiterschaltelement einen sperrschichtfreien Aufbau hat, daß sein Schwellenwert durch Wahl des Mischungsverhältnisses seiner Bestandteile oder durch Wahl seiner Dicke einstellbar ist und daß das Element erst in der Nähe des Stromnulldurchgangs wieder in den hochohmigen Zustand zurückschaltet.

Die erfindungsgemäß verwendeten Überbrückungselemente können im hochohmigen Zustand einen Widerstandswert.von mehreren Megohm haben, wirken also praktisch als offener Schalter. Bei einem genau vorgegebenen Schwellenwert, der nur wenig über der normalen Betriebsspannung der Induktionswicklung zu liegen braucht, schaltet er in einen niederohmigen Zustand um, der in der Größenordnung von 1 Ohm liegen kann. Die Induktionswicklung ist dann parktisch kurzgeschlossen, und es fließt ein der Spannung entsprechend großer Strom über den Festkörperschalter. Dieser große Strom führt aber nicht zu Schmorstellen oder unzulässigen Erwärmungen im Halbleiterschaltelement, weil dieses einen so geringen Widerstandswert hat. Die Energie wird vielmehr nach wie vor in der Induktionswicklung selbst vernichtet. Wesentlich ist ferner, daß das Halbleiterschaltelement diesen Kurzschlußzustand aufrechterhält, bis der Strom fast auf Null abgeklungen und damit die Feldenergie restlos abgeklungen ist. Das Halbleiterschaltelement kehrt dann in den hochohmigen Zustand zurück und

steht für einen neuen Abschaltvorgang zur Verfügung.

Mit den erfindungsgemäß verwendeten Überbrückungselementen lassen sich Überspannungen in einem sehr großen Bereich berücksichtigen, z.B. von einem Wert unter 50 V bis zu einem Wert über 1000 V. Die Anpassung geschieht einfach durch Wahl des Mischungsverhältnisses seiner Bestandteile oder durch Wahl seiner Dicke. Das Schaltelement ist absolut erschütterungsunempfindlich. Es ist klein und kann leicht neben einer Wicklung untergebracht werden. Sie sind außerordentlich hoch belastbar und sehr leicht herstellbar. Beispielsweise kann man sie durch Aufdampfen auf eine Metallplatte, durch Sintern, durch Erstarrenlassen einer Legierungsschmelze od. dgl. erzeugen.

Beispielsweise kann der Festkörperschalter polykristallinen Aufbau haben.

Einer der interessantesten Vertreter der sperrschichtfreien Halbleiterschaltelemente besteht überwiegend aus Tellur mit Zusätzen aus Elementen der Gruppen IV und V des periodischen Systems. Als Beispiel sei ein Festkörperschalter genannt, der aus 67,5% Tellur, 25°/o Arsen und 7,5% Germanium erzeugt ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein typisches Strom-Spannungs-Diagramm für ein erfindungsgemäß verwendbares Halbleiterschaltelement,

Fig. 2 die Schaltung eines erfindungsgemäßen Hauptstrommotors und

Fig. 3 die Schaltung eines erfindungsgemäßen Nebenschlußmotors.

In dem Diagramm der F i g. 1 ist der Strom I eines sperrschichtfreien symmetrischen Halbleiterschaltelements auf Tellurbasis über der Spannung U aufgetragen. Unterhalb der Schwellenspannung ± U_s ist der Strom nahezu 0, da der Schalter seinen hochohmigen Zustand eingenommen hat, bei dem sein Widerstand bis zu mehreren Megohm betragen kann (Kurve I). Sobald jedoch die Schwellenspannung U_s überschritten ist, springt das Halbleiterschaltelement in seinen niederohmigen Zustand (Kurve II) um, bei dem es einen Widerstand von 1 Ohm oder weniger hat. Den niederohmigen Zustand behält das Schaltelement bei, bis der hindurchfließende Strom einen Haltewert I_n unterschreitet, der ziemlich in der Nähe des Nullpunktes liegen kann. Beim Unterschreiten von I_n schaltet das Halbleiterschaltelement in den hochohmigen Zustand zurück.

In F i g. 1 ist an die Netzklemmen 1 über den Ein-Aus-Schalter 2 ein Hauptstrommotor, bestehend aus der Feldwicklung 3 und dem Anker 4, gelegt. Sowohl die Feldwicklung 3 als auch der Anker 4 sind je durch ein Halbleiterschaltelement 5 bzw. 6 überbrückt.

Da beim Einschalten die Spannung sich an den beiden Induktionswicklungen 4 und 3 nur allmählieh aufbau, bleibt die Schaltung durch die beiden Halbleiterschaltelemente 5 und 6 unbeeinflußt. Beim Abschalten jedoch erzeugt das zusammenbrechende Feld in Abhängigkeit von der Feldstärke und der Abschaltgeschwindigkeit an den Klemmen der beiden Wicklungen 3 und 4 eine sehr hohe Spannung. Diese kann sich jedoch erfindungsgemäß nicht voll ausbilden, da beim Überschreiten des Schwellenwerts U_s, der nur wenig über der Netzspannung liegen kann, das überbrückende Halbleiterschaltelement 5 bzw. 6 in den niederohmigen Zustand übergeht, so daß sich nunmehr die Feldenergie hx Form eines zunächst recht großen, nach einer e-Funktion abnehmenden Stromes bei relativ geringer Spannung abbauen kann. Wegen des geringen inneren Widerstandes des Halbleiterschaltelementes verzehrt sich die Feldenergie aber nicht in dem Schaltelement, sondern hauptsächlich in der Wicklung selbst. Sobald das Feld abgebaut ist und der Strom durch das Halbleiterschaltelement den Wert I_n unterschreitet, schaltet das Halbleiterschaltelement in den hochohmigen Zustand zurück.

In ähnlicher Weise arbeitet die Schaltung der F i g. 3, bei der an die Netzklemmen 11 über einen Schalter 12, die Feldwicklung 13 und der Anker 14 einen Nebenschlußmotor angelegt sind. Hierbei kann für beide Induktionswicklungen 13 und 14. ein gemeinsames überbrückendes Halbleiterschaltelement vorgesehen sein. Ein mit diesem in Reihe liegender Widerstand 16 dient dazu, einen Teil der Feldenergie als Wärme aufzunehmen.

Selbstverständlich kann der angegebene Überspannungsschutz auch bei allen anderen Induktionswicklungen Anwendung finden, z.B. bei Transformatoren oder Elektromagneten. Wenn mehrere Induktionswicklungen in der Schaltung vorhanden sind, genügt es oftmals, die am meisten gefährdete Wicklung in der erfindungsgemäßen Weise zu schützen, bei der Schaltung nach Fig. 2 also z.B. die Feldwicklung 3.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verhinderung von Überspannungen, die an Induktionswicklungen beim Abschaltvorgang entstehen, wobei die Induktionswicklung durch ein Halbleiterschaltelement überbrückt ist, das beim Überschreiten eines der Überspannung entsprechenden Schwellenwertes der angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement einen sperrschichtfreien Aufbau hat, daß sein Schwellenwert durch Wahl des Mischungsverhältnisses seiner Bestandteile oder durch Wahl seiner Dicke einstellbar ist und daß das Element erst in der Nähe des Stromnulldurchgangs wieder in den hochohmigen Zustand zurückschaltet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement polykristallinen Aufbau hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement überwiegend aus Tellur mit Zusätzen aus Elementen der Gruppe IV und V des periodischen Systems besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Halbleiterschaltelement ein Widerstand in Reihe liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen