DE2023872A1

DE2023872A1 - Elektrische Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE2023872A1
Application number: DE19702023872
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing.; Schulze Peter Dipl.-Ing.; 8520 Erlangen; Fork Kurt Dr. 8521 Frauenaurach. P Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-05-15
Filing date: 1970-05-15
Publication date: 1971-12-02
Also published as: DE2023872C3; CA921161A; SE362530B; JPS5040789B1; CH534955A; FR2091311A5; AT307561B; GB1349781A; US3708718A; DE2023872B2

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung mit einem.Vakuumschalter.

Beim Unterbrechen von Stromkreisen hoher Belastung mit hoher Schaltgeschwindigkeit mittels eines Vakuumschalters treten verschiedene Probleme auf. Es muß der Stromnulldurchgang an den Schal-tkontakten und damit das Abreißen des Lichtbogens zu ' einem definierten Zeitpunkt erzwungen werden. Dabei int einerseits zu beachten, daß nach dem Abreißen des Lichtbogens die Schöltstrecke epannungsfest sein muß, beispielsweise bei Y/echrielop&nnung in der folgenden Halbwelle keine erneute Lichtbogenzündung auftreten darf, andererseits ist ein zu langes Brennen des Lichtbogens zu vermeiden, da durch die starke Erhitzung beispielsweise mit der Verdampfung von Kontaktinaterial eine Schädigung des Vakuumschalters eintreten kann, der mit auf v/endigen, konstruktiven Maßnahmen begegnet werden Jtiuß. Bein Unterbrechen von Stromkreisen mit induktiver Belastung, insbesondere beim Unterbrechen von Gleichstromkreisen treten Überspannungen auf, die von der Größe des Abreißstromes ab* hängig sind.

Ea besteht die Aufgabe eine elektrische Schalteinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die für hohe Schaltgenchwindigkeit und hohe Schaltleistungen geeignet ist.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß de;*. Vakuumschalter eine Reihenschaltung eines steuerbaren Ventils und einer Kapazität parallel geschaltet ist und daß dau VentiL nach dem Öffnen der Kontakte des Vakuumschalters zündbar ist. Dan Ventil kann mit der am Vakuumschalter bei geöffneten Kontakten abfallenden Spannung zündbar sein. Vorteilhaft ist es, ein Verzögerungsglied im Zündkreis des Ventils anzuordnen. Vorzugsweise ist der Reihenschaltung von steuerbarem Ventil und Kapazität ein nichtlinearer Widerstand (Varistor) parallelgeschaltet. Die mit dem steuerbaren Ventil in Reihe geschaltete Kapazität kann aus einer Spannungsquelle nachladbar sein.

Bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung läßt sich an den Schaltkontakten ein Stromnullgang zu einem genau definierten Zeitpunkt erzielen, denn bei gezündetem Ventil wird aus der dem Vakuumschalter parallel geschalteten Kapazität ein dem , Strom im Laststromkreis bzw. dem Lichtbogenstrom entgegengesetzt gerichteter Strom in dieSchaltstrecke eingespeist. Damit läßt sich, falls erforderlich, mit Hilfe des Verzögerungragliedes, das Abreißen des Lichtbogens auf einen Zeitpunkt festlegen, zu dem sowohl die Schaltetrecke durchschlagsfest, als auch eine Schädigung des Vakuumschalter noch nicht zu erwarten ist. Das Schaltspiel läßt sich damit optimieren und in kürzester Zeit abwickeln. Ist der nichtlineare Widerstandsnebenschluß im Schnellschalter vorgesehen, so wird beim Zünden des Ventils der Laststrom auf diesen Widerstand kommutiert. Damit können in einfachster Weise die bei induktiver Belastung. auftretenden Überspannungen vermieden werden. Zusätzlich können durch Variation der parallelgeschalteten nichtlinearen Widerstände unterschiedliche Gegenspannungen eingestellt werden. Zur Abachaltung den Reototromes über den nichtlinearen W.idcu·- utand kann ein Hilfaachaltor vorgesehen sein.

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Zur Unterbrechung von Y/echselstrom kann dem Vakuumschalter eine Drossel vorgeschaltet und dem steuerbaren Ventil ein ungesteuertes Ventil antiparallelgeschaltet sein. Sind beim Zünden des Ventils die Polarität des abzuschaltenden Netzes und die Ladespannung der Kapazität nicht entgegengesetzt, dann wird der Stromnulldurchgang beim Zurückschwingen des Strome« im Schwingkreis der aus der Drossel und der Kapazität gebildet ist, mit Hilfe des ungesteuerten Ventils erzwungen.

Der erfindungsgemäße Schnellschalter läßt sich mit geringem wirtschaftlichen Aufwand realisieren. Die Schalteinrichtung f besitzt nur wenige, relativ leichte, mechanisch bewegte Ü?e:iJu. Dadurch ist der Antrieb schnell und mechanisch wenig anfällig.-' Der Schalter ist daher geräuscharm und mit dieser Anordnung können hohe Schaltfrequenzen erreicht werden. Da der Vakuumschalter von der Ausschaltarbeit entlastet ist, können auch hohe Spannungen geschaltet werden. Mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung wurden ohne besondere weitere Vorkehrung Ströme von einigen kA in einigen Millisekunden unterbrochen.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Schalteinrichtung anhand dor Figur beispielhaft näher erläutert.

Die Fig. zeigt das Blockschaltbild eines Gleichstrom-Schnell- ™ schalters. Ein Gleichstromverbraucher 1 wird über einen Gleichrichter 2 aus einer Lrehstromquelle mit den Phasen R, S und P gespeist. Im Lastkreis 3 ist ein Vakuumschalter 4 und eine Induktivität 5 angeordnet. Dem Vakuumschalter 4 und der Induktivität 5 ist ein nichtlinearer Y/iderstand 6, ein sogenannter Varistor und die Reihenschaltung eines.steuerbaren Ventile? 7'und einer Kapazität 8 parallelgeschaltet. Das steuerbare Ventil 7 kann auch eine Ventilgruppe sein. Als

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steuerbare Ventile 7 können beispielsweise Thyristoren verwendet werden. Anstelle des steuerbaren Ventils 7 kann auch eine steuerbare Schaltstrecke, beispielsweise eine steuerbare Gasentladungsstrecke oder ein Kontakt angeordnet sein. Dor nichtlineare Widerstand 6 kann beispielsweise eine Zenerdiode Oder eine Avelanchediode oder ein in Sperrichtung gepolter Selengleichrichter sein.

Die Kapazität 8 liegt über einen Widerstand 9 an den Klemmen 10 und 11 einer Gleichspannungsquelle, Aus dieser Gleich-Spannungsquelle wird der Kondensator 8 nachgeladen. Die Polarität dieser Gleichspannungsquelle ist so zu wählen, daß der Kondensator 8 eine Ladespannung erhält,·mit der bei gezündetem Ventil 7 ein Strom in den Vakuumschalter 4 eingespeist wird, der dem Laststrom entgegengesetzt gerichtet ist.

Zum Zünden des steuerbaren Ventiles 7 wird über Leitungen 12 und 13 die am Vakuumschalter 4 bei geöffneten Kontakten abfallende Lichtbogenspannung an das Gitter des -Ventils 7 gelegt. Anstelle der Lichtbogenspannung kann zum Zünden des Ventiles 7 beispielsweise auch die an Hilfskontakten im Schaltor 4 abfallende Spannung verwendet v/erden. Diese Möglichkeit iot im .Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. In dem aus den Leitungen 12 und 13 gebildeten Zündkreis ist ein Verzögerungsglied 14 angeordnet, mit dem der Zündimpuls' für das Ventil 7 einstellbar verzögert werden kann.

Zum Abschalten des als induktiv belastet angenommenen Stromkreises 3 werden die Kontakte des Vakuumschalters 4 geöffnet. Es baut sich in bekannter Weise ein Lichtbogen auf, dessen Spannung als Signal für die Zündung des Thyristors 7 verwendet wird. Nun wird aus der Kapazität 8 ein Strom in den

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Vakuumschalter 4 eingespeisti der dem Strom im Lästkreis entgegengesetzt gerichtet ist. Mit diesen Strom wird der Nulldurchgang an den Kontakten des Vakuumschalters 4 und damit das Abreißen des Lichtbogens erzwungen. Der durch den Vakuumschalter 4 fließende Laststrom, wird auf den Varistor 6 kommutiert. Spannungsspitzen am Vakuumschalter 4 aufgrund der induktiven Last 1 treten wegen der Strorakommutierung nicht auf. Falls erforderlich, kann zurJAbschaltung des Reatstromes, der über den spannungsabhängigen Widerstand 6 fließt, ein Hilfssohalter 15 vorgesehen sein, mit dem die Leitung zwischen Vakuumschalter 4 und dem Varistor 6, dem steuerbaren Ventil. 7 " und der Kapazität 8 zu unterbrechen ist. Da mit diesem Sehalter 15 im allgemeinen nur ein geringer Strom zu schalten ist, kann ein Schalter handelsüblicher Bauart verwendet werden. Für Spannungen, bei denen das Abschalten des Rest3tromes problematisch ist, kann der nichtlineare Widerstand durch einen handelsüblichen Überspannungsableiter, beispielsweise die Reihenschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes und einer magnetisch beblasenen Funkenstrecken ersetzt sein.

Um sicher zu stellen, daß der Thyristor 7 erst dann gezündet wird, wenn der Kontaktabstand so groß ist, daß die Schaltstrecke nach dem Stromnulldurchgang spannungsfe3t ist, wird ä der Zündimpuls für den Thyristor 7 mit dem Verzögerungsglied 14 zeitlich verzögert. Hierzu ist jedes der handelsüblichen Verzögorungsglieder mit einer einstellbaren Verzögerung zwischen etwa 0,1 und 3 Millisekunden geeignet» Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß sich insbesondere, mit Hilfe diese« Verzögerungsgliedea eine hohe Sohaltgeschwindigkeit erhalten läßt, damit ihm daa Schaltspiel zu optimieren ist.

Mit der Sättigungsdrossel 5 wird die Stromateilheit im Schalter

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beim Stromnullgang vermindert. Nach dem Stromnulldurchgnng ist daher die Schaltstrecke schnell entionisiert. In diesem Zugammenhang ist zu erwähnen, daß dem Vakuumschalter 4 vorteil haft eine weitere Kapazität 16 parallel geschaltet wird, ii| i t der die Steilheit der sich am Vakuumschalter wieder aufbauenden Spannung vermindert wird.

Es wurde bereits erläutert, daß 3ich mit der beschriebenen Schalteinrichtung auch induktive Laststromkreise mit großer Stromstärke und hoher Spannung unterbrechen lassen, wobei zn betonen ist, daß der nötige Aufwand bei hoher Betriebssicherheit äußerst gering ist.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Gleich; t-romschnellschalter dargestellt. Dieser Schalter ist ebenfalls zum Abschalten von Wechselströmen geeignet. Die bereits erläuterten Vorteil, insbesondere die Vermeidung von Überspannungen bei induktiver Belastung bleiben erhalten. Zum Abschalten von Wechselströmen ist dem steuerbaren Ventil 7 ein ungesteuertes Ventil 17 antiparallel zu schalten. Dieses Ventil 17 kann eine handelsübliche Diode sein. Anstelle des steuerbaren Ventils 7 und der Diode 17 kann auch ein Doppelwegthyristor oder eine der bereits erwähnten steuerbaren Schaltstrecken vorgesehen sein. Falls beim Zünden des Thyristors 7 der Wechselstrom im Laotkreis 3 und der aus dem Kondensator 8 eingespeiste Strom gleich/gerichtet sind, kommt die Diode 17 zur Wirkung. Es wird dann der Stromnulldurchgang an den Kontakten des Vakuum-Schalters 4 beim Zurückschwingen des Stromes über die Diode im Schwingkreis der durch die Induktivität 5 und die Kapazität 0 gebildet :i.«t, erzwungen. Anzuführen ioL in diesem Zusammenhang noch, daß diese Diode 17 auch bei einem Schnellschalter zur Unterbrechung eines Gleichstromes angeordnet sein kenn. D.leoe Schalteinrichtung ist dann unabhängig von der Polarität .der am Kondensator 8 angelegten ladespannung.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Schalteinrichtung mit einem Vakuumschalter, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vakuumschalter (4) eine Reihenschaltung eines steuerbaren Ventils (7) und einer Kapazität (8) parallelgeschaltet ist und daß das Ventil nach dem Öffnen der Kontakte des Vakuumschalters zündbar ist.

2. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Ventil (7) ^Tflit Hilfe der ™ am Vakuumschalter (4) bei geöffneten Kontakten abfallenden Spannung zündbar ist.

3. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumschalter (4) mit Hilfskontakten versehen ist und das steuerbare Ventil (7) vermittels Hilfskontakte zündbar ist. .

4. Elektrische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verzögerungsglied (14) im Zündkreis (12,13) des steuerbaren Ventils (7) engeordnet ist.

5. Elektrische Schalteinriclitung nach einem der Ansprüche . 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß der ReihenschäLtung von steuerbarem Ventil (7) und Kapazität (8) ein nichtlinearer Widerstand (6) (Varistor) parallelgeschaltet ist.

6.Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Hilfsschplter (15) der nichtlineare Widerstand (6) und die Kapazität (8) .vom Vakuumschalter (4) abschaltbar sind.

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7. Elektrische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung von steuerbarem Ventil (7) und Kapazität (8) ein Überspannungsableiter parallelgeschaltet ist.

8. Elektrische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vakuumschalter (4) eine Induktivität (5) vorgeschaltet ist.

9· Elektrische ßchnlteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bin 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vakuumschalter (4) -eine weitere Kapazität (16) pärallelgeschaltet ist.

10. Elektrische.Schalteinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem steuerbaren Ventil (4) ein ungesteuertes Ventil (17) antiparallel geschaltet ist.

11. Elektrische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem steuerbaren Ventil (7) in Reihe geschaltete Kapazität (8) aus einer Spannungsquelle (10,11) nachladbar ist.

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