-
Wechselstromleistungsschalter Es ist bekannt, bei einem elektrischen
Wechselstromleistungsschalter zur Erleichterung der Abschaltbedingungen parallel
zur Schaltstrecke ein Ventil, insbesondere einen Halbleitergleichrichter, zu schalten.
Dieses Ventil übernimmt einen Teil des Stromes und erhöht das Ausschaltvermögen
des Schalters. Ein solches Ventil parallel zum Schalter kann aber nur wirksam werden,
wenn die Lichtbogenspannung des Schalters größer als die Brennspannung bzw. die
Schwellspannung des Ventils ist. Man kann daher ein solches Ventil nur bei Schaltern
mit verhältnismäßig großer Lichtbogenspannung verwenden.
-
Die Erfindung zeigt einen Weg, um die Wirksamkeit des Ventils, das
parallel zum Schalter liegt, zu verbessern. Gemäß der Erfindung wird kurz vor dem
Nulldurchgang des Stromes in dem Nebenweg zum Schalter, in dem das Ventil liegt,
beispielsweise vermittels eines gescherten Wandlers, eine Spannung erzeugt, die
mindestens bis zum Nulldurchgang des Stromes besteht und die einen Strom durch das
Ventil treibt, der die gleiche Richtung hat wie der abnehmende Strom in der Schaltstrecke.
Durch die Einfügung dieser Zusatzspannung ist es möglich, solche Ventile auch wirksam
bei Schaltern mit niedriger Brennspannung anzuwenden, z. B. bei Vakuumschaltern
oder solchen mit SFe als Löschmittel. Man kann sie aber auch bei anderen Schaltern
anwenden, bei denen sonst die gewünschte Abschaltleistung durch starke Einwirkung
des Löschmittels, z. B. des Öls, notwendig ist und daher eine hohe Brennspannung
entsteht. Man kann jetzt die Einwirkung des Löschmittels auf den Lichtbogen herabsetzen
und dafür die Erfindung anwenden. Man erhält dadurch einen Schalter mit geringer
Lichtbogenleistung, was eine wesentliche Verbilligung des Schalters bedeutet, ohne
daß das Ausschaltvermögen verringert wird. Durch die Anordnung nach der Erfindung
wird zwar die Steilheit des Stromes im Nulldurchgang vergrößert, wodurch das Schaltvermögen
herabgesetzt würde. Gleichzeitig wird aber die Änderung der Lichtbogenspannung nach
der Zeit im Bereich des Stromnulldurchganges verringert, und zwar in einem solchen
Maße, daß sie die Zunahme der Steilheit des Stromes in der Nähe des Nulldurchganges
überwiegt, so daß günstigere Löschbedingungen geschaffen werden. Das trägt dazu
bei, daß das Abschaltvermögen des Schalters erhöht werden kann oder daß bei gleichbleibendem
Abschaltvermögen der Schalter dagegen wesentlich billiger gebaut werden kann.
-
Als Mittel, um die gewünschte Spannung in Reihe mit dem Ventil zu
erzeugen, kann man einen gescherten Wandler verwenden, d. h. einen Wandler mit ausgesprochen
scharfen Knickpunkten in der Magnetisierungskurve, wobei jedoch die Verbindungsleitung
beider Knickpunkte schräg zur Abszissenachse verläuft. Ein solcher Wandler besitzt
in an sich bekannter Weise einen Eisenkern mit Luftspalt. Ein solcher gescherter
Wandler erzeugt kurz vor dem Nulldurchgang des Stromes eine Spannung, die bei richtiger
Wahl der Polarität der Sekundärwicklung, die mit dem Ventil in Reihe geschaltet
ist, einen Strom über das Ventil treibt, der dieselbe Richtung wie der abnehmende
Strom in der Schaltstrecke hat. Zweckmäßig wird man den Wandler so bemessen, daß
er ungefähr zehn Zeitkonstanten des Lichtbogens vor dem Nulldurchgang des Stromes
aus der Sättigung kommt.
-
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
-
In F i g. 1 ist mit 1 der Leistungsschalter bezeichnet. Der gescherte
Wandler ist mit 2 bezeichnet, seine Primärwicklung mit 3 und seine Sekundärwicklung
mit 4. Diese liegt in Reihe mit dem Ventil 5 parallel zum Schalter 1. Dabei ist
der Anschluß bzw. Wicklungssinn so getroffen, daß die Wicklung 4 einen Strom über
das Ventil 5 treibt, der die gleiche Richtung hat wie der abnehmende Strom in der
Schaltstrecke 1.
-
In F i g. 2 ist die Charakteristik des gescherten Wandlers dargestellt,
und zwar der Fluß 0 über der Ampere-Windungszahl N, J.
-
Sobald der Strom sich dem Nullwert nähert, kommt der Wandler aus der
Sättigung, und es entsteht an der Wicklung 4 eine Spannung, die zusammen
mit
der Lichtbogenspannung des Schalters einen Strom über das Ventil 5 treibt, der die
-gleiche Richtung hat wie der abnehmende Strom im Schalter.
-
In F i g. 3 sind die Verhältnisse in der Nähe des Nulldurchganges
dargestellt. Der Strom 1 ist der Leitungsstrom. Zur Zeit t1 beginnt der Wandler
4
eine Sekundärspannung zu erzeugen. Infolgedessen fließt ein Strom 15' über
-das Ventil, -,während der Strom I1 über dem Schalter entsprechend abnimmt. Wenn
der Strom Ii im Nulldurchgang gelöscht wird, folgt der Strom 15 wieder dem
Strom I, bis auch dieser zu Null wird. Um zu verhindern, daß in der nächsten
Halbwelle ein Rückstrom über das Ventil s fließt, ist noch ein Reststromschalter
6 vorgesehen, der' nach dem Nulldurchgang des Stromes I5 während der Sperrzeit des
Gleichrichters geöffnet wird.
-
Die Anordnung nach F i g. 1 arbeitet nur in einer Stromrichtung. Will
man in beiden Stromrichtungen arbeiten, so kann man zwei in Reihe geschaltete Schaltstrecken
mit ihren Nebenwegen vorsehen, wobei die Ventile in den beiden Nebenwegen in an
sich bekannter Weise unterschiedliche Durchlaßrichtung besitzen. Dies ist in F i
g. 4 dargestellt. Soweit die Teile mit denen der F i g. 1 übereinstimmen, sind die
gleichen Bezugszeichen gewählt. Der gescherte Wandler 2 besitzt hier zwei
Sekundärwicklungen 4
und 4', außerdem ist noch eine Leistungsunterbrechungsstelle
1' vorgesehen, zu der die Sekundärwicklung 4' in Reihe mit dem Ventil 5' parallel
liegt. Je nachdem, welche Halbwelle fließt, löscht der Schalter 1 oder
1'. Löscht beispielsweise in der positiven Halbwelle der Schalter 1, so erlischt
dann auch der Schalter 1', da der Gleichrichter 5 sperrt. Ein Reststromschalter
wird bei dieser Anordnung nicht benötigt.
-
Im-Normalbetrieb, wenn die Schalter 1 und 1' geschlossen sind; fließt
in den Sekundärwicklungen 4 bzw. 4' auch nach dem Nulldurchgang des Schalterstromes
.so lange ein Strom, bis die Ummagnetisierung der Wandler beendet ist. Um die damit
verbundene verhältnismäßig hohe Belastung der Gleichrichter zu vermeiden, ist in
F i g. 4 noch ein sogenannter Abschneider 8 parallel zur Primärwicklung 3 des Wandlers
2 geschaltet. Dieser Abschneider 8 (Drosselspule) wird so bemessen, daß das Produkt
aus Windungszahl und Querschnitt dieser Drosselspule kleiner ist als das Produkt
aus Primärwindungszahl und Querschnitt des gescherten Wandlers 2. Es wird dadurch
erreicht, daß nach dem Nulldurchgang, wenn der Abschneider 8 ummagnetisiert worden
ist,- die Spannung an der Wicklung 2 praktisch zusammenbricht, so daß auch in den
Sekundärwicklungen 4 und 4' nur geringe Spannungen entstehen. Da aber
dafür gesorgt werden muß, daß der gescherte Wandler 2 bis kurz vor dem nächsten
Stromnulldurchgang ummagnetisiert ist, so daß er wieder in die entgegengesetzte
Sättigung kommt, liegt noch in Reihe mit dem Abschneider ein ohmscher Widerstand
9, an dessen Stelle auch die Verluste des Abschneiders treten können. Es wird dadurch
bewirkt, daß noch eine kleine Spannung an der Wicklung 3 herrscht, so daß der Kern
des Wandlers 2 ummagnetisiert wird, ohne daß aber eine zu große Spannung an der
Wicklung auftreten kann. Die Bemessung muß dabei so getroffen werden, daß kurz vor
dem Nulldurchgang die Ummagnetisierung vollendet ist.
-
Parallel zu den Schaltstrecken 1 bzw. 1' liegen Kondensatoren 7 bzw.
T, die zur Spannungsaufteilung dienen. Sie verringern gleichzeitig den Nachteil
des Trägerstaueffektes. Sie könnten auch parallel unmittelbar zu den Ventilen liegen,
da die Wicklungen 4 bzw. 4' nur einen geringen Widerstand besitzen.
-
Während bei der Anordnung nach F i g. 4 die Primärwicklung des Wandlers
zwischen den beiden Schaltstrecken liegt, liegt sie bei der Anordnung nach F i g.
5 in Reihe zu der Reihenschaltung aus den beiden Schaltstrecken 1 und
1'. Mit 3 ist wieder die Primärwicklung bezeichnet, mit 4" die Sekundärwicklung,
die eine Mittelanzapfung besitzt. Der eine Teil der Sekundärwicklung liegt über
das Ventil s parallel zur Schaltstrecke 1, der andere Teil über das Ventil 5' parallel
zur Schaltstrecke 1'. Mit 7 und 7' sind wieder die parallelliegenden Kondensatoren
bezeichnet.
-
Bei der Anordnung nach F i g. 4 wurde im geschlossenen Zustand des
Schalters eine zu große Beanspruchung der Ventile dadurch vermieden, daß ein Abschneider
8 vorgesehen ist. Man kann aber auch eine Schaltung wählen wie sie in F i g. 6 dargestellt
ist. Soweit die Teile mit denen der F i g. 4 übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen
gewählt. Jede Sekundärwicklung ist an die Primärwicklung eines gesättigten Wandlers
10 bzw. 10' mit rechteckiger Magnetisierungskurve angeschlossen, dessen Sekundärwicklungen
über den Gleichrichters bzw. 5' parallel zur Schaltstrecke 1 bzw. 1' -liegen. Die
Bemessung des Kernes und der Primärwicklung der Wandler 10 erfolgt in genau
der gleichen Weise wie bei der Anordnung nach F i g. 4. Hier erhalten die Gleichrichter
5 bzw. 5' dann einen Spannungsimpuls, wenn die Wandler 10 bzw. 10' ummagnetisiert
werden, sonst sind die Sekundärwicklungen 4
bzw. 4' praktisch kurzgeschlossen.
-
Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde die Steilheit, mit
welcher der Strom gegen Null geht, vergrößert. Man kann jedoch auch die Steilheit
des durch den Schalter fließenden Stromes im Bereich seines Nulldurchganges -verringern,
wenn man in Reihe mit dem Gleichrichter eine stromabhängige . Impedanz (Wirk- oder
Scheinwiderstand) schaltet, deren Widerstand sich bei durchfließendem Strom erhöht.
Dadurch wird die Steilheit des durch den Schalter fließenden Stromes im Bereich
des Nulldurchganges verringert, so daß dadurch das Abschaltvermögen noch weiter
erhöht wird. Als eine solche Impedanz kann z. B. ein Kondensator verwendet werden.
In F i g. 7 ist eine derartige Schaltung dargestellt. Gleiche Teile wie in den vorhergehenden
Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Reihe mit dem Ventil 5
bzw. 5' liegt hier ein Kondensator 11 bzw. 11', zu dem parallel ein Entladewiderstand
12 bzw. 12' geschaltet ist.
-
Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde die Spannung in Reihe
zu dem Ventil, die kurz vor dem Nulldurchgang des Stromes beginnt und kurz nach
dem Nulldurchgang wirksam bleibt, durch einen gescherten Wandler erzeugt. Man kann
die Spannung aber auch noch in anderer Weise erzeugen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür
ist in F i g. 8 dargestellt. Soweit die Teile mit den vorhergehenden Figuren übereinstimmen,
sind die gleichen Bezugszeichen gewählt. In Reihe zu den Schaltstrecken 1 und 1'
liegt im Zuge der Leitung ein ohmscher Widerstand 14 und eine Drosselspule 15, so
daß an
diesen beiden eine gegenüber dem Leitungsstrom voreilende
Spannung herrscht. Diese wird über einen ohmschen Widerstand 16 der Primärwicklung
18 eines gesättigten Wandlers 17 mit rechteckiger Magnetisierungskurve zugeführt.
Durch den Widerstand 16 wird bewirkt, daß der Strom über die Wicklung 18 gegenüber
dem Strom durch den ohmschen Widerstand 14 und die Drosselspule 15 voreilt. Die
Sekundärwicklung 19 ist in der Mitte angezapft. Die eine Hälfte liegt über den Gleichrichter
5 parallel zur Schaltstrecke 1, die andere über den Gleichrichter 5' parallel zur
Schaltstrecke 1'. Wenn der Wandler 17 ummagnetisiert wird, entsteht in seiner Sekundärwicklung
eine Spannung. Je nach der Richtung der Halbwelle des Wechselstromes, der über den
Schalter 1 bzw. 1' fließt, wirkt eine Hälfte dieser Spannung mit einem der Gleichrichter
5 und 5' so zusammen, daß über einen von beiden ein Strom getrieben wird, der die
gleiche Richtung hat, wie der abnehmende Strom in der zugehörigen Schaltstrecke.
-
Als Ventil wird vorzugsweise ein Halbleitergleichrichter, beispielsweise
ein Siliziumgleichrichter, verwendet.