DE3123907C1 - Schalteranordnung mit wenigstens einem vorzugsweise durch Impuls einschaltbaren elektrischen Ventil - Google Patents

Description

• Um beide Stromrichtungen zu ermöglichen, könnte man daran denken, zwei Gleichstromsteller antiparallel zu schalten. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, den Löschstrom hauptsächlich über die zu löschenden Hauptthyristoren der beiden Gleichstromsteller zu leiten. Zur Verdeutlichung des Problems sei auf Abbildung A) verwiesen.
• Bei der dort dargestellten Schaltung ist die Löschein-
• richtung für jeden Hauptthyristor vereinfacht durch einen Kondensator und einen Schalter dargestellt. Um die Hauptthyristoren löschen zu können, müssen die Kondensatoren aufgeladen sein und die eingezeichnete Polarität haben. Man erkennt, daß nur ein Bruchteil der Kondensatorentladeströme über die zu löschenden Hauptthyristoren fließt.
• Eine weitere Möglichkeit, beide Stromrichtungen zu verwirklichen, wäre die Parallelschaltung eines Gleichstromstellers mit einer Diodenbrücke. Diese Schaltanordnung ist in Abbildung B) dargestellt, wobei die Löscheinrichtung in ähnlicher Weise vereinfacht wie bei Abbildung A) gezeigt ist. Auch hier sieht man, daß nur ein Teil des Kondensatorentladestroms über den zu löschenden Hauptthyristor geht.
• Die Erfindung geht von der Überlegung aus, in Strombahnen, die für den Kondensatorentlade- oder Aufladestrom im folgenden kurz als »Löschstrom« bezeichnet, verboten sein sollen, große Induktivitäten einzubauen. Problematisch ist aber hierbei, daß die Induktivitäten auch für die Zuschaltung und Abschaltung des Schalterstromes ein Hemmnis darstellen. Ideal wäre eine Induktivität, die für den Schalterstrom den Wert Null und für den Löschstrom den Wert unendlich hätte. Erfindungsgemäß wird ein Weg gezeigt, wie man dieser Ideallösung ziemlich nahe kommt Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Löscheinrichtung einen Transformator mit wenigstens drei im wesentlichen gleichen Wicklungen aufweist, und mit jedem einschaltbaren elektrischen Ventil eine Wicklung in Reihe geschaltet ist, und zwei Wicklungen des Transformators in einem Zweig der Gleichrichter-Diodenbrücke bzw. in einem für alle Gleichrichter-Diodenbrücken gemeinsamen Zweig in Reihe angeordnet sind, und die Verbindung der beiden Wicklungen den einen Schalteranschluß bildet, und der andere Schalteranschluß bzw.
• die anderen Schalteranschlüsse zwischen den Dioden des anderen Zweiges der Gleichrichter-Diodenbrücke bzw. der anderen Zweige der Gleichrichter-Diodenbrücken angeschlossen ist bzw. sind.
• In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, daß der magnetische Kreis des Transformators einen Luftspalt aufweist.
• Anhand der Zeichnungen seien das Prinzip sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigen Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 g.3 einen mit Wechselspannung gespeisten Transformator mit gleicher Windungszahl auf der Primär- und der Sekundärseite im Leerlauf (F i g. 1), im Kurzschluß (F i g. 2) und in Gegenschaltung (Fig. 3); F i g. 4 einen mit Wechselspannung gespeisten Transformator mit drei gleichen Wicklungen; F i g. 5 einen Transformator mit drei im wesentlichen gleichen Transformatorwicklungen in einer Schaltung mit einer Diodenbrücke mit einem mechanischen Schalter; F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; F i g. 7 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ausführung mit einer Hilfsspannungsquelle; F i g. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar die schematische Schaltanordnung eines Wechselschalters; Fig.9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwecks Einsparung eines Transformators der andere Transformator mit vier Wicklungen versehen ist; F i g. 10 die Schaltanordnung gemäß F i g. 9 in einer anderen zeichnerischen Anordnung, um darzulegen, wie aus einem Wechsler ein einpoliger Vielstellenschalter mit mehr als zwei Stellungen entwickelt werden kann; Fig 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schaltung für einen einpoligen Vielstellenschalter mit drei Stellungen; Fig. 12 die Schaltanordnung entsprechend Fig. 11, jedoch mit vereinfachten Schaltsymbolen für die elektrischen Ventile.
• Zur Erläuterung der Erfindung sei zunächst auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen. In den Fig. 1 bis 3 ist das Schaltbild eines Transformators mit Wicklungen 1 und 2 gleicher Windungszahl dargestellt Die Wicklung 1 liegt an einer Wechselspannungsquelle 3. Die Impedanz dieses Transformators ist im Leerlauf (F i g. 1) wesentlich größer als im Kurzschluß (F i g. 2) oder bei der sog.
• »Gegenschaltung« gemäß F i g. 3. Bei ü = 1 ist die Impedanz der Gegenschaltung genau so groß wie im Kurzschluß.
• Wenn ein Transformator drei gleiche Wicklungen 1, 2, 4 aufweist (siehe Fig.4) die an einer Wechselspannungsquelle 3 angeschlossen sind, so ist einzusehen, daß die Gesamtschaltung eine Impedanz hat, die ähnlich der Leerlaufimpedanz ist, da für zwei Wicklungen Gegenschaltung vorliegt und diese beiden Wicklungen mit der dritten Wicklung in Reihe geschaltet sind.
• Ersetzt man die Wechselspannungsquelle 3 durch eine Gleichspannungsquelle, so ist bei Einschaltvorgängen der Stromanstieg bei den Schaltungen gemäß F i g. 2 und Fig.3 schneller als bei den Schaltungen gemäß F i g. 1 und F i g. 4, da bei den Schaltungen gemäß F i g. 2 und Fig 3 die Induktivität und damit auch die Zeitkonstante kleiner ist als bei den Schaltungen gemäß Fig. 1 undFig.4.
• Ein schneller oder langsamer Stromanstieg spielt gerade bei Löschschaltungen eine entscheidende Rolle.
• Man kann nämlich durch große Induktivitäten in für den Löschstrom unerwünschten Bahnen den Strom in diesen Bahnen zumindest für eine gewisse Zeit klein halten. In dieser Zeit muß das elektrische Ventil, beispielsweise der erwähnte Hauptthyristor, gelöscht sein.
• Ordnet man - wie in F i g. 5 dargestellt - die drei gleichen Transformatorwicklungen 1, 2 und 4 in einer Diodenbrücke mit Dioden 5 bis 8 an, so ergibt sich folgendes: Wenn bei geschlossenem mechanischem Schalter 9 mit Klemmen 10 und 11 und Schaltkontakt 12 der Strom von einer Klemme 13 zu einer Klemme 14 fließt, so liegt für die Wicklungen 1 und 4 des Transformators Gegenschaltung vor. Fließt der Strom dagegen von der Klemme 14 nach Klemme 13, so sind die Wicklungen 1 und 2 in Gegenschaltung geschaltet, In beiden Fällen ist die Induktivität zwischen den Klemmen 13 und 14 klein.
• Öffnet man den Schalter 9 und betrachtet man nur den Stromkreis mit den Wicklungen 2, 4 und 1 des Transformators und den Dioden 6 und 8, so stellt man fest, daß zwischen den Klemmen 10 und 11 eine Induktivität entsprechend Fig.4 vorliegt Betrachtet man bei geöffnetem Schalter 9 dagegen den Kreis mit der Wicklung 1 des Transformators und den Dioden 5 und 7, so ergibt sich, daß dieser Kreis eine Induktivität entsprechend F i g. 1 hat Schaltet man zwischen die Klemmen 10 und 11 anstelle des Schalters 9 einen Gleichstromsteller 15 (F i g. 6) bestehend aus Hauptthyristor und Löscheinrichtung, so erhält man eine Schalteranordnung gemäß der Erfindung. In F i g. 6 sind Teile, die der Vorrichtung gemäß F i g. 5 entsprechen, jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die Schalteranordnung gemäß F i g. 6 weist gegenüber der Anordnung mit dem mechanischen Schaltkontakt gemäß F i g. 5 noch folgende Nachteile auf: 1. Das Ausschaltvermögen ist von der Spannungsdifferenz zwischen den Schaltkontakten 13 und 14 abhängig; 2. Bei Impulsbetrieb erfolgt nach der ersten Lücke eine Abschaltung.
• Der erstgenannte Nachteil kann dadurch beseitigt werden, daß für die Löscheinrichtung eine Hilfsspannungsquelle vorgesehen wird. Damit läßt sich auch der zweite Nachteil beheben, indem man die Hilfsspannungsquelle auch noch dazu benutzt, über einen entsprechend bemessenen Widerstand mindestens einen Strom über den Hauptthyristor aufrecht zu erhalten, der knapp über dem Haltestrom liegt, auch wenn der Strom zwischen den Schaltkontakten (beispielsweise 13 und 14) Null ist Eine mögliche derartige Schaltung ist in F i g. 7 dargestellt. Das hier insgesamt mit 15a bezeichnete elektrische Ventil weist einen Hauptthyristor 16, einen Hilfsthyristor 17, eine Hilfsspannungsquelle 18, einen Widerstand 19, einen Kondensator 20 und einen Hilfsthyristor 21 auf.
• Gleichzeitig mit dem Hauptthyristor 16 wird der Hilfsthyristor 17 gezündet und mit der Hilfsspannungsquelle 18 der Kondensator 20 aufgeladen. Der Widerstand 19 ist für den Haltestrom des Hauptthyristors 16 ausgelegt. Zur Löschung des Hauptthyristors 16 muß der Hilfsthyristor 21 gezündet werden. Mögliche Nebenbahnen des Kondensatorentladestromes haben große Induktivitäten, so daß die Hauptentladung über den Hauptthyristor 16 erfolgt.
• Durch Kombination von zwei Schaltkontakten, wovon jeder ähnlich F i g. 7 zusammengesetzt ist, läßt sich ein Wechselschalter ( = Vielstellenschalter mit zwei Stellungen) herstellen. Dabei ist eine Klemme mit einer von zwei weiteren Klemmen verbunden. Durch die Umschaltung wird der Stromfluß durch die erstgenannte Klemme nicht unterbrochen. Bei einer derartigen Kombination lassen sich die Thyristoren, die zur Einleitung der Kondensatorentladung, also zur Löschung, ansonsten erforderlich sind, einsparen. Eine derartige Schaltung ist in F i g. 8 dargestellt. Dabei sind gleiche Teile wie in den bisher beschriebenen Schaltanordnungen mit gleichen Bezugsziffern versehen. Sofern sich die Teile spiegelbildlich wiederholen, sind die entsprechenden Bezugszeichen mit einem Stich gekennzeichnet.
• Soll die Klemme 14 mit der Klemme 13 elektrisch verbunden sein, so muß der Hauptthyristor 16 gezündet werden. Der Widerstand 19 dient zusammen mit der Spannungsquelle 18 zur Aufrechterhaltung des Haltestroms des Hauptthyristors 16. Zur Vorbereitung der Umschaltung (jetzt von Klemme 14 nach Klemme 13') müssen mit etwas Zeitverzögerung nach der Zündung von Hauptthyristor 16 die Hilfsthyristoren 17 und 17' gezündet werden. Dadurch werden die Kondensatoren 20 aufgeladen. Für den Durchgangsstrom -zwischen den Klemmen 14 und 13 sind die Transformatorwicklungen 4 und 1 bzw. 2 und 1 in Gegenschaltung angeordnet.
• Soll der Schalter von Klemme 14 nach Klemme 13' stromdurchlässig sein, so muß der Hauptthyristor 16' gezündet werden. Die Kondensatoren 20 können sich jetzt (hauptsächlich) über die beiden Hauptthyristoren 16 und 16' entladen, wobei die Richtung des Löschstroms (Entladestroms) so ist, daß der Hauptthyristor 16 gelöscht wird. Auch hier dienen die Wicklungen der beiden Transformatoren zur Begrenzung von möglichen Löschstromnebenbahnen. Nachdem der Hauptthyristor 16 gelöscht ist, kann durch Zünden der Hilfsthyristoren 17 und 17' die nächste Umschaltung vorbereitet werden. Der Widerstand 19' ist für den Haltestrom des Hauptthyristors 16' ausgelegt.
• Die Klemme 14 ist mit den Wicklungen 2 und 4 des einen Transformators und mit den Wicklungen 2' und 4' des anderen Transformators verbunden. Man kann einen Transformator einsparen, wenn man einen Transformator mit vier Wicklungen vorsieht, und die Schaltung so abändert, daß zwei Wicklungen (4 = 4'; 2 = 2') sowohl für die linke als auch für die rechte Hälfte der Schaltung gemäß F i g. 8 wirksam sind. Die Schaltung, die man dann erhält, zeigt F i g. 9.
• F i g. tO zeigt die gleiche Schaltung wie F i g. 9.
• Lediglich die zeichnerische Anordnung wurde anders gewählt, um besser zeigen zu können, wie man aus einem Wechsler (Wechsler = Vielstellenschalter mit mehr als zwei Stellungen (gewöhnlich als Wahlschalter bezeichnet) entwickeln kann.
• In Fig. 11 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schaltung für einen einpoligen Vielstellenschalter mit drei Stellungen gezeigt. Es ist eine Verbindung zwischen den Klemmen 14 und 13, den Klemmen 14 und 13' und den Klemmen 14 und 13" möglich. Bei drei Schaltstellungen weist der Transformator fünf gleiche Wicklungen auf, und zwar die Wicklungen 2, 4, 1, 1' und 1". Bei n Schaltstellungen eines Vielstellenschalters sind n + 2 gleiche Wicklungen erforderlich.
• F i g. 12 zeigt die Schaltung der F i g. 11 in vereinfachter Darstellung. Dabei wurden z. B. die Hauptthyristoren 16' bzw. 16", die Hilfsthyristoren 17, 17a' bzw. 17", 17aN, die Spannungsquelle 18' bzw. 18", die Widerstände 19' bzw. 19" und die zugehörigen Kondensatoren 20 zu dem vereinfachten Schaltsymbol 15a' bzw. 15a" zusammengefaßt.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Schalteranordnung mit wenigstens einem vorzugsweise durch Impuls einschaltbaren elektrischen Ventil und einer für das Ausschalten vorgesehenen Löscheinrichtung, wobei zu jedem einschaltbaren elektrischen Ventil eine Gleichrichter-Diodenbrükke (Grätz-Schaltung) mit ungesteuerten elektrischen Ventilen parallelgeschaltet ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Löscheinrichtung einen Transformator mit wenigstens drei im wesentlichen gleichen Wicklungen (1, 2, 4 bzw. 2, 4, 1, 1', 1") aufweist und mit jedem einschaltbaren elektrischen Ventil (15a bzw. 15a, 15a' 15asz eine Wicklung (1 bzw. 1, 1', 1") in Reihe geschaltet ist, und zwei Wicklungen (2, 4) des Transformators in einem Zweig der Gleichrichter-Diodenbrücke bzw. in einem für alle Gleichrichter-Diodenbrücken gemeinsamen Zweig in Reihe angeordnet sind, und die Verbindung der beiden Wicklungen den einen Schalteranschluß (14) bildet, und der andere Schalteranschluß (13) bzw. die anderen Schalteranschlüsse (13, 13', 13") zwischen den Dioden (5, 7 bzw.

   5, 7, 5', 7', 5", 7") des anderen Zweiges der Gleichrichter-Diodenbrücke bzw. der anderen Zweige der Gleichrichter-Diodenbrücken angeschlossen ist bzw. sind.

   Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung mit wenigstens einem vorzugsweise durch Impuls einschaltbaren elektrischen Ventil und einer für das Ausschalten vorgesehenen Löscheinrichtung, wobei zu diesem einschaltbaren elektrischen Ventil eine Gleichrichter-Diodenbrücke (Grätz-Schaltung) mit ungesteuerten elektrischen Ventilen parallelgeschaltet ist.

   Bei einem elektrischen Schalter mit mechanischem Schaltkontakt ist in geschlossenem Zustand ein Stromdurchgang in beiden Stromrichtungen möglich.

   Dies gilt auch für Impulse. Weiterhin läßt sich der Strom zu jedem gewünschten Zeitpunkt einschalten und unterbrechen.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine brauchbare Schalteranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der also ein mechanischer Schaltkontakt durch ein schaltbares elektrisches Ventil ersetzt ist.

   Bekannt ist eine Antiparallelschaltung von zwei Leistungstransistoren, die als Schalttransistoren betrieben werden. Zur Zeit lassen sich damit Ströme bis ca 30A beherrschen. Man könnte Schalter für größere Ströme durch Parallelschaltung von mehreren Lei- stungstransistoren verwirklichen. Eine derartige Schalteranordnung hat jedoch den Nachteil, daß die bei dem Ausschalten abzubauende Energie von in dem Kreis befindlichen Induktivitäten in den Leistungstransistoren selbst in Wärme umgesetzt wird.

   Es ist weiterhin bekannt, einen mechanischen Schaltkontakt durch die Antiparallelschaltung von zwei abschaltbaren Thyristoren zu ersetzen. Diese abschaltbaren Thyristoren (GTO = Gate Turn-Off) lassen sich durch Impulse ein- und ausschalten. Derartige Schaltanordnungen werden nur für geringe Ströme eingesetzt.

   Darüber hinaus haben sie, wie die vorerwähnten Leistungstransistoren, den Nachteil, daß die beim Ausschalten eventuell abzubauende Energie im Element selbst in Wärme umgesetzt wird.

   Im Gegensatz zum Transistor und zum abschaltbaren Thyristor (GTO) haben steuerbare Ventile wie Hg-Dampfgleichrichter, Thyratrons, Ignitrons und Thyristoren die Eigenschaft, daß nach der Einschaltung zu einem beliebigen Zeitpunkt - Zündung - eine Stromunterbrechung nur dadurch möglich ist, daß der Strom unter den sogenannten Haltestrom abgesenkt wird. Außerdem ist Stromdurchgang nur in einer Richtung möglich.

   Bei Triacs, die im Prinzip die Kombination von zwei antiparallelen Thyristoren bilden, ist ein Stromfluß in beiden Richtungen möglich. Der Einschaltzeitpunkt ist beliebig wählbar. Ein Ausschalten erfolgt jedoch nur, wenn der Strom unter den Haltestrom sinkt. Man setzt daher Triacs nur bei Wechselstrom ein, bei dem die Stromunterbrechung bei dem nächsten Stromnulldurchgang erfolgt, wenn die Zündimpulse fehlen.

   Für Gleichstrom hat man Leistungsschalter mit Thyristoren entwickelt, die durch Zwangskommutierung zu jedem beliebigen Zeitpunkt ausgeschaltet werden können. In den meisten Schaltungen wird der Löschstromstoß zur Unterbrechung des Thyristorstromes einem vorher aufgeladenen Kondensator entnommen. Es sind auch Löschschaltungen bekannt, bei denen ein Kondensator aufgeladen wird und der Aufladestrom transformatorisch auf den zu löschenden Thyristor -im folgenden als »Hauptthyristor« bezeichnet -übertragen wird. Derartige Schalter finden als Gleichstromsteller Verwendung. Sie lassen jedoch den Strom nur in einer Richtung durch.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schalteranordnung der eingangs genannten Art für beide Stromrichtungen zu schaffen.