DE2636612A1

DE2636612A1 - Einrichtung zum steuern, kommutieren und umwandeln von elektrischem strom

Info

Publication number: DE2636612A1
Application number: DE19762636612
Authority: DE
Inventors: Luigi Ruggeri
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-08-13
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1977-02-24
Also published as: JPS5223643A; GB1524595A; FR2321214B1; US4104716A; CH617287A5; FR2321214A1; IT1041833B; DE2636612C2

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE ZOOOD

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45

1 3. AUG. 1976

Anwaltsakte: 27 341

Luigl Ruggeri
Mailand / Italien

Einrichtung zum Steuern, Koinrautieren und Umwandeln von elektrischem Strom

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern, Kommutieren und Umwandeln von elektrischem Strom, und insbesondere, aber nicht ausschließlich eine Einrichtung zur Stromregelung und -wendung in umlaufenden, elektrischen Gleichstrommaschinen und zum Umwandeln von Wechsel- in Gleichstrom oder umgekehrt .

Zuerst werden nunmehr verschiedene Stromregel- und Kommutie-

vii/xx/ha 709808/0900

* (089) 98 82 72 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100

987043 Telegramme: BERGSTÄPFPATENT München Hypo-Bank München 3890002624

983310 TELEX: 0524560 BERG d Postscheck München 65343-808

rungseinrichtungen sowie ihre Nachteile untersucht, welche mit der Erfindung beseitigt werden sollen. Das einfachste Verfahren zum Hegeln bzw. Steuern von elektrischem Strom in einer Schaltung besteht bekanntlich darin, den Wert eines in Reihe mit dem Stromverlauf geschalteten, elektrischen Widerstands zu ändern. Diese Änderung kann durch langsames, kontinuierliches Verschieben eines mechanischen Gleitkontakts erreicht werden, durch welchen fortlaufend der geforderte Teil des Widerstands in die Schaltung geschaltet oder von dieser abgeschaltet wird, oder sie kann sprunghaft bzw. diskontinuierlich mittels eines mechanischen Schalters oder Kommutators erhalten werden, durch welchen Widerstände oder einzelne Widerstnndsteile in die Schaltung geschaltet oder von ihr getrennt werden, oder durch welchen von einer Schaltung zur anderen umgeschaltet wird.

Im Grenzfall weisen diese beiden Hegel- oder Steuersysteme das Schließen und Öffnen der Schaltung mittels eines Kontakts auf. Dies findet tatsächlich statt, wenn . der Regel- oder Steuerwiderstand von seinem Minimalwert (welcher im Grenzfall null sein kann) in seinen Maximalwert geändert wird (welcher im Grenzfall unendlich sein kann) oder umgekehrt. Bei zwei Schaltungen weisen diese Systeme auch ein Stromumschalten von einer Schaltung auf die andere auf.

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In dem letztgenannten Fall entspricht dies der Arbeitsweise eines Kommutators, durch welchen der Regel- bzw. Steuerwiderstand einer der Schaltungen unendlich und der Regel- oder Steuerwiderstand der anderen Schaltung null gemacht wird. Dies wird auch bei der Kommutation in Gleichstrommaschinen und in elektrischen Umformern mit Hilfe von mechanischen Kontakten angewendet. Wenn es bei umlaufenden bzw. rotierenden Maschinen angewendet wird, wird der Begriff "Kommutation" im allgemeinen verwendet, um insbesondere das periodische Übertragen bzw. Umschalten des Stroms von der einen zu der anderen von zwei oder mehr internen Maschinenschaltungen in periodischer Aufeinanderfolge und synchron mit der erzeugten Spannung (im Fall eines Generators) oder mit der Versorgungsspannung (im Fall eines Motors oder Umwandlers) zum Gleichrichten, um bekanntlich die Halbwellen der einen Polarität durchzulassen und die der anderen, entgegengesetzten Polarität

χ
zu sperren. anzuzeigen

Die vorerwähnten bekannten Regel- und Kommutationssysteme sowie die mechanischen Teile, welche dies bewirken, haben den Nachteil, daß sie zu einer Funkenbildung, Lichtbogen und einer starken örtlichen Erwärmung an den Gleit- oder Arbeitsund Ruhekontakten der Schaltung führen, was eine verhältnismäßig schnelle Abnutzung und damit einen Verschleiß zur Folge hat, und eine ständige Wartung erfordert.

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Diese Nachteile sind größer, je größer die Ströme und die Leistungen sind, und begrenzen folglich das Anwendungsgebiet der vorbeschriebenen Einrichtungen.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung zum Regeln und Steuern des elektrischen Stroms in einer Schaltung wird eine sätti— gungsfähige Induktivität in Reihe mit der zu regelnden Schaltung geschaltet. Da in einem solchen Fall mechanische Kontakte in der Schaltung fehlen, sind die vorerwähnten Nachteile beseitigt, aber durch die Induktivität in der Schaltung wird der Leistungsfaktor vermindert, x^as einen unerwünschten Umlauf von Blindleistung zur Folge hat. Dies wiederum erfordert eine Überdimensionierung der Schaltungsteile, wodurch wiederum die Regelungszeitkonstante verschlechtert wird.

Da es ferner unmöglich ist, die Blindleistung in einer Richtung fließen zu lassen, kann eine sättigungsfähige Drossel bzw. Reaktanz nicht als Synchronschalter in Verbindung mit einer Kommutation zur Gleichrichtung verwendet werden.

Bei einem weiteren bekannten Regel- oder Steuerverfahren werden Halbleiter verwendet, durch welche alle vorerwähnten Nachteile beseitigt sind und welche ferner gegenüber den vorerwähnten Einrichtungen den Vorteil aufweisen, daß sie sehr klein sind und ein geringes Gewicht haben. Wegen des geringen Ge-

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wichts ergeben sich jedoch neben den Vorteilen auch Nachteile im Hinblick auf ei ne niedrige Wärmekapazität und eine schlechte Wärmeableitung, weshalb sogar verhältnismäßig kleine Wärmemengen, welche sich in den Halbleitern infolge von Überlastungen oder Überspannungen in der Schaltung ergeben, in welchen sie vorgesehen sind, ohne weiteres zu gefährlichen Temperaturanstiegen führen können. Dies bedeutet wiederum, daß der Halbleiter überdimensioniert werden muß, mit Ableit- bzw. Kühlelementen versehen werden muß, wodurch sein Gewicht erhöht und er größer bemessen werden muß, uhne daß dadurch die Schwierigkeiten ganz beseitigt sind (da die Wärme notwendigerweise eine bestimmte Zeit benötigt, um von dem Halbleiterübergang zu dem Ableit- oder Kühlelement zu fließen^ und daß ferner ein wirksames, meist erzwungenes Belüftungssystem sowie teuere, schnell wirkende Sicherungen vorgesehen sein müssen, um das schadhafte Element von der Schaltung abzuschalten und um zu verhindern, daß der Fehler bzw. die Störung bei mehreren in Reihe oder parallel geschalteten Elementen auf die anderen Elemente übergreift.

Die Verwendung von Halbleitern führt zu den folgenden, weiteren Schwierigkeiten, welche in Abhängigkeit davon verschieden sind, ob nichtgesteuerte, oder gesteuerte Dioden verwendet werden. (. Transistoren weröen nicht in Betracht gezogen, da sie bei Hochleistungseinrichtungen nicht üblich sind, auf wel-

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ehe sich die Erfindung bezieht).

Nichtgesteuerte Dioden können zur Kommutation und zur Gleich-

/nicht
richtung, aber zur Regelung verwendet werden. Hierzu muß eine der vorerwähnten Einrichtungen (und damit gleichzeitig deren Nachteile) zusätzlich zu den Dioden verwendet werden oder es muß auf die Erregung des Versorgungsgenerators, wenn er zugänglich ist, eingewirkt werden. In diesem Fall wird jedoch die Regelgeschwindigkeit durch die Zeitkonstante des Generators beeinflußt. Bei Verwendung von gesteuerten Dioden oder Thyristoren ist dieser Nachteil dadurch ausgeschaltet, daß die Regelung unterhalb; des Generators erfolgt; hierdurch ergeben s ich jedoch folgende Schwierigkeiten und Einschränkungen: die Steuerschaltung ist verhältnismäßig kompliziert, die geregelte Spannung wird durch eine starke Welligkeit beeinflußt, was zu einer entsprechenden Verschlechterung des Leistungsfaktors führt; eine erzwungene Umschaltung von dem leitenden in den gesperrten Zustand kann nur mittels entsprechender, verhältnismäßig komplizierter, zusätzlicher Löschschaltungen erhalten werden.

Ein weiterer Nachteil des gesteuerten Gleichrichters besteht darin, daß die Eingangs— oder Steuerschaltung mit der Ausgangsschaltung elektrisch verbunden sein muß. Durch diesen Nachteil ist beispielsweise die Verwendung eines umlaufenden, gesteuer-

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ten Diodengleichrichters in einem bürstenlosen Erreger verhindert (wenn nicht besondere Anordnungen -verwendet werden, welche zu weiteren, neuen Schwierigkeiten führen), wobei dies vorteilhaft wäre, um ein schnelles Entregen durch eine Umkehr der Ausgangsspannung zu ermöglichen. (Diese Umkehr läßt sich hei einem nichtgesteuerten Diodengleichrichter nicht ereichen).

Die Erfindung soll daher eine statische Regel- bzw. Steuereinrichtung schaffen, mit welcher die Nachteile der vorbeschriebenen und anderer analogen Anwendungen vermieden und beseitigt sind.

Die Erfindung hat daher eine oder mehrere Regel- bzw. Steuer- und Gleichrichterelemente, die jeweils zumindest einen Leiter aufweisen, der in zumindest einer Nut in einem ferromagnetischen (mehrlagigen) Blechpacket angeordnet ist, wobei die Form des Leiterquerschnittes und seine Anordnung in der Nut so gewählt ist, um den zusätzlichen Widerstand durch den Streufluß infolge des durchfließenden Stroms zu erhöhen, daß der magnetische Kreis, der durch das (mehrlagige) Blechpacket gebildet und mit dem Strom in dem Leiter verkettet ist, so ausgebildet ist, um die Induktivität des Leiters auf ein Minimum herabzusetzen, und die Wände der Nut, in welcher der Leiter liegt, eine solche Form und Anordnung aufweisen, daß sie durch ein äußeres magnetisches Steuerfeld gesättigt werden, das dem Mag-

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netfeld durch den in dem Leiter fließenden Strom überlagert ist.

Die Erfindung regelt bzw. steuert und richtet den Strom in dem Leiter gleich, indem die Wände der Nut in entsprechendem Maß und mit einer entsprechenden Frequenz durch das äußere Magnetfeld gesättigt werden, das dem Feld des zu regelnden Stroms überlagert ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig.la und ib zwei Ausführungsformen des Grundbauteils der Erfindung;

Fig.2 eine Abwandlung dieses Bauteils bei einer anderen Betriebsweise}

Fig.3 die Magnetisierungskennlinie des magnetischen Kreises bei der Betriebsart der Fig.ia und ib;

Fig.4 die Magnetisierungskennlinie des magnetischen Kreises bei der Betriebsart der Fig.2;

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Fig.5 schematisch eine elektrische, mögliche Schaltung, hei welcher das Grundhauteil der Fig.la, lh und 2 verwendet ist;

Fig.6 und 7 zwei Beispiele von statischen Regeleinrichtungen mit dem Grundhauteil gemäß der Erfindung;

Fig.8, 8a und 9 schematisch elektrische Schaltungen von drei Regeleinrichtungen mit einem Aufhau, wie dem der Fig.6 und 7;

Fig.IO und 10a den Aufhau hzw. die elektrische Schaltung eines dynamischen Gleichrichters und Reglers, welcher das Grundhauteil der Erfindung aufweist;

Fig.11 Kurven, welche die Änderungen im Leitwert der sättigungsfähigen Elemente als Funktion des Drehwinkels des Reglers der Fig.10 zeigen;

Fig« 12a und 121) Abwandlungen der Kernx rm der sättigungsfä higen Elemente der Fife _ύ 10}

Fig.13 die ideale magnetische Kennlinie für das magnetische Material, aus dem die Wände des Grundhauteils der Erfindung gebildet sind; und

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Fig_e l'i eine Aus führung s form der Leiter (21 und 22) der Fig.la, 7 und 12.

In Fig.la ist ein Schnitt durch das Grundbauteil der Erfindung dargestellt, das einen Leiter 21 für den Durchgang (in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene) des zu regelnden bzw« zu steuernden oder gleichzurichtenden Last— oder Aus— gangsstroms, ein ferromagnetisches (mehrlagiges) Blechpacket 27 (von welchem die Figur nur eine Lage zeigt), welches ihn (den Leiter) einschließt, und vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise einen Luftspalt 29 aufweist. Der Kern 27 hat einen Querschnitt und ist so angeordnet, daß er durch den Magnetfluß 30 einer (Steuer- oder Regelungs-) Eingangswicklung gesättigt werden kann, die mit demselben magnetischen Kreis verkettbar ist wie der durch den Laststrom erzeugte Fluß. Diese Eingangswicklung ist in Fig.la durch eine oder mehrere Windungen 20 schematisch dargestellt, welche additiv sind bzw. sich addieren. Die Einrichtung weist zwei Betriebsarten auf, welche nachstehend entsprechend den Steueramperewindungen festgelegt sind.

Wenn Steueramperewindungen NI, Laststromwindungen N_TI, und Steueramperewindungen NI notwendig sind, um den Arbeit spv.nkt der Kerne bei-Fehlen von Laststrorawindungen in einen Punkt 0 der Fig_t3 zu bringen, welche dem oberen Knick der Magnetisie-

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rungskurve entspricht, dann ist hei der ersten Betriebsart Ν_ΛΙ_ sä N_I_„. In diesem Fall wirken die Steueramperewindungen in der Art von Polarisationsamperewindungen und gehen der Einrichtung eine gleichrichtende Funktion« Beispielsweise ist die Einrichtung der Fig.la in der Schaltung der Fig.5 vorgesehen, in welcher ait E die Wechselspannungsquelle der Lastschaltung und mit 33 der Lastwiderst and bezeichnet sind, während die übrigen Bezugszeichen dieselben wie in Fig.la sind« Hierbei wird angenommen und vorausgesetzt, daß die Änderungen bzw« Halbperioden (alternances) der Spannungsquelle E welche Last— Stromwindungen additiv zu oder subtraktiv von den Steuerampere— windungen erzeugen,additiv bzw. subtraktiv wirken« Die Größen +1, und -Ij₁ sind additive bzw. subtraktive Änderungen bzw« Halbperioden des Laststroms·

Wenn die additiven Laststromwindungen den Polarisationsamperewindungen überlagert werden, verschieben sie den Arbeitspunkt der Kerne zu dem gesättigten Bereich hin (zB. zur Stelle 1 in Fig.3), während die subtraktive Änderung (z.B. negative) dieser Windungen sie zu dem nichtgesättigten Bereich hin verschiebt (z«B. zurSteile 2 in Fig«3).

Folglich werden in dem ersten Fall die Wände 27 der Nut gesättigt, was zu einer Verringerung des Querflusses in der Nut führt (was in der Figur durch eine gestrichelte Linie 31 dar—

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gestellt ist); dieser Fluß beruht auf dem durch den Leiter 21 fließenden Strom, der infolgedessen zu einer Verringerung des zusätzlichen Widerstands infolge von parasitären, durch den Fluß induzierten Strömen führt. Der Leiter befindet sich dann in einem Zustand maximaler Leitfähigkeit.

In dem zweiten Fall, d.h. hei Vorhandensein einer subtraktiven Änderung bzw. Halbperiode des Laststroms bleiben die Wände der Nut entsättigt (d.h. sie sind nicht gesättigt) und stellen einen minimalen magnetischen Widerstand für die quer verlaufenden Streuflußlinien in der Nut 31 dar* Hierdurch wird der Querfluß ein Maximum, und infolgedessen wird auch der zusätzliche Widerstand infolge der Verstärkung des durch den Querfluß in dem Leiter 21 induzierten Stroms ein Maximum. Der Leiter befindet sich daher bezüglich dieser subtraktiven Änderung in einem Zustand minimaler Leitfähigkeit.

Die anhand von Fig.la beschriebene Einrichtung wirkt daher als Gleichrichter. Der Sperrwiderstand, d.h. der Widerstandswert, welcher der subtraktiven Änderung entgegenwirkt, beruht auf einer nicht gleichförmigen Verstärkung des Stroms im Querschnitt des Leiters aufgrund des quer verlaufenden Streuflusses in der Nut. Dieser Sperrwiderstand kann infolgedessen beträchtlich erhöht werden (zur Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrades und um den Sperrstrom zu vermindern, welcher die

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Einrichtung innerhalb zulässiger Grenzwerte für den vorgesehenen Anwendungsfall durchfließen kann), indem die "bekannten Anordnungen verwendet werden, die zum Erhöhen des Anlaßwiderstandes in Verdichtungs— und Doppelkäfig-Asynchronmaschinen benutzt werden«. Der zusätzliche Widerstand kann als eine lineare Punktion der (Querschnitts-) Abmessung senkrecht zu dem Streufluß betrachtet werden und ist eine Funktion der Quadratwurzel der Frequenz bei ausreichend hohen Werten dieser zwei Parameter. Infolgedessen werden vorteilhafterweise tiefe Nuten und Leiter 21 verwendet, die sich in einer Richtung senkrecht zu dem Streufluß erstrecken.

Auch ist es vorteilhaft, eine ausreichend hohe Netzfrequenz zu benutzen«, Eine noch höhere Verstärkung des Sperrwiderstands wird dadurch erhalten, daß ein Abschnitt mit einem schmalen Ansatz auf der Seite des Luftspaltes (wo die Stromdichte größer ist) verwendet wird, beispielsweise ein Abschnitt in Form eines umgekehrten T¹S (Fig.Ib) oder ein L-förmiger Abschnitt, oder irgendeine andere äquivalente Form, die in bekannten Stromverdichtungseinrichtungen verwendet wird» Bei der Erfindung sollte die Stärke des schmalen Abschnittes (26 in Fig_oIb) so klein wie praktisch möglich sein, um den Sperrwiderstand zu erhöhen.

Außer einer Erhöhung des zusätzlichen Widerstandes führen die-

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se Anordnungen auch zu einer Verbesserung des R/X—Verhältnisses. Dies wird auch durch den Luftspalt 29 (Fig.la, Id, 2) und durch die Verwendung von offenen oder halboffenen Nuten anstelle von geschlossenen verbessert_o

Der Ausweg, den Leiter aufzuteilen oder ganz oder teilweise zu verdrillen bzw. zu kreuzen, der im allgemeinen zur Verringerung zusätzlicher Verluste angewendet wird, kann im Fall einer ausreichend großen Nuthöhe und hohen Frequenz zu dem entgegengesetzten Ergebnis führen, für welches die Teilung normalerweise angewendet wird, d.h. zu einer Erhöhung statt zu einer Verringerung des zusätzlichen Widerstandes, und kann infolgedessen auch dazu benutzt werden, um die Wirkung zu verstärken, auf welcher die Erfindung beruhte

Durch Ändern der Polarisationsamperewindungen oder durch überlagern von Regelamperewindungen N_I__, welche den Leerlaufpunkt der Kerne von dem Knick 0 der Fig.3 verschiebt, ergibt sich bei der Einrichtung auch eine Regelung des gleichgerichte— ten Stroms zusätzlich zu der Gleichrichtung. Durch Senken des Leerlaufpunktes können sowohl der Gleichstromanteil als auch die diesem überlagerten Oberwellen vermindert werden« Durch Verschieben des Punktes nach rechts (bezüglich des Punktes O in Fig.3) wird der Gleichstromanteil verringert und der Wechselstromanteil erhöht. In diesem Arbeitsbereich, wo NI posi-

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- 15 tiv und zwischen null und N_TI_T liegt (wobei N_TI_T die Laststrom-

Jj Ju Li JU

windungen sind) arbeitet die Einrichtung bei Wechselstrom in Verbindung mit statischen Einrichtungen, d.h. ohne mechanische Kontakte, als veränderlicher induktiver Widerstand.

Diese statische Einrichtung unterscheidet sich von bekannten Ausftihrungsformen sättigungsfähiger Drosseln in zweifacher Hinsicht, nämlich

a) ist die auf diese Weise erhaltene Widerstandskomponente der veränderlichen Impedanz größer als die Blindkomponente; und

b) bleibt ihr Leistungsfaktor praktisch konstant, wenn sich die Impedanz über den gesamten Arbeitsbereich als Punktion des Steuerstroms ändert.

Dies ist eine Folge davon, daß der Widerstand der Ausgangsleiter bezüglich der Induktivität entsprechend verstärkt ist und ist bei den vorbeschriebenen Anordnungen eine Punktion der Summe der Last— und Steueramperewindungen.

In Fig.6 und 7 sind zwei Beispiele einer statischen Regeleinrichtung eines magnetischen Parallelkreises (Fig_o6) bzw· eines magnetischen Serienkreises (Fig.7) dargestellt. Um die Darstellung zu vereinfachen, sind einzelne Phasendarstellungen wiedergegeben. In den dargestellten Beispielen ist die Ausgangswicklung eine Doppelwicklung, d.h. sie besteht aus einem Abschnitt,

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der in additiver Richtung gewickelt ist, und einem weiteren Abschnitt, welcher in subtraktiver Richtung bezüglich des Steuerflusses gewickelt ist, um die ungeraden, durch die Steuerwicklung eingebrachten Oberwellen zu neutralisieren.

Genauso gut könnte auch eine einzige Ausgangswicklung verwendet werden, wenn eine kleine Spannung durch die Oberwellen induziert wird, wobei dieser kleine Wert hei einem Übergewicht der Widerstandskomponente ausreichte

Der geregelte Wechselstrom wird zwischen Stellen 40 und 41 der schematischen Schaltungsanordnung in Fig.8 erreicht, weswegen für dessen Betrieh als Wechselstromregler die Schaltungsanordnung entsprechend Figo9 abgewandelt ist. Für eine Gleichrichtung kann das beschriebene Element als ein Bauteil in einer herkömmlichen Einphasen- oder Mehrphasen-Gleichrichterschaltung verwendet werden . In Fig„6 und 7 sind als Beispiele zwei Ausführungsformen einer einphasigen Vollweg-Gleichrichterschaltung dargestellt, deren schematische SchältungSBnordnung in Fig.8 wiedergegeben ist. Die Wicklungen 21 und 22 bestehen aus Leitern, welche, wenn sie von einer positiven Änderung bzw. Halbperiode der Spannungsquelle E gequert werden, einen Fluß additiv oder subtraktiv zu dem Steuerfluß 30 erzeugen.

Wenn das Eisen bei der Wicklung 21 in Sättigung übergeht (im

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allgemeinen die Stelle 1 in Fig.3) und die Leitfähigkeit in der Wicklung 21 ein Maximum wird, wird das Eisen bei der Wicklung 22 entsättigt (d.h. nicht gesättigt; im allgemeinen die Stelle 2 in Fig.3) und die Leitfähigkeit der Wicklung 22 wird ein Minimum. Während der negativen Periode findet das Gegenteil statt, d.h. die Wicklung 22 wirkt additiv und die Wicklung 21 wirkt subtraktiv.

Die Anordnungen der Fig.6 und 7 unterscheiden sich dadurch, daß in ersterer bezüglich des Steuerflusses die Wicklungen und 22 parallel und in letzterer die Wicklungen in Reihe geschaltet sind. Ferner sollen in Fig.7 diese beiden Wicklungen beispielsweise aus drei in Reihe geschalteten Windungen bestehen, die in Reihe mit herkömmlichen in der Zeichnung nicht dargestellten Anschlüssen geschaltet sind. Zur Vereinfachung des Aufbaus kann ein Abschnitt in Form eines umgekehrten T¹S für jede Windung verwendet werden, wie in Fig.14 dargestellt wird, oder sie kann aus zwei(oder mehr) Platten 23 und 24 aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material gebildet sein, zwischen welchen ein Kupferstreifen 25 eingesetzt oder möglicherweise eingeschweißt ist, um einen einfachen elektrischen Kontakt herzustellen, wobei dessen Vorsprung 26 den schmalen Teil des Windungsabschnittes bildet. Derselbe T-förmige Abschnitt könnte durch Ziehen, Biegen oder einem anderen Herstellungsverfahren auch aus einem einzigen Stück erhalten

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werden. Eine herkömmliche, in der Figur nicht dargestellte Isolierung ist zwischen den einzelnen Windungen und zwischen den Windungen und den Kernen angeordnet. In Fig,6 und 7 sind magnetische, mehrlagige (d.h. aus Blechen aufgebaute) Kerne 27, welche die Leiter 21 und 22 umgehen, eine Eingangswicklung 20, mehrlagige Streifen 28, welche die schmalen Abschnitte füllen(und auch von dem Leiter isoliert sind) ein Luftspalt 29, die Bahn 30 des Steuerflusses und zu irgendeinem Zeitpunkt die Bahn 31einer quer verlaufenden Streuflußlinie der Ausgangswicklung dargestellt.

Die zweite Hauptbetriebsart des in Fig.l dargestellten Gnmdbauteils und seine Anwendungsbeispiele (Fig.6 und 7) werden dadurch erhalten, daß an die Steuerwicklung 20 Amperewindungen N (I + I„_) (Fig.ii) angelegt werden, die sich mit der haiben Frequenz (oder einem geraden, ganzzahligen Bruchteil) der Speisefrequenz der Axisgangs schaltung statt mit einer konstanten Frequenz wie bei der ersten Betriebsart ändern.

Dies wird entweder durch Speisen der Steuerwicklung 20 mit einer Wechselspannung anstatt mit Gleichspannung oder durch periodisches Koppeln und Entkoppeln des Teils des Kerns 27c, in welchem die Steuerwicklung 20 untergebracht ist, bezüglich des übrigen Teils des Kerns 27 erreicht, welcher die Ausgangswicklungen enthält.

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In beiden Fällen werden die Wände der die Ausgnngswicklungen enthaltenden Nute durch den induzierenden Fluß periodisch gesättigt und entsättigt (d.h. nicht gesättigt), und der zusätzliche Widerstand infolge des quer verlaufenden Streuflusses ändert sich periodisch von einem Minimum auf ein Maximum, wenn die Sättigungsbedingungen (in dem Induktionsfeld) und die Entsättigungsbedingungen (außerhalb des Induktionsfeldes) der Nutwandungen sich ändern«,

Wie erwähnt, beeinflußt diese Wertänderung des zusätzlichen Widerstandes den Leitungszustand der Ausgangswicklungen in dem Sinn, daß das Leiten verhindert ist, wenn der zusätzliche Widerstand ein Maximum ist, und beinahe ein volles Leitvermögen gegeben ist, wenn der zusätzliche Widerstand ein Minimum ist·

Diese zweite Betriebsart unterscheidet sich von der ersten bezüglich des Arbeitspunktes, in welchem die Wicklungen 21 und 22 der Fig.7 und 8 gleichzeitig den leitenden Zustand in einer Halbperiode und den gesperrten Zustand in der nächsten Halbperiode erreichen, während stattdessen in der vorbeschriebenen Betriebsart eine leitend ist und die andere gleichzeitig gesperrt ist.

Bei der Ausführung der in Fig.8 dargestellten, schematischen

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Anordnung muß daher der Kern entlang der gestrichelten Linie ^o in zwei Teile geteilt werden und die zwei Hälften müssen mit Stauerspannungen versorgt werden, welche gegenseitig um 90 phasenverschoben sind. Eine andere mögliche Lösung hesteht darin, zwei Einrichtungen wie in Fig.7 (oder in Fig.8) statt einer zu verwenden, d.h. jeweils eine für jede Halbwelle und sie dann wie in der schematischen Anordnung der Fig.8a zu verbinden. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem vorhergehenden besteht in der Kompensierung der ungeraden in die Steu— erwicklung eingebrachten Oberwellen, wie es bereits bei in Reihe geschalteten, sättigungsfähigen Drosseln bzw. Reaktanzspulen bekannt ist.

In beiden Fällen kann bei der zweiten Betriebsart das Grundbauteil der Fig.i konstruktiv vereinfacht werden, indem es in das in Fig.2 dargestellte Bauteil umgewandelt wird, bei welchem der Steuerfluß parallel statt in Reihe die beiden Kerne durchläuft, welche den oder die Ausgangsleiter flankieren bzw. begrenzen. Die Folge hiervon ist, daß der Fluß von dem Ausgangsstrom additiv zu dem Steuerfluß in der rechten Wand hinzukommt und gleichzeitig subtraktiv von dem in der linken Wand abzuziehen ist (oder umgekehrt), wobei dies jedoch nichts an der zweiten Betriebsart ändert, während dadurch offensichtlich die erste Betriebsart verhindert ist, da sie es unmöglich machen würde, daß gleichzeitig die beiden Wände während einer

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Ilalbperiode gesättigt und beide während der nächsten Periode enfcsättigt würden (d.h. nicht gesättigt wären).

Wie bereits ausgeführt, kann die periodische Änderung in den Steuerauiperewindungen bei der zweiten Betriebsart dadurch erhalten werden, daß die Speisespannungen 30 und 30' gegeneinander um 90 in der Phase verschoben werden, oder es kann durch mechanisches und periodisches Koppeln und Entkoppeln des Teils des Kerns, in welchem die Wicklung 2? untergebracht ist, an und von dem die Ausgangswieklungen enthaltenden Kern erreicht werden. Dies kann bei einem Rotor- und Statoraufbau ähnlich wie dein einer rotierenden elektrischen Maschine erreicht werden.

In Fig.10 ist in einem in keiner Weise beschränkenden Beispiel ein Aufbau dieser Art dargestellt, welcher der schematischen Anordnung der Fig.10a entspricht. Um die Darstellung zu vereinf achen, ist ein zweipoliger Aufbau gewählt; um den zusätzlichen Widerstand durch eine hohe Speise- bzw. Netzfrequenz zu erhöhe^?, vorden jedoch vorzugsweise mehrpolige Ausführungsformen verwendet. Diese sind abgesehen von der Polanzahl der dargestellten Ausführungsform ähnlich. Wie ausgeführt, muß die Speisespannung eine Frot^uenz haben, die das Doppelte der SättigungsXreiiunm ist, und dies kann beispielsweise von einem vierpoligen Generator G (Fig_el0a) mit einem zu dem Rotor 2A koaxi—

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alen, umlaufenden Anker erreicht werden, was in Fig,IO nicht dargestellt ist.

Eine Anordnung, welche vorzugsweise verwendbar ist, um den zusätzlichen Widerstandswert,(und im allgemeinen den Wechselstromwiderstand) im Sperrzustand zu erhöhen,, weist zwischen den bewickelten Polen eine gleiche Anzahl zusätzlicher, nicht bewickelter Pole 7 auf, deren Polstücke einen zusätzlichen Schließweg für den Streufluß durch den Luftspalt darstellen. Diese Anordnung wird vorzugsweise den bereits beschriebenen Einrichtung^η (z.B. den verwendeten Leitern mit einem L-förmigen Abschnitt) zugeordnet, um eine Zunahme von R und damit eine Verringerung des R/X-Verhältnisses zu verhindern.

In Pig.Ii ist in Form von Kurven schaubildlich die Änderung des Leitwertes (oder des durch eine Einheitsspannung erzeugten Stroms) der Wicklungen der Elementargleichrichter dargestellt, die nachstehend als RS-Elemente bezeichnet werden. Um den Leitwert jedes RS-Elements zu vereinfachen, wird eine lineare Funktion seiner Ankopplung an den Sättigungspol angenommen. Beispielsweise im Fall des Elements RSl der Fig.10 und bei der durch einen Pfeil 106 angegebenen Drehrichtung beginnt die Kopplung (und der Leitwert ist null), wenn der Pfeil iO6 bei 0° ist» Die Kopplung ist vollständig (und der Leitwert erreicht seinen Maximalwert), wenn der Pfeil 106 entsprechend dem Luft—

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spaltbogen des Zahns, auf welchen das Element RSl gewickelt ist, plus dem von zwei benachbarten Zähnen 45° erreicht.

Denselben Verlauf zeigt auch die Speisespannung V,,. Selbst wenn der durch die Sättigung hervorgerufene Leitungszustand zweiseitig gerichtet ist, werden die Leitungskurven herkömmli— überweise mit einem positiven Vorzexchen für die RS-Elemente der positiven Gruppe (1, 2, 3) versehen, um sie von denen der negativen Gruppe (I¹, 2¹, 3¹) zu unterscheiden, welche mit einem entgegengesetzten,(negativen) Vorzeichen versehen sind.

Der Leitwert der RS-Elemente der positiven, leitenden Gruppe ist in Reihe mit dem der RS-Elemente der negativen leitenden Gruppe und mit der Last R. geschaltet, und ist infolgedessen gleich dem Umkehrwert der Summe der Umkehrwerte der positiven und negativen Ordinate der Kurvendarstellung.

In Fig. 12a und i2b ist eine Abwandlung der Form der RS-Kerne der Fig.10 dargestellt. In dieser ^wJackett^H-Form sind die mittleren Kerne 16 in zwei Halbkerne 16a und 16b aufgeteilt, damit der Halbkern 16a gesättigt wird,(wenn er an einen Induktionspol angekoppelt), während der andere Halbkern 16b entsättigt (d.h. nicht gesättigt) wird, (wenn er entkoppelt ist), oder umgekehrt. Dies hat den Vorteil, daß die Umschaltzeit von dem leitenden in den gesperrten Zustand oder umgekehrt verringert

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Bei einer anderen einphasigen oder mehrphasigen Gleichrichterschaltung kann dasselbe erreicht werden, was in Fig.10 dargestellt wird, indem um einen Aufhau, der dem Aufbau 2a der Fig.10 ähnlich ist und die geforderte Anzahl Gleichrichterelemente aufweist, ein Satz Sättigungspole in der entsprechenden Menge.und Größe sowie mit einem entsprechenden Abstand zwischen den Polstücken in der Weise angeordnet wird, daß zu irgendeinem Zeitpunkt der Sättigungsfluß alle diese Gleichrichterelemente aufschaltet, welche die Gleichrichterschaltung erfordert, damit sie zu dem in Betracht gezogenen Zeitpunkt leitend sind, und daß die gesperrten Elemente nicht durch den Sättigungsfluß ein- bzw. aufgeschaltet werden.

Insbesondere können die Gleichrichterelemente, wie sie in der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, anstelle der sättigungsfähigen liegler -Reaktanzspulen RS, wie sie in der italienischen Patentschrift 970 990 beschrieben sind, zum Gleichrichten und Regeln bzw. Steuern verwendet werden.

In diesem Zusammenhang soll daran erinnert werden, daß bei allen vorbeschriebenen Anordnungen und üblicherweise in allen Anordnungen gemäß der Erfindung die Teile des Magnetkreises, die an die Leiter RS angrenzen, aus dünn geschichteten, mehr-

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lagigen Kernen gebildet sein müssen, deren einzelne Lagen einen niedrigen Verlust aufweisen, um die parasitären Ströme in dem Eisen auf ein Minimum zu /begrenzen, welche ein Eindringen des quer verlaufenden Flusses in die Nut verhindern, worauf die Arbeitsweise der Erfindung beruht. Aus demselben Grund, d.h. um den quer verlaufenden Streufluß zu erhöhen, müssen die Schichten bzw. die verschiedenen Lagen der Kerne vorzugsweise eine hohe Permeabilität aufweisen. Sie müssen auch eine Ilyste— resiskurve bzw. -schleife haben, die der theoretischen, in Fig.13 dargestellten Kurve (eine schmale Rechteckkurve mit einer niedrigen Koerzitivkraft H , die für weiches, magnetisches Material charakteristisch ist,) so nahe wie möglich kommt, um die Steueramperewindungen zu vermindern, die für eine Sättigung sinduktion erforderlich sind. Schließlich können die Leiter teilweise oder ganz aus ferromagnetischem Material bestehen, um den quer verlaufenden Fluß weiter zu erhöhen.

Eine Regel- bzw. Steuer- und Gleichrichterfunktxon kann in bekannter ¥eise dadurch erhalten werden, daß die Wirkung ausgenutzt wird, die von einem äußeren Magnetfeld auf den supraleitenden Zustand eines Leiters ausgeübt wird, der bis auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt ist. (J.L.Olsen, Superconducting rectifier and amplifier", Rev. Sei. Instr. 29,537, 1958 and R. Fasel, J.L. Olsen, "Superconducting rectifiers" from "Low temperatures and electric power", Pergamon

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Press, 1970)ο Im Hinblick auf die Erfindung erfordern auch diese bekannten Verfahren, abgesehen davon, daß sie auf einem vollständig anderen physikalischen Prinzip, d_eh. der Änderung des supraleitfähigen Zustandes durch ein Magnetfeld beruhen, vollständig andere konstruktive Formen als die der Erfindung, die Verwendung von besonderen leitenden Materialien anstelle von einfachem Kupfer. , eine komplizierte zusätzliche Einrichtung zur Kälteerzeugung und all die anderen konstruktionsbedingten Abschirm- und thermischen Isoliereinrichtungen, wie sie bei der Tieftemperaturtechnik verwendet werden. Im Unterschied hierzu ermöglicht die Erfindung einen Betrieb mit herkömmlichem leitendem Material (wie Kupfer) bei denselben Betriebs- und Umgebungstemperaturen wie die herkömmlichen elektrischen Maschinen.

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Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1_#\ Einrichtung zum Steuern, Kommutieren und Umwandeln von elektrischem Strom, gekennzeichnet durch zumindest einen Leiter (21), der in zumindest einer Nut (31) in einem ferromagnetischen, mehrlagigen Blechpacket (27) angeordnet ist, wobei die Form des Leiterquerschnitts und dessen Anordnung in der Nut (31) entsprechend gewählt ist, um den zusätzlichen Widerstand durch den Streufluß infolge des durchfließenden Stroms zu verstärken, der Magnetkreis, der durch das mehrlagige Blechpacket (27) gebildet ist und mit dem Strom in dem Leiter (21) verkettet ist, derart ausgebildet ist, um die Induktivität des Leiters (21) auf ein Minimum herabzusetzen, und die Wände der Nut (31)> in der der Leiter (21) untergebracht ist, so geformt und angeordnet sind, daß sie durch ein äußeres magnetisches Steuerfeld gesättigt werden können, das dem durch den Strom in dem Leiter (2l) erzeugten Magnetfeld überlagert ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei magnetische Anordnungen, die relativ zueinander bewegbar sind, wobei die erste Anordnung Pole zur Erzeugung des magnetischen Steuerfeldes und die zweite Anord-

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nung zumindes t einen Leiter und eine ihn aufnehmende Nut aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenräumen zwischen den Polen zusätzliche, nicht erregte Pole (7) angeordnet sind, deren Polstücke einen zusätzlichen Schließweg für den Streufluß zumin — dest eines Leiters darstellen.
k. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des zumindest einen Lei;·» ters einen schmalen Ansatz (26) aufweist, der an dem Ende größerer Stromverdichtung angeordnet ist.
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