DE1463075C - Vorrichtung zur Verhinderung von Über Spannungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung dauernd ein Leckstrom, der nicht vernachlässigt

zur Verhinderung von Überspannungen, die an In- werden kann. Außerdem spricht der Varistor auf

duktionswicklungen beim Abschaltvorgang entstehen, geringfügige Spannungserhöhungen nicht merkbar

wobei die Induktionewicklung durch ein Halbleiter- an; es besteht daher keine Möglichkeit, die Betriebs-

Schaltelement überbrückt ist, das beim Überschreiten 5 spannung kurz unterhalb des Überspannungswertes

eines der Überspannung entsprechenden Schwellen- zu wählen.

wertes der angelegten Spannung vom hochohmigen Sodann sind elektronische Halbleiterschalt-

in den niederohmigen Zustand schaltet. elemente bekannt, die beim Überschreiten eines

Es ist eine bekannte Tatsache, daß an Induktions- Schwellenwertes der angelegten Spannung vom hoch-

wicklungen beim plötzlichen Abschalten des hin- io ohmigen in den niederohmigen Zustand schalten, in

durchfließenden Stromes Spannungen auftreten, die diesem Zustand verbleiben und bei einer plötzlichen

ein Mehrfaches¹ der Betriebsspannung betragen. Stromunterbrechung in den hochohmigen Zustand

Diese Überspannung entsteht infolge Selbstinduktion zurückschalten.

beim schnellen Zusammenbrechen des elektromagne- Schließlich sind für Fernsprechzwecke Schalttischen . Feldes. Insbesondere bei größeren Induk- 15 elemente in der Form von aus mehreren monokritionswicklungen, z. B. den Feld-und Ankerwicklun- stallinen Schichten aufgebauten Dioden bekannt, gen mancher Elektromotoren, muß eine sehr erbeb- z. B. Fünf-Schicht-Dioden. Diese haben die Eigenliche Feldenergie abgebaut werden, ehe die Über- schaft, daß sie beim Überschreiten eines Schwellenspannung beseitigt ist. wertes der angelegten Spannung vom hochohmigen

Beachtet man diese Überspannung nicht, kommt so in den niederohmigen und in der Nähe des Stromes leicht zu Überschlägen, Kurzschlüssen, Wicklungs- nulldurchganges wieder zurückschalten. Die Schwelbränden und damit zu störenden Betriebsausfällen. lenspannung ist bei diesen im wesentlichen von der Hierbei ist besonders zu beachten, daß die Über- Sperrschicht abhängig und kann nicht beliebig spannung nicht nur zwischen den Enden der Induk- variiert werden.

tionswicklung auftritt, sondern in entsprechend redu- 35 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ziertem Maße auch zwischen den einzelnen Windun- Überbrückungselement zu Verhinderung von Übergen der Wicklung. " , spannungen anzugeben, das die Nachteile der ein-

Es ist bekannt, als Überbrückungselement eine gangs beschriebenen Überbrückungselemente nicht Zener-Diode zu'verwenden. Zur Funkenlöschung bei aufweist und insbesondere eine große Anpassungseinem Kollektormotor kleiner Spannung sind auch 30 fähigkeit an alle erdenklichen Anwendungszwecke, schon zwei gegeneinander gepolte Zener-Dioden in besitzt, beim Nprmalbetrieb im wesentlichen als Reihe geschaltet und jeder Ankerspule parallel ge- offener Schalter wirkt, gegen Erschütterungen unschaltet worden. Die Zener-Diode ist aber nur kurz·* empfindlich ist," die Feldenergie vollständig zu verzeitig leitend, da sie beim Unterschreiten der Zener- nichten gestattet, eine rasche Vernichtung der Feldspannung wieder in den hochohmigen Zustand zu- 35 energie erlaubt, die mit dem häufigen Ein- und Ausrückkehrt. Daher dauert der dem Abschalten folgende schalten verbundenen elektromagnetischen Störungen Zustand relativ lange, und es treten sehr starke elek- verhindert und auch für große Abschaltleistungen tromagrietische Störeffekte auf. Die Möglichkeit, die geeignet ist.

Zenerspannung über mehrere Zenerpotenzen hinweg Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gezu verändern, stößt in der Praxis auf fast unüber- 40 löst, daß das Halbleiterschaltelement einen sperrwindliche Schwierigkeiten. Die verarbeitbare Energie schichtfreien Aufbau hat, daß sein Schwellenwert ist infolge des Vorhandenseins einer Sperrschicht be- durch Wahl des Mischungsverhältnisses seiner Begrenzt, standteile oder durch Wahl seiner Dicke einstellbar

Des weiteren ist es bekannt, die hohen Spannungs- ist und daß das Element erst in der Nähe des Stromspitzen durch den Einbau von kleinen Überspan- 45 nulldurchgangs wieder in den hochohmigen Zustand nungs-Funkenstrecken abzubauen. Derartige Funken- zurückschaltet.

strecken lassen sich aber nicht genau auf einen Wert Die erfindungsgemäß verwendeten Überbrückungskurz oberhalb der Netzspannung einstellen. Außer- elemente können im hochohmigen Zustand einen dem ändert sich, der Überschlagwert dieser Funken- Widerstandswert von mehreren Megohm haben, wirstrecke in Abhängigkeit von Verschmutzungen, 50 ken also praktisch als offener Schalter. Bei einem Schmorstellen u. dgl. Man muß daher auch hierbei genau vorgegebenen Schwellenwert, der nur wenig einen ganz erheblichen Sicherheitsfaktor bei der Iso- über der normalen Betriebsspannung der Induktionslation einkalkulieren. wicklung zu liegen braucht, schaltet er in einen

Sodann ist es bekannt, als Überbrückungselement niederohmigen Zustand um, der in der Größenordeine mit einem .Widerstand in Reihe liegende Glimm- 55 nung von 1 Ohm liegen kann. Die Induktionswickröhre zu verwenden. Eine solche Glimmröhre ist lung ist dann parktisch kurzgeschlossen, und es fließt aber empfindlich gegen Erschütterungen, wie sie ins- ein der Spannung entsprechend großer Strom über besondere bei elektrischen Maschinen auftreten. Ihre den Festkörperschalter. Dieser große Strom führt Zündspannung \ läßt sich nicht allen gewünschten aber nicht zu Schmorstellen oder unzulässigen Er-Überspannungeh anpassen, weil eine untere Grenze 60 wärmungen im Halbleiterschaltelement, weil dieses der Zündspannung nicht unterschritten und eine einen so geringen Widerstandswert hat Die Energie obere Grenze der Zündspannung nicht überschritten wird vielmehr nach wie vor in der Induktionswickwerden kann, lung selbst vernichtet. Wesentlich ist femer, daß das

Auch wurde schon zur Funkenlöschung ange- Halbleiterschaltelement diesen Kurzschlußzustand

geben, einen Varistor, also einen spannungsabhöngi- ffj aufrechterhält, bis der Strom fast auf Null ab-

gen Widerstand, dessen Widerstandswert mit etei- geklungen und damit die Feldenergie restlos

gender Spannung abnimmt, parallel zu einer Induk- abgeklungen ist. Das Halbleiterschaltelement kehrt

tivität zu schalten. Über diesen Varistor fließt aber dann in den hochohmigen Zustand zurück und

steht für einen neuen Abschaltvorgang zur Verfügung.

Mit den erfindungsgemäß verwendeten Überbriickungselementen 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

Fig. 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 Fig. 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_H unterschreitet, der ziemlich in der Nähe des Nullpunktes liegen kann. Beim Unterschreiten von I_H 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 in. 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 Wäfme 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 F i g. 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