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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum kontaktlosen Schalten von
Mehrphasen-, insbesondere Drehstromnetzen mit einer Schalteinheit aus in jeder Netzphase
liegenden Ventilen in Antiparallelschaltung, wobei mindestens ein Ventil je Phase
steuerbar ist, und mit einer Steuereinheit, die durch einen über einen komplexen
Widerstand am Netz angeschlosseinen Transformator gespeist ist. Derartige Anordnungen
werden gewöhnlich in explosionsgefährdeten Räumen, vorwiegend in Kohlengruben, verwendet.
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Es sind Anordnungen zum kontaktlosen Schalten von Stromnetzen bekannt,
bei welchen in jeder Phase des zu schaltenden Stromnetzes antiparallele steuerbare
bzw. steuerbare und umsteuerbare Ventile liegen (Japanische Patentschrift N 39-20407,
1964, französische Patentschrift 1305 513, 1961).
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Die Nachteile dieser Anordnungen bestehen in der Kompliziertheit der
Steuerkreise sowie dem Fehlen einer Überwachung des Zustandes der steuerbaren Ventile
und der Netzisolation bei abgeschaltetem Verbraucher.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum kontaktlosen
Schalten von Mehrphasennetzen anzugeben, die durch einfache, zuverlässige und eigensichere
Mittel gesteuert wird und bei der der Zustand der steuerbaren Ventile und die Isolation
des Stromnetzes gegen Erde überwacht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an eine erste Sekundärwicklung des Transformators
ein Fernsteuerkreis mit einem Schalter und einer in Reihe liegenden Diode und an
eine zweite Sekundärwicklung des Transformators ein Ventilsteuerkreis angeschlossen
ist, der eine Gleichrichterbrückenschaltung in Reihe mit der Primärwicklung eines
weiteren Transformators enthält, dessen Sekundärwicklungen über Gleichrichter die
Steuereingänge der Ventile der Schalteinheit speisen, und daß der Fernsteuerkreis
mit Hilfe mindestens einer steuerbaren Diode mindestens eine an der Gleichrichterbrückenschaltung
angeschlossene und den Ventilsteuerkreis schaltende steuerbare Diode steuert, wobei
die beiden steuerbaren Dioden bei verbundenen Kathoden mit Hilfe eines zur Diode
im , Fernsteuerkreis parallel geschalteten Kondensators und eines Stellwiderstandes
zwischen dieser Parallelschaltung und der Steuerelektrode der Diode im Ventilsteuerkreis
elektrisch verblockt sind.
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Zur Überwachung des Zustandes der steuerbaren ; Ventile ist vorteilhaft
eine Ventilüberwachungseinheit vorgesehen, die ein Relais enthält, das über einen
Gleichrichter mit den Nullpunkten zweier vor und hinter der Schalteinheit liegenden
Sternschaltungen gleichgroßer Widerstände verbunden ist. ; Eine besondere Ausgestaltung
der Erfindung liegt darin, daß eine Leckstromüberwachung vorgesehen ist, die ein
Stehrelais aufweist, das einpolig an Erde und mit seinem zweiten Anschluß über einen
stehbaren Widerstand an dem gemeinsamen Nullpunkt einer an der Drehstromeinspeisung
liegenden Sternschaltung gleichgroßer Widerstände und eines zwischen diesen Widerständen
angeschlossenen Dreiphasengleichrichters liegt, wobei die Durchlaßrichtung des Dreiphasengleichrichters
mit der Durchlaßrichtung der nichtsteuerbaren Ventile übereinstimmt.
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Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert.
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F i g. 1 und 2 zeigen Prinzipschaltbilder erfindungsgemäßer Anordnungen
zum kontaktlosen Schalten von Mehrphasennetzen mit steuerbaren Ventilen.
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Eine Anordnung zum kontaktlosen Schalten von Mehrphasennetzen mit
Hilfe steuerbarer Siliziumventile besteht aus einer Schalteinheit 1(F i g. 1), einer
Steuereinheit 2 und einer Überwachungseinheit 3.
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Die Schalteinheit 1 setzt sich aus steuerbaren Siliziumventilen 4,
5, 6, 7, 8 und 9 zusammen, von denen in jeder Phase des Dreiphasennetzes jeweils
zwei antiparallel geschaltet sind.
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Die Steuereinheit 2 enthält einen über den Wider-; stand 11 an das
zu schaltende Stromnetz angeschlossenen Transformator 10.
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Die Sekundärwicklungen 12 des Transformators 10 liegt im Fernsteuerkreis,
der aus einer steuerbaren Diode 13, Dioden 14, 15, 16, 17, 18, Kondensatoren
19, 20, einem Widerstand 21, einem Regelwiderstand 22 und einem Schalter 23 besteht.
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Die Sekundärwicklung 24 des Transformators 10 liegt im Steuerkreis
der Steuerbaren Ventile 4, 5, 6, 7, 8 und 9, der einen Transformator 25 mit der
Primärwicklung 26, den Sekundärwicklungen 27, 28, 29, 30, 31, 32 und sechs Zweiweggleichrichter
bildende Dioden 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, enthält.
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Jeder Gleichrichter ist an die Steuerelektrode und an die Kathode
eines der steuerbaren Siliziumventile 4, 5, 6, 7, 8 und 9 angeschlossen.
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In Reihe mit der Primärwicklung 26 des Transformators 25 liegt eine
mit einer steuerbaren Diode 46 verbundene Gleichrichterbrücke 45.
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Die Überwachungseinheit 3 enthält zwei aus Wirkwiderständen 47, 48,
49 und 50, 51, 52 bestehende symmetrische Stromschaltungen, die am Stromnetz vor
und hinter der Schalteinheit 1 angeschlossen sind.
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An die Nullpunkte der Stromschaltungen ,ist über eine Gleichrichterbrücke
53 ein Stellrelais 54 angeschlossen.
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Ein Knopf 55 dient zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Überwachungseinheit
3, d. h. zur Prüfung des Zustandes der steuerbaren Ventile 4, 5, 6,7,8und9.
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Eine Diode 56 im Fernsteuerkreis gestattet eine Betätigung der Anordnung
vom Einsatzort aus.
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Ein Kreis 57 dient zur Abschirmung, indem er einen eventuellen Potentialübergang
von der Primärwicklung des Transformators 10 auf seine Sekundärwicklung 12 bei Isolationsdurchschlag
verhindert.
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F i g. 2 zeigt eine Anordnung zum kontaktlosen Schalten von Stromnetzen
mit Überwachung der Stromnetzisolation bei abgeschaltetem und eingeschaltetem Verbraucher.
Sie besteht aus einer Schalteinheit 1', einer Steuereinheit 2', einer Überwachungseinheit
3' und einer Leckstromüberwachung 58.
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Die Schalteinheit 1' besteht aus in jeder Phase des Dreiphasennetzes
liegenden steuerbaren Siliziumventilen 4, 6, 8 und parallel hierzu nichtsteuerbaren
Ventilen 59, 60, 61.
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Die Steuereinheit 2' enthält einen über einen Widerstand 11 an das
Stromnetz angeschlossenen Transformator 10.
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Die Sekundärwicklung 12 des Transformators 10 liegt im Fernsteuerkreis,
bestehend aus einer steuerbaren Diode 13, Dioden 14,15,16,17,18, Kondensatoren
19,
20, einem Widerstand 21, einem Stellwiderstand 22 und einem Schalter
23.
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Die Sekundärwicklung 24 des Transformators 10
liegt im
Steuerkreis der steuerbaren Siliziumventile 4, 6 und 8, der einen
Transformator 25 mit der Primärwicklung 36 und den Sekundärwicklungen 27,
28, 29 und drei Zweiweggleichrichter bildende Dioden 33, 34, 35, 36, 37 und 38 enthält.
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Jeder Gleichrichter ist an eine Steuerelektrode und an eine Kathode
eines der steuerbaren Siliziumventile 4, 6 und 8 angeschlossen.
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In Reihe mit der Primärwicklung 26 des Transformators 25 liegt eine
mit einer steuerbaren Diode 46 verbundene Gleichrichterbrücke 45.
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Die Einheit 3' zur Überwachung des Zustandes der steuerbaren Ventile
4, 6, 8 und der nichtsteuerbaren Ventile 59, 60, 61 enthält zwei aus Wirkwiderständen
47, 48, 49 und 50, 51, 52 bestehende symmetrische Sternschaltungen, die an das Drehstromnetz
vor und hinter der Schalteinheit 1' angeschlossen sind.
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An die Nullpunkte dieser Sternschaltungen ist über einen Gleichrichter
62 ein Stehrelais 54 angeschlossen.
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Die Leckstromüberwachung 58 enthält eine symmetrische Widerstandssternschaltung,
deren Zweige je zwei hintereinandergeschaltete Wirkwiderstände 63 und 64, 65 und
66, 67 und 68 aufweisen.
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Zwischen dem Nullpunkt der Sternschaltungen und Erde liegt in Reihe
zu einem Regelwiderstand 69 ein mit einer Diode 71 überbrücktes Stellrelais 70.
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Den Widerständen 64, 66, 68 sind Dioden 72, 73,
74
parallelgeschaltet. Hierbei fällt die Durchlaßrichtung dieser Dioden mit der Durchlaßrichtung
der nichtsteuerbaren Ventile 59, 60, 61 zusammen.
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Liegt das Stromnetz unter Spannung, so wird die Primärwicklung des
Transformators 10 (F .i g. 1, 2) über den Widerstand 11 gespeist, der zur
Phasenverschiebung des Steuerstromes für die Ventile 4, 5,
6, 7, 8 und 9 (F
i g. 1) bzw. 4, 6, 8 (F i g. 2) gegenüber dem Laststrom dient.
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Bei geöffnetem Schalter 23 im Sekundärkreis des Transformators 10
fließt der Strom während der einen Halbperiode in dem Kreis: Diode 17 - Parallelschaltung
von Widerstand 21 und Kondensator 20 - Übergang Steuerelektrode-Kathode der
steuerbaren Diode 13 - Diode 15 und während der anderen Halbperiode in dem Kreis:
Diode 16 - steuerbare Diode 13 - Diode 14. Der Kondensator 19 wird durch die steuerbare
Diode 13 in der anderen Halbperiode überbrückt, weshalb an die Steuerelektrode der
steuerbaren Diode 46 kein Strom gelangt und diese gesperrt ist. Die steuerbare Dicke
13 wird während der anderen Halbperiode durch die Entladung des in der einen Halbperiode
aufgeladenen Kondensators 20 leitend gehalten.
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Solange die steuerbare Diode 46 gesperrt ist und den steuerbaren
Ventilen 4, 5, 6, 7, 8 und 9 (F i g. 1) bzw. 4, 6, 8 (F i g. 2) kein Steuerstrom
zugeführt wird, ist der Verbraucher stromlos.
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Beim Schließen des Schalters 23 wird die Sekundärwicklung 12 während
der einen Halbperiode durch die Diode 18 überbrückt. Infolgedessen wird der Kondensator
20 nicht mehr aufgeladen und somit gelangt auf die Steuerelektrode der steuerbaren
Diode 13 kein Strom mehr, weshalb diese gesperrt ist.
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Während der anderen Halbperiode wird deshalb der Kondensator
19 über die Dioden 16 und 14 aufgeladen, da die steuerbare
Diode 13 gesperrt ist. Gleichzeitig wird der Regelwiderstand 22 und der Übergang
Steuerelektrode - Kathode der steuerbaren Diode 46 vom Strom durchflossen,
wodurch die steuerbare Diode 46 leitend sind. Als Folge hiervon fließt durch die
Primärwicklung 26 des Transformators 25 ein Strom, der über die in den Sekundärwicklungen
induzierte Spannung einen Steuerstrom für die steuerbaren Ventile 4, 5, 6, 7,
8
und 9 (F i g. 1) bzw. 4, 6, 8 (F i g. 2) hervorruft.
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Die steuerbaren Ventile 4, 5, 6, 7, 8 und 9 (F i g.
1) bzw. 4, 6, 7 (F i g. 2) werden geöffnet, und der Verbraucher 75 wird zugeschaltet.
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Beim öffnen des Schalters 23 wird die steuerbare Diode 13 geöffnet
und die steuerbare Diode 46 gesperrt. Hierbei werden die Primärwicklung 26
des Transformators 25 sowie die Übergänge der steuerbaren Ventile 4, 5, 6,
7, 8 und 9 (F i g. 1) bzw. 4, 6, 8 (F i g. 2) spannungslos, und der Verbraucher
75 wird abgeschaltet.
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Falls im Fernsteuerkreis ein Kurzschluß entsteht, wird die Sekundärwicklung
12 des Transformators 10 kurzgeschlossen, die steuerbare Diode
46 gesperrt und der Verbraucher 75 läßt sich bis zur Behebung des Kurzschlusses
nicht einschalten.
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Bei einer störungsbedingten Zunahme des Aderwiderstandes des Fernsteuerkreises
wird ein Teil des vorher praktisch voll über den Schalter 23 und die Diode
18 fließenden Stromes in den parallelen Zweig aus den Dioden 17 und
15, dem Widerstand 21 und dem Kondensator 20 gedrängt. Erreicht
der Widerstand des Fernsteuerkreises einen bestimmten Wert, so fließt ein genügend
hoher Steuerstrom in der Diode 13, um diese zu öffnen, was ein Abschalten des Verbrauchers
75 zur Folge hat.
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Beim Aderbruch im Steuerkreis wird der Verbraucher wie im Normalbetrieb
abgeschaltet.
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Die steuerbaren und nichtsteuerbaren Ventile in der Einheit
1 bzw. 1' werden auf Durchschlag bei abgeschaltetem Verbraucher 75
kontrolliert. Ist eines der Ventile durchgeschlagen, so nehmen die Potentiale der
Nullpunkte der Widerstandssternschaltungen 54 verschiedene Werte an und das
Relais 54 wird vom Strom durchflossen. Das Relais spricht an und meldet die
Störung.
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Auf gleiche Weise werden die Ventile auf Ausfall bei eingeschaltetem
Verbraucher 75 kontrolliert.
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Falls der Verbraucher nicht direkt am Versorgungsnetz liegt, sondern
von einer eigenen Stromquelle gespeist wird, ist es zweckmäßig, die kontaktlose
Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 zu verwenden. In diesem Falle überwacht die Einheit
58
den Isolationszustand des Netzes sowohl bei zugeschaltetem als auch bei
abgeschaltetem Verbraucher 75.
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Bei zugeschaltetem Verbraucher 75 fließt durch das Stehrelais
70 der Leckstromüberwachung 58 ein in dreiphasiger Einwegschaltung
gleichgerichteter Strom, der durch den Wert des Netzisolationswiderstandes gegen
Erde bestimmt ist.
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Eine Senkung des Isolationswiderstandes bis auf den vorgegebenen Wert
verursacht einen Stromanstieg und ein Ansprechen des Relais 70.
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Bei abgeschaltetem Verbraucher 75, d. h. wenn die steuerbaren Ventile
4, 6 und 8 gesperrt sind, und bei spannungsführendem Netz bilden die
Dioden 72, 73,
74 der Leckstromüberwachung 58 und die nichtsteuerbaren Ventile
59, 60 und 61 der Schalteinheit 1'
ebenfalls
einen überwachungskreis des Netzisolationswiderstandes gegen Erde.
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Eine Senkung des Isolationswiderstandes auf den vorgegebenen Wert
verursacht ein Ansprechen des Relais 70.
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Falls die Anordnung in explosionssicheren Räumen verwendet wird, kann
sie unmittelbar durch den zu der Sekundärwicklung 12 und der Diode 18 in
Reihe liegenden Schalter 23 betätigt werden.
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Der in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators 10 liegende
Widerstand 11 kann mit dem Widerstand dieser Wicklung vereinigt werden.
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Die in jeder Phase vorhandenen Antiparallelschaltungen aus steuerbaren
Ventilen können durch ein symmetrisches steuerbares Ventil ersetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zum kontaktlosen Schalten von Stromnetzen
weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere ist ihre Steuerung einfach und
die Fernsteuerung eigensicher. Beim überschreiten eines bestimmten Widerstandswertes
der Steuerleitungen sowie bei deren Kurzschluß wird der Verbraucher selbsttätig
abgeschaltet. Der Zustand der steuerbaren und nichtsteuerbaren Ventile und der Isolation
des Netzes werden bei abgeschaltetem und zugeschaltetem Verbraucher überwacht.