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Antriebssystem für Synchronschalter Die synchrone Betätigung von Schaltern
ist im allgemeinen erst möglich und auch nur notwendig, wenn der abzuschaltende
Strom wesentlich größer als der Nennstrom des Schalters ist, beispielsweise das
Zwei- bis Vierfache des Nennstromes beträgt. Zudem müssen Synchronschalter auch
von Hand oder mittels eines Fernantriebes willkürlich .ein- und ausgeschaltet werden
können. Bei diesen willkürlichen Schalthand= lungen ist es zweckmäßig, die Kontakte
eines mehrpoligen Schalters im Gleichlauf zu bewegen, so daß insbesondere alle drei
Pole gleichzeitig einschalten. Andererseits darf aber durch die willkürliche Betätigung
des Schalters die Wirkungsweise des Synchronantriebes in keiner Weise gestört werden,
da sonst fehlerhafte Synchronabschaltungen zustande kommen könnten.
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Bisher wurde das Synchronschaltprinzip nur auf 162/s Hz-Einphasenschalter
angewendet, wobei die Antriebselemente für die willkürliche Betätigung des Schalters
zugleich auch für die synchrone Ausschaltung benutzt wurden. Infolge der großen
zu bewegenden Massen ließ sich bei dieser Anordnung jedoch nur eine Grobsynchronisierung
ausführen. Zudem war es unmöglich, bei einer nicht geglückten Synchronunterbrechung
eine sofortige Wiedereinschaltung kurz nach dem Stromnulldurchgang herbeizuführen.
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Bei dem Antriebssystem für Synchronschalter nach der vorliegenden
Erfindung mit einem vom zu unterbrechenden Strom beeinfiußten Synchronantrieb sind
die geschilderten Nachteile vermieden. Dieses Antriebssystem ist dadurch gekennzeichnet,
daß ein zusätzlicher Antrieb zur willkürlichen Ein- und Ausschaltung vorgesehen
ist, mit dem sich der Schalter nur dann betätigen läßt, wenn der zu unterbrechende
Strom unterhalb der zur Betätigung des Synchronantriebes vorbestimmten Mindeststromstärke
i," liegt, wobei i"= beispielsweise dem zwei- bis vierfachen Effektivwert des Nennstromes
entspricht. Es kann aber auch zweckmäßig sein, beispielsweise für Ofenschalter,
die Mindeststromstärke i," gleich oder kleiner als den Nennstrom zu machen, damit
Schaltarbeit und Abbrand bei den häufigen betriebsmäßigen Schaltungen möglichst
klein werden.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems
für einen dreipoligen Synchronschalter nach der Erfindung, wobei der übersichtlichkeit
halber nur ein Pol vollständig dargestellt ist, während die beiden anderen Pole,
soweit dies zum Verständnis erforderlich ist, gestrichelt angedeutet sind. Die Fig.
3 und 4 zeigen verschiedene Ansichten einer bei dem dargestellten Antriebssystem
verwendeten Magnetkupplung. In den Fig. 1 und 2 bedeuten 1 und
2 die Anschlüsse, 3 die Löschdüse und 4 die Lichtbogenelektrode des Schalters.
Mit 5 ist der bewegliche Kontakt bezeichnet, dem der Strom über die Kontakttulpe
6 zugeführt wird. Der zu unterbrechende Strom il erregt ein Magnetsystem mit einem
ringförmigen Kern 7, der einen Luftspalt 8 aufweist. Im Luftspalt 8 ist ein drehbarer,
winkelförmiger Leiter 9 angeordnet, dessen längerer Schenkel über Litzen 10 und
11 mit einet Zusatzwicklung 12, die von dem Fluß 0 des Kernes 7 durchsetzt wird,
in Reihe geschaltet ist. Die Zusatzwicklung 12 und der längere Schenkel des Leiters
9 bilden einen Sekundärkreis des Magnetsystems 7. Der Sekundärkreis kann durch einen
Kontakt 13, der über eine leichte Isolierstange 14 mit einem auf Erdpotential angeordneten
Magnetsystem 15 in Verbindung steht, geschlossen oder geöffnet werden. Die entsprechenden
Isolierstangen und Magnetsysteme der anderen Pole sind mit 14 a, 14 b bzw.
15 a, 15 b bezeichnet. An Stelle einer Unterbrechung des Sekundärstromes
i2 können auch mechanische Blockierungen der Leiter 9 zur Anwendung gelangen, die
über die Isolierstangen 14, 14a,
14b betätigt werden.
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Ist der Kontakt 13 geschlossen, so wird in dem Sekundärkreis 9/12
durch den veränderlichen Fluß 0 des Magnetsystems 7 ein Strom 12 erzeugt. Es läßt
sich eine so kleine magnetische Zeitkonstante des Sekundärkreises L2/R2 (z. B. 10-s
Sekunden) erreichen, daß der Strom 1, gegenüber dem Fluß 0 und damit auch gegenüber
dem Primärstrom il nur um
wenig mehr als 90° e1. nacheilt. Unter
diesen Umständen wird der bewegliche Kontakt 5 bei genügend großem Primärstrom il
synchron- betätigt derart, daß dieser Kontakt bei fallendem Primärstrom il in die
Ausschaltstellung geht. Gelingt die synchrone Unterbrechung des Stromes. il im Nulldurchgang
nicht, so wird der Kontakt 5 bei wieder ansteigendem Primärstrom in die gezeichnete
Einschaltstellung zurückgeführt. Diese Wirkungsweise kommt dadurch zustande, daß
der dem Primärstrom il um wenig mehr als 90° e1. nacheilende Sekundärstrom i2 zusammen
mit der Luftspaltinduktion B, die in Näherung phasengleich mit il verläuft, eine
Kraft F(t) =l-i?*B(t) erzeugt, wobei l die aktive, vom Strom i. durchflossene
Länge des Leiters 9 bedeutet. Das System, bestehend aus dem Magnetkreis 7, dem Leiter
9, der Zusatzwicklung 12 und dem Kontakt 13, stellt somit den eigentlichen Synchronantrieb
dar.
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Der zusätzliche Antrieb besteht aus dem für alle drei Pole gemeinsamen
Zylinder 16 mit dem Kolben. 17, dem Ausschaltventil 18, dem Einschaltventil 19 nebst
den zugehörigen Erregerwicklungen 20 bzw. 21. Der Kolben 17 wirkt über den Hebel
22, der an der gemeinsamen Achse 23 befestigt ist, auf die Isolierstangen 24,
24 a, 24 b ein, mit denen die Lenker 25, 25a, 25b verbunden sind.
Da de Bewegung in den drei Polen gleichartig verläuft, wird im folgenden nur auf
den ausgezogen dargestellten Pol Bezug genommen. Der Lenker 25 trägt an seinem oberen
Ende den klinkenförmigen Magnetanker 26. Dieser wird durch die Feder 27 gegen das
rechte Ende des Leiters 9 gedrückt, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen
dem Kolben 17 und dem beweglichen Kontakt 5 gewährleistet ist. Der Anker 26 gleitet
längs der Polschuhe 28, 29 des vom Primärstrom il erregten Zusatzmagnetsystems 30.
Bei Überschreiten eines vorgegebenen Mindeststromes i"1 wird der Anker 26 entgegen
der Kraft der Feder 27 gegen die Polschuhe 28, 29 gezogen, wodurch die kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Leiter 9 und dem Anker 26 aufgehoben wird; der Synchronantrieb
ist damit von dem willkürlichen Antrieb entkuppelt und kann sich vollkommen frei
ohne irgendwelche zu beschleunigende Zusatzmassen bewegen. Im folgenden wird die
Anordnung aus Anker 26, Feder 27 und Magnetsystem 30 als Magnetkupplung bezeichnet.
31 ist der gemeinsame Betätigungsschalter, dessen Spule 32 im Störungsfall vom Überstrom-
oder Selektivschutz eingeschaltet wird, wobei E und A die Ein- bzw. Ausschaltstellung
bedeuten, 33 ist die Betätigungsstromquelle für den willkürlichen Antrieb. Mit 34
ist schließlich noch eine Tellerfeder bezeichnet, auf die der bewegliche Kontakt
5 beim Ausschalten auftrifft. Die Bedeutung der Feder 34 für das Wiedereinschalten
wird weiter unten beschrieben.
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Nachfolgend werden nun die m einem elektrischen Netzbetrieb erforderlichen
Schalthandlungen an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert.
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a) Willkürliches Ein- und Ausschalten im Nennstrombereich (1l G i11)
Der Betätigungsschalter 31 wird beispielsweise von Hand in die gezeichnete Stellung
E gelegt, wodurch die Spule 21 des Ventils 19 erregt wird. Der Kolben 17 und damit
die Isolierstangen 24, 24 a, 24 B bewegen sich nach oben, der Leiter 9 dreht sich
im Gegenzeigersinn, wodurch der Kontakt 5 in die gezeichnete Einschaltstellung kommt;
dies gilt für alle drei Pole. Wird der Betätigungsschalter 31 in die Stellung A
umgelegt, so hat dies die Erregung der Ausschaltspule 20 des Ventils 18 zur Folge;
der Kolben 17 bewegt sich nach unten, wodurch der Schalter mit allen drei Polen
in die Ausschaltstellung übergeht. Aus Gründen, die unter Punkt d) näher erläutert
werden, müssen gleichzeitig die Magnetsysteme 15, 15 a, 15 b erregt und damit
die zugehörigen Kontakte 1.3 geschlossen werden. b) Einschalten auf Kurzschluß Der
Einschaltvorgang vollzieht sich genau so, wie er unter a) dargelegt wurde. Unmittelbar
vor der galvanischen Berührung zwischen den Kontakten 3 und 5 tritt im allgemeinen
ein Lichtbogen auf, der Kurzschlußstrom steigt an, der Schalter geht jedoch in seine
Endstellung, und zwar einmal unter der Wirkung des Kolbens 17, solange die Magnetkupplung
noch nicht angesprochen hat, zum anderen auch infolge der im bewegten System gespeicherten
kinetischen Energie.
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Liegt der Kurzschlußstrom über dem Mindeststrom i"s, so wird in den
entsprechenden Polen die Magnetkupplung gelüftet und fällt auch während des Stromnulldurchganges
nicht wieder ein. Ein synchrones Ausschalten ist jedoch vorerst nicht möglich, da
der Kontakt 13 noch offen ist.
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Spricht nun beispielsweise .ein Überstrom- oder Selektivschutz an,
so wird die Spule 32 erregt und der Betätigungsschalter 31 in die Stellung A übergeführt.
Dies hat zur Folge, daß nun die Magnete 15, 15 a, 15 b erregt werden
und die zugehörigen Kontakte 13 sich schließen. Sowie in einem der drei Pole der
Strom zu fallen beginnt, bewegt sich der zugehörige bewegliche Kontakt 5 synchron
in Ausschaltrichtung. Bei zweipoligem Kurzschluß wäre dies in zwei Phasen gleichzeitig
der Fall, bei dreipoligem Kurzschluß würde zunächst der Strom in einem Pol (erstlöschend)
unterbrochen, worauf sich die beiden anderen Pole im Gleichlauf öffnen und die synchrone
Unterbrechung herbeiführen. Es ist von großer Bedeutung, daß mit dem Ausschaltbefehl
sich sofort auch der Kolben 17 in die Ausschaltstellung begibt. Dies hat zur Folge,
daß z. B. bei zweipoligem Kurzschluß der nicht vom Kurzschluß betroffene Pol ebenfalls
in die Ausschaltstellung mitgenommen wird. Da hierbei kein überstrom zu unterbrechen
ist, kann die Schaltbewegung willkürlich (asynchron) erfolgen, ohne daß eine überbeanspruchung
des Löschsystems auftritt. Ist in den Stromnulldurchgängen die synchrone Abschaltung
erfolgt, so befinden sich sämtliche Leiter 9 in der Ausschaltstellung, ebenso die
Anker 26. Da der Primärstrom il Null ist, werden die Leiter 9 wieder mit den Magnetankern
26 verklinkt; der Schalter ist bereit für eine Wiedereinschaltung. Sollte in einem
oder zwei Polen die synchrone Abschaltung nicht zustande gekommen sein, so werden
die zugehörigen Leiter 9 wieder in die Einschaltstellung, gebracht, und es erfolgt
dann beim nächsten Stromnulldurchgang erneut eine synchrone Unterbrechung. Der willkürliche
Antrieb bleibt zunächst bei gelüfteter Magnetkupplung in der Ausschaltstellung stehen.
Sobald in den vom Kurzschluß betroffenen Polen die Unterbrechung des Stromes gelungen
ist, fallen auch hier die Magnetkupplungen ein; damit ist der Schalter wieder einschaltbereit.
An
die Magnetkupplung, bestehend aus dem Magnetsystem 30, dem Anker 26 und der Feder
27, sind folgende Forderungen zu stellen: Bei einer erfolgreichen synchronen Ausschaltung,
wobei der Primärstrom il von seinem Nulldurchgang an verschwindet, muß der Anker
26 unter dem Einfluß der Feder 27 beispielsweise in einer Millisekunde oder weniger
abfallen. Ist jedoch die synchrone Abschaltung nicht zustande gekommen, so darf
zwar der Anker 26 in der Umgebung des Nulldurchganges sich etwas in Abfallrichtung
bewegen, muß aber durch den erneut ansteigenden Fluß im Magnetsystem 30 sofort wieder
angezogen werden. Tatsächlich haben Versuche gezeigt, daß bei nicht erfolgreicher
Synchronabschaltung der Anker um etwa 20 % seines Abfallweges sich bewegt, ohne
daß hierbei jedoch ein Wiedereinkuppeln mit dem Hebel 9 zustande kam. c) Ausschalten
unter Kurzschluß (11 > im)
Dieser Vorgang entspricht vollkommen der bereits
unter b) geschilderten Ausschaltung bei Ansprechen des überstromschutzes.
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d) Ausschalten mit Umschlagstörung Wird beispielsweise ein leerlaufender
Transformator willkürlich abgeschaltet, so bewegen sich zunächst die Kontakte 5
in Ausschaltrichtung, wobei sehr schwache und daher instabile Lichtbögen gezogen
werden. Es ist nun möglich, daß z. B. einer dieser Bögen vorzeitig abreißt, wodurch
eine Überspannung entsteht, die zu einem Überschlag in der Anlage führen kann. Es
setzt dann ein Kurzschlußstrom ein, der bis zum vollen Stoßkurzschlußstrom anwächst.
Dieser Stoßkurzschlußstrom fließt bei allen bekannten Schaltern über die bereits
fast vollständig geöffnete Schaltstrecke, wodurch eine extrem hohe thermische und
mechanische Beanspruchung entsteht. Beim Synchronschalter hat der ansteigende Stoßkurzschlußstrom
zur Folge, daß die entsprechenden Magnetkupplungen sofort gelüftet werden. Die Leiter
9 in den vom Kurzschlußstrom betroffenen Polen bewegen sich während des ansteigenden
Kurzschlußstromes mit großer Geschwindigkeit im Gegenzeigersinn, wodurch die, betreffenden
Schaltstrecken wieder kurzgeschlossen werden. Die Auswirkungen des Stoßkurzschlußstromes
sind damit auf ein ungefährliches Maß herabgesetzt. Sowie der Strom wieder zu fallen
beginnt, erfolgt die synchrone Abschaltung in der bereits geschilderten Weise. Zur
Beherrschung von Umschlagstörungen ist es somit notwendig, mit dem Ausschaltkommando
gleichzeitig auch die Kontakte 13 zu schließen, denn nur wenn der Sekundärkreis
geschlossen ist, kann im Augenblick der Umschlagstörung die sofortige Wiedereinschaltung
herbeigeführt werden.
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Der erfindungsgemäße elektrodynamische Antrieb, bestehend aus einem
synchronen und einem zusätzlichen willkürlichen Antrieb, genügt somit allen zu stellenden
Anforderungen.
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Abschließend soll noch kurz die Bedeutung des federnden Anschlages
34 in Fig. 1 besprochen werden. Bei einer nicht erfolgreichen synchronen Abschaltung
ist es, wie dargelegt, wichtig, daß die Kontakte 5 möglichst schnell wieder in die
Einschaltstellung gebracht werden. Dies bewirkt an sich der Synchronantrieb selbsttätig.
Rechnung und Versuch lehren jedoch, daß hierzu immerhin Zeiten von 2 bis 3 ms notwendig
sind. Man kann nun diese Zeit etwa auf die Hälfte verringern, wenn die in der Feder
34 gespeicherte Federenergie zur Wiedereinschaltung mit ausgenutzt wird; der Schalter
arbeitet dann mit »Rückprall«. So vorteilhaft die Feder 34 bei einer nichterfolgreichen
Ausschaltung ist, so muß ihre Wirkung andererseits nach einer erfolgreichen synchronen
Abschaltung aufgehoben werden, da sonst die Gefahr besteht, daß durch den Rückprall
die Kontakte 5 wieder annähernd in die Einschaltstellung zurückschwingen. Dieser
Mangel kann durch folgende Maßnahme beseitigt werden: Die Ausschaltbewegung des
willkürlichen Antriebes hat so schnell zu geschehen, daß bei einer erfolgreichen
synchronen Unterbrechung ein allfälliges Zurückprellen der br,-weglichen Kontakte
unschädlich gemacht wird, indem die Wiedereinkupplung zwischen den Leitern 9 und
den Ankern 26 bei einem Kontaktabstand erfolgt, der mindestens der Löschdistanz
entspricht.