DE2636612C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine sättigbare magnetische Vorrichtung zum Steuern, Kommutieren und Umwandeln von elektrischem Strom

Das einfachste Verfahren zum Steuern von elektrischem Strom in einer Schaltung besteht kontinuierlich darin, den Wert eines in Reihe mit dem Stromverlauf geschalteten, elektrischen Widerstandes zu ändern, sei es durch langsames, kontinuierliches Verschieben eines Gleitkontaktes oder mit Hilfe von Schaltern. Mit Hilfe letzterer läßt sich auch eine Polvertauschung ausführen, womit, bei entsprechender Synchronizität, aus einem Wechselstrom ein Gleichstrom gemacht werden kann. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Funken- bzw. Lichtbogenentwicklung sowie eine schnelle Abnutzung der Kontakte, wenn Ströme größerer Stärke geschaltet werden müssen.

Aus der DE-PS 1 97 825 ist ein elektrisches Kraftübertragung- und Verteilungssystem der eingangs genannten Art bekannt, enthaltend eine elektrische Maschine, in der mittels besonderer Kommutatoranordnungen eine beliebige Anzahl von Mehrphasenströmen erzeugt werden, aus denen an einer Verbrauchsstelle ein Gleichstrom gebildet wird. Um die übertragenen Wechselströme funkenlos vom Rotor abzunehmen und gleichzurichten, sind die Kommutatoren so gebaut, daß die erzeugten Ströme einen lang andauernden Nullwert besitzen. Die Maschine weist ein ferromagnetisches, laminiertes Blechpaket mit mehreren Nuten mit sättigbaren Nutwänden auf, wobei die Tiefe der Nuten jeweils wesentlich größer als ihre Breite ist und die Nuten an einer ihrer Schmalseiten offen sind. In den Nuten befindet sich wenigstens ein von einem Laststrom durchflossener Leiter. Obgleich nicht explizit beschrieben, kann vorausgesetzt werden, daß, wie bei elektrischen Maschinen üblich, der bzw. die Leiter eine der Nut angepaßte Querschnittsgestalt aufweisen, so daß die Nuten vollständig vom Nutgrund bis zur Nutöffnung ausgefüllt werden. Wenn die Tiefe der Nut wesentlich größer ist als deren Breite, ist es jedoch bekanntlich notwendig, die Leiter in der Nuttiefenrichtung aufzuteilen und die resultierenden Flachleiter zu verdrillen bzw. zu kreuzen, um die von den Stromverdrängung bzw. -verdichtung hervorgerufenen zusätzlichen Verluste in diesem Motor- bzw. Generatorleitern zu verringern und den Wirkungsgrad nicht zu verschlechtern.

Die US-PS 34 43 198 beschreibt ein elektrisches Stromwandlersystem mit variabler Induktivität der eingangs genannten Art, enthaltend eine von einem Steuerstrom durchflossene Steuerwicklung auf einem Blechpaket, die diesem eine Vormagnetisierung vermittelt, und eine von einem Laststrom durchflossene Lastwicklung auf demselben Blechpaket, wobei die beiden Wicklungen orthogonal zueinander angeordnet sind. Der Laststrom und der Steuerstrom bringen in dem Blechpaket einen sich überlagernden, periodisch ändernden Magnetfluß hervor, der das Blechpaket abwechselnd in den magnetisch ungesättigten bzw. gesättigten Zustand bringt, womit der induktive Widerstand für den Laststrom mittels des Steuerstroms beeinflußt werden soll. In wenigstens einem Teil der Kerns sind die vom Steuerstrom erzeugte Flußkomponente und die vom Laststrom erzeugte Flußkomponente stets einander entgegengerichtet, um den Betriebspunkt auf der B/H-Kennlinie des Kerns auf dem ungesättigten Ast zu halten. Die Kernteile, in denen die Flußkomponenten gleichgerichtet sind, werden hingegen gesättigt. Es sind somit gleichzeitig gesättigte und ungesättigte Kernteile zu beiden Seiten der Mittelöffnung, in der sich die Lastwicklung befindet, vorhanden.

Diese Anordnung wirkt genau wie bei allen anderen sättigbaren magnetischen Vorrichtungen nach dem Prinzip der Änderung oder Kommutierung der Kenngröße "Induktivität", die mit dem Lastkreis in Reihe geschaltet ist, und führt somit einen Blindleistungsaustausch in den Lastkreis ein. Dies hat die negative Folge eines unerwünschten Umlaufs von Blindleistung, mit Verschlechterung der Regelungszeitkonstante.

Ferner bringt die Anordnung des Kerns und der Wicklungen gemäß US-PS 34 43 198 bauliche Schwierigkeiten mit sich, wenn man sie für hohe Leistungen und Ströme verwenden will, weil die mehrlagige Struktur des Kerns, die bekanntlich zur Unterdrückung von Wirbelströmen notwendig ist, nur parallel zu der von der Lastwicklung erzeugten Flußkomponente oder zu der von der Steuerwicklung erzeugten Flußkomponente, jedoch nicht parallel zu beiden gerichtet, sein kann. Dies verschlechtert die Eigenzeitkonstante und die Eisenverluste, es sei denn, man greift auf Kerne mit isotropen magnetischen Eigenschaften, entsprechend den drei Koordinatenachsen zurück, wie Ferritkerne, oder aus agglomerierten ferromagnetischen Pulvern bestehende Kerne. Diese Art von Kernen ist aber für die Anwendung hoher Leistungen und hoher Ströme nicht geeignet, und zwar sowohl wegen der hohen Material- und Herstellungskosten, als auch weil das räumlich isotrope Material nicht erlaubt, jene Permeabilitätswerte zu erreichen, die mit Blechkernen erzielbar sind und von denen der Gütegrad der sättigbaren magnetischen Vorrichtung abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sättigbare magnetische Vorrichtung zum Steuern, Kommutieren und Umwandeln von elektrischem Strom zu schaffen, die grundsätzlich ohne Schalter arbeitet und für hohe Leistungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Kombination der Merkmalsgruppen a) bis e) gelöst. Dem diskutierten Stand der Technik entsprechend sind dabei die Merkmalsgruppen a) und b) aus der DE-PS 1 97 825, die Merkmalsgruppen b) und c) zum Teil sowie d) aus der US-PS 34 43 198 bekannt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wie bei dem Wandlersystem nach der vorgenannten US-PS 34 42 198 wird beim Gegenstand der Erfindung die Höhe des Laststroms durch die gesteuerte Änderung der Induktivität der im Hauptstromkreis liegenden Drossel beeinflußt. Dies ist hier jedoch von untergeordneter Bedeutung, denn die Höhe des Laststroms wird überwiegend durch den Wirkwiderstand des in der Nut liegenden Leiters bestimmt, der von einer durch Induktionswirkung bedingten Stromverdrängung beeinflußt wird.

Diese Stromverdrängung ist an sich bekannt und soll bei der Konstruktion herkömmlicher elektrischer Maschinen vermieden werden. Beim Gegenstand der Erfindung wird er hingegen bewußt ausgenutzt. Das von der Erfindung hervorgebrachte Ergebnis beruht weniger auf dem Prinzip der Änderung der Kenngröße "Induktivität" als vielmehr auf der Änderung der Kenngröße "ohm'scher Widerstand'.

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

Fig. 1a und 1b schematische Seitenansichten von 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. 1a und 1b;

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

Fig. 5 schematisch eine elektrische, mögliche Schaltung, bei welcher das Grundbauteil der Fig. 1a, 1b und 2 verwendet ist;

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

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

Fig. 10 und 10a den Aufbau bzw. die elektrische Schaltung eines dynamischen Gleichrichters und Reglers, welcher das Grundbauteil 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 12b Abwandlungen der Kernform der sättigungsfähigen Elemente der Fig. 10;

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

Fig. 14 eine Ausführungsform der Leiter (21 und 22) der Fig. 1a, 7 und 12.

In Fig. 1a 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 Ausgangsstroms, ein ferromagnetisches (mehrlagiges) Blechpaket 27 (von welche 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. 1a 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 N_cI_c, Laststromwindungen N_LI_L und Steueramperewindungen N_cI_co notwendig sind, um den Arbeitspunkt der Kerne bei Fehlen von Laststromwindungen in einen Punkt 0 der Fig. 3 zu bringen, welche dem oberen Knick der Magnetisierungskurve entspricht, dann ist bei der ersten Betriebsart N_cI_c=N_cI_co. In diesem Fall wirken die Steueramperewindungen in der Art von Polarisationsamperewindungen und geben der Einrichtung eine gleichrichtende Funktion. Beispielsweise ist die Einrichtung der Fig. 1a in der Schaltung der Fig. 5 vorgesehen, in welcher mit E die Wechselspannungsquelle der Lastschaltung und mit 33 der Lastwiderstand bezeichnet sind, während die übrigen Bezugszeichen dieselben wie in Fig. 1a sind. Hierbei wird angenommen und vorausgesetzt, daß die Halbperioden der Spannungsquelle E im Leiter 21 Laststromwindungen additiv zu oder substraktiv von den Steueramperewindungen erzeugen. Die Größen +I_L und -I_L sind Halbperioden des Laststroms mit folglich unterschiedlich hoher Amplitude.

Wenn die additiven Laststromwindungen den Polarisationsamperewindungen überlagert werden, verschieben sie den Arbeitspunkt der Kerne zu dem gesättigten Bereich hin (z. B. zur Stelle 1 in Fig. 3), während die subtraktive Änderung (z. B. negativ) dieser Windungen sie zu dem nichtgesättigten Bereich hin verschiebt (z. B. zur Stelle 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 dargestellt 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. bei 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 31 in der Nut dar. Hierdurch wird der Querfluß ein Maximum, und infolgedessen wird auch der zusätzliche Widerstand infolge der Verdichtung 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. 1a beschriebene Einrichtung wirkt daher als Gleichrichter. Der Sperrwiderstand, d. h. der Widerstandswert, welcher der subtraktiven Änderung entgegenwirkt, beruht auf einer nicht gleichförmigen Verdichtung 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 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 Funktion 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 T′s (Fig. 1b) 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. 1b) so klein wie praktisch möglich sein, um den Sperrwiderstand zu erhöhen.

Außer einer Erhöhung des zusätzlichen Widerstandes führen diese Anordnungen auch zu einer Verbesserung des R/X-Verhältnisses. Dies wird auch durch den Luftspalt 29 (Fig. 1a, 1b, 2) und durch die Verwendung von offenen oder halboffenen Nuten anstelle von geschlossenen verbessert.

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 beruht.

Durch Ändern der Polarisationsamperewindungen oder durch Überlagern von Regelamperewindungen N_cI_cr, welche den Leerlaufpunkt der Kerne von dem Knick 0 der Fig. 3 verschiebt, ergibt sich bei der Einrichtung auch eine Regelung des gleichgerichteten 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 0 in Fig. 3) wird der Gleichstromanteil verringert und der Wechselstromanteil erhöht. In diesem Arbeitsbereich, wo N_cI_cr positiv und zwischen null und N_LI_L liegt (wobei N_LI_L die Laststromwindungen 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 Ausführungsformen sättigungsfähiger Drosseln in zweifacher Hinsicht, nämlich

• a) ist die auf diese Weise erhaltene Wirk-Widerstandskomponente der veränderlichen Impedanz größer als die Blindkomponente; und
• b) bleibt der Leistungsfaktor praktisch konstant, wenn sich die Impedanz über den gesamten Arbeitsbereich als Funktion des Steuerstroms ändert.

Dies ist eine Folge davon, daß der Wirkwiderstand der Ausgangsleiter bezüglich der Induktivität entsprechend verstärkt ist und ist bei den vorbeschriebenen Anordnungen eine Funktion der Summe der Last- und Steueramperewindungen.

In Fig. 6 und 7 sind zwei Beispiele einer statische Regeleinrichtung eines magnetischen Parallelkreises (Fig. 6) 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, der in additiver Richtung gewickelt ist, und einem weiteren Abschnitt, welcher in substraktiver 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 klare Spannung durch die Oberwellen induziert wird, wobei dieser kleine Wert bei einem Übergewicht der Widerstandskomponente ausreicht.

Der geregelte Wechselstrom wird zwischen Stellen 40 und 41 der schematischen Schaltungsanordnung in Fig. 8 erreicht, weswegen für dessen Betrieb als Wechselstromregler die Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 9 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 Schaltungsanordnung 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 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 21 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 T′s 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 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 umgeben, 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 31 einer quer verlaufenden Streuflußlinie der Ausgangswicklung dargestellt.

Die zweite Hauptbetriebsart des in Fig. 1 dargestellten Grundbauteils und seine Anwendungsbeispiele (Fig. 6 und 7) werden dadurch erhalten, daß an die Steuerwicklung 20 Amperewindungen N_c (I_co+I_cr) (Fig. 4) angelegt werden, die sich mit der halben Frequenz (oder einem geraden, ganzzahligen Bruchteil) der Speisefrequenz der Ausgangsschaltung ändern anstelle einer konstanten Amplitude wie bei der ersten Betriebsart.

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.

In beiden Fällen werden die Wände der die Ausgangswicklungen 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 Ausgangwicklungen 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 Anordnung muß daher der Kern entlang der gestrichelten Linie 40 in zwei Teile geteilt werden und die zwei Hälften müssen mit Steuerspannungen versorgt werden, welche gegenseitig um 90° phasenverschoben sind. Eine andere mögliche Lösung besteht 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 Steuerwicklung 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. 1 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 Halbperiode gesättigt und beide während der nächsten Periode entsättigt würden (d. h. nicht gesättigt wären).

Wie bereits ausgeführt, kann die periodische Änderung in den Steueramperewindungen 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 27 untergebracht ist, an und von dem die Ausgangswicklungen enthaltenden Kern erreicht werden. Dies kann bei einem Rotor- und Statoraufbau ähnlich wie dem 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 vereinfachen, ist ein zweipoliger Aufbau gewählt; um den zusätzlichen Widerstand durch eine hohe Speise- bzw. Netzfrequenz zu erhöhen, werden jedoch vorzugsweise mehrpolige Ausführungs formen verwendet. Diese sind abgesehen von der Polanzahl der dargestellten Ausführungsform ähnlich. Wie ausgeführt, muß die Speisespannung eine Frequenz haben, die das Doppelte der Sättigungsfrequenz ist, und dies kann beispielsweise von einem vierpoligen Generator G (Fig. 10a) mit einem zu dem Rotor 2A koaxialen, umlaufenden Anker erreicht werden, was in Fig. 10 nicht dargestellt ist.

Eine Anordnung, welche vorzugsweise verwendbar ist, um den zusäztlichen 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 Einrichtungen (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 Fig. 11 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 RS1 der Fig. 10 und bei der durch einen Pfeil 106 angegebenen Drehrichtung beginnt die Kopplung (und der Leitwert ist null), wenn der Pfeil 106 bei 0° ist. Die Kopplung ist vollständig (und der Leitwert erreicht seinen Maximalwert), wenn der Pfeil 106 entsprechend dem Luftspaltbogen des Zahns, auf welchen das Element RS1 gewickelt ist, plus dem von zwei benachbarten Zähnen 45° erreicht.

Denselben Verlauf zeigt auch die Speisespannung V_G. Selbst wenn der durch die Sättigung hervorgerufene Leitungszustand zweiseitig gerichtet ist, werden die Leitungskurven herkömmlicherweise mit einem positiven Vorzeichen für die RS-Elemente der positiven Gruppe (1, 2, 3) versehen, um sie von denen der negativen Gruppe (1′, 2′, 3′) 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_L geschaltet, und ist infolgedessen gleich dem Umkehrwert der Summe der Umkehrwerte der positiven und negativen Ordinate der Kurvendarstellung.

In Fig. 12a und 12b ist eine Abwandlung der Form der RS-Kerne der Fig. 10 dargestellt. In dieser "Jackett"-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 der entkoppelt ist), oder umgekehrt. Dies hat den Vorteil, daß die Umschaltzeit von dem leitenden in den gesperrten Zustand oder umgekehrt verringert wird.

Bei einer anderen einphasigen oder mehrphasigen Gleichrichterschaltung kann dasselbe erreicht werden, was in Fig. 10 dargestellt wird, indem um einen Aufbau, 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 Regler-Reaktanzspulen RS, wie sie in der italienischen Patentschrift 9 70 990 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, mehrlagigen 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 Hysteresiskurve bzw. -schleife haben, die der theoretischen, in Fig. 13 dargestellten Kurve (eine schmale Rechteckkurve mit einer niedrigen Koerzitivkraft H_c, die für weiches, magnetisches Material charakteristisch ist), so nahe wie möglich kommt, um die Steueramperewindungen zu vermindern, die für eine Sättigungsinduktion erforderlich sind. Schließlich können die Leiter teilweise oder ganz aus ferromagnetischen Material bestehen, um den quer verlaufenden Fluß weiter zu erhöhen.

Eine Regel- bzw. Steuer- und Gleichrichterfunktion kann in bekannter Weise 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. Sci. Instr. 29, 537, 1958 and R. Fasel, J. L. Olsen, "Superconductin rectifiers" from "Low temperatures and electric power", Pergamon Press, 1970). Im Hinblick auf die Erfindung erfordern auch diese bekannten Verfahren, abgesehen davon, daß sie auf einem vollständig anderen physikalischen Prinzip, d. h. der Änderung des supraleitfähigen Zustandes durch ein Magnefeld 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.

Claims (5)

1. Sättigbare magnetische Vorrichtung zum Steuern, Kommutieren und Umwandeln von elektrischen Strom, enthaltend:

• a) ein ferromagnetisches, laminiertes Blechpaket (27) mit wenigstens einer Nut mit sättigbaren Nutwänden, wobei die Tiefe der Nut wesentlich größer als ihre Breite ist und die Nut an einer ihrer Schmalseiten offen ist;
• b) wenigstens einen von einem Luftstrom durchflossenen Leiter (21) von der Nut angepaßter Querschnittsgestalt, der vom Nutgrund bis zur Nutöffnung reicht;
• c) eine von einem Steuerstrom durchflossene Steuerwicklung (20) auf dem Blechpaket (27), die diesem eine Vormagnetisierung vermittelt, wobei
• d) Laststrom und Steuerstrom in dem Blechpaket (27) einen sich überlagernden, periodisch ändernden Magnetfluß hervorrufen, der das Blechpaket (27) abwechselnd in den magnetisch ungesättigten bzw. gesättigten Zustand bringt mit der Folge, daß
• e) im Leiter (21) durch Induktionswirkungen abwechselnd eine Stromverdrängung in Richtung auf den Nutöffnungsbereich hervorgerufen bzw. nicht hervorgerufen wird, die sich in einer periodischen Änderung des Wirkwiderstandes für den Laststrom äußert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Leiter (21) an seinem der Nutöffnung benachbarten Ende einen schmalen Ansatz (26) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der im Nutöffnungsbereich zwischen dem Leiteransatz (26) und den Nutfäden eine mehrlagige, ferromagnetische Lamellenfüllung (28) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Bleckpaket in zwei magnetische Anordnungen aufgeteilt ist, die relativ zueinander bewegbar sind, von denen die erste Pole zur Erzeugung des magnetischen Steuerfeldes und die zweite den zumindest einen Leiter (21) sowie die ihn aufnehmende Nut aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der zwischen den ersten Polen zusätzliche nicht erregte zweite Pole (7) angeordnet sind, deren Polstücke einen zusätzlichen Schließweg für den Steuerfluß des wenigstens einen Leiters (21) darstellen.