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Schnellumschalter für hohe Ströme und Schalthäufigkeit
Die Änderung der Drehrichtung von Gleichstrommotoren für den Antrieb schwerer Walzen oder För- dereinrichtungen wird bekanntlich dadurch eingeleitet, dass die Gleichstrommotoren umgepolt werden.
Dabei sind grosse Ströme zu unterbrechen bzw. zu schliessen, und ausserdem muss der Umschaltvorgang aus regeltechnischen Gründen innerhalb einer gegebenen kurzen Zeit, z. B. 50 ms, ablaufen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, einen sogenannten Schnellumschalter zu verwenden, der im wesentlichen aus einem mittels einer Welle drehbar gelagerten Schwinghebel besteht, auf Jen die Betätigungskräfte einwirken und an dessen dadurch um entsprechende Winkelbeträge gedrehter Welle weitere Hebel, die Kontakte zur Her- stellung der gewünschten Schaltverbindungen tragen, befestigt sind.
Bisher hat man die Betätigungskräfte für den Schwinghebel des Schnellumschalters durch entsprechend grosse elektrische Magnete erzeugt, die einen grossen Leistungsbedarf haben, weil die erforderlichen Drehmomente in Anbetracht der grossen zu beschleunigenden Massen gross sind. Der Erregerstrom dieser Elektromagnete musste über besondere Zwischenschütze geschaltet werden. Ein derartiger Magnetantrieb für
Schnellumschalter weist jedoch einen grundsätzlichen, schwerwiegenden Nachteil auf. Zwischen dem Beginn der Kommandogabe (durch Einschalten des Zwischenschützes) und dem Beginn des Abhebens der Kontakte liegt eine verhältnismässig grosse Totzeit.
Damit die Gesamtschaltzeit, die sich aus der Schaltzeit eines Zwischenschützes, der Zeit, die erforderlich ist, um das Magnetfeld des Schnellumschalters auf den erforderlichen Wert ansteigen zu lassen, und der reinen Flugzeit der Kontakte zusammensetzt, einen aus regeltechnischen Gründen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, muss bei diesen bekannten Schnellumschaltern die Flugzeit sehr kurz bemessen werden. Dies wiederum bedingt einerseits grosse Beschleunigungskräfte und anderseits harte Schläge beim Aufeinanderprallen der Kontakte. Infolge dieser harten Schläge wurden die Lager der beweglichen Schalterteile sowie das Kontaktmaterial und die Verriegelungsteile nach verhältnismässig kurzer Betriebszeit zerstört.
Es wurde bereits angedeutet, dass die Umschaltzeiten eines derartigen Schnellumschalters aus regelungstechnischen Gründen zwar sehr kurz sein müssen, aber es ist dabei anderseits erwünscht, den Anteil der Flugzeit der Kontakte ander Gesamtschaltzeit so gross wie möglich zu halten und den Anteil der Totzeit an der Gesamtschaltzeit dagegen so gering wie möglich ; denn je länger die Flugzeit der Kontakte dauert, d. h. je länger der Motorstromkreis des-umzuschaltenden Motors geöffnet bleibt, umso vollständiger können Restströme in den vorgeschalteten Stromrichtern abklingen.
Fig. l der Zeichnung zeigt an Hand eines Diagrammes (s=f (t)) die Aufteilung der Gesamtschaltzeit eines elektromagnetisch betätigten Schnellumschalters in Totzeiten und Flugzeit. Im Zeitpunkt to wird nachFig. das Umschaltkommando gegeben. Daanist im Zeitpunkt !, die Schaltzeit des Zwischenschützes, mittels dessen die Magneterregung für den Schnellumschalter eingeschaltet wird, beendet, und die Magnetspule des Schnellumschalters wird an Spannung gelegt. Infolgedessen steigt der Strom in der Magnetspule nach dem Diagramm i'=f (t) nach Fig. l an, und erst im Zeitpunkt t2 ist das damit erzeugte Magnetfeld stark genug, um die beweglichen Schalterteile zu beschleunigen.
In diesem Zeitpunkt t beginnt daher erst die Flugzeit der Kontakte, die im Zeitpunkt t, beendet ist. Während dieser Flugzeit haben die beweglichen Kontakte den Schaltweg so zurückgelegt. Das Zeitintervall t2 - to wird hier als Totzeit tt und das Zeitintervall t}-t als Flugzeit tf bezeichnet, während das Zeitintervall ts - to die Gesamtschaltzeit t-darstellt. Man erkennt aus dem Diagramm nach Fig. l, dass der Anteil der Totzeit tt an der
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Gesamischaltzeittg bedeutend grösseristais derjenigeder reinen Flugzeittf. Zur Vervollständigung wurden in das Diagramm nach Fig. 1 Erregerspannung und -strom eingetragen, die vom Zeitpunkt to ab in voller
Grösse vorhanden sein müssen.
Es sind zwar schon elektromagnetisch gesteuerte, hydraulische Antriebe für elektrische Schalter be- kanntgeworden. Diese bekannten Antriebe weisen jedoch verschiedene Nachteile auf, die gemäss der im folgenden geschilderten Erfindung vermieden werden. So wird bei den bekannten Anordnungen lediglich die Bewegung eines einzelnen, hydraulisch beaufschlagten Kolbens gesteuert, während nach der Erfindung mittels eines einfach aufgebauten Steüerkreises zwei selbstständige Kolben gesteuert werden, mit Hilfe derer also der Schaltarm eines Umschalters bedarfsweise in die eine oder andere Endlage gedrückt werden kann.
Gegenstand der Erfindung istein Schnellumschalter fürhohe Ströme und Schalthäufigkeit. Erfindungsgemäss hat dieser einen elektromagnetisch gesteuerten, hydraulischen Antrieb mit einer in Abhängigkeit vom Betriebsdruck des Druckmittels wirksamen hydraulisch-mechanischen Verriegelung des Schaltarmes und Druckspeicher, die bei Betätigung des Schnellumschalters den grössten Teil des benötigten Druckmittels liefern, während dann die Druckmittelpumpe des hydraulischen Antriebes nur einen geringen Teil des zur Betätigung benötigten Druckmittels unmittelbar liefert. Die erwähnte hydraulisch-mechanische Verriegelung des Schaltarmes besteht dabei aus einem federbelasteten Sperriegel, der an einem Kolben befestigt istund durch den'Betriebsdruckdes Druckmittels ausser Eingriff mit einem an dem Schaltarm befestigten Hebel gehalten wird.
Mit dem Sperriegel können zweckmässigerweise ein oder mehrere Kontakte verbunden sein, die einen oder mehrere Alarmstromkreise schliessen, falls der Sperriegel in Sperrstellung steht.
Abgesehen davon, dass die erfindungsgemässe Anlage wegen des auf jeden Ölkolben voll wirkenden Öldruckes besonders geeignet ist, den relativ schweren, als Schwinghebel ausgebildeten Schaltarm in ausserordentlich kurzen Zeiten von einer Endlage in die andere zu bewegen, wird insbesondere die Betriebssicherheit des Schnellumschalters wesentlich dadurch erhöht, dass eine sicher wirkende Verriegelung geschaffen wurde, mit Hilfe derer eine sogenannte "schleichende" Schaltung bei zu geringem Öldruck verhindert wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorzug des erfindungsgemäss angetriebenen Schnellumschalters besteht darin, dass die Ölpumpe samt ihrem Antrieb besonders sparsam bemessen werden kann, weil besondere Druckspeicher vorgesehen sind, die jeweils so dimensioniert wurden, dass sie den weitaus grössten Teil der zur Betätigung des Schnellumschalters benötigten Ölmenge liefern, während die Ölpumpe selbst nur einen geringen Teil des zur Betätigung benötigten Drucköles unmittelbar liefert. Trotz kleiner Ölpumpe kann deshalb der mit einer grossen Masse behaftete Schaltarm kurzzeitig sehr stark beschleunigt werden.
Da ferner das elektromagnetische Steuersystem lediglich benötigt wird, um eine kleine Ventilnadel innerhalb eines hydraulischen Schalterelementes anzuheben, ist die erforderliche elektrische Leistungdafür ausserordentlich gering. Man kommt beispielsweise mit einer Steuerleistung von 1 W und weniger aus, d. h. Zwischenschütze zum Schalten des Steuerstromes sind überflüssig.
Da weiterhin die Ansprechzeit. eines kleinen Magneten von beispielsweise 1 W Leistung sehr gering ist und der damit gesteuerte hydraulische Antrieb praktisch eine vernachlässigbar kleine Eigenzeit besitzt, ergibt sich für den erfindungsgemäss angetriebenen Schnellumschalter eine Aufteilung der Gesamtschaltzeit gemäss Fig. 2 :
Von der Gesamtschaltzeit tp geht bei dem erfindungsgemässen Schnellumschalter lediglich das kleine Zeitintervall t 2-to als Totzeit tt ab, bedingt durch Ansprechzeit des kleinen Steuermagneten und Eigenzeit des hydraulischen Antriebes. Diese Eigenzeit des hydraulischen Antriebes ist jedoch vernachlässigbar klein und wurde deshalb nicht besonders in dem Diagramm gekennzeichnet.
Man erkennt an dem Diagramm nach Fig. 2, dass nunmehr für die Flugzeit tf der Kontakte, selbst bei kleinerer Gesamtschaltzeit
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l,ringerte kinetische Energie der bewegten Schalterteile Im Augenblick des Aufeinanderprallens der Kon- takte. An einem erfindungsgemäii aufgebauten Schnellumschalter betrug die Fluggeschwindigkeit nur 3Clo derjenigen elektromagnetisch betätigter Kontakte, d. h. die kinetische Energie der hydraulisch angetriebenen Kontakte ist auf rund lOgo derjenigen elektromagnetisch angetriebener Kontakte abgesunken.
Lagerungen und Kontakte des erfindungsgemäss angetriebenen Schnellumschalterswerden mithinmehr geschont als bei den üblichen elektromagnetisch angetriebenen Schnellumschaltern, obwohl, wie bereits erwähnt, die GesamtschaltzeitTg aufrund 1/3 derjenigen elektromagnetisch betätigter Schnellumschalter verringert wird. Der Vollständigkeit halber wurden auch in dieses Diagramm Steuerstrom und Steuer-
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spannung in Abhängigkeit von der Zeit eingetragen.
Weitere Vorteile bringt eine erfindungsgemäss an dem Schnellumschalter vorgesehene hydraulisch- mechanisch wirkende Verriegelung des drehbar gelagerten Schwinghebels, auf dessen beide Arme die hydraulisch betätigten Druckkolben einwirken, mit sich. Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Ver- riegelung sei auf Fig. 3 der Zeichnung verwiesen. Dort ist der hydraulische Antrieb sowie der Schnellum- schalter mit den wichtigsten Teilen schematisch dargestellt.
Der hydraulische Antrieb besteht aus dem Elektromotor 1, der eine Ölpumpe 2 treibt. Diese Ölpumpe
2 drückt das als Kraftübertragungsmittel benutzte Öl in Richtung des Pfeiles 3 durch das Rohrsystem 4. Kurz nach dem Austritt des Drucköls aus der Ölpumpe 2 ist eine Rohrabzweigung 5 angeordnet, die zu einem Überdruckventil 6 führt, womit der betriebsmässig vorgesehene Höchstdruck für die Anlage gegeben ist.
Ferner ist ein Druckwächter 7 eingebaut, mittels dessen über die Kontakte 8 und 9 ein Alarmstromkreis geschlossen wird, falls der Öldruck einen bestimmten Höchstwert überschreitet. Ein Rückschlagventil 10 verhindert das Entleeren des Rohrsystem 4 bei zeitweilig stillgesetzter Ölpumpe 2. Vor jedem der beiden
Steuerkolben 11 bzw. 12 ist ein Druckspeicher 13 bzw. 14 angeordnet, der einen zeitweilig erhöhten
Druckölbedarf decken kann. Dies erlaubt die Verwendung einer ständig laufenden Ölpumpe 2, deren För- derleistung erheblich niedriger liegt, als esdem Druckölbedarf bei Betätigung eines der Steuerkolben 11 bzw. 12 entspräche.
Die geringere Grösse der Ölpumpe 2 bringt jedoch neben dem Vorteil der niedrigeren Anschaffungs-und Betriebskosten noch den weiteren Vorteil einer bedeutend erhöhten Lebensdauer des Öles mit sich, denn infolge der kleineren Leistung der ständig laufenden Ölpumpe 2 wird auch nur eine geringere Schaufelarbeit auf das Öl übertragen, daraus wiederum folgt eine geringere Erwärmung des Öles und schliesslich eine bedeutend gesteigerte Lebensdauer desselben, wenn man bedenkt, dass eine Herab- setzung der mittleren Betriebstemperatur des Öles um Blo bereits eine Steigerung der Lebensdauer um 50% mit sich bringt.
. Eine SicherunggegenmangelhafteSchaltungendesSchnellumschaltersbei zu geringem Öldruck bietet die hydraulisch-mechanische Verriegelungseinrichtung 15, die folgendermassen arbeitet : Solange der volle, betriebsmässige Öldruck in dem Rohrsystem 4 vorhanden ist, wird der Kolben 16 entgegen der Kraft der Feder 17 in Richtung des Pfeiles 18 gedrückt, so dass er die gezeichnete Lage beibehält und der Ölzufluss zu den beiden Steuerkolben 11 und 12 geöffnet ist. Sinkt der Öldruck aus irgendeinem Grund ab und ist somit das einwandfreie Arbeiten des hydraulischen Antriebes nicht mehr gesichert, so verschiebt die Feder 17 den Kolben 16 entgegengesetzt zur Pfeilrichtung 18, und der Sperriegel 19 wird in die Bahn des Hebels 20 gedrückt. Damit ist jede weitere Schaltung des Schnellumschalters gesperrt.
Die Entsperrung erfolgt erst dann, wenn wieder der volle Öldruck zur Verfügung steht, also der Kolben 16 mitsamt dem Sperriegel 19 in die dargestellte Lage gedrückt worden ist.
Es kann zweckmässig sein, mit dem Sperriegel 19 eine Kontaktbrücke 21 zu verbinden, mittels derer ein oder mehrere Alarmstromkreise 22 geschlossen werden, falls der Sperriegel 19 in der Sperrstellung steht.
Weil der Sperriegel 19, wie erläutert, nur im Notfalle eingerückt wird, während im Normalfalle eine Verriegelung des Schalters nicht notwendig ist, wirkt sich der Verschleiss dieser Verriegelungsein- richtung auf die Lebensdauer des gesamten Schnellumschalters praktisch überhaupt nicht aus. Im Gegensatz dazu ist die Lebensdauer der Verriegelungseinrichtung eines elektromagnetischbetätigtenSchnellum- schalters mitbestimmend für die Lebensdauer des gesamten Schalters ; denn dieser muss nach jeder Schal-
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werden können, will man ihre Abmessungen halbwegs wirtschaftlich gestalten. Auch daraus ergibt sich ein beachtlicher Vorteil des erfindungsgemäss angetriebenen Schnellumschalters gegenüber dem erwähnten elektromagnetisch betätigten.
Die Betätigung der Hauptkontakte 23, 24 und 25 des erfindungsgemässen Schnellumschalters erfolgt in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerschalters 26. Wird beispielsweise der Kontakthebel27 in die eingezeichnete Lage gebracht und dadurch das elektromagnetisch betätigte Ventil 28 geöffnet, so wird der Ölzufluss zum Zylinder 29 freigegeben, der Steuerkolben 12 geht nach oben und stellt den Schwinghebel 30 schräg. Der Schaltarm 31 wird dabei in die gezeichnete Lage gebracht, in der sich die Hauptkontakte 23 und 24 berühren. Der Hauptstrom fliesst dann von der Klemme 32 über den festen Hauptkontakt 23, den beweglichen Hauptkontakt 24 und die flexible Zuleitung 33 zur Klemme 34.
Wird der Kontakthebel'27 in die gestrichelt eingezeichnete Lage gebracht, so fällt das elektromagnetisch betätigte Ventil 28 ab, und dadurch wird das elektromagnetisch betätigte Ventil 35 geöffnet, der Druckölzufluss zum Zylinder 36 freigegeben, der Steuerkolben 11 angehoben und der Schwinghebel 30 in die entgegengesetzte Schrägstellung gebracht, in der die Hauptkontakte 24 und 25 einander berühren.
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Der Hauptstrom fliesst dann von der Klemme 37 über den festen Hauptkontakt 25, den beweglichen Hauptkontakt 24, die flexible Zuleitung 33 zur Klemme 34.
Eine besondere Öldruckleitung braucht nicht vorgesehen zu werden, weil das beispielsweise in dem Zylinder 29 verbliebene Öl, das nach dem Schliessen des elektromagnetischbetätigten Ventils 28 nicht mehr unter Druck steht, durch den niedergehenden Steuerkolben 12 verdrängt wird und durch den Ringspalt zwischen Steuerkolben 12 und Zylinder 29 entweicht. Dieses Lecköl wird in einem nicht dargestellten Behälter gesammelt und in die Ölwanne 39 zurückgeführt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schnellumschalter für hohe Ströme und Schalthäufigkeit, gekennzeichnet durch einen elektromagnetisch gesteuerten, hydraulischen Antrieb mit einer in Abhängigkeit vom Betriebsdruck des Druckmittels wirksamen hydraulisch-mechanischen Verriegelung des Schaltarmes und durch Druckspeicher, die bei Betätigung des Schnellumschalters den grössten Teil des benötigten Druckmittels liefern, während dann die Druckmittelpumpe des hydraulischen Antriebes nur einen geringen Teil des zur Betätigung benötigten Druckmittels unmittelbar liefert.