DE1488941C - Induktiver Energiespeicher - Google Patents

Description

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spannung bewirkt die Kommutierung des Speicher- möglicht. Kommt es auf einen großen Stromanstieg

stromes über die Funkenstrecken in die Last. Die an, so ist es zweckmäßig, daß als Schalter Spreng-

Ansprechempfindlichkeit der Funkenstrecken ist trenner, Sicherungen oder Kombinationen aus beiden

zweckmäßig vorstellbar, um sie den gewünschten Er- Verwendung finden. Eine andere Möglichkeit, dies

fordernissen entsprechend jeweils einzustellen. Um 5 zu erreichen, besteht darin, daß als Schalter Ül-

zu erreichen, daß die als Funkenstrecken ausgebilde- strömungsschalter oder Hochvakuumschaltcr Ver-

ten Trennstrecken möglichst gleichzeitig arbeiten, ist , Wendung finden. Denn diese Schaltereinrichtungen

es zweckmäßig, die Funkenstrecken zum gewünsch- haben bei einer dem Bedarfsfall angepaßten Dimen-

ten Zeitpunkt durch eine Hilfsentladung zu triggern. sionierung eine sehr große Spannungsanstiegs-

Eine andere Ausführungsform des induktiven io geschwindigkeit. Durch die Spannung wird der An-Energiespeichers gemäß der Erfindung besteht darin, stieg des Stromes in der Last bestimmt. Ein schneller daß die Schalter und Trennstrecken durch mehrpolige Spannungsanstieg hat zur Folge, daß die Energie-Umschalter in derartiger Anordnung ersetzt sind, daß Verluste im Energiespeicher während der Kommudurch sie die Funktion der Schalter und der Trenn- tierung klein gehalten werden. Wird die Zündung strecken übernehmbar ist. Eine solche Kombination 15 der Trennstrecken bis zum Erreichen des Spannungsläßt sich bei einer Reihe von Schaltertypen auf ein- maximums an den Schaltern verzögert, so liegt zu fache Weise verwirklichen. Diese Ausführungsform Beginn der Kommutierung des Stromes in die Last ist besonders wirtschaftlich und hat erhebliche auch eine genügend große Spannung vor. schaltungstechnische Vorteile. Damit während der Die Ladeleistung für die Speicherinduktivitäten ist Aufladung der Speicherinduktivitäten die Last durch 20 proportional der gespeicherten Energie und umTrennschalter vom Speicher, isoliert ist, ist es zweck- gekehrt proportional der Zeitkonstanten der Speichermäßig, daß die Trennstrecken oder Umschalter eine induktivitäten. Für große Energiespeicher ist es einstellbare Ansprechempfindlichkeit und/oder An- zweckmäßig, daß als Energiequelle zur Aufladung Sprechzeit aufweisen. Eine weitere Vereinfachung läßt der Speicherinduktivitäten ein Schwungradgenerator sich dadurch erreichen, daß die Trennstrecken oder 25 vorgesehen ist. Für kleinere Energiespeicher ist die Umschalter derart angeordnet sind, daß durch sie die Einspeisung aus Energieversorgungsnetzen ohne 'wei-Last während der Aufladung der Speicherinduktivi- teres möglich.

täten vom Energiespeicher trennbar ist. Davon aus- Der induktive Energiespeicher gemäß der Erfingehend, daß die Spannung an den Schaltern den An- dung hat den Vorteil, daß durch entsprechende Bestieg des Stromes in die Last bestimmt, ist es weiter- 30 messung der Speicherinduktivitäten gegenüber der hin vorteilhaft, daß als Schalter oder Umschalter Induktivität der Last die Stromflußzeit den gewünschsolche mit sehr schnellem Spannungsanstieg verwen- ten Erfordernissen entsprechend beeinflußt werden det werden. Damit werden die Energieverluste im kann. Das gilt insbesondere auch für die Zeit-Speicher während der Kommutierung klein gehalten, konstante der Speicherinduktivitäten. Die beste Die Energieübertragung auf die Last kann dadurch in 35 Energieanpassung zwischen Speicher und Last ist der gewünschten Weise beeinflußt werden, daß zwi- gegeben, wenn der Wert der parallelgeschalteten sehen Energiespeicher und Last während der Korn- Speicherinduktivitäten gleich der Induktivität der mutierung des Speicherstromes in die "Last Parallel- Last ist.
impedanzen eingeschaltet sind. Die Energieübertragung auf die Last kann beein-

Innerhalb der durch die technischen Werte der 40 flußt werden durch Einschalten von Parallelkapazi-Durchschlagsfestigkeit und der Dielektrizitätskon- täten oder auch Parallelwiderständen zwischen Speistante ε gegebenen Grenzen ist im elektrischen Feld eher und Last, die auch Bestandteile der Schalter eine Energiedichte von 0,2 bis 0,25 Ws/cm^:! erzielbar, sein können.

im magnetischen Feld einer Luftspule mit etwa Ein weiterer großer Vorzug des Energiespeichers

100 kG dagegen eine Energiedichte von 40 bis 45 gemäß der Erfindung besteht darin, daß er gegenüber

50 Ws/cm^:1. Das Verhältnis der Energiedichten be- den bisher bekannten Energiespeichern einen sehr

trägt also etwa 1:200. Das heißt, es läßt sich eine viel geringeren Raum beansprucht,

größere Energiedichte je Volumeneinheit im magne- Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in

tischen Feld speichern. Um die sich daraus ergeben- der Zeichnung schematisch dargestellt und werden

den wirtschaftlichen Folgen auszunutzen, ist es vor- 50 im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

teilhaft, daß die Speicherinduktivitäten in Gruppen Fig. 1 ein Schaltbild des Energiespeichers gemäß

oder insgesamt über ein gemeinsames magnetisches der Erfindung,

Feld gekoppelt sind. Das kann beispielsweise dadurch Fig. 2 ein Schaltbild des Energiespeichers gemäß geschehen, daß die Induktivitäten zu einer Toroid- Fig. 1, bei dem Schalter und Trennstrecken als Umspule zusammengesetzt sind, wobei die einzelnen 55 schalter ausgebildet sind.

Wicklungsabschnitte miteinander über Schalter ver- Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind bei dem bunden sind. Statt dessen ist es auch möglich, die Energiespeicher gemäß der Erfindung η Induktiv^ Induktivitäten an nebeneinander angeordneten Wick- täten L₁ in Reihe geschaltet. Die Induktivitäten L₁ lungssäulen so vorzusehen, daß die Flußrichtung der werden aus einer Energiequelle! bis zum Scheitel-Induktivitäten zweier benachbarter Säulen gegen- 60 wert des Stromes Z₁ aufgeladen. Die dabei aufgenomsinnig ist. mene Energie des Energiespeichers beträgt dann

Werden ein steiler Stromanstieg in der Last und η · i_x- ■ L₁. Werden zwischen den Induktivitäten f.,

eine maximale Energiedichte im Speicher gewünscht, vorgesehene Schalter 2 gleichzeitig geöffnet, so ent-

so. ist es zweckmäßig, daß als Speicherinduktivitäten steht eine Gegenspannung in der Reihenschaltung

Luftinduktivitäten vorgesehen sind. Sind die Anfor- 65 der Aufladung, Durch diese Gegenspannung werden

derungen geringer, so können ferromagnetische Trennstrecken 3 mittelbar oder unmittelbar gezündet.

Kerne für die Induktivitäten vorgesehen werden, da wodurch Induktivitäten L₁ parallel geschaltet werden,

dies eine besonders wirtschaftliche Speicherung er- 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 2a sowie der Trennstrecken 3 zusammengefaßt und als mehrpolige Umschalter 5 und 5 a ausgebildet. Die Umschalter 5 und 5 α sind dabei so geschaltet, daß in der einen Schaltstellung die Induktivitäten L₁ in Reihe und mit der Energiequelle 1 verbunden und in der anderen Schaltstcllung 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 be- steht 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 Energiecinspeisung 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 II, dadurch gekennzeichnet, daß . . als Energiequelle (I) zur Aufladung der Speicher-

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

strömen für eine Last, dadurch gekenn- ...... .

ζ e i c h η e t ,· daß mindestens zwei Speicherinduktivitäten (L₁) sowie Schalter (2) und Trennstrek- —r—

ken (3) in derartiger Anordnung vorgesehen sind,

daß die Speicherinduktivitäten (Lj) über die io

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

ladbar und über die Trehnstrecken (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) i₅ schrift »Transactions AIEE«, Vol.76 [1957], möglichst gleichzeitig arbeitende, eine hohe Licht- Part. I, S. 320 bis 324). Bei der Verwendung von Inbogenspannung erzeugende Schälter 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 20 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-Speicherinduktivitäteh (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; · ⁶° 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 Sehalter (2) Sprengtrenner, Sicherungen oder sehen sind, daß durch sie während der Unterbre-Kombinationen aus beiden Verwendung linden. 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-