DE916323C

DE916323C - Interrupting device, in particular switching converter

Info

Publication number: DE916323C
Application number: DES5561D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Floris Koppelmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1936-10-06
Filing date: 1936-10-06
Publication date: 1954-08-09

Description

Unterbrechungseinrichtung, insbesondere Schaltumformer Zusatz zum Patent 905 167 Gegenstand des Hauptpatentes ist eine Unterbrechungseinrichtung, insbesondere Stromrichter, mit einer sogenannten Schaltdrossel. Damit ist eine in Reihe mit der Unterbrechungsstelle liegende Eisendrossel gemeint, deren Magnetisierungskennlinie bei verhältnismäßig sehr kleiner Feldstärke und verhältnismäßig hoher Induktion einen scharfen Sättigungsknick aufweist, so daß die Kurve eines durch die Drossel hindurchfließenden Wechselstromes in der Weise verzerrt wird, daß sich die Augenblickswerte des Stromes nahe der Nulldurchgänge nur sehr langsam ändern, da die Drossel in ungesättigtem Zustand einen sehr hohen Widerstand hat, während nach Erreichen der Sättigungsgrenze der Widerstand plötzlich auf einen sehr niedrigen Wert fällt und damit der hindurchfließende Wechselstrom von diesem Zeitpunkt ab annähernd seine ursprüngliche Kurvenform annimmt. Man erhält also in der Nähe des Stromnulldurchganges eine stromschwache Pause.Interrupting device, in particular switching converter addition to Patent 905 167 Subject of the main patent is an interrupt device, especially power converters, with a so-called switching reactor. This is an in The iron choke lying in the row with the point of interruption means its magnetization characteristic with a relatively very small field strength and a relatively high induction has a sharp saturation kink, so that the curve one through the throttle AC current flowing through it is distorted in such a way that the instantaneous values of the current near the zero crossings change only very slowly because the choke is in unsaturated State has a very high resistance, while after reaching the saturation limit the resistance suddenly falls to a very low value and with it the value flowing through it From this point on, alternating current will approximately assume its original curve shape. A low-current pause is thus obtained in the vicinity of the current zero crossing.

Nach dem Hauptpatent ist außer der Schaltdrossel noch ein zur Unterbrechungsstelle paralleler Strompfad vorhanden, dessen Scheinwiderstandswert geringer ist als der der Schaltdrossel in ungesättigtem Zustand. Mit Hilfe des durch die Schaltdrossel über den parallelen Strompfad fließenden Stromes wird während der Öffnung der Unterbrechungsstrecke ein Teil der wiederkehrenden Spannung von der Unterbrechungsstelle hinweg an die Schaltdrossel verlegt. Die an der Unterbrechungsstrecke verbleibende Restspannung hat bei geeigneter Bemessung der Widerstandswerte eine für die Öffnung der Unterbrechungsstelle ungefährliche Höhe. Es können infolgedessen keine für den ordnungsgemäßen Zustand der Schaltstücke schädlichen Funken gebildet werden.According to the main patent, in addition to the switching throttle, there is also an interruption point There is a parallel current path whose impedance value is lower than the the switching throttle in unsaturated State. With the help of the the switching reactor over the parallel current path current flowing during the opening of the interruption path a part of the recurring voltage of moved away from the point of interruption to the switching throttle. The one on the interruption line remaining residual voltage has a safe height for the opening of the interruption point. It can as a result no sparks harmful to the proper condition of the contact pieces are formed will.

Erfindungsgemäß hat der Widerstandswert des zur Unterbrechungsstrecke parallelen Strompfades eine kapazitiv e Komponente; es ist z. B. ein Kondensator in den Parallelpfad eingeschaltet. Der Kondensator bildet mit den im übrigen Stromkreis vorhandenen Induktivitäten, insbesondere der Schaltdrossel, zusammen einen Schwingungskreis, der jedesmal beim Öffnen der Kontakte in Schwingungen versetzt wird, so daß ein Stromfluß entsteht. Der Strom durchfließt auch die Schaltdrossel, während die Unterbrechungsstelle geöffnet ist, und versetzt sie in einen sich von Augenblick zu Augenblick ändernden Magnetisierungszustand. Durch geeignete Einstellung der Blind- und der Wirkkomponente des Widerstandswertes des Nebenpfades können Frequenz und Dämpfung der Schwingungen ,willkürlich so eingestellt werden, daß sich die Schaltdrossel am Ende der Öffnungszeit in einem bestimmten gewünschten Magnetisierungszustand befindet, beispielsweise so, daß sie in einer dem zu erwartenden Übertragungsstrom entgegengesetzten Richtung vormagnetisiert, jedoch nicht völlig gesättigt ist. Dann setzt beim Schließen der Unterbrechungsstelle erst einmal die stromschwache Pause ein, da der Widerstandswert der Schaltdrossel gerade sehr groß ist. An der Drossel liegt ferner in diesem Augenblick der größte Teil der Betriebsspannung. Erst wenn später der Übertragungsstrom die Magnetisierungsrichtung umgekehrt hat und in der neuen Magnetisierungsrichtung der Sättigungszustand erreicht ist, setzt die ungehinderte Stromübertragung ein. Mit Hilfe der Erfindung wird also erreicht, daß die Unterbrechungsstelle bei niedriger Spannung und praktisch stromlos geschlossen wird. Es entstehen also keine Funkenüberschläge, und es kommt nicht zu Prellerscheinungen der Schaltstücke.According to the invention, the resistance value has to the interruption path parallel current path a capacitive component; it is Z. B. a capacitor switched into the parallel path. The capacitor forms with the rest of the circuit existing inductances, in particular the switching throttle, together form an oscillating circuit, which is made to vibrate every time the contacts are opened, so that a Current flow arises. The current also flows through the switching inductor during the break point is open and transforms it into one that changes from moment to moment State of magnetization. By setting the reactive and active components appropriately the resistance value of the secondary path can include the frequency and damping of the vibrations , can be set arbitrarily so that the switching throttle is at the end of the opening time is in a certain desired magnetization state, for example so that they are in a direction opposite to the expected transmission current is premagnetized, but not completely saturated. Then when you close the Interruption point first of all the low-current break, since the resistance value the throttle is currently very large. It is also at the throttle at this moment most of the operating voltage. Only when later the transmission current the The direction of magnetization has reversed and in the new direction of magnetization the When the state of saturation is reached, the unimpeded current transmission begins. With With the help of the invention it is achieved that the interruption point at low Voltage and practically currentless is closed. So there are no arcing, and the contact pieces do not bounce.

Von besonderem Vorteil ist die Erfindung für Stromrichter, insbesondere mechanische, sogenannte Schaltumformer, deren Kommutierungsbedingungen dadurch sowohl beim Betrieb als Gleichrichter wie auch als Wechselrichter und als Umrichter verbessert werden.The invention is particularly advantageous for power converters, in particular mechanical, so-called switching converters, their commutation conditions thereby both improved when operating as a rectifier as well as an inverter and as a converter will.

Da die während der Unterbrechungszeit auftretenden Ströme im wesentlichen Blindströme sind, so sind die Rückstromverluste verhältnismäßig gering.Since the currents occurring during the interruption time are essentially If there are reactive currents, the reverse current losses are relatively low.

In der Zeichnung ist in Fig. i ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Fig. 2 zeigt die gleiche Einrichtung mit einer besonderen Erweiterung. Der besseren Übersicht halber ist die einphasige Darstellung gewählt, die Erfindung wird jedoch vorteilhaft auch bei Mehrphasenanordnungen verwendet.In the drawing, an embodiment of the invention is shown in FIG shown schematically. Fig. 2 shows the same device with a special one Extension. For the sake of clarity, the single-phase display has been selected, however, the invention is also advantageously used in multi-phase arrangements.

Mit I i ist eine Wechselstromquelle bezeichnet, welche einen Stromverbraucher 18 speist. Der Strompfad führt über eine Schaltdrossel 13 mit dem Eisenkern 1q: und über eine Unterbrechungsstrecke i9, deren bewegliches Schaltstück beispielsweise synchron mit dem Verlauf des Wechselstromes angetrieben sein kann, wenn nämlich die Einrichtung zum Gleich-, Wechsel- oder Umrichten benutzt werden soll. Der Antrieb ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Parallel zur Unterbrechungsstrecke r9 ist ein Strompfad, bestehend aus einem Kondensator 30 und einem Dämpfungswiderstand 31, geschaltet. Vorteilhaft ist es, noch einen ohmschen Widerstand 32 parallel zu schalten; dieser kann auch unmittelbar zum Kondensator 30 parallel liegen, so daß der Dämpfungswiderstand 31 beiden vorgeschaltet ist.An alternating current source, which feeds a current consumer 18, is denoted by I i. The current path leads via a switching throttle 13 with the iron core 1q: and via an interruption section i9, the movable contact piece of which can be driven, for example, synchronously with the course of the alternating current, namely if the device is to be used for rectifying, alternating or converting. The drive is not shown in the drawing. A current path consisting of a capacitor 30 and a damping resistor 31 is connected in parallel with the interruption path r9. It is advantageous to connect an ohmic resistor 32 in parallel; this can also be directly parallel to the capacitor 30 , so that the damping resistor 31 is connected upstream of both.

Ist der Kondensator vergleichsweise sehr groß bemessen, so kann dafür der Eisenkern 14 der Schaltdrossel 13 aus einem weniger hochwertigen Eisen hergestellt sein. Die Schaltdrossel wird dadurch billiger als bei Verwendung eines kleineren Kondensators. Der Kondensator 30 selbst ist auf alle Fälle verhältnismäßig billig, da die Spannung, mit welcher er beansprucht wird; sehr niedrig ist. Eine Vergrößerung des Kondensators bedingt also keine wesentlichen Mehrkosten.If the capacitor is dimensioned to be comparatively very large, the iron core 14 of the switching inductor 13 can be made from a less high-quality iron. This makes the switching reactor cheaper than using a smaller capacitor. The capacitor 30 itself is in any case relatively cheap, since the voltage with which it is stressed; is very low. Increasing the size of the capacitor does not result in any significant additional costs.

Bei einem Wiedereinschalten der Unterbrechungsstelle i9 (Fig. i bzw. 2) wird der Kondensator 30 unmittelbar bzw. über den Widerstand 31 entladen. Hierbei treten verhältnismäßig große Stromstärken auf, die zu Einschaltlichtbogen und damit zu einem Abbrennen der Kontakte der Unterbrechungsstelle führen können, soweit nicht zur Dämpfung dieser Stromstöße. der Widerstand 31 sehr groß gemacht wird, was jedoch die funkenlöschende Wirkung beim Öffnen der Unterbrechungsstelle verschlechtert. Einderartiger Stromstoß kann vermieden werden, wenn eine Drossel (Schaltdrossel) vor den Kondensator geschaltet wird, deren Kern aus hochwertigem Material mit großer Permeabilität und scharfem Sättigungsknick besteht. Diese Drossel kann derart vormagnetisiert werden, daß der Kern gesättigt ist, wobei die Stromrichtung der Vormagnetisierung so gewählt ist, daß der beim Unterbrechen der Kontaktstelle in den Kondensator fließende Strom gleichfalls in Richtung der Vormagnetisierung wirkt. Der beim Schließen der Unterbrechungsstelle auftretende Entladungsstrom fließt in der entgegengesetzten Richtung durch die Drossel und wirkt der Gleichstromvormagnetisierung entgegen, so daß die Drossel sofort aus dem Sättigungsbereich herauskommt und infolge ihres induktiven Widerstandes ein Ansteigen des Entladungsstromes ausreichend lange verhindert, daß unterdessen die Unterbrechungsstelle sicher geschlossen ist. Um die Induktivität der Drossel im gesättigten Zustand, das ist die Luftindüktivität der Wicklung, möglichst klein zu halten, wird vorteilhaft auch für diese Schaltdrossel sehr hochwertiges Eisen verwendet, so daß man mit einer sehr geringen Windungszahl auskommt.When the interruption point i9 is switched on again (FIGS. 1 and 2), the capacitor 30 is discharged directly or via the resistor 31. Relatively large currents occur here, which can lead to inrush arcs and thus to burning of the contacts of the interruption point, unless these current surges are attenuated. the resistance 31 is made very large, which, however, worsens the spark-extinguishing effect when the interruption point is opened. Such a current surge can be avoided if a choke (switching choke) is connected upstream of the capacitor, the core of which is made of high-quality material with high permeability and a sharp saturation kink. This choke can be pre-magnetized in such a way that the core is saturated, the current direction of the pre-magnetization being selected so that the current flowing into the capacitor when the contact point is interrupted also acts in the direction of the pre-magnetization. The discharge current occurring when the interruption point is closed flows in the opposite direction through the choke and counteracts the direct current bias, so that the choke immediately leaves the saturation range and, due to its inductive resistance, prevents the discharge current from rising for a long enough time that the interruption point is safely closed in the meantime . In order to keep the inductance of the choke in the saturated state, that is the air inductance of the winding, as low as possible, very high quality iron is advantageously used for this switching choke, so that a very small number of turns is required.

Da die Luftinduktivität einer derartigen Drossel aus rein geometrischen Gründen nur schwer unter bestimmte Werte gebracht werden kann, empfiehlt es sich in den Fällen, in denen eine sehr geringe Luftinduktivität, d. h. ein sehr geringer Widerstand für Ströme in Laderichtung, erforderlich ist, zwei oder gegebenenfalls auch mehrere derartiger Schaltdrosseln zueinander parallel zu schalten.Since the air inductance of such a choke is purely geometrical For reasons it is difficult to bring it below certain values, it is advisable in those cases where there is a very low air inductance, i. H. a very small one Resistance for currents in the charging direction, is required, two or where appropriate also to connect several such switching reactors in parallel with one another.

Diese Anordnung bringt nicht nur im Rahmen der vorliegenden Ausführungsbeispiele Vorteile, sondern stellt auch für alle Schalteinrichtungen in beliebiger Anwendung, wie z. B. bei Gleich- und Wechselrichtern, hochwertigen Reglern und Relais, denen ein Kondensator zur Erleichterung der Ausschaltbedingungen parallel geschaltet ist, eine sehr wertvolle Verbesserung dar.This arrangement is not only useful in the context of the present exemplary embodiments Advantages, but also provides for all switching devices in any application, such as B. in rectifiers and inverters, high-quality controllers and relays, which a capacitor is connected in parallel to facilitate the switch-off conditions, a very valuable improvement.

Der Kondensator 30 und die Widerstände 31 und 32 werden vorteilhaft regelbar gemacht. Dann kann infolge der damit verbundenen Änderung des Schwingungskreises und somit des Magnetisierungszustandes der Schaltdrossel 13, 1q. im Öffnungsaugenblick die zeitliche Lage der stromschwachen Pause relativ zum Öffnungsaugenblick der Unterbrechungsstrecke verändert und damit bei Verwendung der Unterbrechungseinrichtung als Schaltumformer Strom und Spannung am Verbraucher 18 geregelt werden, wie es bereits anderweitig beschrieben ist.The capacitor 30 and the resistors 31 and 32 are advantageously made controllable. Then as a result of the associated change in the oscillating circuit and thus the magnetization state of the switching inductor 13, 1q. in the moment of opening, the timing of the low-current break relative to the moment of opening of the interruption path is changed and, when the interruption device is used as a switching converter, current and voltage at consumer 18 are regulated, as has already been described elsewhere.

Der Kondensator 3o kann aus mehreren Kondensatorblöcken bestehen, mit deren Hilfe in Stufen geregelt wird, während der ohmsche Widerstand 32 zur Feinregelung dient und zu diesem Zweck als feinstufiger oder als stufenloser Gleitwiderstand ausgebildet ist.The capacitor 3o can consist of several capacitor blocks, with the help of which control is carried out in stages, while the ohmic resistor 32 is used for fine control serves and for this purpose as a finely graduated or infinitely variable sliding resistance is trained.

Bei Regelung in sehr weiten Grenzen kann der Fall eintreten, daß die stromschwache Pause der Schaltdrossel noch nicht begonnen hat, wenn die Unterbrechungsstelle geschlossen wird; das ist der Fall, wenn sich die Schaltdrossel in diesem Augenblick in gesättigtem Zustand befindet.In the case of regulation within very wide limits, the case may arise that the Low-current break in the switching throttle has not yet started when the point of interruption is closed; that's the case if the throttle is at that moment is in a saturated state.

Für diesen Fall wird erfindungsgemäß das stromlose Einschalten durch eine besondere Hilfsschaltdrossel von kleineren Ausmaßen als die Hauptschaltdrossel gewährleistet, welche von der Regeleinrichtung unabhängig zwischen der Unterbrechungsstelle und der Abzweigstelle des parallelen Strompfades eingeschaltet ist.In this case, the currentless switch-on is carried out according to the invention a special auxiliary switching choke of smaller dimensions than the main switching choke ensures which of the control device is independent between the interruption point and the branch point of the parallel current path is switched on.

Fig.2 zeigt diese erweiterte Anordnung. 33 ist die Hilfsschaltdrossel mit dem Eisenkern 3q.. Zu ihr kann ein ohmscher Widerstand 38 unmittelbar parallel geschaltet sein. Über diesen Nebenpfad soll sich die magnetische Energie der Hilfsschaltdrossel ausgleichen, während die Unterbrechungsstelle i9 geöffnet ist, damit beim Einschalten von der Hilfsschaltdrossel keine störenden zusätzlichen Spannungen hervorgerufen werden. Das ist besonders wichtig, wenn der Schaltumformer nach der Erfindung für höhere Betriebsspannungen gebraucht werden soll, um mittels besonderer, der Hauptschaltdrossel 13 zusätzlich aufgedrückter Stromstöße im Schließungsaugenblick die Spannung von der Unterbrechungsstrecke ganz und gar wegzunehmen.Fig.2 shows this expanded arrangement. 33 is the auxiliary switching choke with the iron core 3q .. An ohmic resistor 38 can be directly parallel to it be switched. The magnetic energy of the auxiliary switching inductor should be transferred via this secondary path equalize while the break point i9 is open, so when switching on No additional disturbing voltages caused by the auxiliary switching choke will. This is particularly important when the switching converter according to the invention for higher operating voltages should be needed to use special, the main switching throttle 13 additionally imposed current surges at the moment of closing the voltage of to completely remove the interruption path.

Für die Hilfsschaltdrossel ist es wichtig, daß sie einen besonders scharf ausgeprägten Sättigungsknick besitzt und daß sie so gebaut ist, daß ihre Induktivität in gesättigtem Zustand so klein wie nur irgend möglich ist.It is important for the auxiliary switching choke that it has one special has a sharply pronounced saturation kink and that it is built in such a way that its Inductance in the saturated state as small as humanly possible.

Die Hilfsschaltdrossel ist nach Fig. z mit einer Einrichtung versehen, mittels deren sie vormagnetisiert werden kann, um zu erreichen, daß sie sich nach Abklingen des Übertragungsstromes in ungesättigtem Zustand befindet, wenn die Unterbrechungsstelle geschlossen wird. Beispielsweise dient dazu eine besondere Magnetisierungswicklung 35= welche aus einer Gleichstromquelle 36 über einen regelbaren Widerstand 37 gespeist wird. An die Stelle der Batterie 36 kann bei Gleich- bzw. Wechselrichterbetrieb das vorhandene Gleichstromnetz treten. Es kann auch Wechselstrom zum Vormagnetisieren benutzt werden, der dann vorteilhaft synchron mit der Unterbrechungsstelle zu steuern ist. Statt der besonderen Wicklung 35 kann der Vormagnetisierungsstrom auch die Hauptwicklung 33 durchfließen.The auxiliary switching throttle is provided with a device according to FIG. by means of which it can be pre-magnetized in order to achieve that it is after Decay of the transmission current is in the unsaturated state when the point of interruption is closed. For example, a special magnetization winding is used for this purpose 35 = which is fed from a direct current source 36 via a controllable resistor 37 will. In place of the battery 36, in the case of rectifier or inverter operation step on the existing direct current network. It can also use alternating current for biasing are used, which is then advantageous to control synchronously with the interruption point is. Instead of the special winding 35, the bias current can also be the Main winding 33 flow through.

Die Erfindung kann auch dann mit Vorteil verwendet werden, wenn die Unterbrechungsstellen Gasentladungsstrecken sind.The invention can also be used to advantage when the Interruption points are gas discharge paths.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Interrupting device, in particular converters, with switching throttle and parallel current path according to patent 9o5 167, characterized in that that the resistance of the parallel current path has a capacitive component.

2. Switching converter according to claim i, characterized in that the capacitor comparatively is dimensioned very large and that the iron circuit of the switching reactor is made of one type of iron lower permeability exists.

3. Switching converter according to claim i, characterized in that that the capacitance and the resistance of the parallel current path can be regulated and serve to regulate current and voltage on the consumer side. q ..

Interruption device, in particular converters, with switching chokes, parallel current path, characterized in that that in the circle of the interruption point two switching throttles are connected in series are.

5. Interrupting device according to Claimq., Characterized in that the DC bias of the two chokes is selected differently.

6. Interrupting facility according to claims 4 and 5, characterized in that the switching throttle with an auxiliary winding is provided in which when exceeding or falling below a certain current value a voltage is induced.

7. Interrupting device according to Claim 6, thereby characterized in that this voltage acts on control devices in the circuit. B.

Interrupting device according to claim i up to 5, characterized that the parallel current path is in series with one switching reactor, but in parallel to the other switching choke (auxiliary switching choke) and to the point of interruption.

9. Switching converter according to claim i to 8, characterized in that for the auxiliary switching throttle a parallel current path is provided through which the magnetic energy of the Auxiliary switching choke shortly after the opening of the interruption point at the latest before closing again. ok

Switching converter according to claim i to 8, characterized in that the auxiliary switching throttle is premagnetized in such a way that that their iron circle is in the unsaturated when the interruption point is closed State. i i.

Interrupting device according to claim i, characterized in that that the current path consists of a capacitor, which is a switching inductor, which is already reaches its saturation range at very low current values, is connected upstream.

12. Interrupting device according to claim i, characterized in that this Switching choke in the parallel current path, in turn, has a high ohmic resistance in parallel is switched.

13. Interrupting device according to claim ii and 12, characterized in that that the switching throttle is set up for premagnetization, which is set in such a way that it is the charging currents flowing in the working direction in the capacitor lets through unhindered, but the reverse current that flows through during the switch-on process Discharge of the capacitor would occur, the full resistance being unsaturated Opposing throttle. 1d ..

Interrupting device according to claim 13, characterized in that characterized in that there is a second in the parallel current path before the capacitor Choke is located, which is pre-magnetized in such a way that it is also in the working direction only allows the current to pass up to a certain limit value, but throttles it beyond that.

15. The use of an interrupter with a capacitor in parallel is switched, which in turn a switching throttle according to claim i i or one the following is connected upstream, for spark-free interruption of any circuits.