DE2255220A1

DE2255220A1 - Kontaktlose schaltelemente

Info

Publication number: DE2255220A1
Application number: DE2255220A
Authority: DE
Inventors: Keiji Kishi; Yoshihiro Shirasaka; Katsuhiko Takigami
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1971-11-10
Filing date: 1972-11-10
Publication date: 1973-06-14
Also published as: JPS5148257B2; SE376700B; JPS4854459A; DE2255220B2; US3794885A

Description

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERQ MÜLLER · D.GROSSE 71 790

- bh -

7.II.I

TOKYO SHIBAURA ELECTRIC COMPANY" LIMITED,

Kawasaki, Kanagawa (Japan) ί Zb 52 2

Kontaktlose Schaltelemente

Gegenstand dieser Erfindung sind kontaktlose Schaltelemente, die als Überlastschalter arbeiten,,

Es dürfte bereits bekannt sein, daß die verschiedensten Ausführungen von kontaktlosen Schaltelementen, die unter Verwendung von Thyristoren als Über.lastschalter arbeiten, vorgeschlagen .worden sind. Die bisher bekannten und als kontaktlose Schaltelemente als Überlastschalter arbeiten hatten mindestens einen Thyristor, durch den nach Vollwellengleichrichtung der zu unterbrechende Belasbungssbrom geführt worden ist. Es gibt aber verschiedene Arten von Verbrauchern, für die ein nacheilender Strom mit einer stärkereti Amplitude erforderlich ist. Pur diese Falle solLte es klar sein, daß an ihrem Ende eine jede gleichgerichtete HalbweLle des Stromes nicht exakt gleich Null werden kann, weil der Verbraucher einen nacheilenden Leistungsfaktor hat. Damit aber war es unmöglich, den Verbraucher-Wechselstrom odor den Last-tfochselstrom durch Abschaltung der Thyristor-SteueroLektrode oder des Thyristor-Gatts dann zu unterbrochen, wenn die Amplitude des Stromes am Ende einer jeden Halbwelle größer ist als die Stärke des Haitestrornes .Darüber hinaus war es auch unmöglich, im Hinblick auf den Verbraucher oder auf die Last eine Leistungssteuerung oder Leis tungsregeliing durch Ansteuern der Steuerelektrode oder des Gatts des Thyristors durchzuführen.

Der kontaktlose Überlastschaifcer dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm gehören: eine mit einer Phase des ' Wechselstromanschlussos in Reihe geschalte fco Gloichrichfcerbrükke HiLt vier Armen, von dnnon jeweils zwei Arme einen Hauptthyristor aufweisen, die beiden anderen aber jeweiLs eine Hauptdiode, wobei jeweils einer der Hauptthyristoren und eine der

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Hauptdioden die positive HaLbweile dee Wechselstromes durchlassen, der andere Hauptthyristor und die andere Hauptdiode aber die negative Halbwello des Wechselstromes; eine zwischen die Gleichstromausgänge der Glelchrichterbrücke geschaltete Drossel; eine Vorrichtung zum Ansteuern und Umschalten der Hauptthyristoren, wobei sich diese Vorrichtung zusammensetzt ruf. oiner Reihenschaltung eines UmschaLtkondensators mit einem Hilf s thyristor oder Steuerungsthyristor, wobei weiterhin ti or vorerwähnte Umschaltkondensator von einer zusätzlichen Gleichstromquelle aus normalerweise in einer vorgegebenen oder vorbestimmten Polarität aufgeladen wird; eine Vorrichtung zum Entladen der vorerwähnten Umschaltkondensatoren über die Haupt thyristoren, wenn diese in umgekehrter Polarität dazu in den Durchlaßzustand gebracht bzw, leitend gemacht worden sind; schlieülich auch noch eine auf die SteuereLektroden oder Gatts einwirkende Steuerschaltung, die auf die Steuereiektroden oder Gatts Steuersignale aufzuschalten hat, desgleichen aber auch Steuerelektroden-Abscha Lts igiiaLe auf die vororwähnten HilfsthyrLstoren oder Steuerungsthyristoren.

Weiterhin kann eine separate Gleichrichterbrücke mit ausgewählten Phasen eines Mehrphasen-Wechselstroniauschlusses in UeLlie geschaltet werdoii. Diese GLeichrichterbrücke kann mit joder Gleichrichterbrücke, die vier Arme hat, verbunden werden. Zu zweien dieser Arme gehört jeweils ein Hauptthyristor, während zu den beiden anderen Armen jeweils eine Hauptdiode gehört, wobei der.eine Hauptthyristor und die eine Hauptdiode jeweils die positive HalbwelLe des Wechselstromes durchlassen, der andere Haupt thyristor und die andere Hauptdiode aber die negative Halbwelle des Wechselstromes, wobei jeweils zwischen »lie Gleichstromausgangsklemmen einer jeden Gleichrichterbrücke eine Drossel

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geschaltet ist«

Diese Erfindung wird nachstehend nun anliand der ±n Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert* Die Zeichnung zeigt in:-

Fig* 1 Ein Schaltbild für ein bevorzugtes AusführUrtgsbeispiel eines als kontakt loses Schalt elerient ausgeführten Überlastschalters,dieser Erfindung.

Fig, 2 Ein ähnliches Schaltbild betreffend ein anderes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung,,

Fig* 3 Ein Schaltbild für eine wiederum andere Ausführung des Erfindungsgegenstäudes dieser Erfindung.

Fig₀ h Ein Schaltbild für eine weitere Ausführung des Erfindungsgegenstandes dieser Erfindung.

In der Zeichnung sind einander identische luid einander entsprechende Teile in den verschiedenen Darstellungen auqb Mit den gleichen Hinweiszahlen gekennzeichnete Wie nun aus Fig. 1 zu erkennen ist, sind bei der mit der allgemeinen Hinweiszähl gekennzeichneten bevorzugten Ausführung eines kontaktloseü Uberlastschalters dieser Erfindung die drei Einphaseri-Tiechselstroni-Vollwellenglelchrichter oder Vollweggleiehrichter 11, 12 und 13 mit einer jeden Phase der Drehstroriileitürigen in Reihe geschaltet.

Die auf der linken Seite dargestellten Leitungen 14, l5 und können mit einem (hier nicht dargestellten Dreiphasen-Wechselstromnetz oder Drehstromnetz verbunden werden, wohingegen die auf der rechten Seite dargestellten Leitungen 17, l8 und I^ mit irgendeinem geeigneten Verbraucher oder Wechselstromlast verbunden werden können, beispielsweise mit Elektroöfen Und mit Elektromotoren.

Von den vier Armen der Gleichrichterbrücke 11 weisen jeweils

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zwei Arme einen Hauptthyristor S₁ bzw. S' auf, während den beiden anderen Gleichrichterarmen jeweils eine Hauptdiode D₁ oder D_ zugeordnet ist·

Die Durchlaßpolarität der Thyristoren S.., S„ ist wie folgt festgelegtt-

Der Hauptthyristor S₁ und die ttauptdiode D₁ werden leitend während der positiven Halbwelle des Verbraucher-Wechselstromes, wohingegen der Hauptthyristor S₀ und die Hauptdiode D„ während der negativen Halbwellen des gleichen Verbraucherstromes leitend werden. Zwischen die Gleichstrom-Ausgaii^sklemmen der Gleichrichterbrücke 11 ist eine Drossel L geschaltet«

Die Gleichrichterbrücken 12 und 13 sind mit den gleichen Schaltungselementen ausgestattet, wie dies bei der Gleichrichterbrücke 11 der Fall ist.

Die Steuerung und Regelung der Hauptthyristoren S₁ und S„ erfolgt durch einen Gatt-Steuerkreis 20 über einen Schaltkreis 21, der die elektrischen Signale des Gatt-Steuerkreises 20 schaltet. Bei dem Gatt-Steuerkreis 20 handelt es sich um eine konventionelle Ausführung, die von einer zusätzlichen Wechselspannungsquelle 22 aus gespeist wird.

Um nun den elektrischen Stromkreis unterbrechen zu können, ist eine Reihenschaltung aus einem Umechaltkondensator 23 und einem zusätzlichen Thyristor oder einem Steuerungethyristor SA vorgesehen. Laut Darstellung ist die Kathode des Thyristors SA jeweils über die Dioden 2k, 25 und 26 bei den Gleichrichterbrücken 11, 12 und 13 auf einen Verbindungspunkt zwischen den Thyristoren S₁ und S₂ geführt. Die zusätzlichen Dioden 27, 28 und 29 sind in der angegebenen Polarität jeweils zwischen die Leitungen 17, 18 und 19 und dem linken Anschluß des Umschaltkondensators 23 geschaltet. In ähnlicher Weise sind die zusätzlichen Dioden 30,

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31 und 32 in der dargestellten Polarität jeweils zwischen den Anschlußleitungen l4, 15 und l6 und dem gleichen Anschluß des Umschaltkondensators 23 angeordnet. Dieser Kondensator 23 wird von einer zusätzlichen Gleichstromquelle, die mit der allgemeinen Hinweiszahl 33 gekennzeichnet ist, her aufgeladen. Zu dieser Gleichstromquelle 33 gehören: ein Zusatztransformator 3^ mit einer von einer zusätzlichen Wechselstromquelle gespeisten Primärwicklung 35 und einer Sekundärwicklung j6\ eine Diode 37» die zu einer der Anschlußklemmen der Sekundärwicklung j6 in Reihe geschaltet ist und den vom Transformator kommenden Wechselstrom gleichzurichten hat, damit laut Darstellung der Umschaltkondensator 23 in einer vorgegebenen oder vorbestimmten Polarität aufgeladen werden kann»

Zum Überlastschalter 10 gehören weiterhin auch noch die Stromwandler 38, 39 und 40. Diese Stromwandler sprechen auf den Verbraucherstrom oder den Laststrom an, der durch die Leitungen lh bis 19 fließt und schalten ein entsprechendes Stromsignal auf eine Überstrom-Meßschaltung kl.

Diese Überstrom-Meßschaltung hl kann in der Form irgendeiner geeigneten Signal --meß schaltung ausgeführt sein, beispielsweise als Schmidt'sehe Impulsgeberschaltung, als eine Kombination aus Zenerdiode und Integrator usw, Diese Schaltung erzeugt nun ein Ausgangssignal, durch das der Thyristor SA eingeschaltet oder in den Leitzustand.gebracht wird, durch das der Schaltkreis 21 ausgeschaltet wird, wenn ein zu starker Strom durch die Netzleitungen fließt, was wiederum zur Folge hat, daß die Gleichrichterbrücken abgeschaltet werden.

Nun kann der elektrische Überlastschalter als Stromsteuerung betrieben werden, die ihrerseits wiederum während des Normalbefcriebes der Schaltung über die Zündwinkel an den Gatts der

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zu.den Gleichrichterbrücken 11, 12 und 13 gehörenden Thyristoren S₁ und S gesteuert und geregelt wird» und zwar durch das Ausgangssignal, das während des normalen Betriebes von der Gatt-Steuerschaltung 20 aus aufgeschaltet wird.

Wenn andererseits aber ein Fehler, beispielsweise ein Kurzschluß im elektrischen Verbraucher oder in der Last aufkommt, wird der Überlastungszustand vom Überlastungs-Meßkreis kl gemessen und vom Überlastungs-Meßkreie ^l aus dem Thyristor SA ein Auegangssignal aufgeschaltet, daß den Thyristor SA leitend macht und das Ausgangssignal aus dem Schaltkreis 21 stoppt. Damit aber wird die Aufladung des Kondensators 23 entladen, und zwar über die positive Klemme des Umschaltkondensators 23, über den Thyristor SA, über die Diode 2k, über den Thyristor Sj und über die Diode 32 zur negativen Klemme des Kondensators, wenn sich S₁ im Durchlaßzustand befindet. Befindet sich der Thyristor S„ im Durchlaßzustand, dann wird der Umschaltkondensator 23 über eine Reihenschaltung aus Thyristor SA, Diode 2k, Thyristor S„ und Diode 27 entladen. Das hat zur Folge, daß entweder der Thyristor S- oder der Thyristor S durch den durch ihn fließenden Rückstrom in den Sperrzustand gebracht wird, daß von der Gleichrichterbrücke 11 der aus der Leitung I^ in die Leitung 17 fließende Verbraucherstrom oder Belastungsetrom unterbrochen wird.

Zu erkennen ist auch, daß die vorerwähnte Kondensatorentladung auch den anderen Gleichrichterbrücken 12 und 13 aufgeschaltet wird, damit der Verbraucherstromkreis von der Wechselspannungs_ zuführung getrennt werden kann.

Auch dann, wenn der elektrische Stromkreis normal arbeitet, kann der Überlaatschalter 10 von Hand dadurch geschaltet werden, daß ein Auslösesignal auf den Thyristor SA und den Schaltkreis

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21 geschaltet wird.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die mit Fig_e 1 wiedergegebenen Dioden 27, 28 und 29 nicht mehr vorhanden· Wenn die Abschaltung des Thyristors S.., der Gleichrichterbrucken 11, 12 und 13 in einer der Fig. 1 ähnlichen Weise erfolgt, so liegt der Unterschied jedoch in der Abschaltung des Thyristors S₂, der jeweils den Gleichrichterbrücken 11, 12 und 13 zugeordnet ist. Es sei nun angenommen, der Thyristor S₂ sei leitend oder befinde sich im Duchlaßzustand. Wird nun das Ausgangssignal der Überlast-Meßschaltung kl dem Thyristor SA aufgeschaltet, was zur Folge hat, daß auch d©r Thyristor SA leitend wird, wird das Ausgangssignal auch auf den Schaltkreis 21 geführt, um die Steuerelektrodensignale für die Thyristoren S., und S₂ zu stoppen, dann wird die elektrische Aufladung des Umschaltkondensators 23 über eine Reihenschaltung aus Thyristor SA, Diode Zk₉ Thyristor S₂, Leitung 17, überden Verbraucher oder über die Last, aus der Leitung 18 oder der Leitung 19, aus den Dioden D , D₁ der Gleichrichterbrücken 12 oder 13 sowie über die Dioden 31 oder 30 entladen. Damit aber wird der Thyristor S2 durch den Rückstrom, der durch diesen Thyristor der Gleichrichterbrücl

bracht.

terbrücke 11 fließt abgeschaltet und in den Sperrzustand ge-

Es sollte klar sein, daß die anderen Thyristoren S₂ der Gleichrichterbrücken 12 und 13 auch in der zuvor beschriebenen Weise abgeschaltet oder in den Sperrzustand gebracht werden können«

Wegen des Wegfaliens der Dioden 27, 28 und 29 läßt sich der elektrische Überlastschalter 10 nach Fig. 2 billiger und kostengünstiger herstellen als der mit Fig_e 1 dargestellte Überlas tschalt er.

Bei der mit Fig«, 3 wiedergegebenen weiteren Ausführung des Erfin-

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dungsgegenstandes fällt auch die mit Fig. 1 wiedergegebene Gleichrichterbrücke 11 weg. Somit läßt sich gegenüber der Ausführung nach Fig. 2 der mit Fig. 3 dargestellte Überlastschalter 10 billiger und kostengünstiger herstellen, ein in der Leitung 17 aufkommender Erdschluß läßt sich jedoch nicht rückgängig machen. Entsprechend den im Zusammenhang mit Fig. 2 gegebenen Erläuterungen können auch bei der Schaltung nach FIg, 3 die Dioden 28 und 29 wegfallen.

Wie aus Fig. k hervorgeht, kann diese Erfindung auch zur Stroraunterbrechung und zur Stromsteuerung in einem Einphasen-Wechselstromkreis herangezogen werden.

Der zum Verbraucher oder zur Last fließende elektrische Strom kann vermittels einer konventionellen Ansteuerung der Gatts oder Steuerelektroden der Thyristoren S. und S„ gesteuert und geregelt werden, weil der Thyristor S₁ die positiv© Halbwellen des Verbraucherstromes durchläßt, der Thyristor S„ aber die negativen Halbwellen dieses Stromes. Darüber hinaus läßt sich der Wechselstromkreis oder die Wechselstromschaltung dadurch unterbrechen, daß der Umschaltkondensator 23 dann über den zusätzlichen Thyristor SA entladen wird, wenn ein Fehler aufgekommen ist,oder eine normale Abschaltung des Verbrauchers gewünscht wird. Der Entladungsstrom aus dem Umschaltkondensator 23 fließt nicht durch die Drossel L, sondern durch den Hauptthyristor S₁ oder S₂ in Gegenrichtung, welcher Thyristor auch immer sich gerade im Durchlaßzustand befindet. Gleichzeitig wird die in der Drossel L erzeugte gegenelektromotorische Kraft oder Gegen-EMK zum Abschalten der Thyristoren S. und S₉ ale negative Vorspannung aufgeschaltet·

Was die Mehrphason-Überlastschalter nach Fig. 1 bin Fig· 3 betrifft, so ist für mehrere Gleichrichterbrücken und für die gleichzeitige Abschaltung der zu diesen Gleiehrichterbrückon gehörenden Thyristoren nur ein Uinschaltkondensator 23 erforderlich, der von oinci* zusätzlichen Gleichstromquelle 33 aufgeladen wird.

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Claims

TOKYO SHIBAURA ELECTRIC COMPANY LIMITED, Kawasaki, Kanagawa (Japan) -

Patentansprüche:

Als kontaktloses Schaltelement ausgeführter Überlastschalter

dadurch gekennzeichnet, daß

zu ihm gehören: eine mit einer Phase des Wechselstromanschlusses in Reihe geschaltete Gleichrichterbrücke mit vier Armen, von denen jeweils zwei Arme einen Hauptthyx'istor aufweisen, die beiden anderen aber jeweils eine Hauptdiode, wobei jeweils einer der Hauptthyristoren und eine der Hauptdioden die positiven Halbwellen des Wechselstromes durchlassen, der andere Hauptthyristor und die andere Hauptdiode aber die negativen Halbwellen des Wechselstromes; eine zwischen die Gleichstrom-Ausgänge der Gleichrichterbrücke geschaltete Drossel; eine Vorrichtung zum Umschalten der vorerwähnten Hauptthyristoren, wobei diese Vorrichtung als eine Reihenschaltung aus einem Umschaltkondensator und einem zusätzlichen Thyristor ausgeführt ist, wobei schließlich von einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle aus in einer vorgegebenen oder vorbestimmten Polarität aufgeladen wird; eine Vorrichtung, die den Umschaltkondensator über die Hauptthyristoren zu entladen hat, wenn diese in Gegenrichtung in den Durchlaßzustand gebracht worden sind; schließlich auch noch eine Gatt-Steuorschaltung^i die " den Hauptthyristoren Steuersignale auf zuschalten hat,* die aber auch dem vorerwähnten zusätzlichen Thyristor Steuerelektroden-Abschaltsignale aufzuschalten hat.

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2. Als kontaktloses Schaltelement ausgeführter überlastschalter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

zur Vorrichtung, die das Entladen des Umschaltkondensators herbeizuführen hat, eine Diode gehört, die zwischen die Wechselstromklemme der bereits angeführten Gleichrichterbrücke , die mit dem Wechselstromanschluß verbunden werden kann, und einer Anschlußklemme der vorerwähnten Umschaltvorrichtung geschaltet ist·

3, Als kontaktloses Schaltelement ausgeführter Überlastschalter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

sich die Entladevorrichtung für den Umschaltkondensator zusammensetzt aus: einer ersten Diode zwischen dem Wechselstromanschluß der Gleichrichterbrücke - dieser Wechsel stromanschluß kann mit dem Wechselstromnetz verbunden werden - und einer Anschlußklemme der vorerwähnten Umschaltvorrichtung; desgleichen aber auch aus einer zweiten 'Diode die zwischen der Wechselstrom-Anschlußklemme der Gleichrichterbrücke - diese Anschlußklemme kann mit dem Wechselstromverbraucher oder mit der Wechselstromlast verbunden werden - und der Anschlußklemme der vorerwähnten Umschaltvorrichtung angeordnet ist.

k. Als kontaktloses Schaltelement ausgeführter Überlastschalter nach Anspruch 2 oder Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, daß

zwischen dem Verbindungspunkt der Hauptthyristoren und der anderen Anschlußklemme der Umschaltvorrichtung eine zusätzliche Diode angeordnet ist.

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5, Als kontaktloses Schaltelement ausgeführter Überlastschalter nach irgendeinem der vorerwähnten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

zum vorerwähnten Gatt-Steuerkreis eine Überlast-Meßschaltung gehört, die im Ansprechen auf eine vorgegebene Überstrombedingung in den Wechselstromleitungen ein Ausgangssignal erzeugt und dieses Ausgangssignal zum Einschalten des zusätzlichen Thyristors auf diesen zusätzlichen Thyristor schaltet; der Zündwinkel der vor»· erwähnten Hauptthyristoren , die zur Gleichrichterbrücke gehören, von einer Gatt-Steuerung gesteuert und geregelt wird; schliei31ich beim Fehlen eines Ausgangssignales vom vorerwähnten Überlast-Detektor oder von der vorerwähnten Überlast-Meßschaltung ein Schaltkreis das Ste'uerungssig* nal des Gatt-Steuerkreises auf die Hauptthyristoren schaltet·

6. Als kontaktloses Schaltelement ausgeführter Überlast-schalter nach irgendeinem der vorerwähnten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

eine separate Gleichrichterbrücke mit ausgewählten Phasen eines Mehrphasen-Wechselstromanschlusses in Reihe geschal, tet istj jede Gleichrichterbrücke vier Arme hat, von denen zwei jeweils einen Hauptthyristor aufweisen, während den beiden anderen Zweigen jeweils eine Hauptdiode zugeordnet ist, wobei einer der Hauptthyristoren und eine der Hauptdioden die positiven Halbwellen durchlassen, der andere Hauptthyristor und die andere ,Hauptdiode aber nur die negativen Halbwellen dieses Stromes; schließlich zwischen die Gleichstrom-Ausgänge einer jeden Gleichrichterbrücke eine Drossel geschaltet ist.

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