DE19639064A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetisch betätigten Schützes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetisch betätigten, dreipolig symmetrisch aufgebauten Schützes, z. B. Luftschützes, aber vorzugsweise Vakuumschützes, mit gleichstromerregtem Magnetantrieb, bestehend aus festem Magnetteil und geradlinig bewegtem Magnetanker oder Klappanker mit Drehbewegung, wobei der Magnetanker den Hauptstrombahnen und deren Hauptkontaktsystem, z. B. einer Vakuumschaltkammer, direkt gegenüber und in geringem Abstand quer bzw. um 90° gedreht zu ihnen liegt.

Elektromagnetische Schütze, insbesondere zum Schalten von Motoren, aber auch allen anderen elektrischen Betriebsmitteln, erreichen je nach Belastungsart und Belastungsgröße eine gegenüber der mechanischen Lebensdauer teilweise sehr niedrige elektrische Lebensdauer, bedingt durch den mit jedem Abschaltvorgang und dem damit verbundenen Lichtbogen verbundenen Kontaktstückabbrand.

Um diese Nachteile zu beseitigen und die Lichtbogendauer zu begrenzen, wurden bereits 3polige Luftschütze vorgeschlagen, bei denen in einem zuerst öffnenden Schützpol zwei Schaltstrecken in Reihe geschaltet sind und die beiden anderen Schützpole zeitlich versetzte aber ohne eine definierte Zeitspanne öffnen (DE 10 51 357).

Vakuumschütze mit ihrem von vornherein wesentlich niedrigeren Kontaktstückabbrand brachten zwar weitere und wesentliche Verbesserungen, aber noch keine Lösung des o. a. Widerspruchs zwischen elektrischer und mechanischer Lebensdauer.

Zur Beseitigung dieses Widerspruchs sind nun weitere Lösungen vorgeschlagen worden, die einen resultierenden Schaltstückabbrand vollkommen vermeiden sollen, indem die Kontaktöffnung in den betreffenden Vakuumschaltkammern in einem definierten Zeitfenster vor dem Stromnulldurchgang erfolgt. Diese Lösung, die ein synchronisiertes Einschalten ermöglichen soll, ist sowohl für Vakuumschütze mit Einzelantrieb pro Schützpol (DE 33 02 201), als auch für Vakuumschütze mit Gruppenantrieb (DE 41 05 698) vorgesehen.

Nachteil dieser Lösungen ist der große Aufwand zur Steuerung des bzw. der Magnetantriebe.

Weitere Nachteile der bekannten Lösungen, insbesondere bei modernen elektromagnetischen Schützen mit sehr gedrängter Bauweise und bei in unmittelbarer Nähe des beweglichen Magnetankers liegenden Hauptstrombahnen ist, daß die Kraftwirkung der abzuschaltenden Ströme bei einem Ausschalten des Magnetantriebes zu beliebigen Zeitpunkten zu unerwünschten Abläufen der Ausschaltbewegung des Magnetankers führen kann.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermeidung einer nachteiligen Beeinflussung der Ein- und Ausschaltbewegung des Magnetankers eines elektromagnetischen Schützes, insbesondere aber eines Vakuumschützes und ein synchronisiertes Öffnen und Schließen der Vakuumschaltkammern in einem bereits vorgeschlagenen Zeitfenster mit einem verminderten Aufwand zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird bei einem Schütz mit Gruppenantrieb die Kraftwirkung der abzuschaltenden Betriebsströme auf den Magnetanker bzw. die Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern der den Betriebsstrom führenden Hauptstrombahnen mit den Kontaktsystemen und dem Magnetfluß bzw. Magnetfeld in dem Magnetanker zu einer Unterstützung des Ein- und Ausschaltvorganges und insbesondere bei einem Vakuumschütz diese Kraftwirkungen zum synchronisierten Öffnen und Schließen der Hauptkontaktstücke in den Vakuumschaltkammern ausgenutzt.

Bei einer bestimmten Phasenlage der zu schaltenden Betriebsströme und damit der Richtung deren umgebenden Magnetfelder bzw. Magnetflüsse wird der Erregerstrom des Magnetantriebes so geschaltet, daß bei einem Ausschaltvorgang die Kräfte zwischen den Magnetfeldern des Magneten und der Betriebsströme in einer oder zwei Hauptstrombahnen in Öffnungsrichtung des Magnetankers und bei einem Einschaltvorgang in Schließrichtung des Magnetankers wirken, so daß sowohl bei einem Ausschalt- als auch Einschaltvorgang die Hauptkontakte in einem gewünschten Zeitfenster öffnen bzw. schließen. Das den Erregerstrom schaltende bzw. steuernde Schaltglied wird so betätigt bzw. geöffnet oder geschlossen, daß der Magneterregerstrom in den jeweiligen definierten Phasen lagen zwischen den Magnetfeldern gegen Null - Ausschaltvorgang - oder auf seinen stationären Endwert - Einschaltvorgang - geführt wird.

In zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungsgedankens soll die Kontaktöffnung der Bezugsphase in einer Hauptstrombahn in einem Zeitfenster von 2 ms < t < 0 ms vor dem Stromnulldurchgang und in den anderen 2 Hauptstrombahnen 5 ms danach bei einer Netzfrequenz von 50 Hz in einem Vakuumschütz erfolgen.

Die Erfindung soll anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere eines Vakuumschützes, erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Betriebsströme in einem 3-Phasensystem

Fig. 2 die Prinzipskizze eines Schützes, mit unter Vakuum angeordnetem Hauptkontaktsystem( Seitenansicht).

Fig. 3 die erfindungsgemäße Zuordnung der Magnetfelder bei einem Ausschaltvorgang

Fig. 4 die Zuordnung der Magnetfelder im Einschaltvorgang bei einem U-förmigen Magnetantrieb

Fig. 5 die Zuordnung der Magnetfelder im Ausschaltvorgang

Fig. 6 die Zuordnung der Magnetfelder im Einschaltvorgang bei einem E-förmigen Magnetantrieb (Vorderansicht des Vakuumschützes).

In Fig. 2 ist schematisch ein Vakuumschütz dargestellt mit einem im Gehäuse 7 oben fest angeordneten Magneten 1, einem mit einer Achse 8 drehbar gelagerten Klappanker 2 und daran befestigter Gabel 6, mit der eine bewegliche Elektrode 4 mit dem beweglichen Kontaktstück der Vakuumschaltkammer 3 betätigt werden kann. Mit 5 ist die feste Elektrode der Vakuumschaltkammer 3 bezeichnet.

Beim Einschalten des Magnetantriebes wird der Klappanker 2 vom festen Magneten 1 angezogen, damit gibt die Gabelstange 6 die bewegliche Elektrode 4 frei, so daß unter Einwirkung des Luftdruckes die Hauptkontaktstücke in der Vakuumschaltkammer 3 geschlossen werden. Bei Ausschalten des Magnetantriebes werden durch eine nicht näher dargestellte Rückzugfeder der Klappanker 2 in die Ausschaltstellung bewegt und damit die Hauptkontaktstücke geöffnet.

Durch den den Hauptkontaktbahnen direkt benachbarten Magnetklappanker 2 wirken die konzentrischen Magnetfelder der in den Hauptstrombahnen bzw. Elektroden in den Vakuumschaltkammern fließenden Betriebsströme direkt auf den Magnetanker 2 bzw. dessen Magnetfeld ein. Der Magnetanker 2 liegt quer bzw. um 90° versetzt zu den Hauptstrombahnen 3, 4, 5.

Sinngemäß kann der erfindungsgemäße Aufbau auch auf einen Magnetantrieb mit geradliniger Ankerbewegung angewandt werden, vorausgesetzt der Magnetanker liegt quer zu den Hauptstrombahnen.

Fig. 3 zeigt schematisch den Querschnitt bzw. die Vorderansicht eines Schützes mit U- förmigem Magnetantrieb und die Lage bzw. die Richtung der Magnetfelder in den Magneten und den Strom bahnen bei einem Ausschaltvorgang.

Fig. 4 zeigt einen Einschaltvorgang nach dem Erfindungsgedanken. Mit 9 ist dabei die Erregerspule des Magnetantriebes bezeichnet, die immer mit der gleichen Polarität zu speisen ist und die den mit 10 gekennzeichneten Magnetfluß der dargestellten Richtung erzeugen soll. Die Magnetfelder 11 um die Hauptstrombahnen 3 sollen in den dargestellten Ausführungsbeispielen (Fig. 3 bis 6) bei positiver Stromhalbwelle im Uhrzeigersinn (Fig. 1) und bei negativer Stromhalbwelle im Gegenzeigersinn verlaufen.

Nach dem Erfindungsgedanken soll nun das den Erregerstrom steuernde Schaltglied vor dem Bereich A in Fig. 1 so geöffnet werden, daß der Erregerstrom im Zeitpunkt 0 Grad elektrisch (Fig. 1) soweit abgefallen ist, daß vorzugsweise in diesem Zeitpunkt die Ankerbewegung beginnt. In dem danach folgenden Bereich A nach Fig. 1 haben dann die Magnetfelder um die Hauptstrombahnen den in Fig. 3 dargestellten Verlauf. Damit wird von der festliegenden Hauptstrombahn (Phase S) eine Kraft auf den Magnetanker in Öffnungsrichtung des Magnetankers 2 ausgeübt, die im Sinne des Erfindungsgedankens dazu genutzt werden soll, daß in der Bezugsphase S die Hauptkontakte in den für Vakuumschütze günstigen Zeitfenster von 2 ms < t < 0 ms vor dem Stromnulldurchgang synchronisiert öffnen. Die Öffnung der Hauptkontakte der Phasen R und T soll dann mit bekannten mechanischen Mitteln 5ms (bei 50 Hz) später erfolgen.

Beim Einschalten soll erfindungsgemäß der Erregerstrom so vor dem Zeitbereich B in Fig. 1 eingeschaltet werden, daß mit der Magnetankerbewegung die Hauptkontaktstücke in den Phasen R und T vor und die in der Bezugsphase S zu oder unmittelbar nach Beginn des Zeitabschnittes B schließen. Dabei wird nach Schließen der Phase S durch dessen Magnetfeld eine Kraft auf den Magnetanker in Einschaltrichtung vorrangig ausgeübt (Fig. 4). Die vor diesem Zeitpunkt wirkenden Kräfte von den Strömen in den zuerst schließenden Phasen R und T sind dabei durch die niedrigeren Einschaltströme (2phasiger Einschaltvorgang) auf den Magnetschließvorgang unbedeutend.

Wesentlicher Vorteil dieses so vorgeschlagenen Einschaltvorganges ist einmal eine Verringerung der Einschaltströme und die bei beginnenden 3-phasigen Stromverlauf von der Phase S erzeugte Kraft in Richtung Magnetschließen.

Vorteilhaftenweise kann dabei die Kontaktbahn der Phase S, die sowohl in den erfindungsgemäß vorgesehenen Zeiträumen A und B (Fig. 1), als auch von ihrer Lage her den größten Einfluß auf den Magnetfluß im Anker 2 ausübt, gegenüber den der Phasen R und T räumlich näher an den Magnetanker 2 bei einem U-förmigen Magnetantrieb gelegt werden.

Nach Fig. 5 und 6 kann der Erfindungsgedanke auch mit einem E-förmigen Magnetantrieb realisiert werden.

Durch den in Fig. 5 und 6 dargestellten prinzipiellen Verlauf des Magnetflusses 12 im Anker 2 ist der Einfluß des Magnetfeldes von Phase S gegenüber dem von Phase R und T niedriger, so daß hier die Kontaktbahn der Phase S gegenüber dem Anker 2 im Vergleich zu Phase R und T vorteilhafterweise weiter entfernt angeordnet werden kann.

Zum Ausschalten des erfindungsgemäß ausgebildeten Schützes und der in Fig. 1 gezeigten Zuordnung der Ströme in den 3 Phasen soll hier der Magneterregerstrom, abhängig von den mechanischen Eigenschaften des Schützes, so ausgeschaltet werden, daß ab Beginn des Zeitraumes D nach Fig. 1 die Öffnungsbewegung des Magnetankers beginnt.

In dem erfindungsgemäß vorgesehenen Zeitraum D wird nun von den Magnetfeldern der Phase R und T nach Fig. 5 eine Kraft auf den Magnetanker in Ausschaltrichtung ausgeübt, so daß die Kontaktöffnung in Phase R in dem vorteilhaften Zeitfenster von 2 ms < t < 0 ms vor dem Nulldurchgang (Ende des Zeitbereiches D), erfolgt. In bereits vorgeschlagener Weise sollen dann die Hauptkontaktstücke in Phase S und T 5 ms später öffnen.

Zum Einschalten ist der Magnet so zu erregen, daß die Hauptkontaktstücke in den beiden zuerst einschaltenden Phasen S und T zu Beginn des Zeitraumes C nach Fig. 1 und in Phase R danach schließen. Die sich dann einstellenden Verhältnisse zwischen den Magnetfeldern ist in Fig. 6 dargestellt. Die dann in dem Zeitraum C, Fig. 1, konzentrisch um die Hauptkontaktbahnen vorhandenen Magnetfelder, insbesondere der Phasen R und T wirken abstoßend auf den Magnetanker 2 und damit in gewünschter Weise in dessen Schließrichtung.

Die notwendigen Einrichtungen zum Steuern bzw. Schalten des Magneterregerstromes sind bekannt und sind nicht Gegenstand der Erfindung, ebenso nicht die Mittel zum zeitlichen und räumlichen Versetzen der Hauptkontaktbahnen bzw. deren Hauptkontaktsysteme z. B. der Vakuumschaltkammern.

Die gewünschten Effekte einer Beeinflussung des Ein- und Ausschaltvorganges in einem Schütz zum Erzielen von synchronisiertem Ein- und Ausschalten der Betriebsströme in den Hauptkontaktbahnen durch die erfindungsgemäßen Wechselwirkungen der betrachteten Magnetfelder lassen sich auch auf Luftschütze anwenden. Allerdings ist die insbesonders gewünschte Angleichung der elektrischen an die mechanische Lebensdauer nur mit Vakuumschaltkammern bzw. Vakuumschützen erreichbar, mit denen unter Nutzung des bereits vorgeschlagenen Zeitfensters ein resultierender Kontaktmaterialabbrand vollständig vermieden werden kann.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetisch betätigten, dreipolig symmetrisch aufgebauten Schützes, z. B. Luftschützes, aber vorzugsweise Vakuumschützes, mit gleichstromerregtem Magnetantrieb, bestehend aus festem Magnetteil und geradlinig bewegtem Magnetanker oder Klappanker mit Drehbewegung, wobei der Magnetanker den Hauptstrombahnen und deren Hauptkontaktsystem, z. B. einer Vakuumschaltkammer, direkt gegenüber und in geringem Abstand quer bzw. um 90° gedreht zu ihnen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselnde Kraftwirkung der in den Hauptstrombahnen fließenden Ströme auf den im Anker des Betätigungsmagneten vorliegenden Magnetfluß die Aus- und Einschaltbewegung des Ankers unterstützend und zu einem synchronisierten Öffnen und Schließen der Hauptkontakte ausgenutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom des Gleichstrommagneten durch an sich bekannte Mittel zu einem Zeitpunkt der Stromhalbwelle einer Bezugsphase, ab dem die Kraftwirkung der Magnetfelder der zu schaltenden Ströme im Sinne einer Anziehung auf den Magnettanker bzw. in dessen Ausschaltrichtung wirken, ausgeschaltet bzw. auf einen Wert verringert wird, ab dem der Magnettanker abfällt und daß in dem Zeitraum dieser Kraftwirkungen der Magneterregerstrom endgültig gegen Null geführt wird, so daß in dem gewünschten Zeitpunkt eine synchronisierte Öffnung der Hauptkontaktstücke in der Bezugsphase erfolgt und daß bei einem Einschaltvorgang der Erregerstrom des Magnetantriebes zu einem Zeitpunkt so eingeschaltet wird, daß nach Schließen der beiden, bei dem Ausschaltvorgang zuletzt öffnenden, jetzt zuerst schließenden Phasen das Schließen der Hauptkontaktstücke zu Beginn eines Zeitbereiches erfolgt, ab und in dem die Kraftwirkung der Ströme im Sinne einer Abstoßung bzw. Unterstützung der Einschaltbewegung des Magnettankers erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der ersten Hauptkontaktstücke in einem Zeitfenster von 0 ms < t < 2 ms vor dem Stromnulldurchgang und daß die Öffnung der Hauptkontaktstücke in den beiden anderen Phasen nach jeweils weiteren 5 ms bei 50 Hz Netzfrequenz erfolgt.

4. Schütz zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein U-förmiger Magnet vorgesehen ist, daß als Bezugsphase die in Mitte liegende Phase S dient und daß die Hauptkontaktbahn der Phase S gegenüber denen der Phasen R und T räumlich versetzt und näher dem Magnettanker angeordnet ist.

5. Schütz zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein E-förmiger Magnetantrieb vorgesehen ist, daß als Bezugsphase die Phase R oder T gewählt ist und daß die Hauptkontaktbahn der mittleren Phase S gegenüber denen der Phasen R und T räumlich versetzt und weiter entfernt vom Magnettanker angeordnet ist.