DE1415980B2 - Schaltungsanordnung zum ein und ausschalten hoeherer leistungen in wechselstrom oder drehstromkreisen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsan- elektronischen Schaltelemente die gesamten Schaltordnung zum Ein- und Ausschalten höherer Leistun- funktionen allein übernehmen, d. h. während der Eingen in Wechsel- oder Drehstromkreisen durch schaltzeiten allein den Strom führen und während steuerbare elektronische Schalter, welche die Last- der Ausschaltzeiten allein die Spannung sperren. Schaltungen übernehmen, wobei mechanische Schal- 5 Treten dagegen zwischen den Ein- und Aussdhaltter vorgesehen sind, die als Überbrückungsschalter kommandos für den Starkstromkreis längere Zeitparallel zu den elektronischen Schaltern und/oder Intervalle auf, so werden nach der Erfindung die meals Trennschalter in Reihe mit ihnen liegen, und die chanischen Schaltelemente betätigt um die elektro-Steuerimpulse auf die elektronischen und die Be- nischen Elemente von Strom und Spannung zu enttätigung der mechanischen Schalter zeitlich so auf- io lasten. Bei einem Spannungsabfall von 1V enteinander abgestimmt sind, daß die mechanischen wickelt ein elektronisches Schaltelement bei 500 A Schalter lichtbogenfrei oder lichtbogenarm arbeiten eine Verlustleistung von 500 W. Diese Leistung ist und in der bei rasch — 0,1 bis 1 Hz — aufeinander- bei kleinen Einschaltdauern unbedenklich, bei großen folgenden Schaltvorgängen eine Betätigung der me- Einschaltdauern ist sie dagegen unerwünscht groß chanischen Schalter unterbleibt. 15 und kann durch Einlegen des mechanischen Uber-Es sind elektronische steuerbare Elemente bekannt- brüdkungsschalters eingespart werden, so daß auf geworden, mit denen Starkstromkreise ein- und aus- diese Weise auch die Einrichtung für die Abführung geschaltet werden können, beispielsweise Silizium- der Verlustwärme eingespart und gegebenenfalls eine Vierschichtentrioden. Diese elektronischen Elemente kleinere Type für das elektronische Schaltelement haben jedoch gegenüber metallischen Schaltkontakten 20 Verwendung finden kann. In ähnlicher Weise ist bei den Nachteil, daß sie im leitenden Zustand einen kleinen Ausschaltdauern die Spannungsbean-Spannungsabfall von beispielsweise 1 V aufweisen sprucbung der elektronischen Schaltelemente unbe- und daß sie im gesperrten Zustand bei weitem nicht denklich, bei großen Ausschaltdauern dagegen kann den hohen und sicheren Isolationswert besitzen wie durch Öffnen des in Reihe liegenden mechanischen eine metallische Kontaktstrecke in Luft oder öl. 25 Trennschalters die Spannungsbeanspruchung von den

In Beseitigung dieser Nachteile wurde bereits eine elektronischen Elementen fortgenommen werden, elektrische Wechselstromanordnung für große Lei- Dies hat nicht nur den Vorteil, daß die Wahrscheinstungen, bestehend aus einer Kombination von me- lichkeit einer Rückzündung in den elektronischen EIechanischen Schaltern und elektronischen Schaltete- menten vermindert wird, sondern es bewirkt auch eine menten beschrieben (deutsche Patentschrift 1114 225)_; 30 sichere galvanische Abtrennung des Verbrauchers bei der die elektronischen Schaltelemente im Durch- von der Spannungsquelle, was in manchen praklaßzustand durch einen mechanischen Schalter über- tischen Fällen, beispielsweise mit Rücksicht auf Bebrückt werden und im gesperrten Zustand durch rührungsgefahr, erforderlich ist. einen in Reihe liegenden mechanischen Schalter von Zur Verwirklichung der Erfindung kann man der-Spannung entlastet sind und bei der die Reihenfolge 35 art vorgehen, daß die mechanischen Trennschalter der Betätigung der einzelnen Schaltelemente derart bei einem Einschaltkommando unverzögert eingefestgelegt ist, daß die elektronischen Schaltelemente schaltet werden, bei einem Ausschaltkommando daden eigentlichen Sdhaltvorgang durchführen, während gegen nur mit Zeitverzögerung ausgeschaltet werden, die mechanischen Schalter als Überbrückungs- bzw. In entsprechender Weise können die mechanischen Trennschalter arbeiten und die elektronischen 40 Überbrüdkungsschalter bei einem Ausschaltkom-Schaltelemente im Dauerbetrieb entlasten. mando unverzögert ausgeschaltet, bei einem Ein-

Diese bekannte Anordnung hat in manchen prak- schaltkommando dagegen nur mit Zeitverzögerung tischen Fällen, nämlich dann, wenn der Starkstrom- eingeschaltet werden. Die Verzögerungen können kreis sehr häufig gesdhaltet wird, den Nachteil, daß dabei mit bekannten Verzögerungseinrichtungen, die Lebensdauer mechanischer Schaltelemente be- 45 beispielsweise Zeitrelais oder /?C-Gliedern verwirkgrenzt ist, beispielsweise nur etwa eine Million mög- licht werden. Man kann die Verzögerungszeiten je licher Schalthandlungen umfaßt, während in prak- nach den Eigenarten des Stromkreises fest einstellen. , tischen Fällen zehn Millionen mögliche Schaltspiele Man kann sie nach einem weiteren Erfindungsgedan- oder mehr verlangt werden. ken jedoch auch abhängig machen von der Belastung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht 50 der elektronischen Schaltelemente, in dem Sinne, daß

darin, die Anzahl der möglichen Schaltspiele der die mechanischen Trennschalter abhängig von der

mechanischen Schaltstrecken zu erhöhen bis in die Rückstromerwärmung der elektronischen Schalt-

Größenordnung der elektronischen Schaltelemente. elemente, d. h. vom Spannungszeitintegral an den

Demzufolge wird eine Erfindung bei der eingangs elektronischen Elementen, gesteuert werden, die mebeschriebenen Schaltungsanordnung darin gesehen, 55 chanischen Überbrückungssdhalter dagegen von der daß die Schließung der parallelliegenden mechani- Vorwärtsstromerwärmung der elektronischen Schaltschen Überbrückungsschalter und/oder die Öffnung elemente, d. h. vom Arbeitsstromzeitintegral. Zur Erder in Reihe liegenden mechanischen Schalter durch fassung der Erwärmung können dabei beispielsweise selbsttätig wirkende zeitabhängige Steuereinrichtun- Bi-Metallauslöser benutzt werden, gen verhindert ist. 60 In manchen praktischen Fällen werden Ein- und

Nach der Erfindung werden bei einer derartigen Ausschaltkommandos sehr kurz hintereinander geKombination von elektronisdhen und mechanischen geben, beispielsweise in Abständen von 1 bis 10 s. Schaltelementen nicht bei jedem Schaltvorgang die Ein solcher Fall liegt vor beim »Tippen« oder auch mechanischen Schaltelemente betätigt. Insbesondere beim Reversieren von Asynchronmotoren. Es könbleiben bei schnell aufeinanderfolgenden Ein- und 65 nen aber auch Schaltspieldauern unterhalb von Is Ausschaltungen des Starkstromkreises die mecha- und oberhalb von 10 s mit einer gewissen Regelnischen Überbrückungsschalter offen und die me- mäßigkeit oder periodisch auftreten. Man wird in chanischen Trennschalter geschlossen, so daß die soldhen Fällen die Zeitverzögerung der Betätigung

der mechanischen Schalter entsprechend den Anforderungen des Stromkreises wählen. Oft wird es sich dabei ergeben, daß die mechanischen Trennschalter seltener betätigt werden als die mechanischen Überbrückungsschalter, vor allen Dingen in Anlagen großer Stromstärke, bei denen durch die Überbrückungsschalter große Verlusterwärmungen eingespart werden.

In manchen praktischen Fällen wird man die Verzögerungszeiten der mechanischen Schalter so groß wählen können, daß die Schaltspielzahl der mechanischen Schalter gegenüber den elektronischen Schaltelementen beispielsweise um eine Größenordnung oder mehr verringert wird. Dies kann zur Folge haben, daß die Lebensdauer der mechanischen Schaltelemente, die beispielsweise eine Million Schaltspiele beträgt, über die ganze Zeit so stark erhöht wird, daß sie der Lebensdauer der elektronischen Schaltelemente gleichkommt oder sie übertrifft. Bekanntlich sind beim heutigen Stand der Schalttechnik oft die mechanischen Schalter die schwächsten Teile ^ einer Anlage, die am meisten gewartet und am häu- * figsten ausgewechselt werden müssen. Dieser Nachteil läßt sic'h durch die Erfindung beseitigen, ohne daß die obengenannten Nachteile der elektronischen Schaltelemente, nämlich ihre Verlustwärme im eingeschalteten Zustand und ihre mangelnde Isolationssicherheit im ausgeschalteten Zustand, sich praktisch ungünstig auswirken.

In der Zeichnung ist ein schematisc'hes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

In F i g. 1 ist eine Schaltanordnung zur Verbindung der beiden Drehstromnetze RST und UVW angedeutet. 1 bis 6 sind antiparallele elektronische Schaltelemente, beispielsweise Vierschichtentrioden, oder eine Kombination von drei Vierschichtentrioden mit drei antiparallelen Dioden. Parallel zu diesen elektronischen Schaltelementen liegt ein dreipoliger mechanischer Überbrückungsschalter 7, in Reihe mit ihnen liegt ein dreipoliger Trennschalter 8. Zum Einschalten des Netzes UVW wird zunächst bei gesperrten elektronischen Elementen der Schalter 8 einge-. legt, daraufhin werden die Steuergitter der elektro-' nischen Schaltelemente geöffnet, so daß der Drehstrom fließen kann. Der Überbrückungsschalter 7 wird nach der Erfindung nicht sofort nach dem Schließen der elektronischen Schaltelemente, sondern erst nach einer Zeitspanne von etwa 1 bis 10 s eingeschaltet. Kommt vor dieser Zeitspanne bereits das Ausschaltkommando, so werden die elektronischen Schaltelemente durch Gitterbeeinflussung gesperrt, bevor der Schalter 7 in Funktion getreten ist; bleibt jedoch das Einschaltkommando längere Zeit bestehen, so schließt der mechanische Schalter 7 und nimmt den elektronischen Schaltelementen den Strom ab. Erfolgt jetzt das Ausschaltkommando, so wird zunächst der Überbrückungsschalter unverzögert geöffnet und unmittelbar hinterher werden die elektronischen Schaltelemente gesperrt. Damit ist der.Strom unterbrochen. Bleibt das Ausschaltkommando während einer längeren Zeitspanne, beispielsweise länger als 1 bis 10 s bestehen, so öffnet der Trennschalter 8. Andernfalls bleibt er geschlossen, so daß die Spannung an den elektronischen Schaltelementen liegenbleibt und der Stromkreis beim Eintreffen eines neuerlichen Einschaltkommandos ohne Betätigung des mechanischen Schalters wieder eingeschaltet werden kann.

F i g. 2 zeigt eine der F i g. 1 entsprechende Anordnung, jedoch sind hier nur in zwei Phasen elektronische Schaltelemente mit Überbrückungsschaltern angeordnet, die dritte Phase hat nur einen mechanischen Trennschalter, der unter Umständen auch eingespart werden kann. Während in der Anordnung der F i g. 1 nur drei der sechs elektronischen Schaltelemente steuerbar zu sein brauchen, müssen in der Anordnung der F i g. 2 sämtliche vier elektronischen Schaltelemente mit einem Steuergitter versehen werden. Bei der Art der Erfindung ist es nicht erforderlich, daß die Kommandos auf die elektronischen und mechanischen Schaltelemente synchron zur Wechselspannung bzw. zum Wechselstrom gegeben werden, sie müssen lediglich zeitlich in der angegebenen Weise gegeneinander gestaffelt werden, wobei man diese Staffelung dann mit sehr engen 'Zeitabständen ausführen wird, wenn große Sc'halfhäufigkeiten verlangt werden.

F i g. 3 zeigt eine Anordnung zum Reversieren eines Asynchronmotors M. Durch wahlweises Einlegen der Schalter 12 oder 13 bzw. ihrer parallelgeschalteten elektronischen Schaltelemente 14 bis 17 oder 18 bis 21 kann die Phasenfolge der Motorspannung von RST auf SRT umgestellt werden, so daß sich die Drehrichtung des Asynchronmotors M umdreht. Bei gewünschter positiver Umdrehungszahl wird zunächst der zwei- oder dreipolige mechanische Trennschalter 11 eingelegt, darauf werden die elektronischen Schaltelemente 14 bis 17 in den leitenden Zustand gebracht, so daß der Motor M Spannung bekommt. Bleibt das Einschaltkommando für Rechtslauf längere Zeit bestehen, wird der mechanische Überbrückungsschalter 12 geschlossen. Soll der Motor M abgeschaltet, abgebremst oder reversiert werden, so wird zunächst der mechanische Schalter 12 geöffnet und unverzögert die elektronischen Schaltelemente 14 bis 17 gesperrt. Bleibt das Stillstandkommando für den Motor M längere Zeit bestehen, so wird der mechanische Schalter 11 geöffnet; erfolgt dagegen unmittelbar nach dem Öffnen das Kommando für Linkslauf des Motors M, so bleibt der mechanische Schalter 11 geschlossen und die elektronischen Schaltelemente 18 bis 21 werden in den leitenden Zustand gebracht, so daß an den Motor M die Phasenfolge SRT angelegt wird. Nur in dem Fall, daß diese Phasenfolge längere Zeit, beispielsweise langer als 1 bis 10 s gewünscht wird, wird der mechanische Schalter 13 mit entsprechender Zeitverzöge-

rung eingelegt. Gerade bei derartigen Reversierscha!- tungen mit Tippbetrieb, wie sie beispielsweise beim elektrischen Antrieb von Hebezeugen und Fördermaschinen vorkommen, erweist sich die Anordnung nach der Erfindung als vorteilhaft.

Die F i g. 4 zeigt in einem zur Last 54 führenden Leitungszug 55 ein Ausführungsbeispiel für antiparallele Vierschichtentrioden 51 und 52 mit einem parallelgeschalteten Überbrückungsschalter 53. Letzterer kann durch einen Zeitschalter 56 verzögert geschaltet werden. Über einen Druckknopfkontakt 61 werden die Vierschichtentrioden 51 und 52 unverzögert ein- und, solange der Schalter 53 offenbleibt, unverzögert ausgeschaltet. Der Kontakt 62 setzt den Zeitschalter 56 in Betrieb. Liegt ein längeres »Ein«- Kommando vor, wird der Schalter 53 durch den Kontakt 62 ebenfalls eingeschaltet. Die Vierschichtentrioden 51 und 52 sind dann entlastet. Mit Öffnen des Kontaktes 62, d. h. bei einem »Aus«-Kommando,

wird der Schalter 53 unverzögert geöffnet. Über den Kontakt 63 werden die Vierschichtentrioden 51 und 52 gezündet gehalten, wenn bei geschlossenem Schalter 53 ein »Aus«-Kommando gegeben wird, jedoch gesperrt, nachdem der Schalter 53 geöffnet hat. Über den Kontakt 64 entlädt sich der i?C-Kreis des Zeitschalters 56. Die Steuerspannung für die Vierschichtentrioden 51 und 52 liefert das Element 57.

Die mechanischen Schalter können, da sie im allgemeinen lichtbogenfrei oder lichtbogenarm schalten, gegenüber Schaltern, die Lichtbogen ziehen, wesentlich vereinfacht werden, beispielsweise können sie mit kleinerem Schalthub ausgeführt werden, was ihrer Lebensdauer zugute kommt. Außerdem können die Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung fortfallen oder jedenfalls derart eingeschränkt werden, daß sie noch gelegentlich, d.h. bei Versagen der Steuerung oder der elektronischen Schaltelemente Lichtbogen löschen können; dies trifft insbesondere für den in Reihe liegenden Trennschalter zu. Da die mechanischen Schalter im wesentlichen lichtbogenfrei arbeiten, können sie mit Vorteil gekapselt werden und in einem anderen Medium als Luft, beispielsweise in Wasserstoff, Stickstoff, öl oder einer anderen synthetischen Schaltflüssigkeit arbeiten. Man gewinnt dadurch den Vorteil, daß die elektrische Schalteinrichtung explosionssicher und unabhängig von der äußeren Atmosphäre ist. Zweckmäßigerweise baut man in solchen Fällen die elektronischen Schaltelemente in den gekapselten Raum der mechanischen Schaltelemente mit ein.

Man kann die mechanischen Trennschalter auch so ausbilden, daß sie in Kurzschlußfällen die Abschaltung des Starkstromkreises übernehmen. Ebenso können die mechanischen Überbrückungsschalter dazu benutzt werden, in Kurzschlußfällen die elektronischen Schaltelemente vor Überströmen zu schützen. Die dazu erforderliche Schutzschaltung wird man in bekannter, nicht näher dargestellter Weise mit logischen Schaltelementen aufbauen. Man kann zur Beherrschung von Kurzschlußströmen und zum Schutz bei Versagen der elektronischen oder mechanischen Schaltelemente auch in bekannter Weise Schmelzsicherungen vor den elektronischen oder mechanischen Schaltelementen anordnen. Unter Umständen ist es auch möglich, den mechanischen Trennschalter einzusparen und die Schaltoperationen nur mit elektronischen Schaltelementen und parallelgeschalteten mechanischen Schaltern durchzuführen. Als Trennschalter kann in solchen Fällen unter Umständen ein übergeordneter, für mehrere Verbraucher gleichzeitig vorgesehener Trennschalter oder Schutzschalter dienen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten höherer Leistungen in Wechsel- oder Drehstromkreisen durch steuerbare elektronische Schalter, welche die Lastschaltungen übernehmen, wobei mechanische Schalter vorgesehen sind, die als Überbrückungsschalter parallel zu den elektronischen Schaltern und/oder als Trennschalter in Reihe mit ihnen liegen, und die Steuerimpulse auf die elektronischen und die Betätigung der mechanischen Schalter zeitlich so aufeinander abgestimmt sind, daß die mechanischen Schalter lichtbogenfrei oder lichtbogenarm arbeiten, und in der bei rasch — 0,1 bis 1 Hz — aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen eine Betätigung der mechanischen Schalter unterbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließung der parallelliegenden mechanischen Überbrückungsschalter (7) und/oder die Öffnung der in Reihe liegenden mechanischen Schalter (8) durch selbsttätig wirkende zeitabhängige Steuereinrichtungen (56, 57) verhindert ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten der mechanischen Trennschalter (8) bei einem Schaltkommando und/oder das Ausschalten der Überbrückungsschalter (7) unverzögert erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltverzögerung der Trennschalter (8) von der rückstromabhängigen Spannung an den gesperrten elektronischen Schaltern (1 bis 4) und/oder die Einschaltverzögerung der Überbrückungsschalter (7) von dem Strom der auf Durchgang gesteuerten elektronischen Schalter bestimmt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter aus der Antiparallelschaltung gesteuerter und ungesteuerter Ventile aufgebaut sind, wobei bei mehrphasigen Stromkreisen die Durchlaßrichtung aller ungesteuerten Ventile in den einzelnen Phasen gleich ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei «-phasigen Netzen elektronische Schalter nur in n-l-Phasen vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen