DE1513104A1 - Elektrische Schalteinrichtung - Google Patents

Elektrische Schalteinrichtung

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DE1513104A1
DE1513104A1 DE19661513104 DE1513104A DE1513104A1 DE 1513104 A1 DE1513104 A1 DE 1513104A1 DE 19661513104 DE19661513104 DE 19661513104 DE 1513104 A DE1513104 A DE 1513104A DE 1513104 A1 DE1513104 A1 DE 1513104A1
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    • HELECTRICITY
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    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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Description

WESTIÜGHOUSE λ c λ ο α π L
Electric Corporation ' ° ' ö ' u H
Pittsburg
1 1. NOV. 1966
66/8020
Elektrische Schalteinrichtung
Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Patentanmeldung Serial-No. 509 340 vom 23.11.1965 beansprucht,
Die Erfindung befaßt sich mit einer elektrischen Schalteinrichtung mit einem steuerbaren Halbleiterventil, z.B. einem Thyristor.
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WE-Case 37 254
Zum Schließen und Unterbrechen 'von Stromkreisen ist es bereits bekannt, ruhende Schalteinrichtungen zu benutzten, die Schaltelemente auf Halbleiterbasis, z.B. Thyristoren, enthalten. Derartige ruhende Schalteinrichtungen haben gegenüber den üblichen mechanischen Leistungsschaltern den Vorteil, daß die Bildung von Lichtbogen beim Schließen und Unterbrechen der Stromkreise vermieden wird. Jedoch konnten bisher die genannten ruhenden Schalteinrichtungen nicht in solchen Fällen verwendet werden, bei denen hohe Einschalt-, Last- und Fehlerströine auftreten, weil die Strombelastbarkeit der verfügbaren Halbleiter-Schaltelemente beschränkt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schalteinrichtung mit einem steuerbaren Halbleiterventil, z.B. einem Thyristor, derart auszubilden, daß die Schalteinrichtung auch den erwähnten starken Beanspruchungen gewachsen ist.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß parallel zu dem steuerbaren Halbleiterventil ein Kontakt eines mechanischen Schalters gelegt ist und daß zum Einschalten das steuerbare Halbleiterventil leitend gemacht und danach der Kontakt des mechanischen Schalters geschlossen wird und daß zum Ausschalten der Kontakt des mechanischen Schalteis geöffnet und danach das steuerbare Halbleiterventil gesperrt
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wird 909830/0451
Wlra· BAD ORIGINAL
WE-Case 37 254
Bei der Schalteinrichtung gemäß- der Erfindung führt das steuerbare Halbleiterventil während des normalen Betriebes einen vernachlässigbar kleinen Strom, weil der größte Teil des Stromes über den Kontakt des mechanischen Schalters fließen kann. Nur beim Ein- und Ausschalten wird das steuerbare Halbleiterventil während eines Teiles einer Halbwelle des zu schaltenden Wechselstromes belastet. Wegen dieser kurzen Belastungsdauer kann bei der Bemessung der steuerbaren Halbleiterventile eine Überlastung in Kauf genommen werden, so daß verhältnismäßig kleine steuerbare Halbleiterventile verwendet werden können. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß ein bestimmtes, im Handel erhältliches steuerbares Halbleiterventil, das für einen Dauerstrom von 50 Anpere bemessen ist, für die Dauer einer Halbwelle eines Wechselstromes von 60 Ha mit einem Spitzenstrom von 1000 Ampere belastbar ist.
Ein weiterer Vorteil der Schalteinrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß Fehlerströme, die sonst zu höheren Werten ansteigen können, durch den inneren Widerstand der steuerbaren lialbleiterventilo und zweckmäßig diesen zugeordneter Strombe-•venzungswiders» -vie herabgesetzt werden. Dies schwächt auch Lichtbogen und verhindert die erheblichen magnetischen Kräfte und opannungsachwankungen, die im Verbraucherstromkreis Schäden hervorrufen koYuiou.,
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Zur Steuerung des steuerbaren Halbleiterventils kann eine Schaltungsanordnung dienen, die von einem zusätzlichen Kontakt des mechanischen Schalters beeinflußt wird. Dieser Kontakt wird vor dem Schließen des Hauptkontaktes des mechanischen Schalters geschlossen und nach dem Öffnen des Hauptkontakteo geöffnet.
Die zur Steuerung des steuerbaren Halbleiterventiles dienende Schaltungsanordnung kann einen freilaufenden Oszillator enthalten, der Impulse zur Steuerung der steuerbaren Halbleiterventile erzeugt. Es empfiehlt sich, die Eigenfrequenz des Oszillators so zu wählen, daß die Frequenz der abgegebenen Steuerimpulse groß gegenüber der Netzfrequenz ist.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand des in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, bei dem in jeder Zuleitung des Verbrauchers ein Kontakt eines mechanischen Schalters liegt und jedem Kontakt zwei antiparallel geschaltete steuerbare Halbleiterventile parallelgeschaltet sind.
Figur 2 ist ein Diagramm, das den Verlauf des Stromes in Abhängigkeit von der Zeit, wie er beim Ausschalten eines Fehlerstromes auftreten kann, zeigt.
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Die wesentlichen Bestandteile der Steuereinrichtung nach Figur 1 sind eine Stromquelle 1 mit den Klemmen 2 und 3, ein Verbraucher 4 mit den Klemmen 5 und 6 sowie ein mechanischer Schalter 7 mit den beweglichen Kontaktstücken 1G und 11. Farallel au den beweglichen Kontaktstücken 10 und 11 ist je eine Reihenschaltung gelegt, die aus je zwei antiparallel geschalteten steuerbaren Halbleiterventilen und einem Strombegrenzungswiderstand besteht. Als Halbleiterventile sind Thyristoren verwendet. 12 und 13 sind die Thyristoren, die in Heihe mit dem Strombegrenzungswiderstand 14 parallel zu dem beweglichen Kontaktstück 10 geschaltet sind, während 15 und die Thyristoren und mit 17 der Strombegrenzungswiderstand bezeichnet sind, die parallel zu dem beweglichen Kontaktstück 11 liegen. Die Steuerung der Thyristoren 12, 13 und 15, 16 geschieht durch den als Ganzes mit 20 bezeichneten Stromkreis, der über die Gleichrichterschaltung 21 von der Stromquelle 1 gespeist wird und zu dessen Betätigung ein Hillskontakt 22 vorgesehen ist, der zusammen mit den beweglichen Kontaktstücken 10 und 11 in bestimmter zeitlicher Abhängigkeit betätigt wird. Dies geschieht durch die Solenoid-Spule 23, deren Betätigungsstromkreis in Figur 1 nicht dargestellt ist.
Jeder der Thyristoren 12, 13 und 15» 16 besitzt eine Anode, eine Kathode und eine Steuerelektrode. Wie allgemein bekannt ist, sperren die Thyristoren einen Strom in der Sichtung
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Anode-Kathode solange, bis eine kritische Durchbruchspannung überschritten wird oder an die Steuerelektrode eine im Verhältnis zur Kathode positive Spannung angelegt wird. Beim Anlegen einer solchen Steuerspannung sinkt die Durchbruchspannung auf einen sehr geringen Wert. Deshalb kann über den Thyristor bei geringem Spannungsabfall ein hoher Strom fließen, wenn die angelegte Spannung die Durchbruchspannung überschreitet. Machdem ein Thyristor durch das Anlegen einer Steuerspannung leitfähig geworden ist und sich die Polarität der an dem Thyristor anliegenden Wechselspannung ändert, geht der Thyristor in den nichtleitenden Zustand über. Die Steuerbarkeit des Thyristors wird erst wieder dann hergestellt, wenn die Anode positiv gegenüber der Kathode ist. Somit verhält sich der Thyristor von dem Zeitpunkt an, in dem die Spannung angelegt wird, bis zum Ende der betreffenden Haibwelle der Wechselspannung wie ein geschlossener Schalter.
Der Gleichrichterstromkreis 21 enthält einen Transformator 24, dessen Primärwicklung an die Stromquelle 1 angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung zusammen mit den Gleichrichterventilen 25 und 26 sowie dem Glättungskondensator 21 eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung bildet.
Der Stromkreis 2ü enthält einen npn-Transistor 30, dessen Emitter 31 über die Parallelschaltung des Widerstandes 32 ait
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dem Kondensator 33 in iteihe mit dem weiteren Widerstand 34 an die positive Klemme des Gleichrichterstromkreises 21 gelegt ist. Der Kollektor 35 des Transistors 30 ist an die Primärwicklung 37 des Transformators 36 angeschlossen, parallel zu der ein Gleichrichterventil 40 und ein Widerstand 41 liegen. Die Basis 42 des Transistors 30 ist an die Rückkopplungswicklung 43 des Transformators 37 angeschlossen. Das andere Ende der Rückkopplungswicklung 43 liegt über den Widerstand 44 und den Kondensator 45 an der negativen Klemme des uleichrichterstromkreises 21. Parallel zu dem Kondensator 45 liegt ein Widerstand 46. Der Verbindungspunkt des Kondensators und des Widerstandes 44 kann mittels des Hilfskontaktec 22 über einen weiteren Widerstand 47 an die positive Klemme des uleichrichterstromkreises 21 gelegt werden.
Den insgesamt vier Thyristoren 12, 13 und 15, 16 sind vier Ausgangswicklungen 50 bis 53 des Transformators 37 zugeordnet, wobei jeweils dao eine Ende jeder Ausgangswicklung an die Kathode und dae andere Ende an die Steuerelektrode dec betreffenden Thyristors angeschlossen ist.
Zur Betrachtung der Wirkungsweise des zur Erzeugung von Steuerimpulsen dienenden Stromkreises 20 wird davon ausgegangen, daß der Hilfsköntakt 22 geöffnet ist und der Kondensator 45 annähernd ladungsfrei ist. Zu diesem Zeitpunkt befindet
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sich der Emitter 31 des Transistors auf einem Potential, das im Verhältnis zu der negativen Klemme des Gleichrichterstromkreises 21 positiv ist. Der Kondensator 33 ist dabei auf eine Spannung entsprechend den Spannungsabfall an dem Widerstand aufgeladen, die dem Verhältnis der Widerstände 32 und 34 entspricht. In dem betrachteten Zeitpunkt ist der Transistor 30 gesperrt, da der Emitter 31 gegenüber der Basis 42 positiv ist. Infolgedessen ist auch die Pirmärwicklung 37 des Transformators 36 stromlos.
Werden nun durch die Solenoid-Spule 23 die beweglichen Kontakt-
s ehe η
stücke 10 und 11 des mechani- Schalters 7 in die Schließstellung gebracht, so schließt sich über eine in figur 1 nicht dargestellte Vorrichtung zuvor der Hilfskontakt 22. Hierdurch wird ein Stromkreis geschlossen, der sich von dem positiven Anschluß des Gleichrichterstromkreises 21 und den Widerstand 47 au dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 45 und dein Widerstand 44 erstreckt. Der Kondensator 45 lädt sich dann über den Widerstand 47 und die Spannung des Verbindungspunktes auf. Die Spannung steigt auf einen Wert an, der gegenüber der negativen Klemme des Gleichrichteretromkreices 21 positiv ist, bis die Spannung an der Basis 42 des Transistors 30 den Spannungsabfall am Widerstand 32 um einen Betrag überschreitet, der dem Spannungsabfall im Basis-Emitter-Stromkreis " des Tranaistors 30 entspricht. Der Transistor 30 wird nun
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leitend, so daß von dem1positiven Anschluß des Gleichrichterstromkreises 21 der Strom durch die Primärwicklung % des Transformators. 37 über Kollektor und Emitter des Transistors 30 und den Widerstand 32 zu dem negativen Anschluß des Gleichrichterstromkreises 21 fließt. In der Rückkopplungswicklung 43 des Transformators 37 wird eine Spannung induziert, die zusammen mit der an der Basis 42 des Transistors 30 liegenden Spannung den Transistor vollständig leitfähig macht.
Im leitenden Zustand des Transistors 30 ladt sich der Kondensator 33 auf eine höhere Spannung auf, bis die Spannung an dem Emitter 31 des Transistors 30 gegenüber der Basis 42 geringfügig positiv wird. Dies bewirkt ein Abnehmen des durch den Transistor 30 fließenden Stromes und die Umkehr der Polarität der Rückkopplungsspannung, die in der Wicklung 43 des Transformators 36 induziert wird. Das Abnehmen des Stromes wird hierdurch beschleunigt, bis der Transistor 30 in einen annäherend nicht leitenden Zustand zurückgekehrt ist. Solange der Transistor 30 leitfähig ist, lädt sich der Kondensator 45 auf eine vom Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren 45 und 33 bestimmte Spannung auf. Bleibt der.Hilfskontakt 22 geschlossen, so lädt sich der Kondensator 45 erneut auf eine höhere Spannung auf und die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich periodisch. Der Stromkreis 20 wirkt comit als freilaufender Oszillator, der eine Folge von Steuerimpulsen abgibt,
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deren Frequenz zweckmäßig gegenüber der Frequenz der Stromquelle 1 verhältnismäßig groß ist.
Der in der Primärwicklung 36 des Transformators 37 periodisch fließende ^trom induziert in den Ausgangswicklungen 50 bis Steuerimpulse, die an die Thyristoren 12, 13 und 15, 16 angelegt werden. Durch die verhältnismäßig hohe Frequenz der Steuerimpulse ist sichergestellt, daß die Thyristoren beim Beginn jeder Halbwelle, während der die Thyristoren den Verbraucherstrom führen sollen, leitfähig gemacht werden.
' Vor dem Einschalten der Schalteinrichtung nach Figur 1 sind die beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 des mechanischen Schalters 7 und der Hilfskontakt 22 geöffnet. Der zur Erzeugung der Steuerimpulse dienende Stromkreis 20 hält die Thyristoren 12, 13 und 15, 16 in gesperrtes Zustand, da auch der Transistor 30 gesperrt ist. Bei der Betätigung der Schalteinrichtung schließt sich der Hilfskontakt 22 kurz vor den beweglichen Kontaktstücken 10 und 11. Deshalb erhalten die Thyristoren Steuerimpulse aus dem Stromkreis 20, wodurch der Stromkreis von der Stromquelle 1 über den Verbraucher A geschlossen wird. Sobald auch die beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 die Schließstellung erreicht haben, geht der Verbrauche! strom nahezu vollständig auf den mechanischen Schalter 7 über. Dementsprechend fließt über die Thyristoren nur noch
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ein geringer Eeststrom, da der wirksame Widerstand des Strompfades über die beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 geringer als der Widerstand der antiparallel geschalteten Thyristoren und der Widerstände 14 und 17 ist.
Im folgenden wird der Ablauf des Unterbrechungsvorganges erläutert. Zunächst werden die beweglichen Kontaktstücke 10
sehen
und 11 des mechani- Schalters 7 durch die Solenoid-Spule 23 in die Öffnungsstellung gebracht. Der Hilfskontakt 22 öffnet sich geringe Zeit nach den beweglichen Kontaktstücken 10 und 11, um sicherzustellen, daß der über den Verbraucher 4 fließende Strom auf die beiden Paare von Thyristoren 12 und 13 sowie 15 und 16 annähernd ob.ne Lichtbogen übergeht. Die Verzögerung zwischen dem Öffnen der beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 und des Hilfskontaktes 22 ist zweckmäßig so bemessen, daß der Übergang des Stromes von den beweglichen Kontaktstücken TO und 11 auf die Thyristoren 12, 13 und 15, 16 vollzogen ist, bevor die beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 die Öffnungsstellung voll erreicht haben. Nachdem der Strom auf die Thyristoren übergegangen ist, öffnet sich der Hilfskontakt 22, wodurch die Zufuhr von Steuerimpulsen zu den Steuerelektroden der Thyristoren unterbrochen wird. Dies hat zur Folge, daß die Thyristoren am Ende derjenigen Halbzelle des Wechselstromes, in der sich der Hilfskontakt 22 öffnet, in den nichtleitenden Zustand übergehen.
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In Figur 2 ist eine Halbwelle des von der Stromquelle 1 durch den Verbraucher 4 fließenden Wechselstromes dargestellt, wie er im Fehlerfall auftreten kann. Die im Zeitpunkt tQ beginnende Kurve 60 stellt den Strom dar, wie er üblicherweise auftritt. Durch die Einrichtung gemäß der Erfindung wird der Fehlerstrom beim Öffnen der beweglichen Kontakt stücke 10 und 11 (Figur 1) im Zeitpunkt t-i herabgesetzt, wie dies durch die Kurve 61 dargestellt ist. Die Verkleinerung des Fehlerstromes kommt dadurch zustande, daß nach dem Öffnen der beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 der Strom über die Begrenzungswiderstände 14 und 17 fließt. Auch die inneren Widerstände der Thyristoren 12, 13 und 15, 16 verkleinern den Fehlerstrom.
Da die Zufuhr der Steuerimpulse beim Öffnen des Hilfskontaktes 22 unterbrochen wird, bleiben die Gleichrichterventile nur bis zum Zeitpunkt %2 leitend und gehen dann in den nichtleitenden Zustand über.
Die endgültige Stromunterbrechung geschieht in den parallel zu den beweglichen Kontaktstücken 10 und 11 liegenden Schaltungsteilen, in denen die Thyristoren angeordnet sind. Zu einer erheblichen Lichtbogenbildung beim Öffnen der beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 kann es deshalb nicht kommen. Von dem gewählten Wert der Begrenzungswiderstände 14
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und 17 hängt es ab, ob die Lichtbogenbildung völlig unterbleibt oder ein schwacher Restlichtbogen auftritt.
Im Betrieb der Steuereinrichtung gemäß der Erfindung ist von den beiden Paaren von Thyristoren 12, 13 und 15, 16 nur jeweils ein Gleichrichterventil leitend. Beispielsweise läßt sich ein Strompfad durch den Thyrister 12, den Strombegrenzungswiderstand 14, den Verbraucher 20 sowie den Strombegrenzungswiderstand 17, den Thyristor 16 und zurück zur Stromquelle 1 verfolgen. Dieser Verlauf des Stromes liegt vor, wenn den Thyristoren aus dem Stromkreis 20 Steuerimpulse zugeführt werden und wenn der Anschluß 2 der Stromquelle 1 gegenüber dem Anschluß 3 positiv ist. Bei umgekehrter Polarität, d.h. wenn der Anschluß 3 gegenüber dem Anschluß 2 positiv ist, verläuft der Strom entsprechend van Anschluß 3 der Stromquelle 1 über den Thyristor 15, den Strombegrenzungswiderstand 17, den Verbraucher 4 sowie über den Strombegrenzungswiderstand 14 und den Thyristor 13 zurück zum Anschluß 2 der Stromquelle 1.
Die Erfindung kann außer auf den beschriebenen Einphasenstrornkreis auch auf drei- oder mehrphasige Stromkreise angewendet werden. Bei derartigen Ausführungsformen ist sinngemäß, wie bei der Steuereinrichtung nach Figur 1, je ein Paar antiparallel geschalteter steuerbarer Halbleiterventile
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parallel zu den beweglichen Kontaktstücken eines entsprechend mehrpoligen Schalters zu legen. Statt der beschriebenen Thyristoren können auch andere Kombinationen steuerbarer Schaltelemente auf Halbleiterbasis oder Dioden verwendet werden. Z.B. kann in jedem Paar von Thyristoren der eine Thyristor durch eine Diode ersetzt werden.
Die Erfindung kann auch in der Weise verwirklicht werden, daß statt des automatischen Anlegens von Steuerimpulsen an die steuerbaren Halbleiterventile das Anlegen von Hand geschieht. Bei einem derartigen Verfahren werden an die steuerbaren Halbleiterventile 12, 13 und 15, 16 vor dem Schließen der beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 periodisch aufeinanderfolgende Steuerimpulse angelegt, indem von Hand ein Schalter ähnlich dem selbsttätigen Hilfskontakt 22 in Figur 1, der jedoch unabhängig von dem Schalter 7 betätigt werden kann, geschlossen wird. Darauf werden die beweglichen Kontaktstücke 10 und 11 des Schalters 7 geschlossen, damit der Verbraucherstrom in den steuerbaren Halbleiterventilen vorbeireitet wird. Zum Schalten des Verbrauchers wird sinngemäß in umgekehrter Reihenfolge vorgegangen, indem man zunächst die beweglichen Kontakt stücke 10 und 11 öffnet, damit der Verbraucherstrom auf die steuerbaren Halbleiterventile übergeht. Durch Öffnen des erwähnten Schalters von Hand wird nun die Zufuhr der Steuerimpulse unterbrochen. Die Unter-
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brechung des Verbraucherstromes geschieht in der gleichen Weise wie bei der selbsttätigen Anordnung nach Figur 1,
wobei die steuerbaren Halbleiterventile am Ende derjenigen Halbwelle, während der die Zufuhr der Steuerimpulse unterbrochen wird,in den nichtleitenden Zustand übergehen.
2 Figuren
7 AnsOrüche
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Claims (7)

- WE-Case 37 254 Patentansprüche
1. Elektrische Schalteinrichtung mit mindestens einem steuerbaren Halbleiterventil, z.B. einem Thyristor, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem steuerbaren Halbleiterventil (z.B. 12; Fig. 1) ein Kontakt (10) eines mechanischen Schalters (7) geschaltet ist und daß zum Einschalten das steuerbare Halbleiterventil (12) leitend gemacht und danach der Kontakt (10) des mechanischen Schalters (7) geschloseen wird und daß zum Ausschalten der Kontakt (10) des mechanischen Schalters (7) geöffnet und danach das steuerbare Halbleiterventil (12) gesperrt wird.
2. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem steuerbaren Halbleiterventil ein ohmscher Widerstand (z.B. 14) geschaltet ist.
3. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kontakt (z.B. 10) des mechanischen Schalters (7) zwei antiparallel geschaltete steuerbare Halbleiterventile (12, 13) parallelgeschaltet sind.
4. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß in jeder zum Verbraucher führenden Leitung
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ein Kontakt eines mechanischen Schalters liegt, denen jeweils zwei antiparallel geschaltete steuerbare Halbleiterventile parallelgeschaltet sind.
5. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung de3 bzw, der steuerbaren Halbleiterventile (13, 12; 15, 16) eine Schaltungsanordnung (20) dient, die von einem zusätzlichen Kontakt (22) des mechanischen Schalters (7) beeinflußt wird, der vor dem Schließen des bzw. der Hauptkontakte (10, 11) des mechanischen Schalters (7) schließt und nach dem Öffnen der Hauptkontakte (10, 11) öffnet.
6. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (20) einen freilaufenden Oszillator enthält, der Impulse zur Steuerung der steuerbaren Halbleiterventile liefert.
7. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der von dem freilaufenden Oszillator erzeugten Impulse hoch im Verhältnie zur Wetzfrequenz ist.
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Le e rs e i t e
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CH452020A (de) 1968-05-15
US3401303A (en) 1968-09-10

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