DE2700375C2

DE2700375C2 - Gleichstrom-Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2700375C2
Application number: DE2700375A
Authority: DE
Inventors: Hisatoshi Zushi Kanagawa Ikeda; Minoru Tokio/Tokyo Kanagawa Murano; Tohoru Yokohama Kanagawa Tamagawa; Satoru Yanabu
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-01-08
Filing date: 1977-01-07
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE2700375A1; US4110806A; GB1545371A

Description

ti Ψ. W

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Schaltvorrichtung mit wenigstens einem Haupt-Schalter, der wenigstens einer sättigbaren Drosseleinrichtung, deren Spule mit dem Haupt-Schalter in Reihe geschaltet ist und deren magnetischer Kern bei einem die Spule durchfließenden, vorbestimmten Strom gesättigt ist, und mit einem einen Kondensator enthaltenden Kommutierungskreis, der bei öffnung des Haupt-Schalters mittels eines Hilfs-Schalters der Reihenschaltung aus Haupt-Schalter und Drosseleinrichtung parallel schaltbar ist.

Es ist eine Gleichstrom-Schaltvorrichtung der genannten Art mit nur einem Haupt-Schalter bekannt (US-PS 33 90 305), bei welcher mit dem Haupt-Schalter eine einfache sättigbare Drossel in Reihe geschaltet ist. Durch diese Maßnahme wird die Stromänderungsgeschwindigkeit beim Kommutieren verringert und somit eine sichere Kommutierung erreicht.

Es sind ferner Schaltvorrichtungen zum Unterbrechen großer Ströme bekannt (CH-PS 3 17 657, GB-PS 43 889, DE-OS 24 54 157, FR-PS 13 72 239), bei denen der Stromkreis in mehrere parallele Teilstromkreise aufgeteilt ist, die je eine Drosselspule enthalten, wobei durch die Induktivität dieser Drosselspulen die in den verschiedenen Teilstromkreisen fließenden Ströme gleich groß werden,soUen.

Es ist auch eine Wechselstrom-Schaltanordnung mit mehreren parallelgeschalteten Thyristoren bekannt (US-PS 34 67 851), bei welcher den ^inzebien Thyristoren jeweils eine Strom-Ausgleichsdüse! 'und eine mit dieser in Reihe geschaltete Strombegfenzungsdrossei vorgeschaltet sind. Dadurch sind die parallelen Strom-' kreise miteinander magnetisch.gekoppelt; so daß der ίο Strom in den Zweigen gleich groß wird. Die Drosselvorrichtung ist hier vergleichsweise aufwendig. Sie erfordert vergleichsweise viel Raum, und sie ist nicht sehr wirksam.

Magnetisch miteinander gekoppelte Spulen zur gleichmäßigen Aufteilung des Stroms auf zwei parallelgeschaltete Schalter sind aus der GB-PS 12 64299 bekannt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstrom-Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine größere Schaltleistung unter Verwendung mehrerer an sich bekannter Parallelstromkreise ermöglicht, und die eine vereinfachte und wirkungsvollere Drosseleinrichtung mit einer verringerten Gesamtinduktivität auch bei großen Selbstinduktivitäten der Drosselspulen aufweist

Dies wird erfindu/igsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht

Hierdurch wird eine vereinfachte Drosseleinrichtung geschaffen, bei welcher Spulen mit großer Selbstinduktivität verwendet werden können, wobei durch die besondere Anordnung eine verringerte Gesamtinduktivität erreichbar ist

Zweckmäßig sind die beiden in Reihe geschalteten Ringspulen miteinander derart gekoppelt, daß die erzeugten Magnetflüsse einander aufheben.

Die Spulen der sättigbaren Drosseln können nebeneinanderliegende Wicklungen aufweisen, die je mit sättigbaren Magnetkernen verkettet sind, wobei die Magnetkerne benachbarter Wicklungen ineinander ge schichtet sein können.

Die die erste Ringspule und deren sättigbare Kerne umgebende zweite Ringspule kann mit einer Spule des Kommutierungsstromkreises magnetisch gekoppelt sein.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Gleichstrom-Schaltungsanordnung unter Verwendung zweier paralleler Stromkreise mit an sich bekannten sättigbaren Drosselspulen, zur Erläuterung der Wirkungsweise,

F i g. 2 Stromkurven eines der in F i g. 1 gezeigten Zweigstromkreise,

Fig.3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Schaltvorrichtung und

F i g. 4 und 5 sättigbare Drosselspulen, die auch eine Stromausgleichswirkung haben.

Beim Stand der Technik (F i g. 1) enthält eine Vorrichtung zur Unterbrechung eines Gleichstromes mehrere parallele Stromzweige, von denen jeder einen Vakuumschalter 20 und eine sättigbare Drosselspule 30 enthält, die beide in Reihe geschaltet sind. Die Zahl der Stromzweige kann entsprechend der zu schaltenden Last erhöht werden. Ein Kommutierungskreis 10 mit einem Kondensator und einem in Reihe angeordneten Schalter, wie er später beschrieben werden soll, ist den Stromzweigen parallel geschaltet.

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Das Arbeitsprinzip ist folgendes: Die Lichtbogenspannung eines Vakuumschalters nach der Trennung der Kontakte beträgt normalerweise 10 bis 100 Volt Bei einer öffnung des Hauptschalters 20 wird ein vorgeladener Kondensator parallel zu den die sättigbaren Drosselspulen 30 und die Hauptschalter 20 enthaltenden Stromzweige geschaltet Die Spannung des vorgeladenen Kondensators ist so gewählt, daß sie gleich dem Spannungsabfall Ober der sättigbaren Drosselspule zuzüglich der Lichtbogenspannung des Haupt-Schalters 20 ist. Der Strom nimmt dann derart ab, daß das Produkt der Induktivität L der sättigbaren Drosselspule 30 und

der Änderungsgeschwindigkeit des Stromes -τ-, das ist

—n-, gleich der Spannung des Kovnmutierungskreises 10

wird. Der Wert der Induktivität der sättigbaren Drosselspule 30 ist unterhalb des Sättigungsstromes h und oberhalb des Sättigungsstromes unterschiedlich. Das heißt, wenn /kleiner oder gleich Is ist, so ist die Drosselspule nicht gesättigt sie besitzt eine Induktivität von L_n, während für den Fall, daß / größer als /5 ist, die Drosselspule gesättigt ist und eine Induktivität Ls besitzt Natürlich ist Ls größer als Ls. Wenn die durch die jeweiligen Stromzweige fließenden Ströme nicht gleich sind, ändern sich die durch die jeweiligen Stromzweige fließenden Ströme so, wie es in F i g. 2 gezeigt ist Angenommen, daß der Strom /1, der durch den ersten Stromzweig fließt größer ist als der Strom I₂, welcher durch den zweiten Stromzweig fließt, so nimmt der Strom I₂ als erster auf den Sättigungsstrom Is ab. Dann wird die sättigbare Drosselspule 30 im zweiten Stromzweig entsättigt v/odurch ihre Induktivität auf Ln ansteigt so daß die Stromänderungsgeschwindigkeit abnimmt. Andererseits befindet sich die sättigbare Drosselspule 30 im ersten Stromzweig nicht in ihrem gesättigten Zustand, so daß die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes Λ größer wird, um den Spannungsabfall über dem ersten Stromzweig gleich demjenigen über dem zweiten Stromzweig zu halten. Eine solche selbsttätige Stromausgleichswirkung setzt sich fort, bis der Strom I\ den Sättigungsstrom Is erreicht Mit der in F i g. 1 gezeigten Anordnung ist es daher möglich, die durch die jeweiligen Stromzweige fließenden Ströme zu der Zeit, während welcher der Gegenstrom aus dem Kommutierungskreis 10 fließt auszugleichen. Wie oben beschrieben, kann die Stromverteilung unter einer Anzahl von Stromzweigen selbsttätig ausgeglichen werden. Im einzelnen erreicht die sättigb^re Drosselspule eines Stromzweiges mit geringerem Strom die Sättigung zu einem früheren Zeitpunkt als bei einem Stromzweig mit höherem Strom. Infolgedessen vergrößert sich plötzlich die Induktivität der sättigbaren Drosselspule dieses Stromzweiges, wodurch die Größe der Stromänderung verringert wird. Andererseits wird die Größe der Stromänderung in dem anderen Stromzweig erhöht wie es durch den Abschnitt A gezeigt ist, wodurch die Stromverteilung selbsttätig ausgeglichen werden kann. Infolgedessen besteht keine Gefahr, daß nur in einem Stromzweig, der einen geringeren Strom führt, der Strom zu Null wird oder die Stromänderung in der Nähe des Zeitpunktes, zu dem der Strom Null wird, zu groß wird, wodurch eine fehlerhafte Stromunterbrechung verhindert wird.

Die Unterbrechungscharakteristik der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird beeinflußt durch die Größe bzw. Geschwindigkeit der Stromänderung in der Nähe des Stromnullpunktes. Infolgedessen sollte die Änderungsgeschwindigkeit des vom Kommutierungskreis 10 gelieferten Gegenstromes so klein wie möglich sein. Da aber die Änderungsgeschwindigkeit des Gegenstromes durch die Kapazität des Kommutierungskondensators 3. die Induktivität der Drosselspule 4 des KommutierungskiBises einschließlich der Streuinduktivität und die Induktivität der sättigbaren Drosselspule 30 bestimmt wird, ist es erforderlich, die W»rte dieser Elemente zu erhöhen, um die Änderungsgeschwindigkeit herabzusetzen. Eine solche Maßnahme ist aber teuer und unpraktisch. Wie bereits beschrieben, ist es vorteilhaft, die oben beschriebenen Charakteristiken der sättigbaren Drosselspule zu verwenden, um den Strom schnell zu verringern, und zwar durch Verwendung einer kleinen induktivität bis zur EntSättigung, um den Strom mit einer geringen Änderungsgeschwindigkeit d. h. langsam, bis unter den Sättigungsstrom herabzusetzen.

Wenn sättigbare Drosselspulen in den jeweiligen Stromzweigen enthalten sind, kann, wie oben beschrieben, während der Kommutierungsperiode ein Stromausgleich erreicht werden. Da aber während des normalen Betriebes die Drosselspulen gesättig, sind, kann ein Stromausgleich im Betriebszustand nur erwartet werden, wenn die Drosselspulen magnetisch miteinander gekoppelt sind. Wenn sie aber miteinander gekoppelt wurden, ginge der Vorteil der Verwendung der sättigbaren Drosselspulen in einer Vorrichtung zur Unterbrechung eines Gleichstromes zusammen mit einem Kommutierungskreis verloren.
Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit welchem dieses Problem gelöst wird. In dieser Abwandlung sind zwei Spulen einer Induktionsspule 6 in Reihe mit entsprechenden Zweigstromkreisen geschaltet und magnetisch miteinander gekoppelt, wie es durch gestrichelte Linien dargestellt ist Diese Kopplung erfolgt so, daß sie durch diese erzeugten Magnetflüsse miteinander auslöschen. Der Kommutierungskondensator wird durch eine nicht dargestellte geeignete Ladevorrichtung vorgeladen auf eine geeignete Spannung, und zur Zeit der Unterbrechung der Hauptschalter 20 wird ein Hilfs-Schalter 2 geschlossen.

Wenn die durch die jeweiligen Zweigstromkreise fließenden Ströme aus irgendeinem Grunde voneinander abweichen, entsteht ein Spannungsabfall V über der Induktionsspule 6, der durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

V=L-

df

+ M-

ah_ di

worin /1 und I₂ Ströme der jeweiligen Zweigstromkreise, L die Selbstinduktivität der Induktionsspule 6 und Λ/ deren Gegeninduktivität darstellt. Da die beiden Wicklungen magnetisch miteinander gekoppelt sind, ist M = — L, so daß unter einer ausgeglichenen Bedingung Vgleich Null ist. Im Falle einer Ungleichheit der Ströme aber wird der Spannungsabfall V groß, wodurch eine Stromänderung verhindert wird.

Normalerweise ^;ct die Scheininduktivität Null, so daß die Frequenz des Kommutierungsstromes bestimmt wird durch die Werte des Kommutierungskondensators 3, der Kommutierungsinduktivität 4 und der sjttigbaren Drosselspule 30.

F i g. 4 zeigt eine Anordnung der sättigbaren Drosselspule 30, mit einem F?.ar nebeneinanderliegender Wicklungen 11 mit einer einzigen Windung oder mehreren Windungen, die je mit mehreren sättigbaren Kernen 12 verkettet sind. Wenn der durch jeden Zweigstromkreis fließende Strom groß ist, können die Kerne mit Luft-

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spalten versehen sein. Wie dargestellt, sind die Kerne verschiedener Wicklungen ineinandergeschichtet, um die Flußverkettung zu erleichtern. Die Wicklungen Il sind so angeordnet, daß, wenn die Kerne 12 nicht gesättigt sind, die Gegeninduktivität im wesentlichen Null ist, s während dann, wenn die Kerne gesättigt sind, die durch entsprechende Wicklungen erzeugten Magnetflüsse einander auslöschen. Infolgedessen ist es möglich, die Gesamtinduktivitäten zu verringern und die durch entsprechende Zweigstromkreise fließenden Ströme aus- zugleichen, auch wenn die Spulen bzw. Wicklungen 11 eine große Selbstinduktivität besitzen. Mit anderen Worten wirkt die sättigbare Drosselspule als Ausgleichsdrosselspule 6, wie sie in F i g. 3 gezeigt ist. Da die Kerne 12 mit unabhängigen Wicklungen verkettet sind, is wenn die Kerne nicht gesättigt sind, ist die Gegeninduktivität der Wicklungen vernachlässigbar klein. Da f. rner die Selbstinduktivitäten der Wicklungen groß sind, ist auch die Induktivität zur Zeit der Hntsättigung der Kerne groß, wodurch die Charakteristik der sättigbaren Drosselspule zur Zeit der Stromunterbrechung verbessert werden.

F i g. 5 zeigt eine sättigbare Drosselspule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die in der Anordnung nach Fig.3 verwendet ist Die sättigbare Drosselspule enthält eine Wicklung 11 mit einer Windung oder mit mehreren Windungen, die mit mehreren sättigbaren Magnetkernen 12 verkettet ist und eine Luftspule 13, weiche die Anordnung umgibt so daß die durch die Wicklungen 11 und 13 erzeugten Magnetflüsse einander auslöschen, wenn die Kerne 12 gesättigt sind. Die Wicklungen 11 und 13 sind in jedem Zweigstromkreis in Reihe geschaltet um die sättigbare Drosselspule 30 bzw. die in F i g. 3 gezeigte Drosselspule 6 zu bilden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

27 OO 375 • Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Schaltvorrichtung mit wenigstens einem Hauptschalter, mit wenigstens einer sättigbaren Drosselspuleneinrichtung, deren Spule mit dem Haupt-Schalter in Reihe geschaltet ist und deren magnetischer Kern bei einem die Spule durchfließenden, vorbestimmten Strom gesättigt ist, und mit einem einen Kondensator enthaltenden Kommutierungsstromkreis, der bei öffnung des Haupt-Schalters mittels eines Hilfs-Schalters der Reihenschaltung aus Haupt-Schalter und Drosseispuleneinrichtung parallel schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallele, je eine Drosselspuleneinrichtung und einen Haupt-Schalter enthaltende Stromkreiszweige je eine sättigbare Drosselspule mit einer ersten Ringspule (11) mit mehreren sättigbaren Magnetkernen (12) und eine die erste Ringspule {% t) und deren sättigbaren Magnetkerne (12) umgebende zweite Ringspule (13), die mit der ersten Ringspule in Reihe geschaltet ist, enthalten.

2. Gleichstrom-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in Reihe geschalteten Ringspulen (11,13) magnetisch derart gekoppelt sind, daß die erzeugten Magnetflüsse einander aufheben, wenn die Kerne (12) gesättigt sind.

3. Gleichstrom-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbaren Drosselspulen nebeneinanderliegende Wicklungen aufweisen, die je mit mehreren sättigbaren Magnetkernen (12) verkettet sind.

4. Gleichstrom-Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daf die Magnetkerne (12) benachbarter Wicklungen (11) ineinander geschichtet sind.

5. Gleichstrom-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die erste Ringspule (11) und deren sättigbare Kerne umgebende zweite Ringspule mit einer Spule (4) des Kommutierungskreises magnetisch gekoppelt ist