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Schaltwerk aus elektrischen Schützen und fremdbelüfteten
Widerständen
Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Schaltwerk aus elektrischen Schützen und fremdbelüfteten Widerständen zum Steuern und Regeln von Verbrauchern elektrischer Energie.
Es wurde bereits ein Schaltwerk vorgeschlagen, bei dem die Schützkontakte hydraulisch betätigt werden. Zu diesem Zweck sind hydraulische Zylinder vorgesehen, bei denen Ein- und Auslass der Druck- flüssigkeit, insbesondere des Drucköls, durch kleine Elektromagnete gesteuert wird. Diese Elektromagne- te erfordern eine nur sehr geringe Leistung von 1 bis 5 W. Sie können daher von einer sehr leicht gebauten
Meisterwalze aus mit geringstem Drehmoment in vorgeschriebener Reihenfolge betätigt werden.
Mittels derartiger Schaltwerke können Verbraucher elektrischer Energie, beispielsweise Elektromo- toren, angelassen, gesteuert und gebremst werden, indem durch das Schaltwerk geeignete Widerstände mit den zu beeinflussenden. Verbrauchern verbunden werden. Zur Abführung der dabei auftretenden er- heblichen Verlustleistungen sind hochbelastbare, fremdbelüftete Widerstände geeignet, die eine grosse
Fläche quer zum Kühlluftstrom und eine geringe Dicke in Richtung des Kühlluftstromes besitzen. Einen solchen Widerstand kann man wabenförmig aus Widerstandselementen aufbauen, da dabei ausreichende
Hohlräume für den Durchtritt der Kühlluft entstehen.
Er kann erhebliche Verlustleistungen dauernd abfünren, weil quer zum Kühlluftstrom eine grosse Åabkühlende Fläche zur Verfügung steht und die Widerstandselemente in Richtung des Kühlluftstromes nur eine relativ geringe Dicke aufweisen, so dass sie den Kühlluftstrom nicht wesentlich behindern.
Sobald jedoch der Kühlluftstrom ausfällt, besteht die Gefahr, dass der Widerstand, der wegen seiner ungewöhnlich kleinen Abmessungen eine nur geringe Wärmekapazität hat, nach kurzer Zeit überhitzt wird und leicht verbrennt.
Diese Gefahr kann bei einem Schaltwerk aus elektrischen Schützen und fremdbelufteten Widerständen zum Steuern und Regeln von Verbrauchern elektrischer Energie nach der Erfindung dadurch vermieden werden, dass hochbelastbare Widerstände und eine elektrohydraulisch betätigte Schützenanordnung in der Weise baulich vereinigt sind, dass zum Antrieb des Lüfters für die Widerstände und die Ölpumpe zur Erzeugung des hydraulischen Drucks ein gemeinsamer Motor vorgesehen ist.
Durch die erfindungsgemässe Kopplung zwischen dem Antrieb des Lüfters und dem Antrieb der Ölpumpe für die elektrohydraulische Betätigung der Schützkontakte ist dafür gesorgt, dass bei einem Ausfall des Lüftermotors zwar die Luftförderung aufhört, gleichzeitig aber auch (ler Öldruck für die Schützensteuerung verschwindet, so dass sämtliche Schützkontakte von ihren starken Federn sofort geöffnet werden. Bei mit Bremsen versehenen Antrieben fallen damit auch die Bremsen, da z. B. ein Drehstrommotor und der mit dessen Ständerklemmen unmittelbar verbundene Bremslüfter, z. B. ein Bremslüftmagnet durch das Abschalten der Ständerkontakte spannungslos wird.
Auf diese Weise ist es möglich, den belüfteten, hochbelastbaren Widerstand in Verbindung mit der elektrohydraulischen Schützensteuerung mit grosser Betriebssicherheit zu benutzen, da die Gefahr des Verbrennens des Widerstandes beseitigt ist.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken wird eine besonders hochwertige Kühlung der Widerstände in dem erfindungsgemäss aufgebauten Schaltwerk dadurch erreicht, dass der Lüfter in einem Diffusor eingebaut ist, durch den die Kühlluft allen Elementen des Widerstandes, gegebenenfalls unter Verwendung von Leitschaufeln, zugeführt wird. Es ist besonders zweckmässig, den vom Lüfter geförderten Luftstrom
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auch zwischen den Starkstromkontakten hindurchzuleiten, um ausser einer : lten Kühlung dieser Kontakte auch eine wirksame Entionisierung der Funkenkammern zu erreichen.
Der Aufbau des Widerstandes aus gewellten Widerstandsbändern, in Form eines Widerstandskastens, der im oberen Teil des Gehäuses untergebracht ist und quer zu seiner Hauptfläche von der Kühlluft durch- strömt wird, erlaubt die Abfuhr sehr grosser Wärmemengen in kleinen Zeiteinheiten, so dass ein erfin- dungsgemässer Widerstand entschieden hoher belastet werden kann als Widerstände bekannter Bauform mit gleichem Widerstandswert. Ein erfindungsgemässer Widerstand ist praktisch nach dem Vorbild der
Autokühler gebaut und geht von der physikalischen, bei diesen AutokühIern erprobten Tatsache aus, dass die Temperaturdifferenz zwischen ein-und austretender Kühlluft klein bleiben muss gegenüber dem Tem- peraturgefälle zwischen Widerstandsstreifen und Luft, wenn man möglichst viel Wärme abführen will.
Weitere bauliche Einzelheiten, sowohl der Widerstände als auch des erfindungsgemässen Schaltwer- kes, werden bei der Schilderung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Fig. 1-7 zeigen als Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäss aufgebautes Schaltwerk, bestehend aus elektrischen Schützen und fremdbelüfteten Widerständen, u. zw. die Fig. l-3 den Aufbau des ge- samten Schaltwerkes und die Fig. 4 - 7 Einzelheiten eines nach einem weiteren Erfindungsgedanken gestalteten, hochbelastbaren, fremdbelüfteten Widerstandes, wie er in dem erfindungsgemäss aufgebauten
Schaltwerk Verwendung findet. Der wabenförmige, flach ausgebildete Widerstand 1, z. B. der Läuferwiderstand eines Drehstrommotors, ist nach Fig. 1 im oberen Teil des gemeinsamen Gestells 2 so angebracht, dass er flach unter dem Schutzdach 3 liegt.
Die untere Seite dieses flachen Widerstandes wird überdeckt von dem Diffusor 4, der, falls erforderlich, Luftleitbleche 5 zur gleichmässigen Verteilung der Kühlluft : erhält. Dieser Diffusor ist also an seinem oberen Ende der Form des Widerstandes 1 angepasst, insbesondere also rechteckig oder quadratisch ausgebildet, während er an seinem unteren Ende kreisrund. ist, um den Lüfter 6 aufzunehmen. Der Lüfter 6, der mit entsprechend vielen, beispielsweise vier Flügeln versehen ist, wird von dem Motor 7, z. B. einem kleinen Kurzschlussläufermotor, angetrieben, der gleichzeitig die Ölpumpe 8, z. B. eine Zahnradpumpe, für das Drucköl in dem geschlossenen Ölbehälter 9 antreibt. Aus dem Ölbehälter 9 ragen seitlich auf der Vorderseite die Stössel 10-17 heraus.
Dieselbe Anzahl Stössel kann auf der Rückseite des Ölbehälters 9 angebracht sein. Die Stössel 10-17 auf der Vorderseite und die entsprechenden Stössel auf der Rückseite des Ölbehälters betätigen über die geschlitzten, senkrecht angebrachten Kontakthebel 18 - 25 ein- oder mehrpolige Starkstromkontakte, die selbst nicht gezeichnet sind. Der von ihnen beanspruchte Raum ist jedoch in Fig. 2 mit schwarz gezeichneten Kästchen angedeutet. Die zu den Starkstromkontakten gehörenden Funkenkammern 26 - 33 sind in den Zeichnungen dargestellt, ebenso auch einzelne obere Anschlussschrauben 34 - 41 für die oberen Starkstromverbindungen, von denen Starkstromleitungen zu den einzelnen Stufen des Widerstandes 1 geführt werden. Einige dieser Starkstromverbindungen 42 - 49 sind in der Zeichnung angedeutet.
Die Funkenkammern 26'-33'in Fig. 2 gehören zu den rückseitig angebrachten Starkstromkontakten, die gleichfalls durch schwarz gezeichnete Kästchen angedeutet sind und die durch die nicht dargestellten rückseitigen Stössel betätigt werden.
Die Starkstromkontakte und ihre Funkenkammern sind zu beiden Seiten einer senkrechten Isolierplatte 50 angeordnet. Mittels der geschlitzten Kontakthebel, von denen 18 - 25 zu sehen sind, können die einzelnen Starkstromkontakte nach Abnehmen der Funkenkammern und nach Lösen der Starkstromverbindung ausgewechselt werden, ohne dass an dem Ölbehälter 9 und den aus ihm herausragenden Stössel irgendwelche Eingriffe vorgenommen werden müssen. Anderseits kann nach Abnehmen des Lüfters 6 von der Welle des Motors 7 und nach Herausziehen des nicht gezeichneten vielpoligen Steuerleitungssteckers der ganze Ölbehälter 9 mit allen Kontaktantrieben usw. einschliesslich des Motors 7 nach unten abgezogen werden, ohne in die Starkstromseite mit ihren relativ dicken Leitungen und ihren starken Anschlussleitungen einzugreifen.
Die vom Motor 7 gleichzeitig angetriebene Zahnradpumpe 8 erzeugt einen Öldruck von beispielsweise 20 atü. Bei jedem Kontaktantrieb wird durch einen Elektromagneten mit einer nur geringen Leistung von 1 bis 5 W, ein kleiner Ölschieber gegen eine Feder betätigt, der das Drucköl zu einem kleinen, beim Ausführungsbcispiel horizontal liegenden Ölkolben leitet. DieserÖlkolben liefert eine Betätigungskraft von beispielsweise 20 kg und drückt gegen einen Stössel. Dieser wird seinerseits von einer Feder mit einer Kraft von etwa 10 kg gegen den Ölkolben gedrückt. Mit der resultierenden Kraft von 10 kg wird der zugehörige Kontakthebel im Sinne der Kontaktgebung bewegt und schliesst dadurch die. Starkstromkontakte.
Alle Stössel werden von solchen elektrohydraulisch einheitlich ausgebildeten Betätigungselementen nach aussen gedrückt wenn ihre Elektromagnete an Spannung gelegt werden. Die Erregung der einzelnen
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Elektromagnete kann durch eine kleine Meisterwalze mit geeigneter Kontaktanordnung in einer vorbe- stimmteD Reihenfolge erfolgen. Gegebenenfalls kann die Anordnung aber auch so getroffen sein, dass nur einer der Stössel elektromagnetisch in der angegebenen Weise betätigt wird und bei seiner Bewegung selbst
Strömungskanäle freigibt, cturch die der Öldruck auf andere Stössel in vorbestimmter Reihenfolge über- tragen wird.
Wird die Erregung des Steuermagneten abgeschaltet, dann zieht die Stösselfeder mit der angegebenen
Kraft von 10 kg die Starkstromkontakte auseinander. Der zweckmässigerweise gabelförmig gestaltete
Kontakthebel greift zu dem Zweck in eine entsprechende Eindrehung des Stössels. Voneinander abhangige
Schaltungen können in der angegebenen Weise durch eine Meisterwalze, aber auch durch kleine Hilfs- kontakte gebildet werden, die an den Stösseln im Ölbehälter 9 angebracht sind. Der besondere Vorteil dieser Anordnung ist, dass nicht mehr die bisherigen, vor allem bei Wecbselstrombetätigung grosse Steuer- leistungen erfordernden Schützspulen, sondern lediglich die kleinen Steuermagnete mit 1 - 5 W geschal- tet werden müssen.
Der gesamte Steuerungsteil kann also mit kleinsten Kontakten, gegebenenfalls auch mittels Transistor-, Magnetverstärker- oder Elektronikschaltungen betätigt werden.
Da. wie oben ausgeführt wurde, jeder Starkstromkontakt durch Öldruck betätigt wird, werden alle bereits geschlossenen Starkstromkontakte sofort geöffnet, wenn der gemeinsame Motor 7 defekt oder spannungslos werden sollte, weil in diesem Augenblick der Öldruck der Zahnradpumpe 8 sofort verschwin- det. Damit ist auch sofort der Widerstand 1 abgeschaltet und es besteht keine Gefahr, dass er verbrennt, zumal die Zeitkonstante des Widerstandes bleiben kann.
Die angegebene Anordnung kann für Gleich- und Drehstrommotoren, aber auch für die Erregerkrei- se grosser Generatoren, z. B. im Zusammenhang mit einer Leonardsteuerung u. dgl., verwendet werden.
Durch die in Fig. 1 und 2 gleich gross gezeichneten Starkstromkontakte und ihre untereinander gleich gro- ssen Funkenkammern soll angedeutet werden, dass einheitliche Kontaktgrössen verwendet werden. Zumindest sollen gleich grosse Isolierstoffseitenteile und-hebel. Anschlussschrauben, Befestigungsteile usw. verwendet werden, so dass sich die einzelnen Starkstromkontakte nur in der axialen Breite unterscheiden je nach der Stromstärke bzw. der Polzahl. Durch die grosse Platzeinsparung, die das elektrohydraulische Schaltwerk gegenüber der üblichen Schützensteuerung und der belüftete Widerstand gegenüber der üb lichen unbelüfteten Widerstandsausführung erreicht, ist man in der Lage. die Starkstromkontakte selbst sehr kräftig auszuführen, wodurch die Lebensdauer der Starkstromkontakte erheblich heraufgesetzt werden kann.
An sich können als Kontaktanordnungen für die Starkstromkontakte alle jetzt üblichen Formen gewählt werden, z. B. zweipolige Kontaktbrücken mit schwacher Magnetblasung und Deionisationskammer oder auch einpolige Kontakte mit stärkerer Magnetblasung und einfacher Funkenkammer. Die Schwierigkeit bei diesen Kontaktanordnungen besteht im Schalten schwacher Gleichströme. Hier ergibt die vorgeschlagene Anordnung einen weiteren grossen Fortschritt : Da schwache Gleichströme am besten durch eine leichte Beblasung der Kontaktstellen gelöscht werden, braucht man nur dafür zu sorgen, dass der vom Lüfter 6 erzeugte kräftige Luftstrom so geführt wird, dass er an den Starkstromkontakten vorbeiströmt.
In Fig. 2 zeigen die eingezeichneten Pfeile die Richtung der einströmenden Luft, die durch die Schlitze der Funkenkammern an den Starkstromkontakten möglichst gleichmässig verteilt eintritt. Die Trennwände 51, 52, die sich nach links und rechts zwischen den Kcntaktkörpern fortsetzen, sorgen dafür, dass die Kühlluft. nur in die Schlitze der Funkenkammern eintreten kann. Die Bleche 53. 54 sorgen dafür, dass die Luft nur aus dem inneren Raum abgesaugt wird, wodurch ein kräftiger Luftstrom an den Starkstromkontakten erzeugt wird. Bei diesem Luftweg müssen die Starkstromkontakte allerdings so ausgebil- det sein, dass der schwache Lichtbogen mit seiner sehr schwachen magnetischen Blaswirkung ohne Schaden für die Kontaktanordnung entgegen der üblichen Ablenkrichtung bei grösseren Strömen etwas nach innen wandern kann.
Deshalb kann auch die Luftführung so ausgebildet werden, dass die Luft unterhalb der Starkstromkontakteinheiten angesaugt wird und von hier in die Funkenkammern übertritt. Durch den Schlitz der Funkenkammern wird die Kühlluft dann dem Lüfter zugeleitet. Zwar werden im letzteren Fall die Lichtbogengase dem Lüfter und dem Widerstand l zugeführt, jedoch ist dieser Umstand bei dem sehr starken Luftstrom ohne Bedeutung.
Die beschriebene Beblasung der Kontaktstellen ist nicht nur bei schwachen Gleichströmen vorteilhaft, sondern kommt auch der normalen Abschaltung dadurch zustatten, dass die Kontaktstellen gekühlt und saubergehalten werden.
Bei der beschriebenen Anordnung wird Frischluft vorausgesetzt, was bei Dauerbelastung des Widerstandes 1 nötig ist. Bei vielen elektromotorischen Antrieben und ähnlichen Aufgaben wird aber nur ein sich immer wiederholendes Steuerprogramm gefahren, das völlige Abschaltung und kurzzeitige gro-
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Be Erhitzung des Widerstandes in entsprechenden zeitlichen Abständen vorsieht. Die mittlere Verlustlei- tung ist dann relativ klein, so dass es genügt, die Kühlluft nur innerhalb, des geschlossenen Aussenbehälters 56, wie in Fig. 3 dargestellt. durcn den Lüfter 6 kräftig umzuwälzen.
Durch entsprechend ausgebildete Kühlflächen 55 des Behälters 56 kann die nach aussen abgegebene Wärme nach vielen ausgeführ-
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ger Aussenwand gezeichnet, wo die Innenluft entsprechend den Pfeilen und dem den Pfeilen zugehörigen
Zeichen @ in der Draufsicht der Fig. 3 im Kreis geführt wird. Das Blech 57 zwingt den Luftstrom am
Aussenmantel 55 vorbei. Eine solche geschlossene Anordnung ist dann von Bedeutung, wenn die Aussen- luft stark verschmutzt ist durch Staub, angreifende Gase usw. Die Kühlwirkung kann gegebenenfalls durch einen besonderen Aussenlüfter bei entsprechender Ausbildung der äusseren Kühlflächen stark erhöht wer- den.
Die Fig. 4 zeigt grundsätzlich den Aufbau des Widerstandes 1 ohne Zwischenisolationsstreifen als
Idealfall. Es werden dabei einzelne Widerstandsstreifen 58 zickzackförmig gebogen und so nebeneinan- dergereiht, dass-sie mit den Ecken der Zickz2ckform aneinanderstossen. Auf diese Weise werden die ge- zeichneten, im Querschnitt etwa quadratischen oder mäanderförmigen Hohlräume gebildet, so dass das ganze Widerstandspaket die gezeichnete Wabenform erhält.
Die Kühlluft streicht in Richtung der einge- zeichneten Pfeile durch die Hohlräume des Widerstandspaketes. Sind die einzelnen Widerstandsstreifen von gleichem Ohmwert und untereinander elektrisch parallelgeschaltet, so können die gleich ausgebildeten Widerstandsstreifen 58 an ihren Berührungspunkten durch Punktschweissung miteinander verbunden werden. Sina die gleichgeformten Widerstandsstreifen 58 nicht parallel, sondern z. B. hintereinandergeschaltet, dann werden die zusammenstossenden Ecken durch Einfügen von passend geformten hitzefesten Isolierstreifen elektrisch getrennt.
Sind die Widerstandsstreifen, was die Regel sein wird, ungleich, dann wird der Luftstrom nur unwesentlich gegenüber dem Luftdurchtritt bei den idealen Wabenformen der Fig. 4 gestört, wenn dünne isolierstreifen 59, 59'und 59"nach Fig. 5 und 6 zwischen die Widerstandsstreifen 58'und 58" eingefügt werden. Die Ecken 60 - 63 des Widerstandsstreifens 58" legen sich in die Rillen 60'-63'des hitzefesten Isolierstreifens 59"von links, während die Ecken 64 - 67 in die Rillen 64'-67' von rechts hereingedrückt werden. In Fig. 6 ist ein Teil dieser Rillen des Isolierstreifens 59"vergrössert dargestellt.
Versuche haben gezeigt, dass ein in dieser Weise ausgebildeter Widerstand mit Aussenabmessungen von 250 x 260 x 65 eine Dauerverlustleistung von 40 kW bei einer Lüfterleistung von 600 W ab- führen kann. Daraus kann geschlossen werden, dass ein in dieser Weise aufgebauter Widerstand mehr als 500 kW je m2 Fläche dauernd abgeben kann.
Die erwähnten Widerstandspakete mit den Widerstandsstreifen 58 können nach Fig. 7 zu in sich fertigen Bauelementen 68 zusammengefügt werden. Durch die aus Fig. 7 ersichtliche Aneinanderreihung solcher Bauelemente mittels isolierter Bolzen 69 - 74 können beliebig grosse Widerstände geschaffen werden, deren Widerstandswert dem jeweils gewünschten Fall entspricht.
Fig. 7 zeigt den Gesamtaufbau mit den Teilen nach Fig. 5 und 6. Auf den Bolzen 69 - 74 sind dreieckförmig, hitzefeste Isolierstücke 75 mit Abstandsstücken aufgeschoben, die die Leitungsenden der Widerstandselemente 68 und die Zwischenverbindungen der z. B. hintereinandergeschalteten Widerstandsstreifen 58 tragen. Beispielsweise geht die Leitung 76 auf das Stück 75'und von da in den ersten, den linken Widerstandsstrfen. Im Stück 75" ist der erste mit dem zweiten Widerstandsstreifen in Reihe geschaltet, in 75'der zweite mit dem dritten usw., bis die abgehende Leitung 77 erreicht wird. Die Bolzen 69, 70. 71 und 72, 73 und 74 sind durch einen Rahmen 78 verbunden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltwerk aus elektrischen Schützen und fremdbelüfteten Widerständen zum Steuern und Regeln von Verbrauchern elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass hochbelastbare Widerstände und eine elektrohydraulisch betätigte Schützenanordnung in der Weise baulich vereinigt sind, dass zum Antrieb des Lüfters fUr die Widerstände und der Ölpumpe zur Erzeugung des hydraulischen Drucks ein gemeinsamer Motor vorgesehen ist.