DE3203987C2 - Anordnung zum Schalten von Induktivitäten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung befaßt sich mit einer Anordnung zum Schalten von Induktivitäten im mittleren Leistungsbereich mit geringen Verlusten. Insbesondere ist dabei an das Schalten von mittels Schützen gesteuerter polumschaltbarer Motoren gedacht. In Reihe mit der zu schaltenden Induktivität ist ein getakteter Halbleiterschalter gelegt. Um zu kleinen Bauabmessungen zu gelagen, ist parallel zur Induktivität (L) in Reihe mit einer Freilaufdiode (FD) ein weiterer Halbleiterschalter (T2) gelegt, an dessen Basis eine aufladbare Kapazität (C) angeschlossen ist, der parallel ein Spannungsbegrenzer (Z) zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schalten von Induktivitäten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist beispielsweise aus der DE-PS 22 29160 bekannt, zur Schnellerregung und Schnellentregung von elektromagnetischen Bremsen für Winden an Bord von Schiffen eine Schützensteuerung mit Zeitschützen zu verwenden, die für den Anlauf bestimmt ist. Für die Schnellerregung wird die Spule der Bremse von einem Gleichstrom durchflossen und für die Schnellentregung eine Kontaktstelle parallel zu einem Vorwiderstand geschlossen, was einen höheren Strom zur Folge hat. Hier handelt es sich weniger um eine Steuerung, sondern nur um ein Ein- und Ausschalten des Gleichstromes.

Ein Widerstand in einem Freilaufkreis parallel zur Spule bewirkt eine schnelle Entregung. Der Nachteil dieser Anordnung ist der, daß eine Kontrolle der anliegenden Spannung nicht vorhanden ist. Sie spielt hierbei auch nur eine untergeordnete Rolle, da Schalter vorhanden sind, die die Spannung in jedem Falle beherrschen.

Wenn eine derartige Anordnung mit Transistoren modernisiert werden soll, ist die Spannungshöhe nicht mehr unwichtig. Für die Betätigung der vorhandenen Magnetbremse wird eine Gleichspannung von etwa 200 V benötigt Um auch schon aus Kostengründen nur eine Spannung an die Winde legen zu müssen, wäre es sinnvoll, die Gleichspannung zugleich für die Schützensteuerung zu verwenden. Das würde eine Taktung der Schütze erfordern. Versuche haben aber gezeigt, daß die erforderlichen Freilaufwiderstände im Betrieb zu warm werden und unnötig Energie verbrauchen.

Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung zur Nutzung der in den Streuweg eines Übertragers gedrängten Energie aus der DE-OS 23 19 868 bekannt. Hierin werden zwei gleich aufgebaute Gleichspannungsumsetzeinrichtungen verwendet, von denen die eine einer Nutzlast möglichst verlustfrei eine Spannung aus einer Betriebsspannung zur Verfügung stellen soll. In der Zuleitung zur Primärwicklung des Übertragers der ersten Umsetzeinrichtung liegt ein getakteter Schalter. Der Primärstrom schwankt mit der veränderlichen Last um einen Mittelwert. Da aufgrund der gegebenen Verhältnisse nicht der gesamte Energieinhalt auf die Sekundärseite übertragen werden kann, erzeugt das Streufeld eine Induktionsspannung, die den getakteten Schalter zusätzlich belastet. Um diesen schädlichen Einfluß zu vermindern, ist die zweite Umsetzeinrichtung parallel zur ersten vorgesehen, die auf die Streufeldleistung abgestellt ist und eine Schutzbeschaltung, bestehend aus einer Reihenschaltung einer Diode und eines Kondensators, dem letzteren ist eine Zenerdiode parallelgelegt, auf der Primärseite des Übertragers aufweist. Da auch der Übertrager der zweiten Umsetzeinrichtung eine vollständige Spannungsübertragung nicht durchführen kann, wird in der Schutzbeschaltung die Restenergie dann vernichtet, wenn die Belastungsgrenze des zweiten getakteten Schalters überschritten wird.

Diese zum Schalten kleiner Induktivitäten geeignete Schutzeinrichtung kann für Induktivitäten > 50 mH wegen des dann erforderlichen großen technischen Aufwandes schnell unwirtschaftlich werden.

Es ist schließlich bekannt, Induktivitäten mit Gleichstrom zu betreiben und dabei zu takten. Hierfür werden Thyristoren als Schalter verwendet, die aber eine besondere Löschvorrichtung erfordern. Dieser zusätzliche Aufwand ist nur gerechtfertigt bei großen Induktivitäten wie beispielsweise in HGÜ-Anlagen. In diesem Zusammenhang sind die Gleichstromsteller oder Pulssteller zu erwähnen.

Es liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die wegen der erheblichen Verlustreduzierung unmittelbar auf Leiterplatten aufgebracht werden kann und damit bauraumsparend ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmalen gelöst. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß die Spannung zu jeder Zeit voll beherrscht wird. Ferner kann die Anordnung in Dickschichtschaltung ausgeführt werden, an die die Induktivität unmittelbar angefügt werden kann. Die Bauteile der Versorgung können kleiner bemessen werden, weil die Energie der Induktivität nicht über einen Längswiderstand abgebaut werden muß.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung,

Fig.2a Taktimpulse für den Längstransistor nach Fig. 1,

' F i g. 2b den Spannungsverlauf an der Kollektor-Emitter-Strecke des Längs-Transistors und

F i g. 2c den Spannungsverlauf am Ladekondensator.

Nach Fig. 1 liegt eine Induktivität L an einer Gleichspannung von 200 V. In Reihe mit der Induktivität L ist ein Transistor Ti mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke angeordnet, dessen Basis Taktimpulse "nach F i g. 2a zugeführt werden. Parallel zur Induktivität L ist die Reihenschaltung eines weiteren Transistors T2 und

einer Freilaufdiode FD gelegt. Als Spannungsbegrenzer ist eine Zenerdiode Z angeordnet, die mit ihrer Anode an der positiven Spannung und mit der Kathode an der Basis des Transistors Tl liegt. Schließlich ist parallel zur Freilaufdiode FD ein Ladekondensator C gelegt, der über einen Ladewiderstand R 1 und eine Diode D am Emitteranschluß des Transistors Tl liegt. Zwischen der Basis des Transistors Tl und dem Kondensator C ist ein Entladewiderstand R1 angeordnet.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Wenn der Transistor Ti mit dem ersten Takt nach F i g. 2a angesteuert wird, wird er leitend, die Spannung im Punkt B nach F i g. 1 geht auf den Wert 0 zurück und der Kondensator C wird wie angegeben über den Widerstand R 1 und die Diode D aufgeladen (F i g. 2c). Dabei stellt sich.ein Laststrom gemäß der Taktbreite über der Induktivität L ein.

Nach Ende des ersten Taktpulses springt die Spannung am Punkt B auf die Nennspannung (200V-) zurück. Der Transistor Ti sperrt. Nach der Lenz'schen Regel wird der Laststrom aufrechterhalten. Der Kondensator C entlädt sich über den Widerstand Rl und die Lastinduktivität L (Fig. 1). Durch den Entladestrom wird der Transistor Tl durchgeschaltet und gibt den Freilauf für den aufrechterhaltenen Laststrom über die Diode FD frei.

Folgt jetzt der neue Taktpuls, so wird der Kondensator C wieder erneut aufgeladen und der Laststrom kommutiert wieder auf den Haupttransistor 7Ί. Wird nun der Steuerkreis abgeschaltet, so bleiben die Taktpulse aus, und der Kondensator C wird nicht wieder neu aufgeladen. Damit entlädt sich dieser völlig, so daß der Entladestrom, der der Steuerstrom für Tl ist, so klein wird, daß Transistor Tl zu sperren anfängt (Punkt A). Dabei baut sich längs Tl eine Spannung Uce auf (F i g. 2b). Überschreitet Uce die Durchbruchspannung der Zenerdiode, so schaltet Tl wieder durch. Die Spannung am Transistor Tl wird auf die Zenerspannung Uz ausgeregelt. Diese Spannung ist die Abschaltspannung für die Induktivität L. Diese Spannung, multipliziert mit dem Abschaltstrom und der Abschaltzeit, ist ein Maß für die gespeicherte Energie in der Induktivität L.

Die Energie der Induktivität L wird nach dem Abschalten über den Transistor Tl vernichtet.

Die Freilaufschaltung verhält sich wie ein Hochpaß, die bei Absinken der Taktfrequenz (Abschalten) nicht mehr leitend ist. '

Gegebenenfalls sind der Kondensator C und die Widerstände R 1, R1 an die Taktfrequenz anzupassen.

Der Ansprechpunkt der Zenerdiode Z richtet sich nach den Gegebenheiten und der Längsspannung des Transistors Tl. Je höher die Spannung wachsen kann, desto kleiner wird der Zeitanteil. Im Beispiel wird bei 40 V in 20 ms abgeschaltet, bei 80 V dagegen in 10 ms.

Wird als Längsspannung für den Transistor Tl beispielsweise 100 V gewählt, so können etwa 4 A bei 15OmH in 5 ms entregt werden, was bei üblichen Anwendungen und dem normalen Schaltbetrieb mehr als ausreichend ist. Der Transistor ist für die abzuschaltende Energie auszulegen. Eventuell können Transistoren in Kaskade geschaltet werden, um eine höhere Energie zu beherrschen. Normalerweise liegen die Werte für Induktivitäten im mittleren Schaltbereich bei etwa 10OmH bis 1 H.

Die Anordnung nach der Erfindung ist nicht auf die eingangs erwähnte Schützensteuerung für polumschaltbare Motoren beschränkt, sondern kann auch beispielsweise zur Entregung von Erregerkreisen von Generatoren angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Schalten von großen Induktivitäten mit geringen Verlusten, insbesondere für mittels Schütze gesteuerter polumschaltbarer Motoren, in welcher in Reihe mit der zu schaltenden Induktivität ein getakteter Schalter und parallel zu ihr eine Schutzbeschaltung aus Freilaufdiode und Spannungsbegrenzer gelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Freilaufdiode (FD) ein Halbleiterschalter (T2) angeordnet ist, zwischen dessen Basis und Kollektor in Reihe mit einem Widerstand (R 2) und parallel zum Spannungsbegrenzer (Z) ein aufladbarer Kondensator (C) angeschlossen ist, der über einen Widerstand (Ri) und eine Diode (D) mit dem Emitter des Halbleiterschalters (T 2) verbunden ist und während der Taktimpulse aufgeladen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) in den Taktpausen über die Induktivität (L) und die Emitter-Basis-Strecke des Halbleiterschalters (T2) entladen wird, wobei der Entladestrom den Schalter (T2) ansteuert..

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kollektor-Emitter-Strecke des Halbleiterschalters (T2) liegende Spannung nach Wegnahme der Taktimpulse auf einen durch den Spannungsbegrenzer (Z) vorgegebenen Wert begrenzt wird.

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