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WO1995015615A1 - Gesteuerter elektronischer schalter - Google Patents

Gesteuerter elektronischer schalter Download PDF

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Publication number
WO1995015615A1
WO1995015615A1 PCT/HU1994/000057 HU9400057W WO9515615A1 WO 1995015615 A1 WO1995015615 A1 WO 1995015615A1 HU 9400057 W HU9400057 W HU 9400057W WO 9515615 A1 WO9515615 A1 WO 9515615A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switch
thyristors
electronic switch
thyristor
control
Prior art date
Application number
PCT/HU1994/000057
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lajos Nagy
Valentin Nagy
Original Assignee
Lajos Nagy
Valentin Nagy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lajos Nagy, Valentin Nagy filed Critical Lajos Nagy
Priority to JP7515509A priority Critical patent/JPH09505961A/ja
Priority to AU13258/95A priority patent/AU1325895A/en
Priority to EP95904667A priority patent/EP0732007A1/de
Publication of WO1995015615A1 publication Critical patent/WO1995015615A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/72—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
    • H03K17/08144—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in thyristor switches

Definitions

  • the invention relates to a controlled electronic switch (semiconductor switch with thyristors) for consumers of different powers, which are to be intrinsically safe connected to a network with direct voltage or alternating voltage with one phase line or with several phase lines and which substantially minimizes the transient phenomena which occur during the shutdown.
  • a controlled electronic switch semiconductor switch with thyristors
  • Thyristors (K ⁇ szaki Könyvkiad ⁇ , Budapest, 1980, p 110) specifies numerous basic circuitry variants for the use of the thyristor as a controllable switching element. In the known circuit arrangements used in
  • SUBSTITUTE SHEET DC networks a thyristor with a control circuit (ignition circuit) between the control electrode and the cathode.
  • the control signal can be a DC voltage or voltage pulse with a corresponding pulse width for reliable ignition.
  • the control signal need not be maintained because the thyristor maintains its switched state even without a control signal. To turn off the switching element one needs to S 'tro circle only to be interrupted.
  • Half-wave (180 degrees) or full-wave (360 degrees) solutions have been known for AC networks.
  • Half-wave circuits use a thyristor with an ignition circuit between the control electrode and the cathode of the thyristor.
  • This arrangement can also be used with full-wave circuits, but only on the condition that a full-wave rectifier is inserted before one thyristor.
  • the antiparallel connection of two thyristors can eliminate this disadvantage, but you have to take care of two ignition circuits. You also come with one
  • the current electronic switching elements with thyristors have a number of further disadvantages in addition to the fact that they have complicated ignition circuits. These are:
  • the required reliability values can only be achieved if the dimensioning of a 0.6
  • the elaboration of the invention is based on the results of research work, the subject of which was the exploration of error sources in digital radio-electronic systems.
  • the examinations and tests carried out clearly prove that the malfunctions and failures are mainly caused by the impulse disturbances and the transient phenomena which occur when the system elements are commutated.
  • the efforts to eliminate these sources of error made it necessary to develop a fundamentally new commutation technology.
  • the aim of the invention was to provide such a simple controllable electronic switch which can reliably connect the consumers with different power to direct or alternating voltage networks with a minimal outlay on switching elements.
  • the object of the invention is fundamentally achieved by creating a controlled electronic switch which has two thyristors connected in antiparallel, a switch being arranged between the control electrodes of the thyristors.
  • a further switch can be provided, which is connected in series with the thyristor pair.
  • Thyristor pairs By pressing the third switch you have a simple test option.
  • a circuit arrangement can be proposed for switching higher powers, the thyristor pair having one
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the controlled electronic switch
  • FIG. 2 an electronic switch for use in one
  • Fig. 3 an electronic switch for use in one
  • Single-phase alternating voltage network ig. 4 shows a second exemplary embodiment for use in a single-phase AC voltage network.
  • 5 an electronic switch for switching high powers
  • Fig. 6 shows an electronic switch for use in a
  • FIG. 7 time diagram to illustrate the function of the electronic switch according to the invention
  • FIG. 8 the simplest version of the electronic switch according to the invention
  • FIG. 9 the electronic switch according to the invention supplemented with a resistor, FIG Diode,
  • FIG. 11 the electronic switch according to the invention supplemented with an LED
  • FIG. 12 the electronic switch according to the invention supplemented with resistors and LEDs.
  • the electronic switch according to the invention is shown in FIG. 1 in a general application.
  • the controllable electronic Schlater consists of two anti-parallel connected thyrisors T1 and T2, between whose control electrodes a switch S1 is arranged.
  • a load R L and the switch according to the invention are connected to the direct or alternating voltage network, a second switch S2 being inserted between the load and the electronic switch.
  • a further switch S3 is connected in parallel.
  • the thyristors Tl and T2 are closed in the position shown of the switches S1 to S3 (all switches open), ie no current flows. To prevent reverse current, switch S2 is opened.
  • the thyristors T1 and T2 are switched to the open, conductive state, because that which is present on the control electrodes Potential for ignition is sufficient.
  • the switch S3 is located between the one terminal of the voltage source U and the load R L. By closing switch S3, the series connection of switch S2 and the electronic switch (T1, T2, S1) can be bridged or short-circuited.
  • the switch 3 increases the operational reliability, excludes the distortion of the sinusoidal voltage at the load, and makes the use of heat sinks on the thyristors superfluous, the dimensions and the dimensions of the switch according to the invention also becoming significantly smaller. Pressing the S3 switch additionally provides a test option in that it can be switched independently of the thyristor switches.
  • the mechanical switches S2-S1-S3 are switched through in the order specified.
  • the opening takes place in reverse order (S3-S1-S2).
  • the thyristors of the controlled electronic switch can also be designed as a module.
  • FIGS. 2 to 6 Further applications for the controlled electronic switch according to the invention are shown in FIGS. 2 to 6, the consumer being connected to a direct voltage network or a single-phase or three-phase alternating voltage network.
  • the switching time is determined by the selection of the thyristor type and is of the order of about 50 ⁇ s.
  • the positive half-waves pass through one thyristor and the negative half-waves through the other thyristor to the consumer.
  • the switch S3 is closed, and not less than 100 ⁇ s after the switch S1 is closed.
  • the switch S3 bridges the electronic switch, whereby the consumer is directly connected to the network. The consumer is switched off in the reverse order.
  • By opening the switch. S3 the short circuit via the electronic switch is removed, but the consumer is still live.
  • the switch Sl is opened, is separated whereby the connection between the control electrodes of 'the thyristors Tl and T2.
  • the delay after opening the switch S3 is approximately 10 ⁇ s.
  • the control voltage is therefore switched off by the thyristors, but the consumer remains under voltage as long as the sinus voltage does not reach the next zero crossing.
  • the consumer is switched off from the network at the time of the next zero crossing. In this example, reaching the voltage-free state requires 0 to 10 ms. This corresponds to a half-wave time of the sine voltage with a frequency of 50 Hz. Opening switch S2 prevents the thyristors from flowing back.
  • the delay times given above are calculated minimum values. In practice, these times can be any longer, the function of the electronic switch is not affected.
  • a special feature of the electronic switch according to the invention is that no galvanic isolation between the thyristor control electrodes and the control elements is required because only micro currents flow in the circuit arrangement according to the invention. Accordingly, the level adjustment of logic control circuits to the control electrodes can be solved by means of Zener diodes.
  • the integrated circuits with FET input do not require level adjustment.
  • the controlled electronic switch according to the invention can be used in unchanged form for commutating small, medium-high and high power.
  • the circuitry described in detail above solves the control problems of thyristors.
  • FIG. 3 An example is shown in FIG. 3 where the reverse current is prevented with an additional switch S2. 4 shows an embodiment in which the reverse current of the thyristors is prevented by the use of an additional electronic switch.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which the reverse current of the thyristors is prevented by the use of an additional electronic switch.
  • this switch S2 can be omitted when a compensation circuit is used.
  • the compensation takes place electronically and the harmful effect on the consumer can thus be prevented.
  • This goal is achieved by two electronic switches that are connected to both sides of the consumer. With such an embodiment of the electronic switch according to the invention, the reverse currents flowing in opposite directions cancel each other out. As a result of such compensation, the resulting reverse current is zero. To achieve higher operational safety and lower ones
  • the manufacturing cost S1 of the electronic switch in the neutral line N can be omitted or replaced by a short circuit.
  • UBSTITUTE SHEET 5 shows an embodiment which can be used particularly advantageously for switching high powers.
  • the thyristors Tl and T2 are connected anti-parallel and operated between the control electrodes with a switch S1, as already mentioned in the previous examples, but the electronic switch obtained in this way is between the control electrodes of a further pair of thyristors made of anti-parallel thyristors T3 and T4 for higher powers inserted.
  • this switch combination can be supplemented with further switches for preventing reverse current and distortion.
  • the individual pairs of thyristors are formed by the thyristors T11-T21, T12-T22, T13-T23 and T14-T24, the switches S11, S12, S13 and S14 are inserted between the control electrodes.
  • the thyristor pairs are bridged by switches S15, S16, S17 and S18.
  • An electronic switch is used for the individual phase lines R, S, T and for the neutral line N.
  • the third problem area can also be solved by the control according to the invention.
  • the mutated power increases, the current of the control electrodes increases only slightly and remains below 10 mA.
  • the problem of the reliability of the thyristor switch is solved by the elementary simplicity of the proposed circuit arrangement. Even in a complicated case, the electronic switch according to the invention requires only a few components. In addition, the switch S3 takes over the switched power, making cooling of the thyristors unnecessary
  • a second problem is the effect of the industrial electrical disturbances in the mains voltage on the data processing systems in the industry, in service provision and in the household.
  • pulse disturbances are caused by radio formation when switching on and by arcing when switching off consumers.
  • the connection and disconnection of consumers triggers a so-called transient phenomenon in the mains voltage. These interferences cause the radio electronic equipment to malfunction and may lead to destruction.
  • the simple switch in the household for example, generates a pulse in the mains voltage when a light bulb is switched on, the amplitude of which is five times as great as that of the Mains voltage.
  • the invention also offers an effective solution to this problem by using the electronic switch, which enables spark-free and arc-free switching.
  • the electronic switch according to the invention can switch off the consumers without any special measures and without transient processes.
  • phase zero and cos-fi reactivity transmitters the transients can also be substantially reduced during the connection.
  • SUBSTITUTE SHEET The service life of the contact pairs that form the weak point of the electromagnetic contactors, relays, etc. is very short. The sparks and arcs created when commutating the consumer cause the contact points to burn or burn off. The low degree of reliability, the short service life, the cumbersome maintenance and the high maintenance and operating costs are essentially determined by this factor.
  • Camshaft control elements from omnibuses are for example
  • the circuit technology used in the controlled electronic switch also makes it possible to create special switches in which the switching process is triggered by a magnetic field
  • SUBSTITUTE SHEET becomes.
  • Such commutation elements can generally be used in rooms with a risk of explosion, with high air humidity, and with strong mechanical contamination.
  • Such are the mines, oil refineries, chemical plants, etc.
  • Overvoltage protection and short-circuit protection can easily be implemented in the mutation devices with controllable electronic switch.
  • a control can be created which enables the spark gap of lightning arresters to be replaced by the controlled electronic switch.
  • the sensitivity can be triggered by distant or closer thunderstorms.
  • Such a solution can e.g. used in derrick, television tower, etc.
  • Specially mounted switches and sockets can be used from the controlled electronic switch for applications with an increased risk of electric shock, such as. e.g. 90%s, schools, etc. are manufactured.
  • the technical solution variants mentioned only as examples can be varied as required due to the practical requirements.
  • the fourth problem is the reduction of the high manufacturing costs.
  • SUBSTITUTE SHEET Electronic switches can be manufactured very economically because only a few elements have to be stored and the assembly can be carried out simply by means of a screw connection.
  • the dimensions and the dimensions of the controlled electronic switch are considerably smaller than those of the conventional electromagnetic contacts, which means that material savings can be achieved during manufacture (there is no need to use expensive transformer steel and copper).
  • the fifth problem is the creation of automatic control systems which can be used to switch off a large number of consumers of different outputs according to any time scheme, with only minimal impulse disturbances and transient processes being caused.
  • the control signals previously had to be reshaped twice.
  • the logical commands (“0" and "1") were converted into potential commands (24 V or 26 V) and these were then converted into executable power commands. Such control is very complicated and therefore not reliable and very slow.
  • the controlled electronic switch can be controlled directly with logic commands, the control can be designed as a local or remote control that commutates the consumer according to any program with minimal with an easily realizable phase, zero, cos-fi transmitter transient symptoms.
  • the controlled electronic switch according to the invention can solve any of the problems mentioned in the field of power engineering, electrical engineering, and in the manufacture and operation of radioelectronic and electronic systems.
  • the special function of the switch according to the invention enables a number of other problems to be solved which have not hitherto been able to be solved.
  • the electronic switch according to the invention can also switch consumers to the network whose performance parameters are in the kilowatt and kiloamper range.
  • the reactance of the load does not influence the function of the switch and the thyristors do not require any special cooling.
  • This property of the switch according to the invention enables all conventional high-performance electromagnetic commutation devices to be exchanged with the electronic switch according to the invention. This means that the dimensions and the weight of the commutation devices can be reduced to a thousandth, the manufacturing process can be simplified, and furthermore the manufacturing costs can be reduced and the complicated arc quenching chamber and cooling devices become superfluous.
  • an essential feature of the switch according to the invention is that it can also be used to switch currents which substantially exceed the nominal values of the thyristors.
  • Da ⁇ means that the erfindung ⁇ iliae switch can also work in the I (0 v) and I (T SM) be 9renzten area e ⁇ ie can thus currents are commutated, which account for a multiple of the nominal.
  • control types described above can all also be used in applications where large power in the kilovolt and kiloampere range is connected to the network
  • control type "key in the key” (FIG. 5)
  • the high-power switch being controlled by a switch for low power
  • Switching the electronic switch (FIGS. 1, 2, 3, 4 and 6) can be carried out using any method, and can even be carried out manually, regardless of the commutated power. This is due to the fact that the electrical parameters of the
  • Thyristors and the temperature parameters remain unchanged for a few tens of seconds even if the operating parameters of the thyristors used are far below the commutated network parameters.
  • a special feature of the controlled electronic switch according to the invention is that the control electrodes of the anti-parallel connected thyristors
  • the current in the control circuit is directly proportional to the respective main current, which also flows through the charge, regardless of whether the main current is in mA or in kA can be measured.
  • the current of the control circuit always remains in a range that ranges from a few mA to a few hundred mA.
  • the "key in the key" circuit can advantageously be used.
  • the control circuit of the high-performance switching ters measured voltage equal to the commutated voltage, and the current in the control circuit can be measured in the mA range.
  • the current in the control circuit of the low power switch (where a short circuit has been generated) is directly proportional to the current flowing through the load, and in any case remains in a range ranging from a few mA to a few hundred mA.
  • control electrodes of the controlled electronic switch are connected to one another via a resistor (FIG. 9) or via a low-power diode (FIG. 10), the current in the control circuit remains constant and does not depend on the load or the changes in load.
  • control electrodes of the controlled electronic switch regardless of the power of the commutated network; via an LED (FIG. 11) or via an LED and a series resistor (FIG. 12), the controlled electronic switch continues to perform its function, both of which anti-parallel connected thyristors remain controllable
  • LEDs enables a complete control of the function of the switches.
  • the commutation device with such controlled electronic switches can be used widely in science, technology, industry and in the home, or even in armaments or space travel.
  • the controlled electronic switch according to the invention with the described controls thus meets the requirements for commutating consumers of different types and different powers and enables commutation according to any schedule.

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)
  • Keying Circuit Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gesteuerten elektronischen Schalter (Halbleiterschalter mit Thyristoren), der zwei antiparallel geschaltete Thyristoren (T1, T2) aufweist, wobei erfindungsgemäß zwischen den Steuerelektroden der Thyristoren ein Schalter (S1) angeordnet ist. Zum Abschalten des Thyristorückstromes vom Verbraucher kann ein weiterer Schalter (S2) vorgesehen werden, der in Reihe geschaltet ist mit dem Thyristorpaar (T1, T2). Zur Vermeidung der Verzerrung der Halbleiterschaltelemente ergibt sich eine Möglichkeit dadurch, daß ein weiterer Schalter (S3) vorgesehen wird, der parallel geschaltet ist mit der Reihenschaltung des zweiten Schalters (S2) und des Thyristorpaars (T1, T2).

Description

Gesteuerter elektronischer Schalter
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen gesteuerten elektronischen Schalter (Halbleiterschalter mit Thyristoren) für Verbrau¬ cher unterschiedlicher Leistung, die auf ein Netz mit Gleichspannung oder Wechselspannung mit einer Phasenleitung oder mit mehreren Phasenleitungen eigensicher aufgeschaltet werden sollen und der die bei der Abschaltung entstehenden transienten Erscheinungen wesentlich minimiert.
Stand der Technik
Mit der Einführung von Kalbleiterεchaltelementen wurde für die Verbraucher die eigensichere Aufschaltung an eine Span- nungsquelle bzw. die eigensichere Abschaltung von der Span¬ nungsquelle ermöglicht. Im Gegensatz zu den Schalttransis¬ toren beanspruchen die Thyristoren praktisch keine Energie zur Aufrechterhaltung der einzelnen Schalterstellungen, nur zur Umschaltung benötigt man Steuersignale in Form von Gleichspannung oder eines Zündimpulses, der von einem Zündk¬ reis erzeugt wurde. Wegen der oben genannten Eigenschaft der Thyristoren haben sich diese Schalterelemente im weiten Kreis verbreitet und werden auch vielfältig (z.B. als steuerbare Schalter oder Leistungsregler) eingesetzt.
F.Rajchert-Asitnik-J.Stepien : Schaltungstechnik der
Thyristoren (Kύszaki Könyvkiadό, Budapest, 1980, p 110) gibt zahlreiche grundlegende Schaltungstechnische Varianten für den Einsatz des Thyristors als steuerbares Schaltelement an. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen verwendet man in
SUBSTITUTE SHEET Gleichstromnetzen einen Thyristor mit einer Steuerschaltung (Zündkreis) zwischen der Steuerelektrode und der Kathode. Das Steuersignal kann eine Gleichspannung oder Spannungsim¬ puls mit einer entsprechender Impulsbreite für die sichere Zündung sein. Nach dem Umschalten des Thyristors braucht man das Steuersignal nicht weiter aufrechtzuerhalten, weil der Thyristor seinen umgeschalteten Zustand auch ohne Steuersignal beibehält. Zum Abschalten des Schaltelementes braucht man den S'tro kreis nur zu unterbrechen.
Bei Wechselspannungεnetzen wurden Halbwellen- (180 Grad) oder Vollwellenlösungen (360 Grad) bekannt. Bei den Halbwel- lenschaltungen verwendet man einen Thyristor mit einer Zündschaltung zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors. Bei den Vollwellenschaltungen kann man auch diese Anordnung verwenden, aber nur unter der Voraussetzung, daß vor dem einen Thyristor ein Vollwellen-Gleichrichter eingefügt ist. Durch die antiparallele Schaltung zweier Thyristoren kann man zwar diesen Nachteil beheben, muß man aber für zwei Zündkreise sorgen. Man kommt auch mit einem
Zündkreis aus wenn die beiden Thyristoren in Reihe geschal¬ tet sind, dann muß man aber zu den Thyristoren antiparallel geschaltete Dioden verwenden. Die bekannten Schaltungsanord¬ nungen enthalten eine verhältnismäßig große Anzahl von Schaltungsele enten, die einerseits den Wirkungsgrad der
Schlatstufen mindern, und zum anderen zu einer teueren und komplizierten Schaltungεanordnung führen, die eine erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist.
Bei den heute verwendeten Thyristoren tauchen auch andere Probleme auf. Diese Probleme sind die Folgenden:
- Komplizierter Aufbau der Zündkreise (mit Impuls oder Potentialsteuerung) , das sich daraus ergibt, daß die Zünd- kreise galvanisch vom geschalteten Leistungsnetz getrennt
SUBSTITUTE SHEET werden müssen. Dieser Nachteil der heute verwendeten Zünd¬ kreise hat dazu geführt, daß die Thyristorschaltungen zum Kommutieren von Wechselspannungsnetzen nicht genügend verbreitet sind. - Entstehen von Rückstrom in Thyristoren, was in den meisten Fällen schädlich für die Verbraucher ist.
- Zum Kommutieren von Verbrauchern hoher Leistung (über
50 A) können nur komplizierte Thyristorschaltungen eingesetz werden. Auch die logische Steuerung von Thyristorschaltungen bereitet Schwierigkeiten. Die direkte logische Steuerung von Thyristorschaltungen für die Schaltung hoher Leistungen ist bis heute nicht gelöst. In den heute verwendeten Schaltungen werden die logischen Steuersignale zuerst in Potentialsigna¬ le dann zu Schaltsignale größerer Leistung umgeformt. - Die geringe Zuverlässigkeit der bekannten Thyriεtorεchal- tungen für die Schaltung elektrischer Leistung, was sich aus der komplizierten Gestaltung der Schaltungen und der Erwärmung der Leistungsschaltelemente ergibt. Wegen der geringen Zuverlässigkeit sind diese Schalter nicht in den großen und komplizierten radioelektonischen Systemen ver¬ breitet.
Die gegenwärtigen elektronischen Schaltelemente mit Thyris¬ toren haben eine Reihe weiterer Nachteile außer dem, daß sie komplizierte Zündkreiεe aufweisen. Diese sind:
- Daε Kommutieren (auf- und abschalten) von aktiven und kapazitiven Lasten iεt bedingt verwirklicht, daε εich mit der Funktion der Thyriεtoren erklären läßt.
- Sie εind εehr empfindlich gegenüber dem Temperaturkoeffi- zient deε Thyriεtorε und beim Kommutieren hoher Leiεtungen, wobei die Ströme einige tausend A per ausmachen, εehr aufwändige Kühlmechanismen eingesetzt werden üsεen.
- Die erforderliche Zuverläεεigkeitεwerte können nur dann erreicht werden, wenn bei der Dimenεionierung von einem 0,6
SUBSTITUTE SHEET bis 0,8-fachem Wert der Nennleistung der Thyristoren ausge¬ gangen wird. Diese grundlegenden Nachteile haben im wesent¬ lichen dazu geführt, daß die Schaltelemente auf Halbleiter- baεiε praktiεch nicht in einem breiten Kreiε in der Energie technik eingesetzt sind.
Die Ausarbeitung der Erfindung stützt auf den Ergebnisεen von Forschungsarbeiten, deren Gegenstand die Ergründung von Fehlerσeuellen in digitalen radioeletronischen Systemen war. Die durchgeführten Unterεuchungen und Versuche beweisen eindeutig, daß die Funktionstörungen und die Ausfälle eistenε durch die Impulsstörungen und die transienten Erscheinungen hervorgerufen werden, die beim Kommutieren de Systemelemente auftreten. Die Bestrebungen zur Beseitigung dieser Fehlerquellen machten es erforderlich, eine grundlegend neue Kommutationstechnik auszuarbeiten.
Aufgabe der Erfindung
Ziel der Erfindung war es, einen solchen einfachen steuerbaren elektronischen Schalter zu schaffen, die mit einem minimalen Aufwand an Schaltelementen zuverläsεig die Verbraucher unterεchiedlicher Leiεtung an Gleich- oder Wechselspannungsnetze aufschalten kann.
Das Wesen der Erfindungsgemäßen Lösung
Das Ziel der Erfindung wird grundlegend durch die Schaffung eines gesteuerten elektronischen Schalters erreicht, der zwe antiparallel geschaltete Thyristoren aufweist, wobei zwiεchen den Steuerelektroden der Thyristoren ein Schalter angeordnet iεt.
Eε besteht die Möglichkeit, mit dem Schalter einen Wider- stand, eine Diode, eine LED, eine Zenerdiode in Reihe zu
SUBSTITUTE SHEET schalten die den Charakter des Schalters beeinflussen .
Zum Abschalten des Thyristor- rückstromes vom Verbraucher kann ein weiterer Schalter vorgesehen werden , der in Reihe geschaltet ist mit dem Thyristorpaar .
Zur Vermeidung der Verzerrung der Halbleiterschaltelemente ergibt sich eine Möglichkeit dadurch , daß ein weiterer Schalter vorgesehen wird , der parallel geschaltet ist mit der Reihenschaltung des zweiten Schalters und des
Thyriεtorpaars . Durch Betätigung des dritten Schalters hat man eine einfache Testmöglichkeit .
Zur Schaltung größerer Leistungen kann eine Schaltunganord- nung vorgeschlagen werden , wobei daε Thyristorpaar mit eine
Schalter zwischen den Steuerelektroden zwischen den Steuerelektroden zweier weiteren , ebenfalls antiparallel geschalteten Thyristoren angeordnet ist .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im weiteren anhand der beigelegten Zeichung aufgrund der gezeigten Aus führungsbeispiele näher erleutert , wobei
Fig . 1 ein erstes Aus führungsbeispiel des er indungsge ¬ mäßen gesteuerten elektroniεchen Schalterε , Fig . 2 ein elektronischer Schalter zum Einsatz in einem
Gleichεpannungεnetz , Fig . 3 ein elektronischer Schalter zum Einsatz in einem
Einphasen- Wechsel εpannungsnetz , ig . 4 ein zweites Ausführungsbeiεpiel für den Einsatz in einem Einphasen-Wechselspannungεnetz , ig . 5 ein elektronischer Schalter zum Schalten hoher Leiεtungen , Fig. 6 ein elektronischer Schalter zum Einsatz in einem
Dreiphasen-Wechselspannungsnetz, Fig. 7 Zeitdiagram zur Veranschaulichung der Funktion des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters, Fig. 8 die einfachste Ausführung des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters, Fig. 9 der erfindungsgemäße elektronische Schalter ergänzt mit einem Widerstand, Fig.10 der erfindungεgemäße elektroniεche Schalter ergänzt mit einer Diode,
Fig.11 der erfindungεgemäße elektroniεche Schalter ergänzt mit einer LED und Fig.12 der erfindungsgemäße elektronische Schalter ergänzt mit Widerständen und LED-s.
Beεchreibung der vorteilhaften Auεführungεformen
Der erfindungεgemäße elektroniεche Schalter iεt in Fig. 1 in einem allgemeinen Anwendungεfall gezeigt.
Der εteuerbare elektroniεche Schlater besteht aus zwei antiparallel geschalteten Thyrisoren Tl und T2, zwischen deren Steuerelektroden ein Schalter Sl angeordnet ist. An das Gleich- oder Wechεelεpannungεnetz iεt eine Laεt RL und der erfindungsgemäße Schalter angeschloεεen, wobei zwiεchen der Last und dem elektronischen Schalter ein zweiter Schal¬ ter S2 eingefügt ist. Mit der Reihenschaltung des zweiten Schalters S2 und des Thyristorpaarε Tl, T2 iεt ein weiterer Schalter S3 parallel geεchaltet. Die Thyristoren Tl und T2 sind in der dargestellten Stellung der Schalter Sl biε S3 (alle Schalter geöffnet) geschlossen, d.h. es fließt kein Strom. Zum Verhindern eines Rückεtromeε iεt der Schalter S2 geöffnet. Durch Schließen deε Schalterε Sl werden die Thy¬ ristoren Tl und T2 in den geöffneten, leitenden Zustand umgeschaltet, weil das an den Steuerelektroden vorhandene Potential für eine Zündung ausreicht. Der Schalter S3 liegt zwischen der einen Klemme der Spannungsquelle U und der Last RL. Durch Schließen des Schalters S3 kann die Reihenschaltung aus dem Schalter S2 und dem elektronischen Schalter (Tl, T2, Sl) überbrückt, bzw. kurzgeschlossen werden. Der Schalter 3 erhöht die Betriebssicherheit, schließt die Verzerrung der sinuεförmigen Spannung an der Laεt auε, und macht die Anwendung von Kühlkörpern an den Thyriεtoren überflüεsig, wobei auch die Abmesεungen und die Maεεe des erfindungsgemäßen Schalters wesentlich geringer werden. Das Betätigen deε Schalters S3 ergibt zusätzlich eine Testmöglichkeit, indem er unabhängig von den Thyristorεchaltern geschaltet werden kann.
Die mechanischen Schalter S2-S1-S3 werden in der angegebenen Reihenfolge durchgeschaltet. Die Öffnung erfolgt in umgekehrter Reihenfolge (S3-S1-S2) . Die Thyristoren des geεteuerten elektroniεchen Schalterε können auch alε ein Modul auεgeführt werden.
Weitere Anwendungεfälle für den erfindungεgemäßen gesteuer¬ ten elektronischen Schalter εind in den Figuren 2 bis 6 dargeεtellt, wobei der Verbraucher an ein Gleichεpannungε- netz oder ein Einphaεen- oder Dreiphasen-Wechselεpannungs- netz aufgeschaltet wird.
Die Funktion des erfindungεgemäßen geεteuerten elektroni¬ εchen Schalterε wird anhand Figur 7 auεführlich erläutert. Durch Schließen deε Schalter S2 wird die Laεt R_ mit dem elektroniεchen Schalter verbunden. In diesem Zustand fließt durch den Lastwiderεtand RL nur der Rückεtrom der Thyristoren und daε auch nur eine εehr kurze Zeit, da die Verzögerungεzeit zwiεchen dem Schließen der Schalter S2 und Sl nur 10 μs beträgt. Dadurch kann der Einfluß deε Rückstromes auf die Last vernachläsεigt werden. Durch Schließen deε Schalterε Sl werden die Steuerelektroden der Thyristoren Tl und T2 miteinander verbunden. Durch die Mikroströme entsteht eine Zündung der Thyristoren Tl und T2, der elektronische Schalter wird leitend, und die Last RL. wird mit dem Verεorgungsnetz verbunden. Die Schaltezeit wird durch die Auswahl des Thyristortypε bestimmt und liegt in der Größenordnung von etwa 50 μs. Nach Durchschalten des gesteuerten elektronischen Schalters gelangen die positiven Halbwellen durch den einen Thyristor und die negativen Halbwellen durch den anderen Thyristor zum Verbraucher. Zuletzt wird der Schalter S3 geschlosεen, und zwar nicht weniger alε 100 μs nach dem Schließen des Schalters Sl. Der Schalter S3 überbrückt den elektronischen Schalter, wodurch der Verbraucher unmittelbar mit dem Netz verbunden wird. Das Abschalten des Verbrauchers erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Durch Öffnen des Schalters. S3 wird der Kurzschluß über den elektronischen Schalter aufgehoben, aber der Verbraucher steht auch weiterhin unter Spannung. Als nächster wird der Schalter Sl geöffnet, wodurch die Verbindung zwischen den Steuerelektroden' der Thyristoren Tl und T2 aufgetrennt wird. Die Verzögerung nach dem Öffnen deε Schalterε S3 beträgt etwa 10 μs. Die Steuerspannung wird also von den Thyristoren abgeschaltet, aber der Verbraucher bleibt weiterhin unter Spannung solange die Sinunεεpannung den nächεten Nulldurchgang nicht erreicht. Im Zeitpunkt des nächsten Nulldurchganges wird der Verbraucher vom Netz abgeschaltet. Das Erreichen des ■ spannungsloεen Zuεtandeε erfordert in dieεe Beiεpiel 0 bis 10 ms. Das entspricht einer Halbwellenzeit der Sinusspannung mit einer Frequenz von 50 Hz. Das Öffnen des Schalters S2 verhindert den Rückstrom der Thyristoren. Die oben angegebenen Verzögerungszeiten sind errechnete Minimalwerte. In der Praxis können diese Zeiten beliebig länger sein, die Funktion des elektronischen Schalters wird nicht beeinflußt.
SUBSTI In Fig. 1 wird das Thyristorpaar mit einem mechanischen Schalter Sl gesteuert. Durch diese Anordnung können fast alle elektromagnetische Kontaktore ersetzt werden.
Die Tatsache, daß durch die Steuerelektroden nur Mikroströme fließen, ermöglicht außer dem Einsatz von einfachen mecha¬ nischen Schalter eine Reihe weiterer Steuerungsmöglichkei¬ ten. So z.B. können magnetische, elektromagnetische, elekt¬ ronische, optische, infrarote Signale von Posistoren, Senso- ren, Logikschaltungen, oder Impulse von Phasen- Null- oder Cosinus FI-Gebern für raktive Last, bzw. von jeder anderen Signalquelle empfangen werden. Zum Beispiel kann man durch Verwendung eines miniatüren magnetiεchen Senεors auch eine Steuerung durch ein magnetiεcheε Feld von einem Permanent- magnet oder einem Elektromagnet bewirken. Die Verwendung einer Infrarotlichtempfindlichen Diode ermöglicht eine infrarote Fernsteuerung. Alle diese Auεführungεbeiεpiele zeigen eindeutig, daß für die Steuerung der antiparallel geschalteten Thyristoren ein einziges Schaltelement genügt, und daß auf eine Verstärkung, Umwandlung oder die Verwendung von komplizierten Zündschaltungen verzichtet werden kann.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters besteht darin, daß keine galvanische Trennung zwiεchen den Thyristor-Steuerelektroden und den Steuerele¬ menten erforderlich ist, weil in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lediglich Mikroströme fließen. Dement- εprechend kann die Pegelanpaεsung von Logiksteuerεchältungen an die Steuerelektroden mittels Zenerdioden gelöst werden. Die integrierten Stromkreise mit FET-Eingang erforden keine Pegelanpassung.
Der erfindungsgemäße gesteuerte elektronische Schalter kann in ungeänderter Form zum Kommutieren kleiner mittelhoher und hoher Leistung eingesetzt werden. Durch Verwendung der oben ausführlich beschriebenen Schaltungsanordnung werden di Steuerungsprobleme von Thyristoren gelöst.
Ein zweites Problem, der Rückstrom der Thyristoren kann. it den AusführungsVarianten gemäß Fig. 3 und 4 eliminiert werden. In Fig. 3 ist ein Beispiel gezeigt, wo der Rückstrom mit einem zusätzlichen Schalter S2 verhindert wird. Fig. 4 zeigt eine Auεführungεform, wo der Rückεtrom der Thyriεtoren durch den Einεatz eises weiteren elektronischen Schalters verhidert wird. Diese Lösungen sind für jede Steuerungsart verwendbar. In Fig. 4 iεt eine Löεung gezeigt, wobei der erfindungεgemäße elektroniεche Schalter in einem Einphaεen- Wechεelspannungsnetz an beiden Seiten eineε Verbraucherε eingeεetzt wird. In diesem Fall, wie es in der Zeichnung mit Strichlinie angedeutet, werden die entsprechenden Schalter der gleichen Funktion, z.B. Sl und Sl' vorzugsweise gleichzeitig betätigt.
Der Verbraucher wird zwar auch durch die Schalter S2 (Fig. 3) vom Thyristorenrückεtrom geschützt, jedoch kann dieser Schalter S2 bei Verwendung eine Kompensationsschaltung weggelasεen werden. Bei der Auεführungεvariante gemäß Fig. 4 erfolgt die Kompenεation auf elektroniεchem Wege und εo kann die εchädliche Einwirkung auf den Verbraucher verhindert werden. Dieεeε Ziel wird durch zwei elektroniεche Schalter erreicht, die an beiden Seiten deε Verbraucherε angeεchlossen εind. Bei einer εolchen Auεführung deε erfindungεgemäßen elektronischen Schalters löschen sich die in entgegengesetzten Richtungen fließenden Rückströme gegenseitig aus. Im Ergebnis einer solchen Kompensation ist der resultierende Rückstrom Null. Zum Erreichen einer höheren Betriebsεicherheit und niedrigeren
Herεtellungεkosten kann der Schalter Sl des elektronischen Schalters in der Nulleitung N weggelasεen, bzw. durch einen Kurzεchluß erεetzt werden.
UBSTITUTE SHEET In Fig. 5 wird eine Ausführung gezeigt, die besonders für die Schaltung hoher Leistungen vorteilhaft eingesetzt werden kann. Hier sind die Thyristoren Tl und T2 antiparallel geschaltet und zwischen den Steuerelektroden mit einem Schalter Sl betätigt, wie in den vorangehenden Beispielen bereits erwähnt, aber der so gewonnene elektronische Schalter wird zwischen den Steuerelektroden eines weiteren Thyristorpaars aus antiparallel geschalteten Thyristoren T3 und T4 für höhere Leistungen eingefügt. Diese Schalterkombination kann wie vorher erwähnt mit weiteren Schaltern für die Verhinderung des Rückstormes und der Verzerrung ergänzt werden.
Die Fig. 6 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters in einem Dreiphasen-
Wechεelspannungεnetz. Hier werden die einzelnen Thyriεtorpaare durch die Thyristoren T11-T21, T12-T22, T13- T23, bzw. T14-T24 gebildet, zwischen den Steuerelektroden sind die Schalter Sll, S12, S13 und S14 eingefügt. Die Überbrückung der Thyristorpaare erfolgt durch die Schalter S15, S16, S17 und S18. Es wird heir je ein elektronischer Schalter für die einzelnen Phaεenleitungen R, S, T εowie für die Nulleitung N eingesetzt.
Der dritte Problemkreis kann ebenfalls durch die erfindungs- gemäße Steuerung gelöst werden. Bei Erhöhung der ko mutier- ten Leistung steigt der Strom der Steuerelektroden nur unwesentlich und bleibt unter 10 mA. Das Problem der Zuverlässigkeit der Thyriεtorschalter wird durch die elemen- tare Einfachheit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung gelöst. Auch in einem komplizierten Fall benötigt der erfin¬ dungεgemäße elektroniεche Schalter nur wenige Komponente. Darüber hinaus übernimmt der Schalter S3 die geschaltete Leistung, wodurch die Kühlung der Thyristoren überflüssig
SUBSTITUTE SHE wird und eine wesentliche Reduzierung der Abmessungen und der Masse möglich wird. Auf diese Weise führt der gesteuerte elektronische Schalter lediglich die Durchschaltung aus, danach hat bis zum Abschalten keine Funktion und dissipiert dementsprechend auch keine Leistung. Die Lösung der Probleme der Thyristorεchalter durch die Verwendung der erfindungs¬ gemäßen Schaltungsanordnung ermöglicht gleichzeitig die Löεund einer Reihe anderer Probleme, die in der Energetik, Elektronik und Radiotechnik exiεtieren.
Darüber hinauε werden zahlreiche Möglichkeiten gegeben auf dem Gebiet der Speiεung und Kommutieren automatiεcher Steue- rungεεyεteme und elektroniεcher Syεteme hoher Kompliziertheit.
Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanord¬ nung in Kommutierungeinrichtungen kann eine Vielzahl der Probleme gelöεt werden. Darunter auch εolche denen eine hohe Bedeutung beigemeεεen wird. Solche εind z.B.: - Die εparsame Verwendung elektrischer Energie,
- Beseitigung elektrischer Störungen, oder anders ausgedrückt die "Ökologie" elektrischer Netze,
- Niedrige Zuverläsεigkeit der Kommutierungseinrichtungen,
- Hohe Herstellungskosten der Kommutierungseinrichtungen, - Schaffung automatischer Steuerungsεyεteme zur Aufschaltung einer großen Anzahl von Verbrauchern mit unterschiedlicher Leistung und Reaktanz.
Die sparεame Verwendung elektriεcher Energie iεt in den letzen Jahren ein Erforderniε, daε durch die Energiekriεe geεtell iεt, und aufgrund der Entwicklung der Industrie und der Urbanisation in jedem Lans zum Problem wird. Zur Lösund dieseε Problemε kann der Einεatz deε erfindungεgemäßen elektroniεchen Schalterε weεentlich beitragen dadurch, daß er εelbst praktisch keine elektrische Leiεtung dissipiert.
SUBSTITUTE SHEET Die heute üblichen elektromagnetischen Kommutierungseinrich tungen (Kontaktore) demgegenüber verbrauchen sehr viel elektrische Energie. Wenn wir z.B. davon ausgehen, daß ein Kontaktor zur Schaltung von 50 bis 100 A selbst etwa 0,1 A/ Energie verbraucht und in einem mittelgroßen Betrieb, wo
1000 Kontaktore daε 220 V-Netz 300 Tage im Jahr, täglich 10 Stunden εchalten, dann ergibt εich ein Energieberbrauch von
1000 x 300 x 10 x 0,1 x 220 = 66000 kW/Jahr. Mit den gleichen Angaben in einem 380 V-Netz ergibt sich ei Energieberbrauch von
1000 x 300 x 10 x 0,1 x 380 = 114000 kW/Jahr.
Bei einem größeren Industriebetrieb oder sogar in einem ganzen Land kann durch den Austausch der bekannten Kontaktore eine wesentliche Reduzierung des Energiebedarfs erreicht- erden.
Ein zweites Problem ist die Wirkung der industriellen elekt¬ rischen Störungen in der Netzspannung auf die Datenverarbei- tungsanlagen in der Induεtrie, in der Dienεtleiεtung und in dem Hauεhalt.
Im elektrischen Netz werden Impulεstörungen durch die Funkbildung beim Aufεchalten und durch Bogenbildung beim Abschalten von Verbrauchern verursacht. Die AufSchaltung und die Abεchaltung von Verbrauchern löεt in der Netzspannung eine sogenannte tranεiente Erscheinung aus. Diese Störungen verursachen eine Fehlfunktion der radioelektronischen Einrichtungen, und führen unter Umständen zu einer Zerstörung.
Der einfache Schalter im Haushalt z.B. erzeugt in der Netzspannung beim Aufschalten einer Glühlampe einen Impuls, desεen Amplitude fünffach so groß ist, wie die der Netzεpannung.
Der Auεfallsgrund von digitalen programmgesteuerten Werk¬ zeugmaschinen ist im 40 % aller Fälle auf Impulsstörungen in der Netzspannung zurückzuführen.
Das Kommutieren von Verbrauchern hoher Leistung löst so intenεive tranεiente Erscheinungen aus (der Spannungsabfall kann auch 40 % erreichen) , daß diese durch die meisten Stabilisatoren nicht kompensiert werden können.
Die elektrischen 'Vorrichtungen erzeugen εelbεt Störimpulεe und tranεiente Vorgänge dadurch, daß εie durch mechaniεche Schalter kommutiert werden. Darüber hinauε iεt der Zeitpunkt deε Schaltenε in den meiεten Fällen vollkommen zufällig und kann den Nulldurchgang der Phaεe bzw. den coεinuε fi Anteil der reaktiven Laεt nicht berückεichtigen. Auch für dieεeε Problem bietet die Erfindung eine effektive Löεung durch Verwendung deε elektronischen Schalters, der eine funken- und bogenlose Schaltung ermöglicht. Der erfindungsgemäße elektronische Schalter kann die Verbraucher ohne jede beson¬ dere Maßnahme ohne transiente Vorgänge abschalten. Durch Verwendung von Phasen- Null- und Cos-fi- Reaktivitätgeber können auch die Tranεienten bei der Aufεchaltung weεentlich vermindert werden. Dieεe Vorteile ergeben bei einem umfang¬ reichen Einεatz eine wesentliche Minderung der Ausbaukosten von unterbrechungsfreien und "sauberen" Netzen. Sie ermögli¬ chen die Herstellung und den Umsatz solcher elektrischen Einrichtungen, dessen Störsignalparameter hervorragend sind, wodurch die Marktpoεition wesentlich gestärkt werden kann. Solche Vorrichtungen sind umwelt reundlich für die Netzöko¬ logie.
Das dritte Problem bezüglich der Zuverläsεigkeit der Kommutierungεeinrichtungen ergibt εich darauε, daß die
SUBSTITUTE SHEET Lebensdauer der Kontaktpaare, die die Schwachstelle der elektromagnetischen Kontaktore, Relais usw. bilden, sehr niedrig ist. Die beim Kommutieren der Verbraucher entstehenden Funken und Bogen führen zum Ein- oder Abbrennen der Kontaktstellen. Der niedrige Grad der Zuverlässigkeit, die kurze Lebensdauer, die umständliche Wartung, sowie die hohen Wartungs- und Bedienungεkoεten werden im wesentlichen durch diesen Faktor beεtimmt.
In der Steuereinheit und in der Programmsteuerung mit
Nockenwellensteuerelement von Omnibuεεen εind zum Beiεpiel
Kontaktoren eingeεetzt, deren Lebenεdauer 15 Tage nicht überεchreitet, obwohl das Kupferkontaktelement einen
2 Querschnitt von 30 mm aufweist. In den Metrostationen sind einige tausende Relais und Kontaktoren in der automatischen Steuerung enthalten, deren Bedienung und Inεtandhaltung zur täglichen Aufgabe deε Perεonalε gehört. In den Kraftwerken und Unterεtationen überprüfen die Techniker visuell den geschlossenen Zustand der Kontaktelemente nach Zuschalten einer neuen Laεt. Die Konεtruktion von Kontaktoren hoher Leistung wird noch komplizierter durch die Verwendung von Bogenlöschkammer und Bogenblas echanismen. Noch schwieriger macht die Bedienung εolcher Kommutierungseinrichtungen die Tatεache, daß die Bedienung nur im stromlosen Zustand der Leitungen ausgeführt werden kann.
Dieses Problem wird durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weεentlich reduziert, weil sie während der Funktion weder Funken noch einen Bogen erzeugt, wodurch die Lebensdauer und die Zuverläεεigkeit um drei-vier
Größenordnungen erhöht, und die Koεten für die Inεtandhal¬ tung und die Bedienung geεenkt wird. Die bei dem geεteuerten elektronischen Schalter verwendete Schaltungstechnik ermög¬ licht auch die Schaffung spezieller Schalter, bei denen der Schaltvorgang durch ein magnetisches Feld ausgelöεt
SUBSTITUTE SHEET wird. Solche Kommutierungselemente können allgemein in Räumen mit Explosionsgefahr, mit hoher Luftfeuchtigkeit, und mit starker mechanischen Verunreinigung eingesetzt werden. Solche sind z.B. die Minen, Ölraffinerien, chemiεche Werke uεw.
In den Ko mutierungεeirichtungen mit εteuerbarem elektroni¬ εchen Schalter kann der Überεpannungεεchutz und der Kurz- εchlußschutz einfach realiεiert werden. Unter Verwendung eineε Detektorempfängerε kann eine Steuerung geεchaffen werden, die ein Erεetzen der Funkenstrecke von Blitzablei¬ tern durch den gesteuerten elektronischen Schalter ermög¬ licht. Durch Einstellen der Empfindlichkeit kann das Auslö- εen durch fernere oder nähere Gewitter erreicht werden. Eine εolche Löεung kann z.B. in Bohrtürmen, Fernsehtürmen usw. eingesetzt werden.
Bei einem gesteuerten elektronischen Schalter kann man alle Bauteile einfach diagnostizieren, waε die Reparatur wesent- lieh vereinfacht. Unter Ausnutzung der elektrischen Steuer¬ barkeit des gesteuerten elektronischen Schalterε erhalten wir ein hochpräziεeε Relaiε, deεεen Anεprechzeit unter 50 με liegt. Dieεe können allgemein in der automatiεchen Steuerung der Eiεenbahn, der Metro, der Fahrεtühle uεw. verwendet werden.
Speziell montierte Schalter und Steckdoεen können aus dem gesteuerten elektronischen Schalter für Anwendungen mit erhöhter Stromschlaggefahr, wie. z.B. Kindergärten, Schulen, uεw. gefertigt werden. Die nur als Beispiel genannten technischen Lösungsvarianten können beliebig weiter variiert werden aufgrund der praktischen Anforderungen.
Das vierte Problem ist die Reduzierung der hohen Herstel- lungεkoεten. Die Kommutierungεeinrichtungen mit geεteuerten
SUBSTITUTE SHEET elektronischen Schaltern können sehr wirtschaftlich herge¬ stellt werden, weil nur wenige Elemente gelagert werden müssen, und die Montage einfach mittels Schraubenverbindung durchgeführt werden kann. Die Abmesεung und die Maεse des gesteuerten elektronischen Schalters sind wesentlich gerin¬ ger als die der herkömmlichen elektromagnetischen Kontakto¬ ren, wodurch bei der Herstellung Materialeinsparung erreicht werden kann (es kann auf die Verwendung vom teueren Trans¬ formatorstahl und Kupfer verzichtet werden) .
Das fünfte Problem ist die Schaffung automatiεcher Steue- rungssysteme, mit deren Hilfe eine Großzahl von Verbrauchern unterschiedlicher Leistung nach einem beliebigen Zeitεchema au geεchaltet werden können, wobei nur minimale Impulsstö- rungen und transiente Vorgänge verurεacht werden. Daε war bisher nicht möglich, weil die Kommutierungseinrichtungen nicht unmittelbar mit logiεchen Befehlen geεteuert werden konnten. Die Steuerεignale mußten früher zweimal umgeformt werden. Die logischen Befehle ("0" und "1") wurden in Potentialbefehle (24 V oder 26 V) und diese dann in ausführbare Leistungsbefehle umgeεetzt. Eine εolche Steuerung ist sehr kompliziert und deswegen nicht zuverlässig und sehr langsam.
Der gesteuerte elektroniεche Schalter kann unmittelbar mit logischen Befehlen gesteuert werden, wobei die Steuerung als eine lokale oder Fernsteuerung ausgeführt sein kann, die mit einer einfach realisierbaren Phasen-, Null-, Cos-fi- Geber daε Kommutieren der Verbraucher nach einem beliebigen Programm mit minimalen tranεienten Erεcheinungen ermöglicht.
Zuεammenfaεεend kann festgestellt werden, daß der erfindungsgemäße gesteuerte elektronische Schalter jedes der genannten Probleme lösen kann auf dem Gebiet der Energetik, Elektrotechnik, und bei der Herstellung und beim Betrieb von radioelektroniεchen und elektronischen Systemen. Gleichzeitig emöglicht die spezielle Funktion des erfindungs gemäßen Schalters die Lösung einer Reihe weiterer Probleme, die bisher nicht gelöst werden konnten.
Der erfindungεgemäße elektronische Schalter kann auch solche Verbraucher auf daε Netz schalten, deren Leistungsparameter in dem Kilowatt und Kiloamper Bereich liegen. Dabei beein¬ flußt die Reaktanz der Last nicht die Funktion des Schalters und die Thyristoren benötigen keine besondere Kühlung. Diese Eigenschaft des erfindungεgemäßen Schalters ermöglicht den Austausch aller herkömmlichen elektromagnetischen Kommutie¬ rungseinrichtungen hoher Leistung mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Schalter. Damit kann die Abmeεεung und daε Gewicht der Kommutierungseinrichtungen auf ein tausendεtel reduziert, und der Fertigungsablauf vereifacht werden, und weiterhin werden die Herstellungskosten gesenkt und die komplizierten Bogenlöεchkammer und Kühleinrichtungen werden überflüεsig.
Darüber hinaus ist ein wesentlicheε Merkmal deε erfindungε¬ gemäßen Schalterε, daß damit auch Ströme geschaltet werden können, die die Nennwerte der Thyristoren wesentlich überschreiten. Daε bedeutet, daß der erfindungεgemäße Schalter auch im von I(0v) und I (TSM) be9renzten Bereich arbeiten kann, d.h. eε können damit Ströme kommutiert werden, die ein mehrfaches der Nennwerte ausmachen.
Die oben beεchriebenen Steuerungεarten können alle auch in den Anwendungεfällen verwendet werden, wo große Leiεtungen im Kilovolt und Kiloamper Bereich in daε Netz geεchaltet werd
Darüber hinauε ermöglicht die Steuerungεart "Schlüεsel im Schlüssel" (Fig. 5) , wobei der Hochleistungεschalter mit einem Schalter für kleine Leistungen gesteuert wird, daß die
SUBSTITUTE SHEET Parameter des Hochleistungsnetzes (Strom, Spannung) - wie untenstehend näher erleutert - unmittelbar gemessen werden, wobei ein vollständiger Berührungsschutz gewährleistet wird.
Die Überbrückung mit dem parallelen Schalter nach dem
Durchschalten deε elektronischen Schalters (Fig. 1, 2, 3, 4 und 6) kann mit einer beliebigen Methode durchgeführt werden, kann sogar von Hand ausgeführt werden, unaghängig von der kommutierten Leistung. Dies is darauf zurückzuführen, daß die elektrischen Parameter der
Thyristoren und die Temperaturkennwerte einige zehn Sekunden unverändert bleiben auch dann, wenn die Betriebsparameter der verwendeten Thyristoren weit unter den kommutierten Netzparameter liegen.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen gesteuerten elektro¬ nischen Schalterε ist, daß die Steuerelektroden der antiparallel geschalteten Thyristoren
- mit einem Schalter kurzgeschloεεen (Fig 8.) - über einen Schalter und einen Reihenwiderεtand miteinander verbunden (Fig. 9)
- über eine Diode miteinander verbunden (Fig. 10) werden können.
Falls die Steuerelektroden des gesteuerten elektronischen Schalters mit einem Schalter (in Fig. 8 nicht gezeigt) kurzgeschloεεen werden, iεt der Strom im Steuerkreiε direkt proportional zum jeweiligen Hauptεtrom, der auch über die Laεt fließt, unabhängig davon, ob der Hauptεtrom in mA oder in kA gemeεεen werden kann. Der Strom des Steuerkreiseε bleibt in jedem Fall in einem Bereich, der von einigen mA biε einige hunderte mA reicht. Zur gleichzeitigen Meεεung deε Stromeε durch die Last und der anliegenden Spannung kann die Schaltung "Schlüssen im Schlüssel" vorteilhaft verwendet werden. Dabei ist die im Steuerkreis des Hochleistungεchal- ters gemessene Spannung mit der kommutierten Spannung gleich, und der Strom in dem Steuerkreis kann im mA-Bereich gemessen werden. Der Strom in dem Steuerkreis des Schalters für kleine Leistungen (wo ein Kurzschluß erzeugt wurde) iεt dabei direkt proportional dem jeweiligen Strom, der durch die Laεt fließt, und bleibt in jedem Fall in einem Bereich, der von einigen mA biε einige hunderte mA reicht.
Falls die Steuerelektroden des gesteuerten elektroniεchen Schalterε über einen Widerstand (Fig. 9) oder über eine Diode kleiner Leistung (Fig. 10) miteinander verbunden werden, bleibt der Strom im Steuerkreiε konstant und hängt nicht vom Lastεrto oder den Laεtänderungen ab.
Werden die Steuerelektroden deε gesteuerten elektronischen Schalters (unabhängig von der Leistung des kommutierten Netzes; über eine LED (Fig. 11) oder über eine LED und einen Reihenwiderεtand (Fig. 12) , führt der gesteuerte elektroniεche Schalter εeine Funktion weiterhin aus, wobei beide der antiparallel geschalteten Thyristoren steuerbar bleiben. Die Verwendung von LED-s ermöglicht eine viεuelle Kontrolle der Funktion der Schalter.
Zuεam enfaεεend kann festgestellt werden, daß der erfin- dungsgemäße gesteuerte elektronische Schalter die folgenden Vorteile sichert:
- Funk- und Bogenlose Kommutierung von Verbrauchern,
- Lokale und Fernεteuerung, die mechaniεch, elektromagnetiεch, optisch, elektronisch, infrarot, mit Positoren, Senεoren, uεw. realisiert sein kann,
- diskrete Schaltung auf volle oder halbe Leistung,
- Visuelle Anzeige, und Diagnose aller Schaltelemente in der Kommutierungεeinrichtung,
- Schutz gegenüber Kurzεchluß und Überlaεtung oder Blitzεchlag,
SUBSTITUTE SHEET - Anwendungen unter allen Klimabedingungen (hohe Luftfeuchtigkeit, starke mechanische Verschmutzung, Räume mit Explosionsgefahr) ,
- Unmittelbare digitale Steuerung möglich mit digitalen. Datenverarbeitungsanlagen, z.B. als Teil dieser,
- Kommutieren der Verbraucher im Phasen-Nulldurchgang oder unter Berücksichtigung des cos fi Wertes bei reaktiven Lasten,
- Einsatz auf dem ganzen Gebiet der Automatiεierung alε hochpräziεe Relais.
Aufgrund dieser Eigenschaften können die Kommutierungsei- richtung mit solchen gesteuerten elektronischen Schalter im weiten Kreis in der Wissenschaft, Technik, Industrie und im Haushalt oder sogar in der Rüstung oder Raumfahrt Einsatz finden.
Der erfindungsgemäße gesteuerte elektronische Schalter mit den beschreibenen Steuerungen genügt also den Anforderungen beim Kommutieren von Verbrauchern verεchiedenen Typε und unterεchiedlicher Leiεtung und ermöglichen eine Kommutierung nach beliebigem Zeitplan.

Claims

Patentansprüche
1. Gesteuerter elektronischer Schalter der zwei antiparal¬ lel geεchaltete Thyristoren (Tl, T2) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen den Steuerelektro¬ den der Thyristoren ein Schalter (Sl) angeordnet ist.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schalter (Sl) zwischen den Steuerelektroden der Thyristoren (Tl, T2) ein Widerstand (Rl) in Reihe geεchaltet iεt.
3. Schalter nach Anεpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schalter (Sl) zwiεchen den Steuerelektroden der Thyriεtoren (Tl, T2) eine Diode (D) in Reihe geschaltet iεt.
4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schalter (Sl) zwischen den Steuerelektroden der Thyriεtoren (Tl, T2) eine Zenerdiode (Z) in Reihe geschaltet iεt.
5. Schalter nach einem der Anεprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Thyristorpaar bestehend aus antiparallel geschalteten Thyriεtoren (Tl, T2) ein zweiter Schalter (S2) in Reihe geεchaltet iεt.
6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Reihenschaltung des Thyristorpaars bestehend aus antiparallel geschalteten Thyriεtoren (Tl, T2) und deε zweiten Schalters (S2) ein dritter Schalter (S3) parallel geschaltet ist.
7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Thyristorpaar bestehend aus
BTUTE SHEET antiparallel geschalteten Thyristoren (Tl, T2) und einem Schalter (Sl) zwischen den Steuerelektroden der Thyristoren zwischen die Steuerelektroden zweier weiteren, ebenfalls antiparallel geschalteten Thyristoren eingefügt ist.
8. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Thyriεtorpaar (Tl und T2, T3 und T4) mit je einem Schalter (Sl, Sl') zwischen den Steuerelektroden der Thyristoren in eine Phasenleitung (R, s, T) und in eine Nulleitung (N) eines Einphaεen-Wechεelεpannungsnetzes an beiden Seiten des Verbrauchers eingefügt ist, wobei mit dem Thyristorpaar (Tl., T2) in der Nulleitung (N) ein Schalter (S3) und mit dem Thyristorpaar (T3, T4) in der Phaεenleitung (N) ein Schalter (S3') parallel geschaltet ist.
SUBSTITUTE SHEET
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