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Anordnung zum periodischen Öffnen und Schließen elektrischer Stromkreise
Es ist bekannt, Stromunterbrechungen, insbesondere periodische, wie sie in Stromrichtern
oder Umformern vorkommen, durch allmähliches Einschalten von Schaltelementen nach
Art Ohmscher Widerstände in dem Stromkreis vorzunehmen. Zur Vermeidung von Verlusten
soll hierbei im geschlossenen Zustand der Widerstand des Schaltelementes möglichst
Null, im geöffneten Zustand dagegen möglichst unendlich sein. Der Übergang vom Widerstand
Null auf den Widerstand unendlich kann nicht beliebig schnell vor sich gehen. Einmal
ist dies praktisch nicht durchführbar, zum andern würde es außerdem Überspannungen
in den vom Strom durchflossenen Induktivitäte-n zur Folge haben. Es ist daher gewissermaßen
eine »Schaltzeit« für den Übergang des Schaltelementes aus dem leitenden in den
nichtleitenden Zustand und umgekehrt erforderlich. Während dieser Schaltzeit treten
im Widerstand Verluste auf, die den Widerstand erwärmen und außerdem sich als Leistungsverlust
bemerkbar machen. Bei gegebenem Widerstandsverlauf sind diese Verluste dem Quadrat
des zu unterbrechenden Stromes proportional, d. h., die durch diese Verluste hervorgerufenen
Schwierigkeiten treten besonders bei starkem Strom auf. Handelt es sich um mehrphasige
Stromrichter mit Überdeckung der Stromzeit der einzelnen sich ablösenden Phasen,
so hat man die Schaltzeit der
Schaltelemente in ganz bestimmter
Weise del natürlichen Kommutierungszeit der Ströme anzupassen, wenn man ein Minimum
an Verlusten ir den Schaltelementen erreichen will. Dieses Minimum steht, wie sich
rechnerisch nachweisen läßt, in bestimmtem Zusammenhang mit der (prozentualen) induktiven
Kurzschlußspannung des Kommutierungskreises, und zwar sind die Verluste in den Schaltwiderständen
bei günstiger Wahl der Schaltzeit in Prozenten etwa halb so groß `wie die induktive
Kurzschlußspannung in Prozenten, d. h., zum Beispiel bei einer üblichen Kurzschlußspannung
von 61/o treten 31/o Leistungsverlust in den Widerständen auf. Bei großen Leistungen
ist dieser Betrag so hoch, daß, abgesehen von der Verschlechterung des Wirkungsgrades,
die Abführung der Wärme aus den Widerständen Schwierigkeiten macht und daß die Widerstände
mit Rücksicht auf diese Erwärmung unwirtschaftlich groß gewählt werden müssen.
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Zur Vermeidung dieser Übelstände werden nach der Erfindung bei Anordnungen
zum periodischen Öffnen und Schließen elektrischer Stromkreise, bei denen Schaltelemente
benutzt werden, die beim Übergang vom möglichst isolierenden in den möglichst leitenden
Zustand oder umgekehrt sich eine Zeitlang im Zustand endlichen Widerstandes befinden,
zur Verringerung der Leistungsverluste im normalen Betrieb Schaltdrosseln vorgesehen.
Unter Schaltdrosseln sind dabei Drosseln zu verstehen, die einen hochwertigen ferromagnetischen
Kern mit einer Magnetisierungskennlinie, die schon bei kleinen magnetischen Feldstärken
möglichst die volle Sättigung erreicht, besitzen. Durch den Einbau solcher Schaltdrosseln
in den Kommutierungskreis läßt es sich erreichen, daß die Schaltelemente mit veränderlichem
Widerstand weitgehendst entlastet werden. Zu :dem Zweck trifft man die Anordnung
derart, daß die Schaltzeit der Schaltelemente innerhalb der Zeit liegt, während
der die zugehörige Schaltdrossel ungesättigt ist. Bei ungesättigter Schaltdrossel
kann nur der geringe Magnetisierungsstrom der Schaltdrossel durch das Schaltelement
fließen. Infolgedessen sind die Verluste in dem Schaltelement, die proportional
dem Quadrat der Stromstärke sind, auch bei sehr großen Nennströmen nur durch den
Magnetisierungsstrom der Schaltdrossel gegeben, der in der Größenordnung von 1/l00
oder weniger des Nennstromes liegt.
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Es ist bekannt, Schaltdrosseln in Verbindung mit mechanischen Kontakten
zur Umformung oder Stromrichtung zu benutzen. Gegenüber derartigen Kontaktstromrichtern
hat die Erfindung den weiteren Vorteil, daß das mechanische Kontaktgerät in Fortfall
kommen kann, so: daß sich insgesamt ein ruhender Umformer oder Stromrichter ergibt.
Des weiteren entfällt die Gefahr der Beschädigung der Kontakte durch Schaltfeuer
in Störungsfällen besonders dann, wenn man die Schaltelemente nach der weiteren
Erfindung derart bemißt, daß sie vorübergehend, d. h. in Störungsfällen auch während
der Zeit, während der die Schaltdrosseln gesättigt sind, den Strom kommutieren können,
ohne durch zu große Erwärmung zugrunde zu gehen. Im wesentlichen bedeutet dies,
daß sie einen einmaligen Abschaltvorgang des Nennstromes oder des Kurzschlußstromes
bewältigen müssen.
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Es, ist leicht möglich, bei Vorliegen einer Störung nach diesem einmaligen
Abschalten die Steuervorrichtung für das Schaltelement so zu beeinflussen, daß der
Widerstand des Schaltelementes auf seinem hohen Wert verbleibt, bis die äußere Störung
beseitigt ist.
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Die Beanspruchung der Schaltelemente, die in Störungsfällen im schlimmsten
Fall durch den Kurzschlußstrom gegeben ist, läßt sich mit Hilfe der Verwendung der
Schaltdrosseln nach der Erfindung ebenfalls vermindern, da die Schaltdrosseln den
Kurzschlußstrom in erheblicher Weise begrenzen. Man kann mit Rücksicht auf den Kurzschlußstrom
die Schaltdrosseln so groß wählen, daß ihre Stufenlänge (d. i. die Zeit, während
der sie im ungesättigten Zustand sind, wenn der Scheitelwert der Kommutierungsspannung
auf sie einwirkt) wesentlich größer ist als die Schaltzeit der Schaltelemente. Beispielsweisekann
man dieStufenlänge bei dreiphasigen Anordnungen und Drehstrom von 5o Hz etwa 3 -
10-s sec wählen. In diesem Fall ist der Dauerkurzschlußstrom, den die Schaltdrosseln
durchlassen, praktisch Null. Bei einer kleineren Bemessung der Schaltdrossel kann
man erreichen, daß der Dauerkurzschlußstrom etwa ebenso groß oder größer als der
Nennstrom ist. Mit der Anordnung nach der Erfindung lassen sich Aufgaben der Stromunterbrechung
und -umfo,rmung jeder Art ausführen. Insbesondere eignet sich die Anordnung nach
der Erfindung zur Speisung von Regelantrieben z. B. für Walzwerke, Elektrofahrzeuge,
Werkzeugmaschinenantriebe, Aufzüge u. dgl. Bei diesen wird oft nicht nur eine regelbare
Geschwindigkeit, sondern darüber hinaus Umkehrung der Bewegungsrichtung und Netzbremsung
verlangt. Für den Stromrichter bzw. Umformer bedeutet dies abwechselnden Betrieb
als Gleich-und Wechselrichter mit veränderlicher positiver und negativer Spannung.
Diese Aufgabe ist weder mit elektrischen Ventilen noch mit den bislang bekanntgewordenen
Kontaktumformern einfach und wirtschaftlich zu lösen. Durch die Erfindung erhält
man jedoch einen Umformer, der diese schwierige Regelaufgabe auf einfachste Weise
zu beherrschen gestattet.
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Zu dem Zweck ist es nach der weiteren Erfindung vorteilhaft, die Steuerung
des Widerstandes der Schaltelemente vom Magnetisierungszustand der Schaltdrosseln
abhängig zu machen, z. B. in der Weise, daß die Vergrößerung des Widerstandes der
Schaltelemente nur einsetzen kann, wenn die Schaltdrosseln sich bereits genügend
weit im ungesättigten Gebiet befinden. Zur Ausführung dieser Steuerung des Widerstandes
der Schaltelemente stehen je nach den verwendeten Schaltelementen verschiedene Mittel
zur Verfügung. Man kann dabei mit Vorteil auch von einer Vorerregung der Schaltdrosseln
Gebrauch machen, da
diese es ermöglicht, in. weitenn Umfang den
Stromdurchgang durch die Schaltdrossel zu regeln und zu beeinflussen.
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Es sind Stoffe bekanntgeworden, die ihren Widerstand unter dem Einfluß
einer Bestrahlung mit Licht in so hohem Maße verändern, daß sie zur Verwendung als
Schaltelement für die Erfindung in Frage kommen. Um einen Starkstromumform,er kleiner
bis großer Leistung mit gutem Wirkungsgrad auszuführen, muß die Änderung des Widerstandes
der Schaltelemente beispielsweise drei bis neun Größenordnungen betragen. Ein Stoff,
mit dem dies beispielsweise erzielt werden kann, ist Cadmiumsulfid. Die zur Steuerung
des Widerstandes benötigte Lichtintensität ist dabei technisch leicht zu erzielen.
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Als Schaltelement nach der Erfindung eignen sich jedoch auch Widerstände
anderer Art, wie z. B. Kohledruckwiderstände, die ihren Widerstand unter dem Einfluß
von .mechanischem Druck ändern. Es können auch elektrische Widerstände verwendet
werden, deren Elektronen- und Ionenkonzentration gesteuert wird. Man kann auch elektrolytische
Widerstände in der Weise verwenden, daß man periodisch Querschnittsveränderungen
durch mechanische Mittel oder durch Verdampfungsvorgänge, die durch Druckschwankungen
ausgelöst werden können, vornimmt. Auch die Anwendung von metallischen Leitern,
die in ihrem Widerstand durch Temperaturschwankungen gesteuert werden, kommt in,
Frage, so- insbesondere Widerstände im Bereich der Supraleitfähigkeit. Man kann
unter Umständen auch leitende Gase (Plasma) als Schaltelement benutzen, wobei die
Ionen- und Elektronenkonzentration des Gases durch Gitter, Rekombinationsflächen,
Druckschwankungen, magnetische Felder od. dgl. beeinflußt wird.
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Bei all diesen Mitteln tritt die obenerwähnte Schwierigkeit auf, daß
bei Erhöhung des Widerstandes, insbesondere bei großem Nennstrom, ein hoher Leistungsverlust
am Schaltelement auftritt, der sein Arbeiten gefährdet. Daher ist bei allen diesen
Mitteln die erfinderische Kombination mit Schaltdrosseln von hervorragender Bedeutung.
Da die Schaltdrosseln selbst ruhende Geräte sind und nur geringe Verluste aufweisen,
wird man ihre Verwendung in vielen Fällen wirtschaftlich und betrieblich in Kauf
nehmen können. Besonders wirksame Schaltdrosseln erhält man beispielsweise bei Verwendung
von Eisennickellegierungen für das Kernmaterial.