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Vorrichtung zur Stromausschaltung mit magnetischer oder elektromagnetischer
Betätigung, wie Schalter und Relais Die Erfindung betrifft eine Verbesserung für
Vorrichtungen zur Stromausschaltung mit magnetischer oder elektromagnetischer Betätigung,
wie Magnetschalter und Relais, bei welchen das Schliessen eines oder mehrerer Kontakte
unter der Wirkung eines Magnetfeldes geschieht, das durch einen Dauermagneten oder
durch eine Magnetspule erzeugt wird.
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Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art wird ein beweglicher
Anker
aus einem magnetischen Metall, der einen Kontakt aufweist, welcher gegenüberliegend
einem festen Kontakt angeordnet ist, durch die Anziehung des Magnetfeldes in die
Schließstellung gebracht.
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Bei einer anderen Bauform werden diese Vorrichtungen durch zwei biegsame
Lamellen aus einem magnetischen leitenden Metall gebildet, die in einen dichten
und mit Stickstoff gefüllten Glasbehälter eingeschmolzen sind, um die Oxydation
der Kontakte zu vermeiden. Auf diese Weise läßt sich eine besonders hohe Zahl von
Betätigungen erzielen, die jedoch durch die Vorgänge beschränkt werden, die beim
Stromdurchgang und insbesondere beim Öffnen und Schliessen der Kontakte auftreten
und von einem bestimmten Spannungsniveau ab lonisationswirkungen hervorrufen, die
das Entstehen von Lichtbogen verursachen.
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Diese Vorgänge sind besonders wichtig, wenn es sich um einen Rückkopplungskreis
handelt. In diesem ziele kann die bei der Kontakttrennung induzierte über spannung
wegen der grossen Schnelligkeit der Öffnung des Stromkreises einerseits und des
Wertes des magnetischen Flusses andererseits einen sehr hohen Wert erreichen. In
der Tat wird die im Stromkreis vorhandene magnetische Energie nun in Form elektrischer
Energie zurückgewonnen, welche im wesentlichen in den überschlagsraum des Lichtbogens
abgeleitet wird, der den Teil höchsten Widerstandes des Stromkreises bildet.
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Dieser Vorgang findet auch beim Schliessen der Kontakte statt, da
dieses gewöhnlich von einer Reihe von Prellvorgängen von sehr kurzer Dauer begleitet
ist, die ebensoviele
Öffnungslichtbogen bilden, wenn die Spannung
der Selbstinduktion ausreicht, die Ionisation einzuleiten. Es kann jedoch infolge
der Kürze der Unterbrechung durch Prellung die Lichtbogenwirkung gedämpft oder sogar
unterdrückt werden, wenn an die Klemmen des Schalters eine C-W-Schaltung von geeigneter
Zeitkonstante angeschaltet wird.
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Durch die beim Öffnen des Kontakts auftretenden Vorgänge wird jedoch
die Zahl der Betätigungen wesentlich herabgesetzt, da sie eine Erwärmung der Kontakte,
die Erosion und die Verflüchtigung der leitenden metallischen Niederschläge hervorrufen,
welche Wirkungen gewöhnlich kumulativ sind. Sie rufen ferner Rundfunkstörungen hervor,
so daß solche Kontakte in bestimmten Anwendungsfällen nicht verwendet werden können.
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Es wurde bereits eine Anzahl Verfahren zur Verringerung des Unterbrechungsextrastroms
vorgeschlagen, beispielsweise eine polarisierte Diode in Gegenschaltung an die Klemmen
des induktiven Elements anzuschliessen.
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Beim Öffnen der Kontakte bildet diese einen Kurzschluß für den Selbstinduktionsstrom,
dessen Richtung dem Hauptstrom entgegengesetzt ist. Die Spannuntan den Klemmen ist
daher höchstens gleich der Schwellenspannung der Diode, welche für eine Siliciumvorrichtung
von Voltgrösse ist.
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Wegen seines Prinzips kann jedoch dieses Verfahren nicht auf-einen
durch einen Wechselstrom gespeisten Stromkreis angewendet werden. Andererseits erweisen
sich die Sperren mit einer C-W-Schaltung als ungenügend, wenn der umgepolte Strom
einen bestimmten Wert erreicht.
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Aufgabe der Erfindung ist die Unterdrückung der einen Licht Logen
erzeugenden Spannung hei der Unterbrechung eines periodischen Stromes dadurch, daß
das Öffnen der
Kontakte so gesteuert wird, daß es an einem Punkt
der Halbperiode stattfindet, an welchem der Augenblickswert des Stromes ausreichend
gering ist und vor allem unterhalb der Bedingungen für die Lichtbogenbildung liegt,
welche Bedingungen es übrigens erfordern, daß die Ansprechzeit auf das Öffnen der
Kontakte geringer als die Zeit ist, bei welcher der umgepolte Strom niedriger als
der gewählte Augenblickswert bleibt, was bei den zur Betrachtung stehenden Schaltern
und Schnelltrennrelais praktisch der Fall ist, die eine sehr geringe Ansprechzeit
beim Öffnen haben.
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Im wesentlichen besitzt die erfindungsgemässe Stromausschaltvorrichtung
mit magnetischer oder eiRtromagnetischer Betätigung zur Unterbrechung eines periodischen
Stromes zwei Kontakte und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Schaltmagnetfeldes
zum Schliessen dieser Kontakte und unterscheidet sich dadurch, daß außerdem in Reihenschaltung
mit den erwähnten Kontakten eine Einrichtung zur ErzeugungeLnes Hilfsmagnetfeldes
mit dem gleichen Sinn wie das Schaltfeld vorgesehen ist, das dazu dxnt, die erwähnten
Kontakte nach der Unterbrechung des Schaltmagnetfeldes bis zur Herabsetzung des
durch die erwähnten Kontakte fliessenden periodischen Stromes auf einen Wert geschlossen
zu halten, der niedriger als die Lichtbogenbildungsspannung ist oder in dessen Nähe
liegt.
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Auf diese Weise wird ein scheinbares Ausschaltvermögen erzielt, das
höher als das Nennausschaltvermögen ist, welche Verbesserung bei einem Rückkopplungskreis
besonders wichtig ist.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsformen der Erfindung
beispielsweise
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und zwar zeigen:
Fig. 1 - 5 verschiedene Schaltbilder erfindungsgemässer Vorrichtungen und Fig. 6
und 7 beispielsweise graphische Darstellungen der Unterbrechung eines Wechsel stromes.
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Zur Vereinfachung der schematischen Darstellungen sind die Einrichtungen
zur Erzeugung des Schaltmagnetfeldes und des Hilfsmagnetfeldes, die durch Wicklungen
gebildet werden, nebeneinander und nicht einander überlagert dargestellt, wie es
in der Wirklichkeit der Fall ist.
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Fig. 1 entspricht einem Ausführungsbeispiel, bei welchem das Schaltmagnetfeld
durch einen Dauermagneten 1 erzeugt wird und auf einen Schalter mit zwei biegsamen
Zungen wirkt, der den Durchgang des Wechselstromes in einem Verbraucher 3 von Widerstands-
und/oder induktiver Charakteristik schaltet. Beim Schliessen des Kontaktes unter
der Wirkung des Schaltmagnetfeldes nimmt der im Stromkreis fliessende Strom seinen
Weg über eine Diodenbrücke 4, die eine Spule 5 mit einem gleichgerichteten Strom
speist, der im Stromkreis in Reihe geschaltet ist und ein das Schaltmagnetfeld verstärkendes
Hilfsmagnetfeld erzeugt.
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Bei der Aufhebung des Schaltmagnetfeldes hält das Hilfsfeld die Kontakte
geschlossen, bis der Strom in der Spule 5 bei der Annäherung an das Ende der jeweiligen
Halbperiode auf den Abfallwert herabgesetzt ist, allgemein, oder gleich an ihrem
Anfang, wenn die Aufhebung gerade am Ende der vorangehenden Halbperiode oder sogar
an ihrem Beginn erfolgt.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Schaltmagnetfeld
durch eine Spule 6 gebildet wird, die mit Gleichstrom von einer Stromquelle 7 über
einen Schalter 8 gespeist wird, während das Hilfsfeld in diesem Falle durch zwei
gesonderte Wicklungen 9, 10 erzeugt wird, die entgegengesetzt gewickelt sind und
von denen jede von den Halbperioden durchflossen wird, welche die gleiche Polarität
haben, welche Wirkung durch die Vollweggleichrichtung mit Hilfe von Dioden 11 und
.12 erzielt wird. Bei der Aufhebung des Schaltmagnetfeldes geschieht die Stromkreisunterbrechung
wie vorangehend angegeben. Dies ist durch Fig. 6 und 7 erläutert, in welchen der
Wechselstrom A im Verbraucherkreis und der Schaltgleichstrom C überlagert dargestellt
sind, wobei der Wert des Abfallstroms durch die gestrichelte Linie R angegeben ist,
während de Ansprechzeit beim Öffnen der Kontakte des Schalters 2 mit t angegeben
ist, die einen Bruchteil der bei T dargestellten Ausschaltzeit beträgt, welche der
Zeit der Rückführung der Kontakte in denRuhezustand entspricht. Fig. 6 zeigt daher
den Fall der Ausschaltung am Ende der jeweiligen Halbperiode, während Fig. 7 den
Fall der Ausschaltung zu Beginn einer Halbperiode zeigt. Diese Beispiele entsprechen
einem Schalter mit einer Ausschaltezeit T von zwei Millisekunden und einem Wechselstrom
von 50 Perioden, d.h., daß die Öffnungszeit des Stromkreises sich mit einer Unsicherheit
von etwa 10 Millisekunden etablieren kann, jedoch stellt diese Unsicherheit in sehr
vielen Anwendungsfällen keinen Nachteil dar. Es konnten dagegen mit einem Schalter
der beschriebenen Art, der für eine maximale Kommutierungsleistung von 15 Watt gegeben
war, in dem er einer kommutierten Scheinleistung von 220 VA mit einem cos Y gleich
0,5 unterzogen wurde, zehn Millionen Ausschaltungen ohne scheinbare wesentliche
Änderung des Widerstandes des Kontaktes mit Hilfe der erfindungsgemässen
Vorrichtung
erzielt werden, während der gleiche Schalter keinen hundert Ausschaltungen unter
220 VA beim Fehlen der beschriebenen Schaltung standhalten konnte.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltung, bei welcher der Verbraucher mit einem
pulsierenden gleichgerichteten Strom mit einfachen Halbperioden über eine Diode
13 gespeist wird, was beispielsweise bei einem Batterieladegerät der Fall sein kann.
In diesem Falle ist eine Hilfsspule 14 in dem Stromkreis ohne Gleichrichtungselemente
in Reihe geschaltet, um das Schalthilfsfeld zu liefern, während das eigentliche
Schaltfeld hier durch eine Wicklung 15 erzeugt wird, die durch eine von einer Diodenbrücke
16 gleichgerichtete Wechselspannung gespeist wird. Es genügt ferner eine Hilfsspule
beispielsweise im Falle eines zerhackten Stroms oder eines ähnlichen periodischen
Stroms.
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Fig. 4 zeigt einen weiteren Fall mit einem Schaltfeld, das wie bei
dem in Fig. 2 gezeigten Fall erzeugt wird, und. mit einem Hilfsfeld, das durch eine
Spule 14 erzeugt wird, die ebenso wie der Verbraucher 3 von einem Strom durchflossen
wird, der ein durch eine Diodenbrücke 17 gleichgerichteter Strom mit Doppelperioden
ist.
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Fig. 5 zeigt den Fall eines Relais mit einem Kern 18 und einem beweglichen
Anker 19, wobei das Schaltfeld wie im Falle der Fig. 2 erzeugt wird.
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Die Arbeitskontakte dieses Relais befinden sich in einem Wechselstronkreis,der
ausser einem Verbraucher 3 eine Diodenbrücke 20 enthält, welche mit einem gleichgerichteten
Strom mit zwei Halbperioden eineSpule 21 speist, die mit den Kontakten in Reihe
geschaltet ist und das erwähnte Hilfsfeld erzeugt.
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Die dargestellten Schaltungen sind nicht als die Erfindung beschränkend
darzulegen und können insbesondere durch Unterdrückungsvorrichtungen, wie RC-Glieder
ergänzt oder mit anderen Vorrichtungen kombiniert werden.
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Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung wird nicht nur das Ausschaltvermögen
wesentlich verbessert, vor allem wenn der Stromkreis induktive Elemente enthält,
wie Transformatoren, Magnetventile, Relais u. dgl., sondern es wird auch die Zahl
der Betätigungen wesentlich erhöht und es kann die Verwendung eines Zwischenrelais
vermieden werden, wodurch wirtschaftlichere Schaltungen erhalten werden. Ausserdem
ist auch ein wesentlicher Vorteil darin zu sehen, daß das Hilfsfeld die vorteilhafte
Wirkung hat, daß der Druck der Kontakte genau in Abhängigkeit von dem kommutierten
Strom verstärkt wird.
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Darüber hinaus ermöglicht eine entsprechende Verringerung des Pegels
der Funkstörungen die Anwendungder Erfindung auf neue Geräte, insbesondere solche,
deren Betrieb häufige Ausschaltungen erforderlich macht, wie öffentliche Beleuchtungen.
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Die Erfindung kann natürlich auch mit Vorteil auf Stromausschaltvorrichtungen
angewendet werden, die nicht unter die Kategorie mit raschen Ausschaltungen fallen,
selbst wenn die Abfallspannung nahe der Spannung verwendet werden muß, von der ab
das Entstehen eines Lichtbogens beginnt, da in jedem Falle günstigere Ausschaltbedingungen
erzielt werden.
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Patentansprüche: