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Drehstromschalter in Netzen ohne Nulleiter mit parallel zu . den Schaltkontakten liegenden Dioden und synchron in den einzelnen Phasen gestaffelten Ausschaltzeitpunkten
Es ist bekannt, dass sich mit Hilfe von mechanischen Schaltern, zu denen Starkstromdioden parallel geschaltet sind, bei geeigneter synchroner Öffnung der Schalter Wechselströme und Drehströme lichtbogenfrei unterbrechen lassen, ohne dass an die Genauigkeit des synchronen Schaltens schwer zu verwirklichende hohe Anforderungen gestellt werden. Der Grundgedanke des Verfahrens besteht darin, dass jeweils eine Schaltstrecke zu einer Zeit öffnet in der die parallelgeschaltete Diode für den Strom durchlässig ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Öffnungszeitpunkte der mechanischen Schaltstrecken derart zu wählen, dass sie bei veränderlicher Fhasenverschiebung im Drehstrom- bzw. Wechselstromnetz möglichst unverändert bleiben können, ohne dass das lichtbogenfreie Schalten gefährdet wird.
Die Erfindung betrifft einen Drehstromschalter in Netzen ohne Nulleiter mit parallel zu den Schaltkontakten liegenden Dioden und synchron in den einzelnen Phasen gestaffelten Ausschaltzeitpunkten, wobei die Ausschaltzeitpunkte derart gewählt sind, dass die Unterbrechung bei praktisch allen im Arbeitstromkreis normalerweise vorkommenden Phasenverschiebungen infolge gemischt ohmscher, induktiver Last lichtbogenfrei erfolgt. Erfindungsgemäss ist in jeder Phase eine mit einer Diode überbrückte Schaltstrecke vorhanden, und der Ausschaltzeitpunkt der zweiten Phase ist gegenüber der ersten um etwa 900, der Ausschaltzeitpunkt der dritten Phase gegenüber der ersten um etwa 2400 verzögert.
An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
In Fig. 1 der Zeichnung sind die Ströme beim Abschaltvorgang eines Drehstromschalters mit Paralleldioden massstäblich gezeichnet. Die Ströme der Phasen u, v und w sind um je 1200 gegeneinander versetzt bis zum Zeitpunkt t. Von diesem Zeitpunkt an bleibt der Strom der Phase u Null, wenn vor t4' d. h. im Zeitintervall zwischen tl und t4, der Kontakt dieser Phase geöffnet wurde, wobei der Rest der positiven Halbwelle von der Diode übernommen wird. Vom Zeitpunkt t4 an knicken die Ströme der Pha- sen v und w wie gezeichnet ab ; sie bilden Hin- und Rückleitung eines einphasigen Wechselstromes und werden gleichzeitig im Zeitpunkt t6 Null, wobei t6 eine halbe Halbwelle später als t4 liegt.
Öffnet man den Kontakt der Phase v im Zeitintervall zwischen tg und t6 und den Kontakt der Pha-
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sen u und w gerade wieder positiv wird und einen Strom über die Diode der Phase u und die noch geschlossene Schaltstrecke der Phase w treiben würde). Die ausgezogenen Stromkurven mögen sich auf ohmsche Belastung d. h. cos rp = 1, beziehen. Dann liegen bei rein induktiver Belastung, d. h. cos =0, die drei Phasenströme vor dem Schalten um 900 später, wie es die gestrichelten Kurvenzüge in Fig. 1 angeben. Bis zum Zeitpunkt t7 verschieben sich gegenüber dem Fall der ohmschen Last alle Vorgänge um 900 zu späteren Zeiten.
Dagegen bleiben die Zeitpunkte tg und tg des Wiedereinsetzens der drei Ströme für den Fall, dass die Schaltstrecken der Phasen u und v geöffnet, sich leicht einsehen, wenn man überlegt, dass vor dem Zeitpunk ig sämtliche drei Grössen Null sind. Das
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Wiederingangkommen der Ströme im Zeitpunkte kann also nicht von der Phasenverschiebung des Stromes abhängen, sondern wird allein durch die Phasenlage der treibenden Spannung bedingt. Dagegen hängt die Steilheit des Stromanstieges in den Zeitpunkten t und t. durchaus von der Phasenverschiebung im Laststromkreis ab, wie es in Fig. 1 angedeutet ist.
Nach der Erfindung werden beispielsweise in der Schaltung der Fig. 2, in der jede Phase eine Hauptunterbrechungsstelle aufweist, die durch eine Diode überbrückt ist, die Ausschaltzeitpunkte der Schaltstrecken A', B'und C'so gewählt, wie in Fig. 1 eingetragen ist. Dann öffnen, wie man sich an Hand von Fig. 1 leicht überzeugt, sämtliche drei Phasen sowohl bei cos = 1 als auch bei cos = 0 lichtbogenfrei. Denn in der Phase u besteht für lichtbogenfreie Öffnung der Spielraum zwischen t2 und t 4'In diesem Zeitintervall ist sowohl bei cos = l als auch bei
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im Zeitintervall von t. bis t,.
Für die Phase w steht nur das Zeitintervall von t7 bist. zur Verfügung Man kann die Ausschaltzeitpunkte A, B und C auf die Mitten der genannten Zeitintervalle legen. In vielen praktischen Fällen wird es aber vorteilhafter sein, sie früher zu wählen, denn einmal bedeutet zu frühe Öffnung nur geringe Lichtbogenbildung an den Kontakten, zu späte Öffnung jedoch Zündung einer vollen neuen Halbwelle. Ausserdem tritt aber in der Praxis der Fall cos o = 0 nicht auf, sondern im allgemeinen höchstens cos 0,2, während der Fall cors 1 durchaus auftreten kann. Beispielsweise ändert sich bei einem normalen Asynchronmotor der cos cl zwischen Last und Leerlauf etwa von cossu=0, 9 bis cos cp = 0, 2.
Wie Fig. 1 zeigt, steht für die Öffnung der Phase w bei induktiver Belastung nur ein Spielraum von ts bis t7 = 30 zur Verfügung. Um diesen engen Spielraum zu vermeiden und darüber hinaus auch noch andere Vorteile zu gewinnen, kann man die Schaltung von Fig. 3 wählen. Hier sind nur die Hauptunterbrechungsstellen A'und B'durch Dioden überbrückt, in Reihe mit den Dioden liegen Neben- UI1terbrechungsstellen a und b, die nur kurzzeitig vom Strom der Diode durchflossen werden. Legt man die Öffnungszeitpunkte A, B, a und b wie in Fig. 1 angedeutet, so gewinnt man grössere Sicherheit gegenüber ungewollten Schaltzeitabweichungen.
Der Schaltzeitpunkt A kann um-30 oder +60 schwanken, der Schaltzeitpunkt B um-0 und+60 , der Schaltzeitpunkt a um-300 und + 900 und der Schalt- zeitpunkt b um-00 und +1200. Der Einwand, dass hier bei allen Schaltzeitpunkten nur kleine negative Schaltzeitabweichungen (zu frühes Öffnen) möglich sind, ist nicht stichhaltig, weil, wie schon erwähnt, der in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Fall cos = 0 praktisch nicht erreicht wird. Ausserdem führt zu frühes Öffnen, wie schon gesagt, nur zu geringfügiger Lichtbogenbildung. Dagegen ist es sehr erwünscht, dass der Spielraum für Verspätung der Schaltzeitpunkte möglichst gross ist. Die Schaltung nach Fig. 3 kann auch ohne Schalter C'in der Phase w betrieben werden.
Im übrigen muss der Schaltzeitpunkt C irgendwann später als te liegen Die Schaltung der Fig. 3 hat den Vorteil, dass nur zwei Dioden benötigt werden, und dass die Dioden vor und nach dem Schaltvorgang sowohl von Strom als auch von Spannung entlastet sind. Diese Schaltung kommt daher unter anderem in Frage bei hoher Spannung, wo die Spannungsbeanspruchung der Zellen unerwünscht ist oder bei hoher Leistung, wo Zellen parallel und in Reihe geschaltet werden müssen.
Die richtige erfindungsgemässe Staffelung der Ausschaltzeitpunkte in den Fig. 2 und 3 kann verwirklicht werden durch Ausbildung der Schaltstrecken als Nockenschalter, die von einer synchron umlaufenden Welle betätigt werden. Diese Welle kann beispielsweise durch einen Synchronmotor angetrieben werden, der jeweils für einen beabsichtigten Schaltvorgang in Betrieb gesetzt wird. Zwischen Synchronmotor und Nockenwelle kann ein Vorgelege V angeordnet sein, im übrigen wird der Motor derartig durch in der Zeichnung nicht dargestellte Hilfskontakt auf der Nockenwelle gesteuert, dass er sich nachdrücken des Betätigungsdruckknopfes D automatisch wieder abschaltet. Die Anordnung ist ähnlich wie bei den bekannten motorisch angetriebenen Schrittschaltwerken.
Wenn die Phasenverschiebung im Arbeitsstromkreis grössere Schwankungen als 900 aufweist, beispielsweise bei Bremsen oder bei Nutzbremsen von Drehstrommotoren, kommt man, wenn vollkommene Lichtbogenfreiheit verlangt wird, nicht in allen Fällen mehr mit festen Öffnungszeitpunkten aus. In die- sem Fall kann man nach der weiteren Erfindung beispielsweise die Phasenlage des Synchronmotors in den Fig. 2 und 3 allein oder zusätzlich zur Netzspannung auch vom Netzstrom abhängig machen, derart, dass die Phasenlage der Nockenwelle mit zunehmender Phasenverschiebung entsprechend verzögert wird. Statt dessen kann man auch eine Schaltung wie in Fig. 4 verwenden.
Hier handelt es sich um relaisartige Einzelkontakte, beispielsweise die bekannten Haltemagnetkontaktsysteme, die kleine Eigenzeit haben und mit kleiner Energie, beispielsweise über Stromwandler, synchron betätigt werden können. Die Hilfsschaltstrecken a', b'und c'kann man ebenfalls als relaisartige Schaltstrecken ausbilden, die ihren Auslöseimpuls beispielsweise von der Sperrspannung der Dioden erhalten, wie in Fig. 4 angedeutet ist. Während die Hauptschaltstrecken zu Zeiten öffnen müssen, in denen die Paralleldioden durchlässig sind,
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müssen die Nebenschaltstrecken zu Zeiten öffnen, in denen ihre Dioden sperren, d. h. die Sperrspannung aufweisen. Diese Spannung kann gegebenenfalls unter Zwischenschaltung geeigneter Verzögerungsglieder zur Auslösung der Schaltrelais a, b und c benutzt werden.
Der Schalter nach der Erfindung lässt sich in entsprechender Weise auch bei höherphasigem Wechsel- strom oder in einfachster Weise auch bei einphasigem Wechselstrom verwenden. Von praktischer Bedeu- tung ist er beispielsweise für den Tippbetrieb oder Tastbetrieb mittlerer und grosser Drehstrommotoren, insbesondere Induktionsmotoren. Er kann aber mit Erfolg auch benutzt werden für Schweissstromkreise,
Wechselstrombahnen, Lastregler von Umspannern Zweipunktwärmereglern, Sterndreieckumschaltung,
Polumschaltung von Asynchronmotoren, Selbstanlassschaltungen von Schleifringläufern, wobei der Antrieb der Nockenwelle der Schaltstrecken mit der Motorwelle gekuppelt sein kann, Anlassumspanner, Netzumschalter, periodische Umschalter, beispielsweise für Waschmaschinen, Gerbfässer, oder im Wendebetrieb, ferner für die Steuerung von Wechselstrom- bzw.
Drehstrommotoren bei Kränen, Aufzügen, Werkzeugmaschinen, Schiffsantrieben, Windkanälen, Bewässerungsanlagen, Förderanlagen oder Walzenzugmaschinen. In diesen Fällen bekommt man durch das sichere lichtbogenfreie Schalten nach der Erfindung unabhängig von Phasenverschiebungen des Verbrauchers zusätzliche Lebensdauer der Schaltgeräte und zusätzliche Möglichkeiten zu bedeutend grösseren Schalthäufigkeiten.
Der Grundgedanke der Erfindung kann auch auf das Einschalten angewendet werden, wenn es sich beispielsweise darum handelt, Spannungen einzuschalten, deren Phasenlage im Verhältnis zur Antriebsspannung der Nockenwelle der Fig. 2 und 3 veränderlich ist, wie es beispielsweise bei Netzumschaltern der Fall ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Drehstromschalter in Netzen ohne Nulleiter mit parallel zu den Schaltkontakten liegenden Dioden und synchron in den einzelnen Phasen gestaffelten Ausschaltzeitpunkten, wobei die Ausschaltzeitpunkte derart gewählt sind, dass die Unterbrechung bei praktisch allen im Arbeitsstromkreis normalerweise vorkommenden Phasenverschiebungen infolge gemischt ohmscher, induktiver Last Lichtbogenfrei erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Phase eine mit einer Diode überbrückte Schaltstrecke vorhanden ist und der Ausschaltzeitpunkt der zweiten Phase gegenüber der ersten um etwa 900, der Ausschaltzeitpunkt der dritten Phase gegenüber der ersten um etwa 2400 verzögert ist.