DEG0000967MA - Verbesserung an elektrischen Gleichrichtern - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf sogenannte "Trocken" - Wechselstromgleichrichter, die aus einer bestimmten Anzahl von Elementen, insbesondere aus Kupfersulfid-Magnesium, zusammengesetzt sind.

Diese Elemente besitzen bekanntlich die Eigenschaft, dem elektrischen Strom in einer Richtung, die wir "Durchlassrichtung" nennen wollen, einen sehr viel geringeren Scheinwiderstand entgegenzusetzen, als in der entgegengesetzten Richtung, die wie "Sperrichtung" nennen wollen.

Die Erscheinung ist durchaus nicht so einfach; vielmehr verhält es sich so, dass, solange der Strom in der Sperrichtung unter einem gewissen Grenzwert bleibt, der Scheinwiderstand in Sperrichtung nicht grösser ist als in Durchlassrichtung, aber sobald der Strom diesen Grenzwert erreicht hat und die an die beiden Klemmen des Elementes angelegte Spannung weiter wächst, eine Art Sperrung des Strom in Erscheinung tritt, die wir "Ansprechen des Elements" nennen wollen. Von da ab kann dem Element eine

Gegenspannung von mehreren Volt aufgedrückt werden, ohne das der Strom in Sperrichtung eines erheblichen Wert annimmt. Wenn man also ein Gleichrichterelement in einen Stromkreis einschaltet, an dem eine Wechsel-Potentialdirfferenz liegt, so ist der in einer Richtung fliessende Strom bedeutend grösser als in der Gegenrichtung, d.h. man erhält einen sogenannten gleichgerichteten Strom. Aber ein einzelnes Element eines gewissen Typs kann keine Sperrspannung ertragen, die einige Volt übersteigt, ohne dass es zerstört wird, während für einen anderen Typ einige dreissig Volt diese Grenze bilden; wenn man also Ströme unter höheren Spannungen gleichrichten will, so man mehrere Elemente in Reihe schalten, in der Hoffnung, dass die Spannung auch in Sperrichtung sich möglichst gleichmässig auf die Elemente nach ihrem "Ansprechen" verteilt.

In Wirklichkeit erfüllt sich dieser Wunsch nicht immer, sondern kommt es vor, dass einige der Säulen-elemente einer höheren Spannung ausgesetzt sind, während die anderen nur eine sehr kleine Teilspannung oder auch gar keine erhalten. Dies kommt daher, dass, wenn die Stromstärke in Sperrichtung sehr gering bleibt, sie für das oben erwähnte Ansprechen der Elemente nicht ausreicht; während also einige Säulenelemente angesprochen haben, ist der Strom zu gering geworden, um die anderen auch zum Ansprechen zu bringen.

Vorliegende Erfindung hat einen Trockengleichrichter zum Gegenstand, der diesen Nachteil nicht aufweist, d.h. bei welchen das Ansprechen aller Elemente sichergestellt ist.

Man erreicht dieses Ergebnis durch den Umstand, dass einem jeden seiner Gleichrichterelemente ein elektrischer Widerstand von solchem Wert parallelgeschaltet ist, dass er einen Nebenschlussstrom durchlässt, der sich zu dem das Gleichrichterelement durchfliessenden Sperrstrom addiert, wenn letzteres angesprochen hat, d.h. als Gleichrichter wirkt, so dass der gesamte Gegenstrom genügt, um das Ansprechen der anderen Elemente sicherzustellen, während er andererseits genügend klein bleibt, damit sein Wert nur einen annehmbaren Bruchteil des gleichgerichteten Stromes ausmacht.

In der nur als Beispiel angefügten Zeichnung stellen dar:

Abb. 1 eine schematische Abbildung eines gebräuchlichen Gleichrichters,

Abb. 2 eine entsprechende Abbildung eines erfindungsgemässen Gleichrichters,

Abb. 3 ein Schaltbild eines Einphasen-Gleichrichters mit Brückenschaltung,

Abb. 4 einen Schnitt entsprechend der Linie 4-4 der Abb. 5 eines erfindungsgemässen Gleichrichters,

Abb. 5 eine Seitenansicht desselben,

Abb. 6 einen Teil eines anderen erfindungsgemässen Gleichrichters,

Abb. 7 eine Teilansicht einer anderen Ausführung.

Wenn wir uns den gebräuchlichen, in Abb. 1 schematisch dargestellten Gleichrichter vergegenwärtigen, so besteht dieser Gleichrichter aus sieben Gleichrichter-elementen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, deren jedes durch einen Pfeil dargestellt ist, dessen Richtung die Durchlassrichtung des Elementes angibt.

U(sub)1 und U(sub)o sind an den Enden der Säule angelegte Wechselpotentiale.

Wenn U(sub)1 höher ist als U(sub)o, so fliesst der Strom ungehindert wie durch einen geringen Widerstand, dessen Wert durch die Abmessung der Elemente bedingt ist.

Wenn U(sub)o höher ist als U(sub)1, so fliesst der Strom in Sperrichtung; man stellt hierbei fest, dass einige Elemente sperren, z.B. die Elemente 2, 4, 5, 7, und die anderen nicht; wenn man die Scheitelspannungen an den Elementen misst, so für das Element 7 ....... 8 Volt

" " " 6 ....... 1 Volt

" " " 5 ....... 10 "

" " " 4 ....... 4 "

" " " 3 ....... 0,5 "

" " " 2 ....... 5 "

" " " 1 ....... 0,6 "

d.h. insgesamt 29, 1 Volt

Falls die Elemente ohne Schaden nicht mehr als fünf Volt vertragen, werden die Elemente 5 und 7 sehr rasch zerstört werden, und nach und nach werden alle anderen Elemente ihnen folgen.

Die Erfindung (Abb.2) vermeidet diesen Nachteil durch den Umstand, dass jedem der sieben Elemente ein Widerstand r(sub)1, r(sub)2 bis r(sub)7 parallel geschaltet ist.

Wenn die Gegenspannung (U(sub)o > U(sub)1) unter diesen Umständen wächst, so sprechen gewisse Elemente in nicht voraussehbarer Reihenfolge an, die von z.T. unmerkbar kleinen Unterschieden zwischen den Elementen 1, 2, 3 bis 7 abhängt,; diese Reihenfolge kann sich mit der Zeit sehr rasch ändern, z.B. von einem Stromwechsel zum folgenden. Wenn z.B. das Element 3 unter diesen Umständen zuerst anspricht, sobald die Spannung an seinen Klemmen beispielsweise 7 Volt erreicht, so lässt dieses Element nur einen bestimmten Strom durch, der zu schwach sein kann, um das Ansprechen der anderen Elemente sicherzustellen, aber der Widerstand r(sub)3 lässt sich seinerseits auch einen gewissen Strom vom Werte 7/r(sub)3, und die Summe beider die Säule der noch nicht angesprochen habenden Elemente durchfliessenden Gegenströme reicht aus, um ein zweites Element zum ansprechen zu bringen, und so fort, bis nach Ansprechen aller Elemente die Spannung U(sub)o - U(sub)1 ungefähr gleichmässig zwischen ihnen aufgeteilt ist, oder zumindest soweit, dass keines derselben einer Spannung ausgesetzt ist, die seine Zerstörung herbeiführt.

Natürlich wird man die Widerstandswerte r(sub)1, r(sub)2 bis 7 gross genug wählen, damit, trotzdem die oben erläuterten Bedingungen erfüllt werden, die Vergrösserung des gesamten Gegenstroms durch die Elementensäule und die parallelgeschalteten Widerstände möglichst gering bleibt.

Beispielsweise wird man Elementen aus Kupfersulfid-Magnesium mit einer Kupfersulfidscheibe von 35 mm Durchmesser Widerstände von je 2 Ohm parallelschalten.

Wenn unter diesen Umständen die Gegenspannung an einem Element 7 Volt erreicht, beträgt der Strom durch den betreffenden Parallelwiderstand <Formel>.

Der Sperrstrom durch das Element selbst ist dann etwas grösser, z.B. 6 bis 7 Ampere, so das der gesamte Gegenstrom 10, 5 Ampere erreicht, während der von dem Element in Durchlassrichtung gelieferte Nutzstrom 100 Ampere beträgt.

Aber diese Werte sind die Maximalwerte je Halbwelle; die Effektivwerte sind um den Faktor V 2 kleiner. So würde ein in Brücke geschalteter Gleichrichter aus solchen Elemente im Mittel 70 gleichgerichtete Ampere liefern, während sein mittlerer Wechselstromverbrauch 76,5 Ampere für die beiden Halbwellen beträgt.

Man erkennt, dass der Nebenschluss durch die Widerstände r(sub)1 bis r(sub)7 in durchaus zulässigen Grenzen bleibt.

Ein aus den Teilstücken R(sub)1, R(sub)2, R(sub)3, R(sub)4 bestehender in Brücke a, b, c, d geschalteter Einphasen-Gleichrichter (Abb. 3) wird in c-d 24 Volt. 70 Ampere gleichgerichtet liefern, wenn er in a-b mit einer Wechselspannung von rund 35 Volt effektiv gespeist wird; die Maximalspannung an einem Brückenzweig, z.B. a-c, wird im Leerlauf 35. <Formel> betragen. Die Anzahl der im Brückenzweig in Reihe geschalteten Elemente wird so gewählt, dass die Spannung je Element im Mittel 7 Volt beträgt. Es sind also je Brückenzweig 7 Elemente in Reihe erforderlich.

Abb. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Trockengleichrichters. Dieser besteht, wie bekannt aus einer Säule von mehreren Gleichrichterelementen, die längs der Achse 8 durch Muttern 9, 10 aneinandergepresst und gegen die Achse 8 durch ein nicht dargestelltes Rohr aus bakelisierter Pappen isoliert sind. Jedes dieser Elemente besteht aus einer Kupfersulfidscheibe 11, die sich unter Druck zwischen einer Magnesiumscheibe 12 und einer vernickelten Eisenscheibe 13 befindet. Beiderseits der letztgenannten Scheiben sind zwei ausladende Stücke 14 und 15 angeordnet, an welchen der Nebenschlusswiderstand 16 in den Punkten 17 und 18 durch seine Zuleitungsdrähte befestigt ist. Des weiteren sind zwei Abstandscheiben 19 und 20 und zwei Kühlscheiben 21 vorgesehen. Abgesehen von den beiden äussersten, ist jede Kühlscheibe 21 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gleichrichtern eingesetzt.

Entsprechend einer Abart der Erfindung kann der Nebenschlusswiderstand zu jedem Element des Hauptgleichrichters zumindest teilweise aus einer zusätzlichen Säule aus einer gewissen Anzahl von Gleichrichterelemente bestehen, deren Durchlassrichtung der Sperrichtung des genannten Hauptgleichrichterelements entspricht und die so beschaffen sind, das der Scheinwiderstand des Nebenschlusses in Durchlassrichtung der genannten Zusatzsäule den gewünschten Wert aufweist.

Es ist in der Tat bekannt, dass, soweit ein eine Gleichrichtersäule in Durchlassrichtung durchfliessender Strom eine gewisse Stärke nicht überschreitet, der Scheinwiderstand dieser Säule verhältnismässig gross bleibt; wenn also die Anzahl der in Reihe geschalteten zusätzlichen Elemente genügend gross ist, so dass die auf jedes nebengeschlossene Gleichrichterelement anfallende Spannung den gewünschten Grenzwert nicht überschreitet, so kann man der gewünschten Bedingung für die Stärke des Nebenschlussstromes leicht genügen.

Es ist gleichfalls bekannt, dass der Scheinwiderstand einer Gleichrichtersäule plötzlich absinkt, wenn die Stärke des sie durchfliessenden Stroms einen gewissen Wert übersteigt. Wenn also durch einen zufälligen Umstand aus der Reihe der Hauptelemente, aus denen der Gleichrichter besteht und denen allen Zusatzsäulen parallelgeschaltet sind, eine gewisse Anzahl nicht ansprechen will, so haben die anderen, zuerst angesprochen habenden Elemente die Neigung, einen grösseren Teil der dem Gleichrichter aufgedrückten Gesamtspannung auf sich zu ziehen, worauf die durch die genannten Zusatzsäulen gebildeten Nebenschlüsse zu den angesprochen habenden Gleichrichterelementen infolge ihrer oben gekennzeichneten Eigenschaft einen schnell wachsenden Strom hervorrufen, der die Nachzügler-Elemente des Gleichrichters nun ebenfalls in Ansprechen zwingt.

Nach dem in Abb. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Gleichrichter aus Gleichrichterelementen R(exp)1, R(exp)2 usw. Jedes dieser Gleichrichterelemente vom Typ Kupfersulfid-Magnesium besteht aus einer Magnesiumscheibe 30, einer Kupfersulfidscheibe 31 und einer vernickelten Eisenscheibe 32; diese Elemente sind durch zylinderförmige Abstandsstücke 33 und Kühlscheiben 34 von einander getrennt.

Alle diese Stücke sind mit einer Bohrung versehen und auf einer Schraubspindel 35 aufgereiht, die durch ein Rohr 36 aus Pappe, Glasfadengeflecht oder sonstigem Isoliermaterial isoliert ist; das Ganze wird durch Endmuttern wie z.B. 37 zusammengepresst, die sich auf Isolierscheiben 38 stützen.

Die Durchlassrichtung der Gleichrichterelemente R(exp)1, R(exp)2 usw. ist durch den Pfeil f(exp)1 gekennzeichnet

Seitlich zu den genannten Hauptelementen R(exp)1, R(exp)2 usw. sind Nebenschlüsse S(exp)1, S(exp)2 usw. angeordnet, die aus zusätzlichen Gleichrichtersäulen aus Kupfersulfid-Magnesium bestehen, deren Querschnitt und Anzahl gemäss den oben auseinandergesetzten Bedingungen bestimmt ist und deren durch den Pfeil f(exp)2 angedeutete Durchlassrichtung entgegengesetzt derjenigen der Elemente R(exp)1, R(exp)2 usw. ist.

Sämtliche zusätzlichen Elemente bestehen je aus einer vernickelten Eisenscheibe wie z.B. 39, einer Kupfersulfidscheibe wie z.B. 40 und einer Magnesiumscheibe wie z.B. 41. Sie sind auf einer stählernen Schraubenspindel 42 aufgereiht, die durch ein Rohr 43 aus Pappe oder irgend einem anderen Isoliermaterial und durch Isolierscheiben 44 zwischen den äussersten Kühlscheiben 34 und den Pressmuttern 45 isoliert ist.

Im allgemeinen wird der Querschnitt der zusätzlichen Elemente S(exp)1, S(exp)2 usw. bedeutend kleiner als derjenige der Hauptelemente R(exp)1, R(exp)2 usw. sein. Wenn letztere beispielsweise eine Oberfläche von 10 cm(exp)2 aufweisen, so könnte derjenige der Nebenschleusselemente 1cm(exp)2 betragen. In dem Beispiel sind in dem Nebenschluss neun Elemente in Reihe dargestellt; wenn man beispielsweise die dem Element R(exp)1 aufgedrückte Spannung auf 8 Volt für die Sperrichtung beschränken will, so werden auf jedes Element der Säule S(exp)1 <Formel> Volt in seiner Durchlassrichtung entfallen; bei diesen Spannung übersteigt der Strom nicht zwei bis drei Ampere, also einen verhältnismässig geringen Betrag im Vergleich zum Strom durch dass Hauptelement, der einen Absolutwert von 150 Ampere erreichen kann.

In Abb. 7 ist eine weitere Abart der Erfindung dargestellt, bei welcher der Nebenschluss aus einer Säule 46 von drei Gleichrichterelementen besteht, die mit einem hervorspringenden Stromanschlussstück 47 versehen und durch den Schraubenkopf 48 und die Mutter 49 zusammengespresst ist.

Das Stromanschlussstück 47 ist mit der folgenden Kühlscheibe 34 durch einen gebräuchlichen, z.B. Metall- widerstand 50 verbunden, der an der Kühlscheibe in 51 angenietet oder angeschraubt und an dem Stromanschlussstück in 52 angenietet oder angelötet sein möge.

Der Vorteil dieses Widerstandes besteht darin, dass er die Nebenschlussstromtärke begrenzt, um den Strom- und damit den Wirkungsgradverlust in dem oben beschriebenen Fall zu beschränken, wo die Gegenspannung an den Klemmen des Haupt-Gleichrichterelements mit Nebenschluss die zugelassenen Normalwerte erheblich übersteigen würde.

Es versteht sich, dass die Erfindung keineswegs auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsarten beschränkt ist, die nur als Beispiele gewählt wurden.

Die beschriebenen Anordnungen und ihre Abarten sind auf jede beliebige Art von Gleichrichter abwendbar, der denjenigen des Kupfersulfid-Magnesium-Gleichrichters entsprechende Eigenschaft aufweist.

Für die Nebenschlüsse zu den Hauptelementen R einer bestimmten Art, z.B. aus Kupfersulfid-Aluminium, kann man auch Elemente S einer anderen Art, z.B. aus Selenium-Cadmium, verwenden.

Claims (9)

1. - Wechselstrom-Trockengleichrichter, dadurch gekennzeichnet, dass jedem seiner Gleichrichterelemente ein elektrischer Widerstand von solchem Wert parallelgeschaltet ist, dass er einen Nebenschlussstrom von solcher Stärke durchlässt, dass dieser zusammen mit dem das Gleichrichterelement nach seinen Ansprechen, d.h. wenn es Gleichrichter wirkt, durchfliessenden Sperrstrom einen Gesamtgegenstrom ergibt, der ausreicht, um das Ansprechen der anderen Elemente sicherzustellen, trotzdem schwach genug bleibt, damit sein Wert nur einen annehmbaren Bruchteil des gleichgerichteten Stroms ausmacht.

2. - Wechselstrom-Trockengleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag dieses Widerstandes derart bemessen wird, dass die Gegenstromstärke von der Grössenordnung eines Zehntels des gleichgerichteten Stroms ist.

3. - Wechselstrom-Trockengleichrichter nach Anspruch 1 aus Kupfersulfid-Magnesium mit Kupfersulfidscheiben von 35 mm Durchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschlusswiderstand von der Grössenordnung 2 Ohm ist.

4. - Wechselstrom - Trockengleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu jeden Element gehörende Nebenschlusswiderstand an beiderseits des Elements angeordneten Stromanschlussstücken befestigt ist.

5. - Wechselstrom-Trockengleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschlusswiderstand zu mindest teilweise aus einer zusätzlichen, aus einer gewissen Anzahl von Gleichrichterelemente zusammengesetzten Säule besteht, deren Durchlassrichtung der Sperrrichtung des genannten Hauptgleichrichterelements entspricht, wobei diese Zusatzelemente derart beschaffen sind, dass der Scheinwiderstand des Nebenschlusses in Durchlassrichtung der genannten zusätzlichen Säule den gewünschten Wert für den genannten Nebenschlusswiderstand entspricht.

6. - Wechselstrom-Trockengleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Nebenschlusswiderstand aus einer Säule von zusätzlichen Gleichrichterelementen besteht.

7. - Wechselstrom-Trockengleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschlusswiderstand eine Säule von zusätzlichen Gleichrichterelementen und einen gewöhnlichen, z.B. Metall-Widerstand in Reihe aufweist.

8. - Wechselstrom -Trockengleichrichter nach einem der beliebigen Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Gleichrichterelemente vom selben Typ wie die Hauptelemente sind, denen sie parallelgeschaltet sind.

9. - Wechselstrom-Trockengleichrichter nach einem der beliebigen Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Gleichrichterelemente von einem anderen Typ sind als die Hauptelemente, denen sie parallelgeschaltet sind.