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Elektrischer Wechselstromschalter
Die in der Elektrotechnik heute vorwiegend benutzten mechanischen Schalter zeichnen sich vor al- lem durch zwei hervorstechende Eigenschaften aus : 1. verschwindend geringer Übergangswiderstand im geschlossenen Zustand, 2. extrem hoher und sicherer Isolationswiderstand im offenen Zustand. Dagegen haben sie den Nachteil - zumindest bei grösseren Leistungen-, dass das Schalten nur unter Lichtbogenbil- dung möglich ist und dass daher bei häufigem Schalten die Lebensdauer der mechanischen Schalter durch
Elektrodenabbrand beeinträchtigt wird.
Die modernen Halbleiterdioden, Transistoren und-Trioden (Vierschicht-Halbleiter) vermögen schon heute nennenswerte Ströme und Spannungen zu schalten, u. zw. ohne dass bei hoher Schalthäufigkeit bleibende Veränderungen an den Halbleiterelementen auftreten. Dagegen haben diese Elemente den
Nachteil, dass die Spannung an ihnen im durchlässigen Zustand bei weitem nicht so gering wird wie bei einem geschlossenen Schalter, und dass anderseits der Isolationswiderstand und die Isolationssicherheit im gesperrten Zustand nicht die günstigen Werte der Lufttrennstrecken von mechanischen Schaltern errei- chen.
Auf diesen unterschiedlichen Eigenschaften beruht die Erfindung. Sie geht von dem Gedanken aus, dass in manchen praktischen Fällen, in denen sehr oft geschaltet werden muss, eine Erhöhung der Le- bensdauer der mechanischen Schalter bzw. eine Verkleinerung der Abmessungen dieser Schalter dadurch möglich wird, dass der eigentliche Schaltvorgang dem mechanischen Schalter abgenommen und Halblei- terelementen übertragen wird.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Schaltung von Wechselstrom. bestehend aus einer
Kombination von mechanischen Schaltern und elektronischen Schaltelementen, gekennzeichnet durch die
Parallelschaltung elektronischer Schaltelemente, die den eigentlichen Schaltvorgang ausführen und eines dieselben imDurchlasszustand überbrückenden mechanischen Schalters und die Reihenschaltung eines me- chanischen Schalters zu der Parallelschaltung, der als Trennschalter die Parallelschaltung von Spannung entlastet. Ausserdem wird ein Verfahren zur Schaltung von Wechselstrom angegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach Öffnung des Schalters 1 die Halbleiterelemente 5,6 in ihrer Stromdurchläs- sigkeit gesperrt werden, und dass nach Sperrung der Halbleiterelemente letztere durch einen in Reihe geschalteten mechanischen Schalter 4 spannungslos gemacht werden.
Die Halbleiterelemente haben bei der Vorrichtung nur so kurzzeitig Strom und Spannung zu tragen, dass sie während dieser kurzen Zeiten wesentlich höher belastet werden können als bei Dauerbeanspruchung. Aus diesen Gründen ergibt die nach der Erfindung vorgeschlagene Kombination mechanischer Schalter mit Halbleiterelementen eine Anord- nung, die in häufig zu schaltenden Stromkreisen technische und wirtschaftliche Vorteile bietet.
In Fig. 1 der Zeichnung ist die Erfindung an einem Beispiel dargestellt, die Fig. 2 und 3 zeigen das Arbeiten der Schaltung nach Fig. 1 beim Ein- und Ausschalten von Wechselstrom. Zu einem Schalter 1 liegen gegensinnig parallel die Halbleitertrioden 5 und 6. In Reihe mit dieser Parallelschaltung liegt der Schalter 4. Die Halbleitertrioden 5 und 6 werden durch Schalter 2 und 3 im Gitterkreis (Steuerkreis) derart gesteuert, dass sie bei geschlossenen Schaltern 2 und 3 durchlässig sind, bei geöffneten Schaltern 2 und 3 dagegen gesperrt. Das Einschalten eines Stromkreises mit der Anordnung der Fig. 1 erfolgt wie in Fig. 2 dargestellt. Zunächst wird der Schalter 4 geschlossen. Es fliesst noch kein Strom, da die Schalter 1, 2 und 3 offen sind. Kurz nach dem Schliessen von 4 werden die Gitterschalter 2 und 3 geschlossen.
In
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diesem Zeitpunkt übernehmen die Halbleitertrioden 5 und 6 jeweils die positiven und negativen Halbwellen des Wechselstromes i. Kurz nach dem Schliessen von 2 und 3 wird der Überbrückungsschalter 1 geschlossen. In diesem Zeitpunkt werden die Halbleitertrioden 5 und 6 stromlos, und der ganze Strom geht über den niederohmigen Schalter 1. Fig. 3 zeigt den Vorgang bei der Abschaltung. Der Strom i i geht zunächst über den geschlossenen Schalter 1. Nach Öffnen dieses Schalters fliessen die positiven bzw. negativen Stromhalbwellen über die Halbleitertrioden 5 und 6. Werden kurz nach dem Öffnen von 1 die Gitterschalter 2 und 3 geöffnet, so brennt die in diesem Augenblick fliessende Stromhalbwelle zu Ende, dann sind beide Trioden gesperrt. so dass der Stromkreis unterbrochen ist.
Kurz darauf wird der Schalter 4 geöffnet, so dass die Trioden 5 und 6 spannungslos werden. Im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 2 und 3 kann der Abstand der Schaltkommandos l, 2 und 3 und 4 sehr kurz sein, nämlich so kurz, dass gerade noch die richtige zeitliche Reihenfolge dieser Schaltkommandos sichergestellt bleibt. Je kürzer der Abstand der Schaltkommandos ist, umso mehr werden die Halbleitertrioden von Strom und Spannung entlastet. Lediglich der zeitliche Abstand zwischen der Öffnung von 2 und 3 und der Öffnung von 4 beim Ausschalten muss mindestens eine Halbwelle sein, damit der Schalter 4 stromlos öffnet. Der Schalter 1 muss ebenso wie der Schalter 4 für den vollen Dauerstrom ausgelegt werden, der Schalter 1 braucht jedoch die Sperrspannung nur kurzzeitig aushalten zu können.
Man kann den Schalter 1 auch als Überbrückungsschalter über die ganze Anordnung, d. h. einschliesslich des Schalters 4, anordnen. In diesem Fall braucht nur der Schalter 1 für den vollen Strom ausgelegt zu werden.
Infolge der gegenwärtig noch begrenzten Stromtragfähigkeit der Halbleiterelemente kann es zweckmässig sein, für das Abschalten und Zuschalten von Kurzschlüssen die Halbleiterelemente von diesen gro- ssen Strömen zu entlasten, beispielsweise dadurch, dass Sicherungen 7 und 8 oder 9 vorgesehen sind, welche die seltene Abschaltung übermässig grosser Ströme übernehmen. Statt der Sicherungen kann man auch in diesen seltenen Fällen das Abschalten mit einem der Schalter 1 oder 4 unter Zulassung von Lichtbogen und Lichtbogenlöschung vornehmen, indem in diesen Fällen die Sperrung der Halbleiterelemente 5 und 6 während des ganzen Ausschalt- bzw. Einschaltvorganges aufrecht erhalten wird.
Wenn die Schaltfolge zeitlich sehr eng ist, beispielsweise bei periodischen Schaltvorgängen, kann man darauf verzichten, zwischen je zwei Schaltungen den Schalter 4 zu betätigen. Die Schaltspiele erfolgen dann durch wechselseitiges Öffnen und Schliessen des mechanischen Schalters 1 und der gegensinnig parallelen elektronischen Elemente 5 und 6. Nur bei grösseren Pausen wird auch der vorgeschaltete Schalter 4 geöffnet, um 5 und 6 zu entlasten und absolut sichere Isolation zu schaffen.
Da manche Halbleiterelemente gegen Überspannungen empfindlich sind. können in bekannter Weise Dämpfungskondensatoren und Widerstände vorgesehen werden, welche Überspannungen beseitigen oder vermindern. Die notwendige Kopplung der verschieden zeitlich gestaffelten Schaltvorgänge kann durch eine Steuerwalze, durch Hilfskontakte an den Schaltern 1 und 4 oder auch durch automatische. z. B. elektromagnetische Steuerung von Strom bzw. Spannung in den betreffenden Stromzweigen erfolgen. Da die mechanischen Schalter 1 und 4 normalerweise lichtbogenfrei schalten, können sie kleiner gehalten werden als übliche Wechselstrom-Lichtbogenschalter, insbesondere kann der Öffnungsweg kleiner gehalten und damit die mechanischen Beanspruchungen kleiner gehalten werden.
Unter Umständen ist es empfehlenswert, für Kurzschlussabschaltungen ausser dem Schalter 4 statt der Sicherung 9 einen gesonderten normalen Lichtbogenschalter, beispielsweise einen Selbstschalter oder Schnellschalter, oder auch eine Sprengsicherung, vorzusehen. Da Halbleitertrioden heute bereits für kurzzeitige Strombelastungen von tausend oder mehr Ampere herstellbar sind. eignet sich die Anordnung nach der Erfindung auch für Stromkreise grösserer Leistung, wo das häufige Abschalten mit mechanischen Schaltern unter Lichtbogenbildung besonders schwierig ist.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Elektrische Wechselstromschalteinrichtung, bestehend aus einer Kombination von mechanischen Schaltern und elektronischen Schaltelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schaltelemente (5,6) im Durchlasszustand durch einen mechanischen Schalter (1) überbrückt werden und im gesperrten Zustand durch einen in Reihe liegenden mechanischen Schalter (4) von Spannung entlastet sind, u. zw. derart, dass die elektronischen Schaltelemente den eigentlichen Schaltvorgang durchführen, während die mechanischen Schalter als Überbrückungs- bzw. Trennschalter arbeiten und die elektronischen Schaltelemente im Dauerbetrieb entlasten.