DE1488941B2 - Induktiver energiespeicher - Google Patents

Description

Spannung bewirkt die Kommutierung des Speicherstromes über die Funkenstrecken in die Last. Die Ansprechempfindlichkeit der Funkenstrecken ist zweckmäßig vorstellbar, um sie den gewünschten Erfordernissen entsprechend jeweils einzustellen. Um zu erreichen, daß die als Funkenstrecken ausgebildeten Trennstrecken möglichst gleichzeitig arbeiten, ist es zweckmäßig, die Funkenstrecken zum gewünschten Zeitpunkt durch eine Hilfsentladung zu triggern.

Eine andere Ausführungsform des induktiven Energiespeichers gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Schalter und Trennstrecken durch mehrpolige Umschalter in derartiger Anordnung ersetzt sind, daß durch sie die Funktion der Schalter und der Trennstrecken übernehmbar ist. Eine solche Kombination läßt sich bei einer Reihe von Schaltertypen auf einfache Weise verwirklichen. Diese Ausführungsform ist besonders wirtschaftlich und hat erhebliche schaltungstechnische Vorteile. Damit während der Aufladung der Speicherinduktivitäten die Last durch Trennschalter vom Speicher isoliert ist, ist es zweckmäßig, daß die Trennstrecken oder Umschalter eine einstellbare Ansprechempfindlichkeit und/oder Ansprechzeit aufweisen. Eine weitere Vereinfachung läßt sich dadurch erreichen, daß die Trennstrecken oder Umschalter derart angeordnet sind, daß durch sie die Last während der Aufladung der Speicherinduktivitäten vom Energiespeicher trennbar ist. Davon ausgehend, daß die Spannung an den Schaltern den Anstieg des Stromes in die Last bestimmt, ist es weiterhin vorteilhaft, daß als Schalter oder Umschalter solche mit sehr schnellem Spannungsanstieg verwendet werden. Damit werden die Energieverluste im Speicher während der Kommutierung klein gehalten. Die Energieübertragung auf die Last kann dadurch in der gewünschten Weise beeinflußt werden, daß zwischen Energiespeicher und Last während der Kommutierung des Speicherstromes in die Last Parallelimpedanzen eingeschaltet sind.

Innerhalb der durch die technischen Werte der Durchschlagsfestigkeit und der Dielektrizitätskonstante ε gegebenen Grenzen ist im elektrischen Feld eine Energiedichte von 0,2 bis 0,25 Ws/cm³ erzielbar, im magnetischen Feld einer Luftspule mit etwa 100 kG dagegen eine Energiedichte von 40 bis 50 Ws/cm³. Das Verhältnis der Energiedichten beträgt also etwa 1:200. Das heißt, es läßt sich eine größere Energiedichte je Volumeneinheit im magnetischen Feld speichern. Um die sich daraus ergebenden wirtschaftlichen Folgen auszunutzen, ist es vorteilhaft, daß die Speicherinduktivitäten in Gruppen oder insgesamt über ein gemeinsames magnetisches Feld gekoppelt sind. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Induktivitäten zu einer Toroidspule zusammengesetzt sind, wobei die einzelnen Wicklungsabschnitte miteinander über Schalter verbunden sind. Statt dessen ist es auch möglich, die Induktivitäten an nebeneinander angeordneten Wicklungssäulen so vorzusehen, daß die Flußrichtung der Induktivitäten zweier benachbarter Säulen gegensinnig ist.

Werden ein steiler Stromanstieg in der Last und eine maximale Energiedichte im Speicher gewünscht, so ist es zweckmäßig, daß als Speicherinduktivitäten Luftinduktivitäten vorgesehen sind. Sind die Anforderungen eerinser. so können ferromagnetische Kerne für die Induktivitäten vorgesehen werden, da dies eine besonders wirtschaftliche Speicherung ermöglicht. Kommt es auf einen großen Stromanstieg an, so ist es zweckmäßig, daß als Schalter Sprengtrenner, Sicherungen oder Kombinationen aus beiden Verwendung finden. Eine andere Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, daß als Schalter Ölströmungsschalter oder Hochvakuumschalter Verwendung finden. Denn diese Schaltereinrichtungen haben bei einer dem Bedarfsfall angepaßten Dimensionierung eine sehr große Spannungsanstiegsgeschwindigkeit. Durch die Spannung wird der Anstieg des Stromes in der Last bestimmt. Ein schneller Spannungsanstieg hat zur Folge, daß die Energieverluste im Energiespeicher während der Kommutierung klein gehalten werden. Wird die Zündung der Trennstrecken bis zum Erreichen des Spannungsmaximums an den Schaltern verzögert, so liegt zu Beginn der Kommutierung des Stromes in die Last auch eine genügend große Spannung vor.

Die Ladeleistung für die Speicherinduktivitäten ist ao proportional der gespeicherten Energie und umgekehrt proportional der Zeitkonstanten der Speicherinduktivitäten. Für große Energiespeicher ist es zweckmäßig, daß als Energiequelle zur Aufladung der Speicherinduktivitäten ein Schwungradgenerator vorgesehen ist. Für kleinere Energiespeicher ist die Einspeisung aus Energieversorgungsnetzen ohne weiteres möglich.

Der induktive Energiespeicher gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß durch entsprechende Bemessung der Speicherinduktivitäten gegenüber der Induktivität der Last die Stromflußzeit den gewünschten Erfordernissen entsprechend beeinflußt werden kann. Das gilt insbesondere auch für die Zeitkonstante der Speicherinduktivitäten. Die beste Energieanpassung zwischen Speicher und Last ist gegeben, wenn der Wert der parallelgeschalteten Speicherinduktivitäten gleich der Induktivität der Last ist.

Die Energieübertragung auf die Last kann beeinflußt werden durch Einschalten von Parallelkapazitäten oder auch Parallelwiderständen zwischen Speicher und Last, die auch Bestandteile der Schalter sein können.

Ein weiterer großer Vorzug des Energiespeichers gemäß der Erfindung besteht darin, daß er gegenüber den bisher bekannten Energiespeichern einen sehr viel geringeren Raum beansprucht.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild des Energiespeichers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild des Energiespeichers gemäß Fig. 1, bei dem Schalter und Trennstrecken als Umschalter ausgebildet sind.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind bei dem Energiespeicher gemäß der Erfindung η Induktivitäten L₁ in Reihe geschaltet. Die Induktivitäten L₁ werden aus einer Energiequelle 1 bis zum Scheitelwert des Stromes Z₁ aufgeladen. Die dabei aufgenommene Energie des Energiespeichers beträgt dann η ■ Z₁ ² -L₁. Werden zwischen den Induktivitäten L₁ vorgesehene Schalter 2 gleichzeitig geöffnet, so entsteht eine Gegenspannung in der Reihenschaltung der Aufladung. Durch diese Gegenspannung werden Trennstrecken 3 mittelbar oder unmittelbar gezündet, wodurch Induktivitäten L₁ parallel geschaltet werden. Zugleich mit den Schaltern 2 wird ein zwischen der

Energiequelle 1 und der Speicherinduktivität vorgesehener Schalter 2 a mit der Wirkung geöffnet, daß die Energiequelle 1 von den Speicherinduktivitäten L₁ getrennt wird. Eine Last 4 ist so geschaltet, daß bei Zündung der Trennstrecken 3 die Induktivitäten L₁ parallel über die Last entladen werden.

In: dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Funktionen der Schalter 2 und 2 a sowie der Trennstrecken 3 zusammengefaßt und als mehrpolige Umschalter 5 und 5 a ausgebildet. Die Umschalter 5 und 5 a sind dabei so geschaltet, daß in der einen Schaltstellung die Induktivitäten L₁ in Reihe und mit der Energiequelle .1 verbunden und in der anderen Schaltstellung von der Energiequelle 1 getrennt und parallel zueinander sowie parallel mit der Last 4 geschaltet sind. Diese Schaltung ist besonders einfach zu verwirklichen. Eine weitere, in der Zeichnung nicht wiedergegebene Ausführungsform des Energiespeichers gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Schalter als einfache Umschalter ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform ist nur eine Anschlußleitung für die Last an die Umschalter angeschlossen, und die andere wird über die Trennstrecken geführt. ■■· · ;;·

ίο Bei dem Bau des induktiven Energiespeichers gemäß der Erfindung muß berücksichtigt werden, daß das Verhältnis .der Leistung der Energieeinspeisung zu der Zeitkonstanten der Speicherinduktivität, d.h. die Masse des als Werkstoff verwendeten Kupfers, einer wirtschaftlichen Optimierung, unterliegt. ...·.::...·.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

1 2 12. Induktiver Energiespeicher nach einem der Patentansprüche: Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle (1) zur Aufladung der Speicher-

1. Aus einer Energiequelle gespeister induk- induktivitäten (L₁) ein Schwungradgenerator vortiver Energiespeicher zur Erzeugung von Stoß- 5 gesehen ist.

strömen für eine Last, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Speicherinduktivitäten (L₁) sowie Schalter (2) und Trennstrek-

ken (3) in derartiger Anordnung vorgesehen sind,

daß die Speicherinduktivitäten (L₁) über die io

Schalter (2) in elektrischer Reihenschaltung auf- Die Erfindung bezieht sich auf einen aus einer

ladbar und über die Trennstrecken (3) in elek- Energiequelle gespeisten induktiven Energiespeicher

trischer Parallelschaltung entladbar sind. zur Erzeugung von Stoßströmen für eine Last.

2. Induktiver Energiespeicher nach Anspruch 1, Eine solche Anordnung ist bekannt (USA.-Zeitdadurch gekennzeichnet, daß als Schalter (2) 15 schrift »Transactions AIEE«, Vol. 76 [19571, möglichst gleichzeitig arbeitende, eine hohe Licht- Part. I, S. 320 bis 324). Bei der Verwendung von Inbogenspannung erzeugende Schalter derart vorge- duktivitäten zur Energiespeicherung wird die Induksehen sind, daß durch sie die Reihenschaltung der tivität aus einer Gleich- oder Wechselstromquelle Speicherinduktivitäten (L₁) unterbrechbar ist, und langsam auf den Stromscheitelwert aufgeladen. Der daß als Trennstrecken (3) möglichst gleichzeitig ao Speicherstrom wird dann mittels eines Kommutiearbeitende Funkenstrecken derart vorgesehen rungsschalters auf den — im allgemeinen mit »Last« sind, daß durch sie während der Unterbrechung bezeichneten — Verbraucher übertragen. Bei einer der Reihenschaltung die Parallelschaltung der Reihe von plasmaphysikalischen Untersuchungen so-Speicherinduktivitäten (L₁) herbeiführbar ist. wie bei technischen Prüf- und Entwicklungsaufgaben

3. Induktiver Energiespeicher nach Anspruch 1 25 werden jedoch Stoßströme verlangt, die weit größer oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schal- sind als die technisch realisierbaren Ladeströme der ter und Trennstrecken durch mehrpolige Um- bisher bekannten Speicherschaltungen der vorbeschalter (5) in derartiger Anordnung ersetzt sind, zeichneten Art.

daß durch sie die Funktion der Schalter (2) und Man hat bereits durch eine Schaltung mit Strom-

der Trennstrecken (3) übernehmbar ist. 30 transformation versucht, den Strom in der Last gegen-

4. Induktiver Energiespeicher nach einem der über dem technisch möglichen Ladestrom für den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Speicher zu erhöhen (USA.-Zeitschrift »The Review die Trennstrecken (3) oder Umschalter (5) eine of Scientific Instruments«, Vol. 29 [1958], Nr. 11, einstellbare Ansprechempfindlichkeit und/oder S. 1020 bis 1022). Diese Maßnahme ist jedoch nur Ansprechzeit aufweisen. 35 für ein begrenztes Transformationsverhältnis an-

5. Induktiver Energiespeicher nach einem der wendbar, da die Lichtbogenspannung der Schaltgeräte Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nicht wesentlich über 50 kV erhöht werden kann.

die Trennstrecken (3) oder Umschalter (5) derart Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energiespei-

angeordnet sind, daß durch sie die Last (4) wäh- eher zu schaffen, der eine dem jeweiligen Bedarfsfall rend der Aufladung der Speicherinduktivitäten 40 entsprechende Erhöhung des Laststromes gegenüber (L₁) vom Energiespeicher trennbar ist. dem Ladestrom ermöglicht und der insbesondere zur

6. Induktiver Energiespeicher nach einem der Erzeugung von großen Stromstößen mit sehr schnel-Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß lern Stromanstieg geeignet ist.

als Schalter (2) oder Umschalter (5) solche mit Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei

sehr schnellem Spannungsanstieg verwendet wer- 45 einem induktiven Energiespeicher der oben bezeich-

den. neten Art dadurch gelöst, daß mindestens zwei Spei-

7. Induktiver Energiespeicher nach einem der cherinduktivitäten sowie Schalter und Trennstrecken Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in derartiger Anordnung vorgesehen sind, daß die zwischen Energiespeicher und Last (4) während Speicherinduktivitäten über die Schalter in elektrider Kommutierung des Speicherstromes in die 50 scher Reihenschaltung aufladbar und über die Trenn-Last (4) Parallelimpedanzen eingeschaltet sind. strecken in elektrischer Parallelschaltung entladbar

8. Induktiver Energiespeicher nach einem der sind. Dabei läßt sich durch die Wahl der Anzahl der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Speicherinduktivitäten und der Schalter als Laststrom die Speicherinduktivitäten (L₁) in Gruppen oder ein beliebig Vielfaches des Ladestromes erzielen, insgesamt über ein gemeinsames magnetisches 55 Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform des induk-FeId gekoppelt sind. tiven Energiespeichers gemäß der Erfindung besteht

9. Induktiver Energiespeicher nach einem der darin, daß als Schalter möglichst gleichzeitig arbei-Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß tende, eine hohe Lichtbogenspannung erzeugende als Speicherinduktivitäten (L₁) Luftinduktivitäten Schalter derart vorgesehen sind, daß durch sie die vorgesehen sind. 60 Reihenschaltung der Speicherinduktivitäten unter-

10. Induktiver Energiespeicher nach einem der brechbar ist, und daß als Trennstrecken möglichst Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig arbeitende Funkenstrecken derart vorgeals Schalter (2) Sprengtrenner, Sicherungen oder sehen sind, daß durch sie während der Unterbre-Kombinationen aus beiden Verwendung finden. chung der Reihenschaltung die Parallelschaltung der

11. Induktiver Energiespeicher nach einem der 65 Speicherinduktivitäten herbeiführbar ist. Während Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufladung des Energiespeichers ist die Last vom als Schalter (2) Ölströmungsschalter oder Hoch- Speicher isoliert. Dann werden die Schalter gleich-

; vakuumschalter Verwendung finden. zeitig geöffnet. Die an ihnen entstehende Lichtbogen-