Synchronschalter mit elektrodynamischem Antrieb Gegenstand des Hauptpatentes 474143 ist ein Syn chronschalter mit vom abzuschaltenden Strom gespei stem elektrodynamischem Antrieb durch ein vom abzu schaltenden Strom (i1) durchflossenes Solenoid, das mit dem die Abschaltung bewirkenden Kontaktsystem in Reihe liegt. Das Solenoid besteht aus mindestens einer feststehenden Spule und einer beweglichen, gleichsinnig wie letztere durchflossenen Spule; zusätzlich ist eine mit dem Solenoid magnetisch verkettete, in sich kurzge schlossene feststehende Spule vorgesehen, in der von den Solenoidspulen ein Strom (i2) induziert wird, der gegenüber dem abzuschaltenden Strom (il) ungefähr 90 phasenverschoben ist.
Ferner sind Mittel vorgese hen, die eine der anziehenden Kraft zwischen den Sole noidspulen entgegenwirkende Hilfskraft erzeugen. Bei dem Synchronschalter nach dem Hauptpatent bleibt die Vorauslösezeit, d. h. die Zeit zwischen dem Beginn der Kontaktbewegung und dem Nulldurchgang des abzu schaltenden Stromes, auch bei beliebig grossen Strö men, oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes, der zur Erreichung der Löschdistanz erforderlich ist. Ferner entsteht, falls die synchrone Unterbrechung im Null durchgang nicht gelingt, eine steil ansteigende Wieder einschaltkraft, die eine schnelle Wiederschliessung des Kontaktsystems ermöglicht.
In einer Ausführungsform nach dem Hauptpatent ist vorgesehen, die Erzeugung der Hilfskraft durch ein vom abzuschaltenden Strom erregtes Magnetsystem auszulösen, das mit einem Anker versehen ist, der im Nulldurchgang des abzuschaltenden Stromes, d. h. eine halbe Periode vor dem zur Abschaltung angesteuerten Nulldurchgang, abfällt.
Demgegenüber wird der Gegenstand des Hauptpa tentes nach der vorliegenden Erfindung dadurch weiter gebildet, dass ein vom Strom (i2) der kurzgeschlossenen Spule erregtes Haltemagnetsystem mit einem Anker vorgesehen ist, der im Maximum des abzuschaltenden Stromes (il) abfällt und dadurch die Erzeugung der Hilfskraft auslöst. Dadurch wird erreicht, dass auch niedrige Ströme, die unterhalb des noch synchron unter- brechbaren Nennstromes liegen, quasi-synchron abge schaltet werden. Da nämlich die Erzeugung der in Aus schaltrichtung wirkenden Hilfskraft in jedem Falle erst im Maximum des abzuschaltenden Stromes beginnt, be trägt die Vorauslösezeit auch bei niedrigen Strömen höchstens eine Viertel Periode.
Eine Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es ferner, die Belastung des Solenoids dadurch herabzuset zen, dass parallel zu dem Solenoid eine oder mehrere Luftspulen geschaltet sind, deren magnetische Zeitkon stante t = L/R mit der mittleren Zeitkonstante des Solenoids übereinstimmt. Diese Luftspulen übernehmen in diesem Falle einen Teil des abzuschaltenden Stromes. Dadurch wird zwar der untere Grenzwert des Stromes, der noch synchrom abgeschaltet werden kann, entspre chend erhöht; das kann jedoch in Kauf genommen wer den, da, wie bereits dargelegt, auch Ströme unterhalb dieses Grenzwertes bei der vorliegenden Ausbildung des Synchronschalters noch quasi-synchron unterbrochen werden.
Mit Vorteil besteht das die Abschaltung bewirkende Kontaktsystem aus parallel zueinander geschalteten Spreizkontakten und einem verzögert öffnenden Ab- brennkontakt. Ein derartiges Kontaktsystem hat bei ge ringer Masse der beweglichen Kontakte eine grosse Stromtragfähigkeit im geschlossenen Zustand.
Bei einer Ausführungsform des Hauptpatentes ist die Reihenschaltung aus dem Solenoid und dem die Ab schaltung bewirkenden Kontaktsystem durch ein Haupt kontaktsystem überbrückt, das beim Normalbetrieb des Synchronschalters geschlossen ist. Das Hauptkontaktsy- stem ist pneumatisch durch einen Kolben angetrieben; zu seiner Öffnung ist ein vom abzuschaltenden Strom er regtes Magnetsystem mit einem Anker vorgesehen, der im Nulldurchgang des Stromes (il) abfällt und dadurch ein Ventil umschaltet. Durch das Umschalten des Ven tils wird der Gasdruck auf einer Seite des Kolbens er niedrigt.
Bei dem vorliegenden Synchronschalter kommt es darauf an, dass die Kommutierung des Stromes vom Hauptkontaktsystem auf das Solenoid und das Ab schalt-Kontaktsystem möglichst schnell erfolgt, damit sich der phasenverschobene Strom i2 noch vor dem Maximum des abzuschaltenden Stromes il voll ausbil den kann. Zweckmässigerweise sind daher bei einem Hauptkontaktsystem mit einem pneumatischen Antrieb der vorstehend erläuterten Art die Druckverhältnisse so gestaltet, dass durch das Umschalten des Ventils der Gasdruck auf einer Seite des Kolbens erhöht wird.
Das Auffüllen eines gegebenen Volumens bis zu einer be stimmten Druckdifferenz erfordert, wie bekannt, nur etwa die halbe Zeit wie die Entleerung des gleichen Volumens; ausserdem kann das Volumen auf der über druckseite des Kolbens in dessen Ausgangslage wesent lich kleiner gemacht werden als das Volumen auf der Niederdruckseite, so dass die Druckerhöhung auf der einen Seite des Kolbens zu einer wesentlich schnelleren Öffnung des Hauptkontaktsystems führt.
Zur weiteren Beschleunigung der Stromkommutie rung vom Hauptkontaktsystem auf Solenoid und Ab schalt-Kontaktsystem ist es ferner von Vorteil, die Kon takte des Hauptkontaktsystems als Doppel-Abhebekon takte auszubilden. Bei einem solchen Abhebekontakt kann nach Durchlaufen eines geringen Totganges eine sofortige Kontaktöffnung erfolgen; ausserdem entstehen zwei Lichtbögen, so dass die doppelte Lichtbogenbrenn- spannung als Kommutierungsspannung wirkt. Die Lichtbogenspannung kann ferner durch magnetische Blasung erhöht werden; dadurch lässt sich erreichen, dass die Lichtbogenspannung schneller als der Kontakt abstand ansteigt.
Die Zeichnung zeigt einen Synchronschalter als Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig.1 ist ein Längsschnitt durch den Synchronschalter dargestellt; die Figuren 2 bis 4 geben Teilschnitte durch den glei chen Schalter wieder. Fig. 5 zeigt ein Diagramm, an hand dessen die Funktion des Schalters erläutert wird.
Gemäss Fig. 1 besteht das Gehäuse des Schalters aus einem zylindrischen Isolierstoffrohr 5, das oben und unten durch Isolierstoffplatten 6 und 7 gasdicht abge schlossen ist. Der Schalter ist mit Druckgas (z. B. Luft oder SF") gefüllt, das sowohl als Löschgas wie als An triebsgas wirkt; der Hochdruckraum ist mit HD, die Niederdruckräume sind mit ND bezeichnet. Die Nieder druckräume ND sind mit dem Hochdruckraum HD durch einen nicht dargestellten Kompressor verbunden. Der obere Anschluss des Schalters ist mit 8, der untere mit 9 bezeichnet.
Das die Abschaltung bewirkende Kontaktsystem be steht aus einem Abbrennkontakt 10, der im Einschalt zustand an der düsenförmigen Öffnung 11 anliegt und mit einer elektrisch leitenden Schaltstange 12 verbun den ist, und parallel dazu liegenden Spreizkontakten 13. Die Spreizkontakte 13 werden durch nicht dargestellte Federn in Richtung des Pfeiles 14 gegen eine untere Kontaktplatte 15 gedrückt, die ihrerseits durch ein flexi bles Metallblech 16 mit der leitenden Schaltstange 12 elektrisch verbunden ist. Die Spreizkontakte 13 sind ferner durch Laschen 17 mechanisch mit der Schalt stange 12 derart verbunden, dass sie bei Bewegung der Schaltstange nach unten in eine Spreizstellung gebracht werden, die gestrichelt angedeutet und mit 13a bezeich net ist.
Der Hochdruckraum HD ist gegen den oberen Niederdruckraum ND im Einschaltzustand des Schal ters durch die Dichtungsplatte 1.9 abgeschlossen. Aus- serdem ist ein Schieber 18 vorgesehen, der den Hoch druckraum im Ausschaltzustand abschliesst. Das beschriebene Abschalt-Kontaktsystem ist bei Normalbetrieb des Schalters durch ein Hauptkontaktsy stem überbrückt, das aus zwei glockenförmigen, festen Kontaktstücken 20 und 21 und mehreren beweglichen Doppel-Abhebekontaktstücken 22 und 23 (vgl. Fig. 2) besteht.
Beim Normalbetrieb des Schalters fliesst dem nach der Strom il über den oberen Anschluss 8, die Kontaktstücke 20, 22, 23 und 21 zum unteren An- schluss 9.
Zum Antrieb des Kontaktsystems 10, 11, 13 über die Schaltstange 12 ist einerseits ein Differentialkolben 25, andererseits ein vom abzuschaltenden Strom durch flossenes Solenoid vorgesehen. Das Solenoid besteht aus einer mit einer Schaltstange 12 verbundenen beweg lichen Spule 0 und einer feststehenden Spule 1. Zusätz lich ist eine feststehende, in sich kurzgeschlossene Spule 2 vorgesehen. Der ohmsche Widerstand der Spule 2 ist mindestens dreimal so gross wie ihr induktiver Wider stand, so dass der in ihr induzierte Strom i2 gegenüber il um etwa 90 phasenverschoben ist.
Die Spulen 0 und 1 liegen gleichsinnig in Reihe; sie sind über nicht darge stellte, soweit erforderlich flexible Leitungen einerseits mit dem metallischen Zylinder 26 des Kolbens 25, an dererseits mit der Kontaktplatte 15 oder der leitenden Schaltstange 12 verbunden. Nach Öffnung des Haupt- kontaktsystemsfliesst also der Strom il vom oberen An- schluss 8 über die Spreizkontakte 13, die Spulen 0 und 1 und den Zylinder 26 zum unteren Anschluss 9.
Parallel zu dem Solenoid 0, 1 können eine oder mehrere Luftspulen geschaltet sein, deren magnetische Zeitkonstante L/R mit der mittleren Zeitkonstante des Solenoids übereinstimmt. Eine derartige Luftspule ist in Fig. 1 gestrichelt angedeutet und mit 3 bezeichnet. Bei Bestimmung der mittleren Zeitkonstante des Sole noids ist zu berücksichtigen, dass sich die Selbstindukti vität des Solenoids bei der Bewegung der Spule 0 etwas ändert. Die Luftspulen 3 haben den Vorteil, dass sie einen Teil des abzuschaltenden Stromes il, z. B. die Hälfte, übernehmen und dadurch das Solenoid 0, 1 ent lasten.
Das Hauptkontaktsystem wird durch einen Diffe rentialkolben 30 angetrieben. Zur Erzielung einer schnellen Öffnung des Hauptkontaktsystems ist der Dif ferentialkolben 30 massearm ausgeführt; er besteht aus Isoliermaterial von geringem spezifischem Gewicht, und sein unterer Ansatz ist ausgebohrt. Die Kontaktstücke 22 und 23 (s. Fig. 2 und 3) werden durch Drehhebel 31 betätigt, die bei Beaufschlagung des Differentialkolbens 30 durch eine Schaltstange 32 mitgenommen werden. Die Ausbildung der beweglichen Kontaktstücke 22 und 23 des Hauptkontaktsystems wird im einzelnen später erläutert.
Die Druckbeaufschlagung des Differentialkolbens 30 wird durch ein Doppelventil 35 gesteuert, dessen obere im Hochdruckraum liegende Öffnung normaler weise durch den Ventilteller 36 geschlossen und dessen untere im Niederdruckraum liegende Öffnung offen ist (Teller 37). Das Ventil 35 wird durch ein vom abzu schaltenden Strom il erregtes Magnetsystem 38 ge steuert, dessen Anker 39 mit der Ventilstange 40 ver bunden ist. Am oberen Ende der Ventilstange 40 ist eine Blattfeder 41 befestigt, die durch einen Drehhebel 42 von Hand gespannt werden kann.
Die Druckbeaufschlagung des - ebenfalls massearm ausgeführten - Differentialkolbens 25, durch den das Abschalt-Kontaktsystem 10, 11, 13 betätigt wird, wird durch ein Doppelventil 45 gesteuert. Die obere, im Hochdruckraum liegende Öffnung des Ventils 45 ist normalerweise durch einen Teller 46 verschlossen, wäh rend die untere Öffnung (Teller 47) normalerweise offen ist. Der obere Teller 46 ist über einen Drehhebel 48 und eine Zugdruckfeder 49 mit der Schaltstange 32 des Hauptkontaktsystems verbunden.
Die Feder 39 wirkt in der gezeichneten Stellung als Druckfeder, wodurch am Ventilteller 46 eine zusätzliche Dichtungskraft erzeugt und die Möglichkeit geschaffen wird, den Hochdruck raum HD mit Druckgas zu füllen. Die Schaltstange 50 des Doppelventils 45 ist ferner über einen Drehhebel 51 mit dem Anker 53 eines Magnetsystems 52 verbunden. Das Magnetsystem 52 umgibt einen oder mehrere Leiter 2a, die mit der Wicklung der kurzgeschlossenen festste henden Spule 2 in nicht dargestellter Weise in Reihe ge schaltet sind. Das Doppelventil 45 ist über die Rohrlei tung 54 mit dem Raum oberhalb des Differentialkol bens 25 verbunden.
Zur Steuerung des Schiebers 18 ist ein weiterer Dif ferentialkolben 56 vorgesehen, der über eine aus, Iso lierstoff bestehende Rohrleitung 57 mit dem Raum oberhalb des Differentialkolbens 25 verbunden ist; der Schieber 18 wird daher ebenfalls durch das Doppelven til 45 gesteuert.
Die Wirkungsweise des Schalters ist folgende: Soll abgeschaltet werden, so wird der Drehhebel 42 nach unten gedrückt. Dadurch wird die Blattfeder 41 gespannt; das Doppelventil 35 kann jedoch seine Stel lung in der Regel noch nicht ändern, da der Anker 39 durch das vom abzuschaltenden Strom il erregte Magnetsystem 38 festgehalten ist. Erst wenn der Strom il sich seinem Nulldurchgang nähert, kann der Anker 39 abfallen, so dass sich die Ventilstange 40 nach oben bewegt. Damit hebt sich der Ventilteller 36 ab und legt sich der Ventilteller 37 an, so dass Hochdruckgas in den Raum oberhalb des Differentialkolbens 30 einströmt.
Der Differentialkolben 30 bewegt sich dann nach unten, so dass die beweglichen Kontaktstücke 22 und 23 des Hauptkontaktsystems von den festen Kontaktstücken 20 und 21 abgehoben werden und der Strom il unmit telbar nach dem Nulldurchgang auf das Solenoid 0, 1 und die Spreizkontakte 13 kommutiert wird. Gleichzei tig wird durch den Hebel 48 die Feder 49, die mit der Ventilstange 50 des Doppelventils 45 verbunden ist, in Zugrichtung gespannt. Das Ventil 45 kann jedoch zu nächst seine Stellung noch nicht ändern, da die Ventil stange 50 durch den Anker 53 des Magnetsystems 52 noch festgehalten wird.
Der Strom i2, der im Leiter 2a fliesst, ist gegenüber dem abzuschaltenden Strom il um etwa 90 phasenverschoben; er geht also erst dann durch Null, wenn der abzuschaltende Strom il sein Maximum erreicht. In diesem Zeitpunkt fällt der Anker 53 ab und gibt das Doppelventil 45 frei; das Ventil 45 öffnet sich damit zum Hochdruckraum, so dass über die Rohrleitung 54 Druckgas auf die Oberseite des Diffe rentialkolbens 25 gelangt.
Durch die Beaufschlagung des Differentialkolbens 25 wird eine auf das Abschalt-Kontaktsystem 10, 13 einwirkende Ausschaltkraft aufgebaut; diese Ausschalt kraft kann sich jedoch zunächst noch nicht auswirken, da ihr eine durch das Solenoid 0, 1 mit der zusätzlichen Spule 2 erzeugte Haltekraft entgegensteht. Erst wenn die ansteigende Druckkraft des Differentialkolbens 25 grösser wird als die abfallende Haltekraft des Solenoids, kann sich die Schaltstange 12 nach unten bewegen.
Mit dieser Bewegung der Schaltstange 12 werden die Spreizkontakte 13 in die gestrichelt angedeutete Stellung nach aussen geschwenkt; gleichzeitig wird die Dichtungsplatte 19 von der Düse 11 abgehoben. Nach Durchlaufen eines kleinen Totganges bewegt sich der Abbrennkontakt 10 nach unten, wobei zwischen ihm und der Düse 11 ein Lichtbogen gezogen wird. Dieser Lichtbogen wird im Nulldurchgang durch das Druckgas, das durch die Düse 11 strömt, gelöscht.
Sollte unter ungünstigen Umständen eine synchrone Abschaltung nicht gelingen, so entsteht zwischen den Spulen 0 und 1 des Solenoids eine hohe Wiederein schaltkraft, so dass das Kontaktsystem 10, 11, 13 sofort wieder geschlossen wird. Der Schalter führt dann im nächsten Nulldurchgang einen weiteren Schaltversuch durch.
Ist die endgültige Abschaltung vollzogen, so bewegt sich der Schieber 18 unter dem Einfluss des Differen tialkolbens 56 nach rechts in die Schliesstellung. Die er forderliche Verzögerung gegenüber dem Schaltvorgang - unter Berücksichtigung einer eventuellen Schnellwie dereinschaltung und darauffolgender zweiter Synchron abschaltung - kann durch den Querschnitt der Rohr leitung 57 beeinflusst werden.
Anhand von Fig. 5 soll der Zeitverlauf der Ströme und Kräfte beim Ausschaltvorgang im einzelnen erläu tert werden.
Im Nulldurchgang 01 des Stromes i1 werden die Hauptkontakte 20, 22, 23, 21 geöffnet. Sofort danach wird der Strom i1 auf das Solenoid 0, 1 kommutiert. Da der Strom il die Spulen 0 und 1 gleichsinnig durch- fliesst, entsteht eine anziehende Kraft F10, die proportio nal i12 ist. Durch das Spulensystem 0,1 wird ferner ein magnetischer Fluss 012 erzeugt, der die Spule 2 durch setzt und dort eine EMK e2 erzeugt. Bei der angegebe nen Bemessung der Spule 2 (ohmscher Widerstand R2 mindestens dreimal so gross wie der induktive Wider sand wL2) ist der Strom i2 annähernd in Phase mit der EMK e2 und weist somit gegenüber i1 eine Phasenver schiebung von etwa 90 auf.
Die Kraft zwischen der feststehenden Spule 2 und der beweglichen Spule 0 ist proportional dem Produkt il - i2, da infolge der Reihen schaltung i0 = i1 ist. Daraus ergibt sich für die Kraft F20, die zwischen den Spulen 2 und 0 wirkt, unter den ge troffenen Annahmen ein Verlauf, wie er ebenfalls in Fig. 5 dargestellt ist. Man erkennt, dass die Kraft F20 die doppelte Netzkreisfrequenz 2w aufweist. Während ihrer ersten Halbwelle wirkt die Kraft F20 abstossend und damit im gleichen Sinne wie F10, während in der zweiten Halbwelle F20 der Kraft F10 entgegengerichtet ist. Die Addition der beiden Teilkräfte F10 und F20 er gibt die resultierende Kraft FT. Sie geht zur Zeit tvo vor dem Stromnulldurchgang 02 von i1 durch Null.
Im Zeitpunkt t", in dem der Strom il sein Maxi mum erreicht und der Strom i2 durch Null geht, beginnt durch Beaufschlagung des Differentialkolbens 25 der Aufbau einer Ausschaltkraft K, die der Kraft Fr entge- gengerichtet ist. Die Summe aus Fr und K wird im Punkt P gleich Null. Die Zeit zwischen 02 und P ist als Vorauslösezeit t" bezeichnet. Vom Zeitpunkt t, ab be wegt sich die bewegliche Spule 0 nach unten.
Die ent sprechende Antriebsenergie ist durch die schraffierte Fläche in Fig. 5 dargestellt.
Nach dem Stromnulldurchgang 02 steigt, falls der Strom il nicht unterbrochen wurde, die resultierende Kraft FT annähernd geradlinig und sehr steil an. Sobald sie den Wert K erreicht (Zeitpunkt t",), setzt der Be schleunigungsvorgang für die Wiedereinschaltung ein. Aus Fig. 5 ergibt sich, dass die Vorauslösezeit tv auch bei beliebig grossem Strom il stets grösser bleibt als die zur Erreichung der Löschdistanz erforderliche Mindest-Vorauslösezeit tvo.
Andererseits erkennt man aus Fig. 5, dass bei der Abschaltung sehr kleiner Ströme, bei denen die vom Solenoid ausgeübte Haltekraft Fr kleiner bleibt als der Endwert der Ausschaltkraft K. die Ausschaltbewegung frühestens im Zeitpunkt tm, d. h. höchstens eine Viertel Periode vor dem Nulldurchgang 02, einsetzen kann, da die Ausschaltkraft K erst in diesem Zeitpunkt zu entste hen beginnt. Die Abschaltung verläuft also auch in die sen Fällen quasi-synchron.
Die Figuren 2 und 3 zeigen Einzelheiten des Haupt kontaktsystems, wobei Fig. 2 einen Horizontalschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 einen Vertikal schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2 darstellt. Ge- mäss Fig. 2 weist das Hauptkontaktsystem acht beweg liche Kontaktstücke auf, und zwar sechs gutleitende, aus Kupfer bestehende Kontaktstücke 22 und zwei Kommu tierungskontaktstücke 23, die aus abbrennfestem Mate rial, z. B. Wolfram-Kupfer, bestehen. Die Kontakt stücke 22 werden durch Drehhebel 31 (vgl. Fig. 1), die Kontaktstücke 23 durch Drehhebel 31a (vgl. Fig. 3) an getrieben.
Wie ein Vergleich der Figuren 1 und 3 zeigt, haben die Drehhebel 31a beim Absenken der Schalt stange 32 einen grösseren Totgang als die Drehhebel 31, so dass die Kontaktstücke 23 etwas später von den festen Kontaktstücken 20 und 21 abgehoben werden als die Kontaktstücke 22. Ferner sind die Kommutierungs kontaktstücke 23, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, mit Lichtbogenhörnern 23a versehen. Beim Abheben der Kommutierungskontaktstücke 23 bilden sich zwei Lichtbögen, die durch magnetische Blaswirkung entlang den Hörnern 23a nach oben bzw. unten getrieben und verlängert werden. Dadurch entsteht eine hohe Kom mutierungsspannung, so dass der abzuschaltende Strom il in kürzester Zeit auf die innere Strombahn des Schal ters, d. h. das Solenoid 0, 1 und die Spreizkontakte 13, kommutiert wird.
Um zu vermeiden, dass die festen Kontaktstücke 20 und 21 des Hauptkontaktsystems zusätzliche Kurz- schlusswindungen für das Solenoid 0. 1 bilden, kann man diese Kontaktstücke in Segmente aufteilen, die durch isolierende Klebschichten wieder miteinander vereinigt sind. Dies ist für das untere Kontaktstück 21 in Fig. 2 dargestellt, wobei die Klebschichten mit 21a bezeichnet sind.
In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf das Magnetsystem 38 dargestellt,das zur Steuerung des Ventils 35 dient (Schnittlinie IV-IV in Fig. 1). Das Magnetsystem 38 ist ein unvollständiger Magnetkreis, der lediglich aus den Polschuhen 38a und 38b besteht, die die - im übrigen in Luft verlaufenden - magnetischen Feldlinien des im zylindrischen Anschlussleiter 9 fliessenden Stromes il aufnehmen. Auf den Polschuhen 38a und 38b liegt der Anker 39. Die auf den Anker 39 wirkende Haltekraft kann, falls erforderlich, durch eine magnetische Ab schirmung 38c vermindert werden, die einen Teil des vom Strom il erzeugten Flusses am Anker 39 vorbei führt.