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Von einer Welle betätigter synchroner Ein- oder
Mehrphas enstrom- Leistungs schalter
Ein alter Wunsch der Elektrotechnik besteht darin, Wechselstrom-oder Drehstrom-Leistungskreise nach Möglichkeit lichtbogenfrei zu unterbrechen und einzuschalten. Die praktische Verwirklichung dieses Wunsches stösst auf die Schwierigkeit, dass die Vermeidung von Schaltlichtbögen in mechanischen Wechselstrom-bzw. Drehstromschaltern grösserer Leistung nur möglich ist, wenn die Schaltzeitpunkte bestimmte, sehr genau einzuhaltende Phasenlagen zum Wechselstrom bzw. zur Wechselspannung haben.
Einrichtungen zum synchronen Betätigen von Kontakten sind bekannt. Bei ihnen sind auch schon die mechanischen Schaltstrecken durch von einer synchron umlaufenden Welle angetriebenen Nocken gesteuert. Bei derartigen Einrichtungen wurden weiterhin Schaltstrecken durch Ventile überbrückt. Diese Ventile dienten jedoch lediglich dazu, kurzzeitig einen Bruchteil des Laststromes in einer dem Laststrom entgegengesetzten Richtung zu führen. Ihre Durchlassrichtung stimmt also nicht mit der Richtung des Energieflusses zum Verbraucher hin überein.
Weiterhin ist auch bereits eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der mechanische Schaltstrecken durch Ventile überbrückt werden, die für den Zeitraum einer Halbwelle den Energiefluss in Richtung zum Verbraucher übernehmen können. Eine Lehre, eine derartige Einrichtung mit einer Nockensteuerung für die mechanischen Schaltstrecken zu versehen, wie dies insbesondere für Mehrphasenschalter vorteilhaft
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undb) Die mechanischen Schaltstrecken werden durch eine synchron umlaufende Welle mit Hilfe von
Nocken betätigt. c) Die Welle wirkt jeweils nur zur Auslösung des gewünschten einzelnen Schaltvorganges auf die mechanischen Schaltstrecken ein.
Bei der Erfindung wirkt die synchron umlaufende Welle nicht kontinuierlich, sondern jeweils nur zur
Auslösung des gewünschten einzelnen Schaltvorganges auf die mechanischen Schaltstrecken ein. Dies kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden.
Beispielsweise kann man einen schnell anlaufenden Synchronmotor verwenden und diesen mit Hilfe eines Schalters bei jedem gewünschten Schaltvorgang vorübergehend in Betrieb setzen. Zweckmässigerweise wird dann die Wiederstillsetzung des Motors durch Hilfskontakte auf der Welle selbsttätig vorgenommen, derart, dass die Drehbewegung der Welle zum Stillstand, kommt, nachdem der Schaltvorgang beendet ist.
Statt des schnell anlaufenden und nur intermittierend arbeitenden Synchronmotor kann auch ein ständig laufender Motor verwendet werden, wenn zwischen dem Motor und der Welle eine Kupplung vorgesehen ist, die nur während der jeweilig gewünschten Schaltvorgänge kurzzeitig, beispielsweise elektromagnetisch, eingeschaltet wird, u. zw. derart, dass die Welle eine definierte Phasenlage zum Anker des Synchronmotor erhält. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass das Konstruktionsglied zwischen der Welle und den Kontakten, das letztere betätigt, teleskopartig derart ausgebildet wird, dass bei ständig umlaufender Welle die Kontakte sowohl im offenen als auch im geschlossenen Zustand gehalten werden können.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In Fig. l ist 1 ein Synchronmotor, 2 ein Verbraucher, 3 die umlaufende Welle mit Exzentern 4, 5, 6. Diese Exzenter betätigten Kontakte 7, 8, 9. Parallel zu den Kontakten liegen je zwei in Reihe geschaltete Dioden 10, 11, 12, welche durch Sicherungen 13,14, 15 vor Überlastung geschützt sein können.
Auf der Welle laufen zwei weitere Exzenter 16,17 um, welche Hilfskontakte 18,19 betätigen. Der Synchronmotor 1 wird mit Hilfe eines Drehstromschalters 20 ein-und ausgeschaltet, indem die Erregerspule dieses Schalters über die Leitung 21 beschickt wird. Die zu den Hilfskontakten 18,19 führenden Leitungen 22,23 können dabei mit 21 derart zusammengeschaltet werden, dass der Synchronmotor sich jeweils selbsttätig wieder abschaltet, wenn die Hauptkontakte 7,8, 9 in gewünschter Weise betätigt wurden.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung, bei der der Synchronmotor 1 ständig umläuft, die Welle jedoch mit Hilfe einer magnetischen Kupplung 24 nur vorübergehend an dieser Drehbewegung teilnimmt. Auch hier können die Leitungen 22,23 zu den Hilfskontakten 18,19 derart mit der Steuerleitung für die magnetische Kupplung zusammenarbeiten, dass nach erfolgtem Schaltvorgang im Hauptstromkreis die Kupplung sich selbsttätig wieder löst.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung. 30 ist eine umlaufende Welle, die Exzenter 31 bewegt. Auf dem Exzenter 31 arbeitet ein Stössel 32, der mit Hilfe der Feder 33 teleskopartig mit dem Rohr 34, das in einer Führungsbuchse 35 gleitet, verbunden ist. Die obere Stirnfläche des Rohres 34 schlägt gegen eine Kontaktbrücke 36, die sich durch eine Feder 37 gegen feste Kontaktstücke 38,39 legt und dadurch den Arbeitskontakt schliesst.
Bewegt sich der Stössel 32 bzw. 34 nach oben, so wird die Brücke 36 von den Kontakten 38,39 abgehoben, so dass der Arbeitsstromkreis unterbrochen ist. Die Bewegung des Rohres 34 kann durch Sperrstifte arretiert werden, u. zw. durch den Stift 41 in der Nähe der unteren Totlage, so dass der Arbeitskontakt 36 ständig geschlossen ist ; durch den Stift 40 in der Nähe der oberen Totlage, so dass der Arbeitskontakt 36 ständig geöffnet ist. Die Stifte 40,41 tragen Anker 42,43, welche durch Spulen 44,45 seitlich betätigt werden, so dass die Stifte das Rohr 34 freigeben.
Bei ständig umlaufender Welle 30 und ständig arbeitendem Stössel 32 kann durch Beschickung der Spulen 44,45 erreicht werden, dass der aus den festen Stücken 38, 39 und der bewegten Brücke 36 gebildete Doppelkontakt ständig geschlossen, ständig offen und auchin einem bestimmten, durch den Erregerstrom der Spulen 44,45 gegebenen Rhythmus abwechselnd geschlossen und geöffnet ist.
Da durch die Paralleldioden und die synchrone Betätigung der Arbeitskontakte die Lichtbogenbildung an letzteren praktisch vermieden werden kann, genügt es, besonders bei Doppelunterbrechung, wenn der Trennhub der mechanischen Schaltstrecken nur von der Grössenordnung 1 mm ist. Dies hat zur Folge, dass der Aufwand für den synchronen Antrieb der Kontakte verringert wird. Man kann auch die sonst bei Leistungsschaltern üblichen Löschkammern entbehren, da durch die Wirkung der parallelgeschalteten Dioden die Löschwirkung der Schalter ausserordentlich erhöht wird.
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Im Gegensatz zu den bekannten mechanischen Gleichrichtern ist es nicht erforderlich, dass die Welle mit voller Tourenzahl läuft, vielmehr kann sie-zur Schonung der mechanischen Beanspruchungen-im untersetzten Synchronismus arbeiten, beispielsweise bei 50 Hz mit 1-10 Umdr/sec. Die Geschwindigkeit der Welle wird man soweit verringern, dass gerade noch die genügende Genauigkeit der Schaltzeitpunkte im Verhältnis zur elektrischen Phase sichergestellt ist. Anderseits wird man aber auch darauf Rücksicht nehmen müssen, in welchem zeitlichen Rhythmus das Ein- und Ausschalten des Lastkreises aufeinander folgen soll.
Will man beispielsweise einen Wechselstrom in jeder zweiten Periode ein-und ausschalten, so muss die Welle bei 50 Hz mit mindestens 25 Umdr/sec umlaufen. Im allgemeinen werden Ein-und Ausschalt- zeitpunkte nicht so nahe beieinander liegen, so dass man mit langsam laufender Welle auskommt. Den Synchronmotor stattet man vorteilhafterweise mit einem Permanent-Magnetanker aus, damit von den beiden um 1800 versetzten Synchronlagen nur eine zur Wirkung kommt, nämlich diejenige, die mit der Richtung der zu den Schaltstrecken parallelliegenden Dioden zur Ermöglichung lichtbogenfreien Schaltens übereinstimmt. Wenn man Anordnungen wie in Fig. l benutzt, sollte der Synchronmotor in möglichst kurzer Zeit hochlaufen, denn die Betätigung der Arbeitskontakte 7-9 darf erst dann erfolgen, wenn der
Synchronmotor 1 im ordnungsgemässen Synchronismus läuft.
Man kann dies dadurch erreichen, dass man durch ein Schnecken- oder Zahnradgetriebe die Welle 3 gegenüber dem Motor 1 genügend untersetzt, so dass auf den Nockenscheiben genügend Anlaufstrecken zur Verfügung stehen. Auf alle Fälle ist es vorteilhaft, einen möglichst schnell anlaufenden Synchronmotor, beispielsweise einen Schrittmotor, zu verwen- den. Man kann vorteilhafterweise Vielpolmotoren benutzen, da diese schnell im Synchronismus fallen und ausserdem keine so grosse Untersetzung der Nockenwelle verlangen.
Da normalerweise bei der beschriebenen Anordnung keine Schaltentladungen auftreten, kann man die ganze Anordnung hermetisch von der Aussenatmosphäre abschliessen, so dass sie nicht durch Feuchtigkeit. Staub oder Aggressivgase, wie sie in Industriebetrieben auftreten, gefährdet werden. Man kann auch zur schnellen Löschung eventuell noch auftretender Schaltentladungen das Innere des Schaltgerätes mit einem lichtbogenl5chenden Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Schwefel-Hexa-Fluorid SF füllen.
Unter Umständen kommt auch Füllung mit Überdruck, mit Flüssigkeiten oder auch Vakuum in Frage.
Zweckmässigerweise macht man die Nocken auf der Welle einzeln einstellbar, damit man für jede
Phase den günstigsten Schaltzeitpunkt einstellen kann. Für Ein- und Ausschalten kann man zwei verschiedene Nocken benutzen, die getrennt voneinander eingestellt werden können. Bei Drehstrom werden die drei Phasen nicht gleichzeitig öffnen müssen, vielmehr kann man zwei Phasen gleichzeitig betätigen und die dritte etwa eine Halbwelle, je nach der Phasenlage, früher oder später. Durch Verstellung der Nocken auf der gemeinsamen Welle lassen sich die erforderlichen Versetzungen der Schaltzeiten gegeneinander auf einfache Weise erzielen.
Wenn die Phasenverschiebung des Verbrauchers festliegt, wie beispielsweise beim Antrieb eines einzelnen Induktionsmotors, kann man die Welle synchron mit der Spannung des Drehstromnetzes umlaufen lassen und die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung durch entsprechende Einstellung der Nokken auf der Welle berücksichtigen.
Wenn die Phasenverschiebung veränderlich ist und wenn man ausser stromlosem Ausschalten auch spannungsloses Einschalten wünscht, so kann man dem Synchronmotor eine Erregung geben, die teils synchron mit der Spannung, teils synchron mit dem Laststrom - beispielsweise über Stromwandler - ist.
Die beschriebene Anordnung eignet sich für mittlere und grosse Wechselstrom- und Drehstromleistungen. Insbesondere ist sie dann lohnend, wenn grössere Leistungen sehr oft geschaltet werden. In solchen Fällen ist oft der Abbrand üblicher, nichtsynchroner Schalter und Schütze unerwünscht gross. Die Anord- nungnachderErfindung ermöglicht es, diesen Abbrand praktisch ganz zu vermeiden. Damit wird es möglich, mit der beschriebenen Anordnung Schaltaufgaben zu lösen, bei denen die Schalthäufigkeit noch grösser ist als das heute praktisch Verlangte. Beispielsweise kann man mit der beschriebenen Anordnung einen Asynchronmotor durch periodisches Ein- und Ausschalten seines Ständer- oder Läuferstromes in der Tourenzahl regeln, indem das Tastverhältnis dieses Zweipunktreglers entsprechend geändert wird.
Man kann die beschriebene Anordnung mit Vorteil auch benutzen, um das Anfahren und Abbremsen von Wechselstrombahnen lichtbogenfrei zu gestalten. Die Anordnung eignet sich auch für Stelltransformatoren, die sehr oft geschaltet werden, um einen Strom oder eine Spannung konstant oder in gewünschtem Rhythmus zu regeln.
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Synchronous input or output actuated by a shaft
Multi-phase power circuit breaker
An old desire in electrical engineering is to interrupt and switch on AC or three-phase power circuits, if possible, without arcing. The practical realization of this wish comes up against the difficulty that the avoidance of switching arcs in mechanical alternating current or. Three-phase current switches of greater power is only possible if the switching times have certain phase positions that must be adhered to very precisely to the alternating current or alternating voltage.
Devices for synchronously actuating contacts are known. With them, the mechanical switching paths are also controlled by cams driven by a synchronously rotating shaft. In such devices, switching paths were bridged by valves. However, these valves were only used to briefly conduct a fraction of the load current in a direction opposite to the load current. Their forward direction does not match the direction of the energy flow to the consumer.
Furthermore, a device has also already become known in which mechanical switching paths are bridged by valves that can take over the flow of energy in the direction of the consumer for the period of a half-wave. A teaching to provide such a device with a cam control for the mechanical switching paths, as this is particularly advantageous for multi-phase switches
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and b) The mechanical switching paths are controlled by a synchronously rotating shaft with the aid of
Cam operated. c) The shaft only acts on the mechanical switching paths to trigger the desired individual switching process.
In the invention, the synchronously rotating shaft does not act continuously, but only for each
Triggering of the desired individual switching process on the mechanical switching paths. This can be accomplished in a number of ways.
For example, you can use a fast-starting synchronous motor and put it into operation temporarily with the help of a switch for each desired switching process. The motor is then expediently shut down automatically by auxiliary contacts on the shaft, in such a way that the rotary movement of the shaft comes to a standstill after the switching process has ended.
Instead of the fast-starting and only intermittently working synchronous motor, a continuously running motor can also be used if a coupling is provided between the motor and the shaft, which is only switched on briefly during the respective desired switching operations, for example electromagnetically, u. zw. Such that the shaft has a defined phase position to the armature of the synchronous motor. A third possibility is that the structural member between the shaft and the contacts, which the latter actuates, is designed telescopically in such a way that the contacts can be held both in the open and in the closed state when the shaft is constantly rotating.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. In Fig. 1, 1 is a synchronous motor, 2 is a consumer, 3 is the rotating shaft with eccentrics 4, 5, 6. These eccentrics actuated contacts 7, 8, 9. Parallel to the contacts are two diodes 10, 11, connected in series. 12, which can be protected from overload by fuses 13, 14, 15.
Two further eccentrics 16, 17 rotate on the shaft, which actuate auxiliary contacts 18, 19. The synchronous motor 1 is switched on and off with the aid of a three-phase switch 20 in that the excitation coil of this switch is fed via the line 21. The lines 22, 23 leading to the auxiliary contacts 18, 19 can be interconnected with 21 in such a way that the synchronous motor switches itself off again when the main contacts 7, 8, 9 have been actuated in the desired manner.
FIG. 2 shows another embodiment in which the synchronous motor 1 rotates continuously, but the shaft only temporarily takes part in this rotary movement with the aid of a magnetic coupling 24. Here, too, the lines 22, 23 to the auxiliary contacts 18, 19 can work together with the control line for the magnetic clutch in such a way that after the switching process in the main circuit, the clutch is automatically released again.
Fig. 3 shows another embodiment of the invention. 30 is a rotating shaft that moves eccentric 31. A plunger 32 works on the eccentric 31 and, with the aid of the spring 33, is telescopically connected to the tube 34, which slides in a guide bush 35. The upper end face of the tube 34 strikes against a contact bridge 36 which, by means of a spring 37, rests against fixed contact pieces 38, 39 and thereby closes the normally open contact.
If the plunger 32 or 34 moves upwards, the bridge 36 is lifted from the contacts 38, 39, so that the working circuit is interrupted. The movement of the tube 34 can be locked by locking pins, u. zw. by the pin 41 in the vicinity of the bottom dead center, so that the normally open contact 36 is constantly closed; by the pin 40 in the vicinity of the top dead center, so that the normally open contact 36 is constantly open. The pins 40, 41 carry anchors 42, 43 which are actuated laterally by coils 44, 45 so that the pins release the tube 34.
With a constantly rotating shaft 30 and a constantly working plunger 32, by feeding the coils 44, 45 it can be achieved that the double contact formed from the fixed pieces 38, 39 and the moving bridge 36 is constantly closed, constantly open and also at a certain rate due to the excitation current of the coils 44, 45 given rhythm is alternately closed and open.
Since the parallel diodes and the synchronous actuation of the working contacts can practically avoid arcing on the latter, it is sufficient, especially in the case of double interruption, if the separation stroke of the mechanical switching paths is only of the order of magnitude of 1 mm. This has the consequence that the effort for the synchronous drive of the contacts is reduced. It is also possible to dispense with the quenching chambers that are otherwise customary in circuit breakers, since the quenching effect of the switches is greatly increased by the action of the diodes connected in parallel.
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In contrast to the known mechanical rectifiers, it is not necessary for the shaft to run at full speed, rather it can - to protect the mechanical stresses - work in reduced synchronism, for example at 50 Hz with 1-10 rev / sec. The speed of the shaft will be reduced to such an extent that sufficient accuracy of the switching times in relation to the electrical phase is just ensured. On the other hand, one must also take into account the rhythm in which the switching on and off of the load circuit should follow one another.
For example, if you want to switch an alternating current on and off every second period, the shaft must rotate at 50 Hz with at least 25 rev / sec. In general, the switch-on and switch-off times will not be so close to one another, so that one can manage with a slowly rotating shaft. The synchronous motor is advantageously equipped with a permanent magnet armature so that only one of the two synchronous positions offset by 1800 comes into effect, namely that which corresponds to the direction of the diodes parallel to the switching paths to enable arc-free switching. If you use arrangements like in Fig. 1, the synchronous motor should run up in the shortest possible time, because the operation of the working contacts 7-9 may only take place when the
Synchronous motor 1 runs in proper synchronism.
This can be achieved by using a worm gear or toothed wheel gear to reduce the shaft 3 sufficiently in relation to the motor 1 so that sufficient run-up sections are available on the cam disks. In any case, it is advantageous to use a synchronous motor that starts up as quickly as possible, for example a stepper motor. It is advantageous to use multi-pole motors, since they quickly fall in synchronism and, moreover, do not require such a large reduction in the camshaft.
Since normally no switching discharges occur in the arrangement described, the entire arrangement can be hermetically sealed from the outside atmosphere so that it is not exposed to moisture. Dust or aggressive gases, as they occur in industrial plants, are at risk. The interior of the switching device can also be filled with an arc-quenching gas, for example hydrogen or sulfur-hexa-fluoride SF, to quickly extinguish any switching discharges that may still occur.
Under certain circumstances, filling with overpressure, with liquids or even vacuum is possible.
It is useful to make the cams on the shaft individually adjustable, so that you can for each
Phase can set the most favorable switching time. Two different cams, which can be set separately from each other, can be used for switching on and off. With three-phase current, the three phases do not have to open at the same time, rather two phases can be activated simultaneously and the third about a half-wave, depending on the phase position, earlier or later. By adjusting the cams on the common shaft, the required offsets of the switching times can be achieved in a simple manner.
If the phase shift of the consumer is fixed, such as when driving a single induction motor, the shaft can rotate synchronously with the voltage of the three-phase network and the phase shift between current and voltage can be taken into account by setting the cams on the shaft accordingly.
If the phase shift is variable and if you also want voltage-free switch-on in addition to switching off without current, you can give the synchronous motor an excitation that is partly synchronous with the voltage and partly synchronous with the load current - for example via a current transformer.
The arrangement described is suitable for medium and large AC and three-phase powers. It is particularly worthwhile when larger services are switched very often. In such cases, the burn-up of conventional, non-synchronous switches and contactors is often undesirably large. The arrangement according to the invention enables this burn-up to be avoided practically entirely. This makes it possible to use the arrangement described to solve switching tasks in which the switching frequency is even greater than what is practically required today. For example, the described arrangement can be used to regulate the number of revolutions of an asynchronous motor by periodically switching its stator or rotor current on and off by changing the pulse duty factor of this two-point controller accordingly.
The arrangement described can also be used to advantage to make the starting and braking of AC railways free of arcs. The arrangement is also suitable for variable transformers, which are switched very often in order to regulate a current or a voltage constantly or in the desired rhythm.