DE1169030B - Strombegrenzungseinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H02j;

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H02d

Deutschem.: 21d3-2

W 33200 VIIIb/21 d3
25. Oktober 1962
30. April 1964

Wenn induktive Lasten von einer Spannungsquelle getrennt werden, kann der Strom nicht sofort zu Null werden, sondern wird so lange weiterfließen, bis die gespeicherte magnetische Energie abgebaut ist. Es ist wünschenswert, daß das die Last von der Spannungsquelle trennende Schaltglied schnell öffnet und der Strom daraufhin schnell zu Null wird. Wenn nicht besondere Mittel vorgesehen werden, um die magnetische Energie abzubauen, kann der Stromfluß nicht sofort unterbrochen werden, ohne daß ein Lichtbogen auftritt, oder das Schaltglied durch dann auftretende Überspannungen zu Schaden kommt. Dem kann in der Weise begegnet werden, das eine sogenannte Freilaufanode parallel zum induktiven Verbraucher angeordnet wird, so daß nach Öffnen des Schalters ein Kreisstrom durch die Last und die Freilaufanode, die zweckmäßigerweise in einem Halbleiter-Gleichrichter besteht, zirkuliert, ohne das Schaltglied durchfließen zu müssen. Diese Anordnung wirkt zufriedenstellend beim Einschalten, läßt aber noch Wünsche beim Ausschalten offen. Sobald der als Freilauf anode verwendete Gleichrichter nach dem Ausschalten Strom führt, verschwindet dessen Sperrspannung. Eine Sperrspannung tritt erst wieder auf nach Schließen des Schalters. Der Aufbau einer Sperrspannung erfordert jedoch auf Grund des bei Halbleiter bekannten Trägerstaueffektes eine gewisse Totzeit, in welcher Rückstrom durch den Gleichrichter fließt in Form eines Stromstoßes, der höchst unerwünscht ist, insbesondere wenn Halbleiterelemente als Schaltglieder verwendet werden, welche gegenüber Überstrom sehr empfindlich sind. Auch bedeutet die beim Einschalten auftretende Stromspitze eine unnötige Belastung der Gleichspannungsquelle. Es ist natürlich möglich, ein Schaltglied vorzusehen, das so ausgelegt ist, daß es den erwähnten Überstromstoß auszuhalten vermag. Jedoch würde in diesem Fall dessen Stromkapazität nur während eines kleinen Teiles der Betriebszeit voll ausgenützt sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung vorzusehen zur Unterdrückung des Einschaltstromstoßes, so daß ein Schaltglied kleinerer Stromkapazität verwendet werden kann. Die Erfindung betrifft daher eine Strombegrenzungseinrichtung bei einem mit pulsförmigem Gleichstrom beaufschlagten induktiven Verbraucher, dem eine Freilauf anode parallel zugeordnet ist. Sie ist gekennzeichnet durch einen Sättigungstransformator, dessen eine Wicklung vom Verbraucherstrom und dessen beide Wicklungen vom Freilaufstrom durchflossen werden, wobei der Wicklungssinn der beiden Wicklungen so gewählt ist, daß sowohl Verbraucherstrom als auch Freilauf-Strombegrenzungseinrichtung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Lynn L. Tipton, Lima, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. November 1961

(152 334)

strom den Transformatorkern in die gleiche Sättigungsrichtung treiben.

Vorteilhaft wird als Kernmaterial für den Transformatorkern ein solches verwendet, dessen Magnetisierungskennlinie eine praktisch rechteckförmige Hysteresisschleife und eine hohe Remanenzinduktion aufweist.

Nähere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Figuren erläutert.

F i g. 1 stellt die bisher übliche Anordnung dar,

F i g. 2 zeigt das Auftreten der Stromspitzen, welches nach Schließen des Schaltgliedes auftritt,

F i g. 3 ist ein Schaltbild, ähnlich der Anordnung nach Fig. 1, in der jedoch die erfindungsgemäße Einrichtung verwendet ist, während

F i g. 4 die Begrenzung der Stromspitzen zeigt.

In Fig. 1 ist mit 1 der induktive Verbraucher bezeichnet, der zwischen den Klemmen 2 und 4 eines Netzwerkes 6 angeschlossen ist, das von einer Gleichspannungsquelle 9 gespeist wird. Die Last wird der Spannungsquelle zu- und abgeschaltet durch ein geeignetes Schaltglied 10, z. B. durch einen Transistor. Der Aussteuerungszustand des letzteren wird von einem Steuersatz 14 bestimmt, der zwischen Emitter- und Basisklemme angeschlossen ist. Es ist vorteilhaft, wenn der Transistor 10 im Schaltbetrieb arbeitet. Daher sollte der Steuersatz 14 eine Ausgangsspannung mit steilen Flanken haben. Eine Halbleiterdiode 12 ist an die Klemmen 2 und 4 als Freilaufanode angeschlossen.

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Die Kurve 16 stellt den Strom durch den Transistor 10 dar. Man erkennt, daß die Stromspitze 18 nach Schließen des Schaltgliedes 10 auftritt und nach einiger Zeit auf einen Stromwert 20 zurücksinkt während des Restes der Durchlässigkeitsperiode des Transistors 10. Wird das Sperrsignal an den Transistor 10 gelegt, so fällt der Transistorstrom steil ab auf den Nullwert 22. Dies ist deshalb möglich, weil der Gleichrichter 12 die Last praktisch kurzschließt und so einen Weg für den Abbau der gespeicherten magnetischen Energie durch die Last bereitstellt.

Im Schaltbild gemäß Fig. 3 sind Elemente, welche mit denen der F i g. 1 übereinstimmen, mit entsprechend gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird erfindungs- x5 gemäß zusätzlich ein Transformator 24 vorgesehen, der zwei induktiv miteinander gekoppelte Windungen 28 und 30 aufweist, die auf einem Kern 26 aufgewickelt sind. Dieser Kern ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das eine praktisch rechteckförmige Hysteresisschleife und hohe Remanenzinduktion aufweist. Die Dimensionen des Kernes 26 sind so in Beziehung zum Verbraucherstrom durch die Last 1 gesetzt, daß der Kern 26 in Sättigung gerät, nachdem der Transistor 10 leitfähig gesteuert wird. Dann stellt die Windung 28 eine kleine Impedanz dar. Das mit dem Punkt gekennzeichnete Ende der Wicklung 28 ist mit der Klemme 4 verbunden, während das andere Ende der Wicklung 28 am Kollektoranschluß des Transistors liegt. Das mit einem Punkt gekennzeichnete Ende der Wicklung 30 ist mit dem zuletzt erwähnten Ende der Wicklung 28 verbunden, während das andere Ende an die Anode des Gleichrichters 12 angeschlossen ist, der kathodenseitig mit der Klemme 2 in Verbindung steht.

Unter der Annahme, daß der Transistor 10 zuvor leitend gesteuert war und sodann gesperrt wird, wird dadurch ein bestimmter Sättigungsremanenzfluß im Kern 26 bewirkt, den wir willkürlich als in der positiven Sättigungsrichtung liegend bezeichnen wollen und der hervorgerufen wird, wenn jeweils ein Strom an einem mit einem Punkt gekennzeichneten Wicklungsende eintritt. Für die Zeit der Sperrperiode des Transistors 10 existiert kein Spannungsabfall am Gleichrichter 12. Wenn nun der Steuersatz 14 den Transistor 10 leitfähig steuert, kommt ein Stromfluß zustande, von der Gleichspannungsklemme 32 über den Leiter 34, auf Grund des erwähnten Trägerstaueffektes kurzzeitig in Sperrichtung durch den Gleichrichter 12, die Windung 30 durch den Transistor 10 zur Gleichspannungsklemme 36. In dem Fall der bisherigen Anordnung nach Fig. 1 ist dieser Stromfluß recht erheblich und ruft eine Stromspitze 18 hervor, während bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 3 die Impedanz der Windung diesen Stromfluß merklich abschwächt, so daß nur eine erheblich verringerte Stromspitze 18, etwa wie in F i g. 4 dargestellt, auftreten kann. Dies kommt dadurch zustande, weil der zuvor beschriebene Stromfluß bestrebt ist, die Induktion im Kern 26 zu niedrigen bzw. umzukehren in Richtung der negativen Sättigungsinduktion. Da der Rückwärtsstrom durch den Gleichrichter 12 stärker ansteigt als der Strom durch die Last 1 und die Windung 28, findet eine Flußänderung statt, was sich im Auftreten einer großen Impedanz äußert.

Anfänglich wird nach dem Einschalten die Wicklung 28 eine Impedanz darstellen, jedoch wird sehr bald der Verbraucherstrom den Kern 26 in die Sättigung treiben, so daß seine Impedanz recht klein wird und der volle Verbraucherstrom ungehindert die Last 1 durchfließen kann.

Wenn später in Abhängigkeit vom Steuersatz 14 der Transistor 10 gesperrt wird, fließt ein Freilaufstrom weiter in der gleichen Richtung durch die Wicklung 28, die Windung 30 und den Gleichrichter 12 zurück zur Klemme 2. Da die Richtung dieses Freilaufstromes durch die Wicklung 30 in bezug auf seine magnetische Wirkung die der Wicklung 28 unterstützt, bleibt der niedrige Impedanzwert des Transformators erhalten.

Der Freilaufstrom fließt solange, bis die gespeicherte magnetische Energie in der Last 1 abgebaut ist. Die Induktion im Kern 26 geht wieder auf den Wert der positiven Remanenzinduktion zurück, welche sich im Falle, daß der Kern eine rechteckige Hysteresisschleife aufweist, nicht wesentlich von der Sättigungsinduktion unterscheidet. Es können selbstverständlich auch andere Kernmaterialien mit anderen Hysteresisschleifen verwendet werden, jedoch wären bei diesen die Verluste größer.

Während die Erfindung besonders für Schaltkreise mit Halbleiterschaltgliedern gedacht, so ist sie doch gleichermaßen geeignet, um Überstromstöße in anderen Einrichtungen zu verhindern.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Strombegrenzungseinrichtung bei einem mit pulsförmigem Gleichstrom beaufschlagten induktiven Verbraucher, dem eine Freilaufanode parallel zugeordnet ist, gekennzeichnetdurch einen Sättigungstransformator, dessen eine Wicklung vom Verbraucherstrom und dessen beide Wicklungen vom Freilaufstrom durchflossen werden, wobei der Wicklungssinn der beiden Wicklungen so gewählt ist, daß sowohl Verbraucherstrom als auch Freilaufstrom den Transformatorkern in die gleiche Sättigungsrichtung treiben.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungskennlinie des Transformatorkernes eine praktisch rechteckförmige Hysteresisschleife und eine hohe Remanenzinduktion aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Verbraucher außer einer Gleichspannungsquelle ein Halbleiter-Schaltglied, insbesondere ein Schalttransistor angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Transistor, der von einem Steuersatz abwechselnd voll durchlässig und völlig gesperrt gesteuert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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