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Anordnung zum Abschalten hoher Ströme Die Erfindung bezieht sich auf
eine Anordnung zum Abschalten hoher Ströme, insbesondere in Gleichstromanlagen mit
parallel zum Leistungssehalter angeordnetem Begrenzungswiderstand mit stark positivem
Temperaturkoeffizienten zur Verminderung der Schaltleistung.
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Zum Abschalten großer Ströme hoher Gleichspannungen werden im allgemeinen
Schalter verwendet, bei denen durch die Kontakttrennung ein Lichtbogen gezogen wird.
Dieser Lichtbogen gibt beispielsweise die im geschalteten Kreis gespeicherte Energie
an die umgebende Luft als Wärine ab, wobei die Luft als Kühlmittel dient. Die Abschaltgeschwindigkeit
ist hierbei abhängig von der Größe der Lichtbogenspannung bzw. von der Zeit, in
der die Lichtbogenspannung einen relativ großen Wert erreicht. Das bedeutet, daß
der Spannungsabfall am Lichtbogenwiderstand in möglichst kurzer Zeit ein bestimmtes
Maß erreichen muß. Auf der anderen Seite sind Lichtbögen jedoch aus bekannten Gründen
unerwünscht. Schalter, die lichtbogenfrei arbeiten, würden zweifelsohne den Vorzug
haben.
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Es ist bekannt, parallel zur Schaltstrecke Widerstände zu legen, die
ein solches Verhalten haben, daß sie mit zunehmender Temperatur an Widerstandswert
gewinnen. Der Nachteil dieser Anordnung ist, daß die zunehmende Temperatur im Widerstand
von der Leistung abhängig ist, womit die zugeführte Wärmeleistung dem Widerstandswert
umgekehrt proportional ist. Damit ergibt sich ein Schnittpunkt dieser beiden Größen,
der dazu führt, daß sich eine stabile Lage einstellt, bei der sich der Widerstandswert
nicht mehr erhöht.
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Es ist ferner bekannt, die Widerstandserhöhung, die sonst im Lichtbogen
vorgenommen wird, auf einen Widerstand zu verlegen, der aus Materialien mit hohem
positivem Temperaturkoeffizienten besteht. Bei diesem Material erfolgt die Widerstandsänderung
plötzlich, d. h. sprunghaft mit mehr oder weniger steiler Kennlinie. Derartige
Materialien sind bereits bekannt, auch als sogenannte Kaltleiter. Sie stellen ein
Gegenstück zu den Heißleitern dar. Dieses Widerstandsmaterial hat die Eigenschaft,
im Augenblick des Zuschaltens zunächst unverändert zu bleiben, und erst nach einer
bestimmten Zeit, die abhän-gig ist vom Temperaturanstieg, erfolgt eine sprunghafte
Änderung des Widerstandes, wobei der Widerstand gleich um ein Vielfaches seines
ursprünglichen Betrages zunimmt. Dieses nichtlineare Verhalten wird nach der Erfindung
ausgenutzt, um ein möglichst energieloses Abschalten herbeizuführen.
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Erfindungsgemäß ist dem Begrenzungswiderstand mit stark positivem
Temperaturkoeffizienten ein Widerstandselement normalen Materials derart zugeordnet,
daß die in ihm in Abhängigkeit vom Strom aufgenommene Wärmemenge an den Begrenzungswiderstand
abgegeben wird.
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An Hand von Zeichnungsbeispielen sei die Erfindung näher erläutert.
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In der F i g. 1 ist ein Schaltbild für einen Leistungsschalter
mit Parallelstrompfad wiedergegeben, das der bekannten Anordnung entspricht. Es
bedeutet hierin 1 den Leistungsschalter, 2 den Begrenzungswiderstand,
3 den ihm nachgeschalteten Endabschalter, dem parallel ein Kondensator 4
zugeordnet ist.
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Die Abschaltung geht wie folgt vonstatten: Unter der Annahme, daß
1 geschlossen und der Parallelstrompfad geöffnet ist wird beim Abschaltvorgang
zuerst der Parallelstrompfad durch den Schalter 3 geschlossen, damit fließt
bereits ein Teil des Stromes über den Parallelstrompfad. Nunmehr wird der Schalter
1 geöffnet. Dieses öffnen erfolgt nahezu leistungslos, da die anstehende
Spannung an den Klemmen des Schalters 1 stark reduziert ist. Durch die Auslegung
der Kennlinie für den Begrenzungswiderstand 2 läßt dieser bis zum vollen Öffnen
des Leistungsschalters 1 auch noch den vollen Strom durch. Erst jetzt tritt
durch die Erwärmung die sprunghafte Änderung des Widerstandes 2 ein, womit er bremsend
wirkt und die Energie entsprechend abbaut. Nunmehr kann der Schalter 3 geöffnet
werden, der zwar für die volle Spannung ausgelegt sein muß, je-
doch nur einen
Bruchteil des Stromes zu bewältigen hat.
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In der F i g. 2 ist nun in einem Beispiel die erfindungsgemäße
Ausführung dargestellt, wie man die Wirkungsweise des Begrenzungswiderstandes des
zuvor beschriebenen Materials verbessern kann. Die Kennlinie des Begrenzungswiderstandes
muß voll
durchlaufen werden, um den Strom auf ein Minimum zu bringen.
Da die Erwärmung maßgebend ist für den sprunghaften Anstieg des Widerstandes muß
nach Einsetzen des Sprunges die Wärmezufuhr noch so lange anhalten, bis die oberste
Grenze erreicht ist. Um dieses mit Sicherheit zu erreichen, wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, je einen Widerstand normalen Widerstandsmaterials mit einem
Begrenzungswiderstand von stark positiven Temperaturkoeffizienten in Reihe zu legen.
F i g. 2 zeigt ein solches Beispiel, in dein die Widerstände 5 normale
Widerstände sind und die Widerstände 2 Begrenzungswiderstände der zuvor beschriebenen
Art.
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Bei geeigneter Bemessung läßt sich erreichen, daß durch den zu schaltenden
Strom das normale Widerstandsmaterial aufgeheizt und dann die in ihm gespeicherte
Energie an das Material des Begrenzungswiderstandes abgegeben wird. Hierdurch wird
auch nach Abnahme des Stromes infolge entstehender Widerstandserhöhung eine weitere
Widerstandszunahme des Widerstandes mit positiven Temperaturkoeffizienten und damit
eine noch stärkere Drosselung des Abschaltstromes erfolgen. Um die Endabschaltung
zu dem Zeitpunkt vorzunehmen, zu dem mit Sicherheit die Kennlinie des Begrenzungswiderstandes
durchlaufen ist, wird weiter vorgeschlagen, die Erwärmung des Begrenzungswiderstandes
zur Betätigung des Endabschalters heranzuziehen. Die Endabschaltung erfolgt somit
immer dann, wenn der Begrenzungswiderstand sein Maximum erreicht hat.
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Dieses sei in einem Beispiel näher erläutert: Es wird von einer idealisierten
Kennlinie R = f (T) des Widerstandsmaterials, wie sie in F
i g. 3 angegeben ist, ausgegangen. Bis zur Temperatur T" hat das »Kaltleiter«-Material
einen geringen Widerstandswert, der dann im Bereich T" - T, sehr steil
auf einen um einige Zehnerpotenzen höheren Wert ansteigt, um bei noch höheren Temperaturen
beibehalten zu
werden. Die dem Widerstandsmaterial bei Anschluß um eine feste
Spannung zugeführte Wärmeleistung ist dem Widerstandswert umgekehrt proportional
N#f (T). Bis zur Temperatur T" bleibt die zugeführte Leistung somit konstant,
um dann umgekehrt zur Widerstandszunahme zurückzugeben. Andererseits ist die Abgahe
der Wärmeleistung in erster Linie abhängig von dem Temperaturanterschied zwischen
dem Widerstandsmaterial und der umgebenden Luft. Diese Abhängigkeit wird in der
F i g. 3 durch die Gerade Q = f (T) angegeben.
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Der Schnittpunkt zwischen den beiden Kurven Q=f (T) und N=f
(T) stellt einen stabilen Betriebspunkt dar, bei dem gerade so viel Leistung
zugeführt wird, wie wärmemäßig an die Umgebung abgeführt wird. Es kommt somit zu
keiner weiteren Temperaturerhöhung.
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In zeitlicher Darstellung ergibt sich der in F i g. 4 gezeigte
Verlauf. Der Kaltleiter soll zum Zeitpunkt t = 0 in die Strombahn
eingeschaltet werden. Entsprechend der zu dieser Zeit vorgegebenen niedrigen Temperatur
(Umgebungstemperatur) ist die Leistungsaufnahme des Widerstandsmaterials groß und
führt zu einer schnellen Erwärmung. Zum Zeitpunkt t = t, ist die untere
Grenztemperatur erreicht, bei der die starke Widerstandszunahme beginnt. Damit geht
die Leistungszuführung, wie schon beschrieben, zurück, bis der stabile Betriebspunkt
zur Zeit t = t 2 erreicht ist. Es kommt nicht zu dem vollen
Durchlaufen der Widerstandskennlinie, wie dies an sich mit Rücksicht auf einen kleinsten
Reststrom, der zum Ende des Schaltvorganges noch von einem Hilfsschalter unterbrochen
werden muß, wünschenswert wäre.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Temperatur des Widerstandsmaterials
möglichst zu erhöhen und damit den zu schaltenden Strom zu verringern. Nach der
Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß dem Begrenzungswiderstand mit stark positivem
Temperaturkoeffizienten ein Widerstandselement normalen Materials derart zugeordnet
ist, daß die in ihm in Abhängigkeit vom Strom aufgenommene Wärmemenge an den Begrenzungswiderstand
abgegeben wird.
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Zu diesem Zweck wird der die Stromdrosselung be, wirkende Widerstand
aus Widerstandsmaterial mit unterschiedlichem Widerstands-Temperatur-Verhalten zusammengesetzt,
z.B. aus normalem Widerstandsmaterial und »Kaltleitermaterial«, wobei für eine Wärmeübertragung
zwischen den einzelnen Medien gesorgt ist.
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F i g. 5 zeigt hierzu den zeitlichen Verlauf. Entsprechend
dem höheren WiderstandswertR, des hier beispielsweise angenommenen normalen Widerstandsmaterials
wird sich dieses Material st ärker erwärmen [Kurve T, = f (t)]. Die Temperaturzunahme
des Kaltleitermaterials ist demgegenüber geringer [Kurve T2 = f (t)].
Zum Zeitpunkt t = t, ist die untere Grenztemperatur des kaltleitenden Materials
erreicht, so daß dessen Widerstandswert steil anwächst. Damit geht die Stromerwärmung
zurück, so daß hierdurch keine weitere Temperaturzunahme und somit auch keine weitere
Widerstandszunahme bewirkt wird. Da das angrenzende normale Widerstandsmaterial
jedoch bereits wesentlich wärmer ist, gibt dieses einen Teil der in ihm gespeicherten
Wärmemenge an das Kaltleitermaterial ab und sorgt so für dessen weitere ErwÜrmung
und Widerstandserhöhung. Die Widerstands-Temperatur-Kurve kann somit bis über die
obere Grenztemperatur hinaus - bei der keine weitere Widerstandszunahme mehr
erfolgt - durchlaufen werden. Damit wird die maximal mögliche Drosselung
des Stromes erreicht.
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Bei dieser Anordnung kann sich auch ein stabiler Betriebspunkt einstellen,
wenn der Widerstand im Verlauf der folgenden Abkühlung wieder in den' steilen Ast
der Temperatur-Widerstands-Kurve gelangt, ohne daß dann eine Temperaturdifferenz
zwischen den einzelnen Widerstandsmaterialien mehr gegeben ist (Zeitpunkt t.). Dieses
Ereignis läßt sich jedoch dadurch vermeiden, daß zu dem Zeitpunkt #, solange der
Reststrom noch sein Minimum hat, durch den nachgeschalteten Hilfsschalter, wie vorgesehen,
abgeschaltet wird.