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Von einer Welle betätigter synchroner Ein- oder Mehrphasenstrom-Leistungsschalter
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.
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Die Erfindung betrifft einen von einer Welle betätigten synchronen
Ein- oder Mehrphasenstrom-Leistungsschalter, bei dem die mechanischen bewegten Schaltkontakte
durch Starkstromdioden zur Vermeidung oder zur Verminderung von Schaltentladungen
überbrückt sind. Erfindungsgemäß werden die Schaltkontakte des Leistungsschalters
durch die synchron umlaufende Welle mit Hilfe von Nocken od. dgl. direkt betätigt,
wobei die Welle nicht kontinuierlich, sondern jeweils nur zur Auslösung des gewünschten
einzelnen Schaltvorganges auf die Schaltkontakte einwirkt.
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Durch die in den letzten Jahren entwickelten Starkstromdioden, insbesondere
Germanium- und Siliziumdioden, die Sperrspannungen bis zu 1000 V vertragen und Stromhalbwellen
bis zu 1000 A mit einem Spannungsabfall von der Größenordnung 1 V durchlassen, ist
es möglich geworden, das Problem des lichtbogenfreien Schaltens von Wechselstrom
praktisch zu verwirklichen, ohne daß extreme Anforderungen an die Genauigkeit der
zeitlichen Synchronisation des mechanischen Schaltvorganges mit dem Wechselstrom
gestellt zu werden brauchen. Das beruht darauf, daß bei der Parallelschaltung einer
Diode ein mechanischer Schalter stets dann lichtbogenfrei geöffnet werden kann,
wenn der öffnungszeitpunkt in diejenige Stromhalbwelle fällt, die für die parallelliegende
Diode durchlässig ist. Die Diode übernimmmt dann die Stromhalbwelle bis zu ihrem
Ende und unterbricht dann den Strom. Damit keine zweite Stromhalbwelle gleicher
Richtung wieder zustande kommt, muß bei Wechselstrom eine zweite Schaltstrecke in
der stromlosen Zeit öffnen.
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Dieses Verfahren verlangt also mechanische Schaltstrecken, die synchron
zum zu unterbrechenden Strom öffnen, wobei als Spielraum für den öffnungszeitpunkt
eine ganze Halbwelle oder doch ein nennenswerter Bruchteil einer Halbwelle zur Verfügung
steht. Etwas Ähnliches gilt für das Einschalten, da die zu den Schaltstrecken parallele
Diode während einer Zeit von der Größenordnung einer Halbwelle die Schaltstrecke
spannungsfrei macht. Der Literatur sind Hinweise zu entnehmen, nach denen es bei
Synchronschaltern nicht mehr neu ist, die mechanischen Schaltstrecken durch eine
synchron umlaufende Welle mit Hilfe von Nocken od. dgl. zu betätigen. Im allgemeinen
werden derartige Anordnungen jedoch indirekt von einer synchron angetriebenen Kontaktvorrichtung
gesteuert. In dieser Folge sind Relais, Hilfsstromkreise und Spannungsquellen zusätzlich
vorzusehen. Es ist auch bereits eine Synchronsteuerung bekanntgeworden; bei welcher
die Schaltstrecke des Leistungsschalters durch eine synchron umlaufende Welle direkt
betätigt wird. Bei dieser Anordnung liegen jedoch keine Starkstromdioden parallel
zu den mechanischen Kontakten. Vielmehr ist dort eine Reihenschaltung aus Widerstand
und Kondensator vorgesehen. Letztere ist jedoch nicht dazu geeignet, einen Starkstromfluß
während einer Halbwelle zu führen. Darauf aber beruht der Vorteil der Erfindung.
Im Gegensatz zu allen bekannten Anordnungen, bei denen für die Stromunterbrechung
lediglich der Zeitpunkt des Nulldurchganges zur Verfügung steht, wird nach der Erfindung
für die Unterbrechung der Zeitraum einer Halbwelle zur Verfügung gestellt. Damit
wird an die synchrone Steuerung nicht mehr die hohe Anforderung von Genauigkeit
gestellt wie bei den bekannten Anordnungen. An sich bekannte synchrone Steuerungen
zur Unterbreclmug eines Stromkreises reichen zur Erzielung des vorstehend erläuterten
Vorteils nicht aus.
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Da sowohl bei Wechselstrom als auch bei Drehstrom mit dem neuen Ein-
oder Mehrphasenstromschalter mehrere, nicht gleichzeitig schaltende Kontakte betätigt
werden müssen, bringt es Vorteile mit sich, die Schaltstrecken aller Phasen durch
eine gemeinsame, synchron umlaufende Welle zu betätigen. Diese Welle kann mit Nocken
versehen sein, welche
auf Nockenschalter einwirken; die Welle selbst
kann von einem Synchronmotor oder einem anderen synchron mit der Netzfrequenz arbeitenden
Kraftgeber angetrieben werden. Dabei ist es erforderlich, daß di;ser Antrieb jeweils
nur für einen Schaltvorgang wirksam ist, beispielsweise für das Einschalten oder,
zu einem anderen Zeitpunkt, für das Ausschalten. 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.
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Statt des schnell anlaufenden und nur intermittierend arbeitenden
Synchronmotors 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, und zwar derart, daß die Welle eine definierte Phasenlage zum Anker des Synchronmotors
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.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
In F i g. 1 ist 1 ein Synchronmotor, 2 ein Verbraucher, 3 die umlaufende Welle mit
Exzentern 4, 5, 6. Diese Exzenter betätigen 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, weiche 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.
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F i g. 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 mit der Steuerleitung für die
magnetische Kupplung derart zusammenarbeiten, daß nach erfolgtem Schaltvorgang im
Hauptstromkreis die Kupplung sich selbsttätig wieder löst.
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F i g. 3 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung. 30 ist eine umlaufende
Welle, die den 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, und zwar 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 Beschikkung 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 auch in
einem bestimmten, durch den Erregerstrom der Spulen 44, 45 gegebenen Rhythmus
abwechselnd geschlossen und geöffnet ist.
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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 parallel geschalteten
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 l bis 10 Umdrehungen je Sekunde. Die Geschwindigkeit
der Welle wird man so weit verringern, daß gerade noch die genügende Genauigkeit
der Schaltzeitpunkte im Verhältnis zur elektrischen Phase sichergestellt ist. Andererseits
wird man aber auch darauf Rücksicht nehmen müssen, in welchem zeitlichen Rhythmus
das Ein- und Ausschalten des Lastkreises aufeinanderfolgen soll. Will man beispielsweise
einen Wechselstrom in jeder zweiten Periode ein- und ausschalten, so muß die Welle
bei 50 Hz mit mindestens 25 Umdrehungen je Sekunde umlaufen. Im allgemeinen werden
Ein- und Ausschaltzeitpunkte 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 180° versetzten Synchronanlagen
nur eine zur Wirkung kommt, nämlich diejenige, die mit der Richtung der zu den Schaltstrecken
parallelliegenden Dioden zur Ermöglichung lichtbogenfreien Schattens übereinstimmt.
Wenn man Anordnungen wie in F i g. 1 benutzt, sollte der Synchronmotor in möglichst
kurzer Zeit hochlaufen, denn die Betätigung der Arbeitskontakte 7 bis
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 verwenden. Man kann vorteilhafterweise Vielpolmotoren benutzen, da diese schnell
in Synchronismus fallen und außerdem keine so große Untersetzung der Nockenwelle
verlangen.
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Da normalerweise bei der beschriebenen Anordnung ?:eine 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 lichtbogenlöschenden
Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Schwefel-Hexa-Fluorid SF, füllen. Unter
Umständen kommt auch Füllung mit Überdruck, mit Flüssigkeiten oder auch Vakuum in
Frage.
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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 in an sich bekannter
Weise 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.
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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 Nocken 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.
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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 Anordnung nach der Erfindung 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-
und 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 Stehtransformatoren, die sehr oft
geschaltet werden, um einen Strom oder eine Spannung konstant oder in gewünschtem
Rhythmus zu regeln.