DE2304904A1

DE2304904A1 - Anordnung zum asynchronen und synchronen schalten von elektrischen wechselstroemen

Info

Publication number: DE2304904A1
Application number: DE19732304904
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Ing Kesselring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-01-29
Filing date: 1973-01-29
Publication date: 1974-08-08
Also published as: JPS49105171A; DE2304904B2; FR2215689B1; FR2215689A1; DE2304904C3; CH559424A5

Description

Anordnung zum asynchronen und synchronen Schalten von elektrischen Wechselströmen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum asynchronen und synchronen Schalten von elektrischen Wechselströmen mittels eines elektrodynamischen Kontaktantriebes, bestehend aus mindestens einer feststehenden Spule und einer beweglichen, mit einem Lichtbogenkontakt mechanisch gekoppelten Spule, in der durch einen in der feststehenden Spule fließenden Strom ein diesem gegenüber phasenverschobener Strom induziert wird, und mit Lichtbogenlöschung durch strömendes Löschgas.

Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise in dem Aufsatz "Gesteuerte Synchronschalter" von Fritz Kesselring, ETZ-A, 1967, Seiten 593 ff., beschrieben. Hierbei wird die feststehende Spule von dem Entladestrom eines Kondensators gespeist, der im allgemeinen eine Frequenz f von einigen 1000 Hz aufweist^ Die bewegliche Spule ist in der Regel als elektrisch gut leitender Ring ausgebildet. Dies bedeutet, daß der im Ring fließende Strom gemäß nachstehender Beziehung

^tan

fe =

(D

gegenüber der in ihm induzierten Spannung um annähernd 90 nacheilt. In Gleichung (1) bedeuten L₂₂ <ü^e Selbstinduktivität des Ringes, R₂ dessen Widerstand und \> = 2?f die Kreisfrequenz des Entladestromes. Da VL₂₂ ^ R2 ist, weist der im Ring fließende Strom i₂ gegenüber dem Entladestrom i^ in der Spule eine Phasenverschiebung von annähernd 180 ° auf; die Ströme i^ und I₂ haben somit entgegengesetzte Richtung, und es tritt immer eine abstoßende Kraft auf.

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Die Verwendung von elektrodynamischen Antrieben dieser Art hat den Nachteil, daß, falls die Kondensatoren nebst Ladeeinrichtung auf Erdpotential angeordnet werden, der Entladestrom dem auf Hochspannungspotential befindlichen elektrodynamischen Antrieb über einen Isolierwandler zugeführt werden muß, wodurch hohe Kosten entstehen und der Wirkungsgrad erheblich verringert wird. Die Anordnung der Kondensatoren auf Hochspannungspotential beansprucht viel Raum; zudem bereitet die Aufladung Schwierigkeiten. In beiden Fällen ist zudem ein meist elektronisches Vorauslöserelais, das oft an einem Spezialstromwandler angeschlossen ist, erforderlich.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art die vorstehend angeführten Hilfseinrichtungen entbehrlich zu machen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der in der feststehenden Spule fließende Strom der zu schaltende Wechselstrom ist und die Anordnung so ausgebildet ist, daß der in der beweglichen Spule fließende Strom gegenüber der in ihr induzierten Spannung um höchstens 60 ° nacheilt und daß ferner der Druck des Löschgases auf den beweglichen Lichtbogenkontakt in Ausschaltrichtung einwirkt.

Nachfolgend werden zunächst die theoretischen Zusammenhänge erläutert und anhand der Figuren 1 und 2 der zeitliche Verlauf der Ströme und der Kraft dargelegt. In Fig. 3 ist der grundsätzliche Aufbau einer beispielsweisen Anordnung nach der Erfindung schematisch dargestellt; Fig. 4 zeigt eine Aus führungsform der Erfindung für Druckgasschalter mit Doppeldüse.

Wird ein elektrodynamischer Antrieb mit einem Strom der Netz frequenz f, die im allgemeinen 50 oder 60 Hz beträgt, gespeist, so ergibt sich für die Phasenverschiebung ψ zwischen

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der im Ring induzierten Spannung U₂ und dem Sekundärstrom i₂

COL₉₉
tanj?= -^ . (2)

In dem speziellen FaIlCOL₉O ⁼ Rp ^w^^rc^· ^^&n<p = ^ u*¹*! ψ - 45 Da

D n| . 10"⁷^ 10.D n| . 10""⁷ [h] (3)

ist (D = mittlerer Ringdurchmesser in m), so folgt aus Gleichung (2) für Kupfer mit £ * 2 . 10"⁸ilm und N₂"= 1

JTB. 2.1 Q"⁸

_5OOO._q(m²) _Ä

Aus Gleichung (4) folgt, daß ö unabhängig vom mittleren Durchmesser D, hingegen proportional dem Querschnitt q ist. Für q = 1 cm wird tan(A = 0,5 und φ = 26,6 °.

Der primäre Strom i^ (s. Fig. 1) sei gegeben durch

= I₁ coscot, (5)

während der Strom i₂ im Ring gegenüber der induzierten Span- *nung u₂ eine Phasenverschiebung φ aufweise und daher durch

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nachstehende Gleichung gegeben ist:

₂ = I₂ sini6>t -ψ). (6)

i₂ =

Für die Kraftwirkung zwischen Spule und Ring ist das Produkt beider Ströme maßgebend. Gemäß einer trigonometrischen Beziehung wird

Λ Α

£ sin |iit+(&t-(f)] + sin Jcot-(&t-<jp )J I

woraus folgt

Λ Λ

I₁I₂
*1**2 ⁼ |sin(2c<>t- φ )-sin<£ | . (8)

Setzt man in Gleichung (8) φ = O, so erkennt man, daß das Produkt I₁.i₂-^ F(t) mit der doppelten Kreisfrequenz 2cu sdwingt, Die Kraft schwankt somit zwischen positiven und negativen Werten. X

.A

Die Amplitude des Stromes im Ring I₉ berechnet sich mit

Ol =

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ORfG(NAL INSPECTED

₍₁₀₎

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Interessiert nur der Absolutwert der Amplitude I₂, so wird

Für den Fall φ = 26,6 ° ergeben sich bei symmetrischem Verlauf von i,j Verhältnisse, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Die induzierte Spannung U₂ hat 90 ° Phasenverschiebung gegenüber i.j. Der Strom i₂ eilt U₂ um den Winkel <p = 26,6 ° nach. Das Produkt I^.i₂ ^F(t) ist durch die stark ausgezogene Kurve wiedergegeben. Bei fallendem Strom ist dieses Produkt und damit die Kraft positiv, bei ansteigendem Strom, d. h. nach Durchlaufen des Nulldurchganges JLj, wird die Kraft negativ. Ist die Schaltanordnung so beschaffen, daß sie bei positiver Kraft ausschaltet und bei negativer Kraft wieder einschaltet, so wirkt der elektrodynamische Antrieb bei Speisung mit genügend hohem Strom und entsprechender Bemessung des Verhältnisses et = R₂/CiL₂₂ als selbstdenkender Synchronantrieb; es wird somit kein Vorauslöserelais benötigt.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse bei starker Verlagerung des Stromes i^. Die induzierte Spannung U₂ ist proportional der zeitlichen Änderung von i^; der Strom i₂ weist wiederum die Phasenverschiebung ψ gegenüber U₂ auf. Die erste kleine Halbschwingung von i^ wird gesperrt, da der kleine positive Anteil von F(t) praktisch ohne Einfluß bleibt. Es tritt dann während dee Zeitintervalls N₁ bis P eine Kraft in Einschaltrichtung auf, worauf die Ausschaltung mit Lichtbogenlöschung im Stromnulldurchgang N₂ erfolgt.

Wesentlich für das einwandfreie Funktionieren der Anordnung ist eine genügend kleine Zeitkonstante T₂ der beweglichen

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Spule. Ist wieder coL₂₂/R₂ = 0,5, so wird für O) - 27Tf = 314/s

^ M 1610~³

M = 1,6 ms, (11)

was ausreichend klein ist.

Bedeutet χ den jeweiligen Abstand zwischen Spule und Ring (s. Fig. 3) und r den mittleren Spulen- bzw. Ringradius, so ergibt sich bei je einer Windung die Kraft zu

_ _ ^Λ ^A
F(t) = = &£- . -U²- [aln(2vt-(C)-SiXiX)I, (12)

wobei φ und I₂ durch die Gleichungen (2) und (10a) gegeben sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, verläuft die Kraft F(t) mit der doppelten Netzfrequenz 2f und ist um den Wert

- (I^I₂/2)siny; verlagert. Wirkt auf das bewegliche Schaltstück zudem eine die Ausschaltbewegung unterstützende konstante Kraft F^! ein (s. Fig. 1), z. B. hervorgerufen durch den Gasdruck, so kann die Verlagerung der elektrodynamischen Kraft F(t) teilweise oder ganz kompensiert und auch überkompensiert werden. Der Maximalwert der Kraft F(t) tritt bei symmetrischem Verlauf von i-, auf für

90°+φ 90°+26,6°

= ₂ =58,3°

Das Grundprinzip der Anordnung zum asynchronen und synchronen Ausschalten von Wechselströmen nach der Erfindung zeigt Fig, 3. Darin bedeuten 1, 2 und 3 feststehende Stromschienen,

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4 den beweglichen Gleitkontakt, der über den Lenker 5 mit dem beweglichen Ring 6 des elektrodynamischen Antriebes mechanisch gekoppelt ist. 7 ist die feststehende Spule, deren Enden mit den Stromschienen 2 und 3 elektrisch verbunden sind. Im normalen Betrieb ist die Kraft F auf die Feder 8 nach links gerichtet, wodurch ein ungewolltes Ausschalten verhindert wird. Soll ausgeschaltet werden, so wird der Gleitkontakt 4 von der Kraft F über die Feder 8 nach rechts gezogen, wobei im Bereich kleinerer Ströme eine asynchrone Unterbrechung zustande kommt. Bei größeren Strömen vermag die Kraft F den Schalter nur bei fallendem Strom 1* zu öffnen, da bei ansteigendem Strom die abstoßende Kraft zwischen dem Ring 6 und der feststehenden Spule 7 größer als die Federkraft ist. Der erforderliche Öffnungsweg hängt von der Art des Schaltprinzips ab. Bei Vakuumschaltern beträgt er nur einige Millimeter, bei SFg-Schaltern je nach Druck und Spannung 1-3 cm.

In Fig. 4 bedeuten 9 und 10 die Düsen des Unterbrechungssystems, 11 eine rohrförmige Stromzuführung, die mit Hilfe der Isolierscheibe 12 und der Isolierstifte 13 mit der Düse 10 starr verbunden ist. 14 ist der Hauptkontakt mit dem Gehäuse 15 und dem damit verbundenen Mitnehmerring 15a; 16 sind Anpreßfedern. 17 ist der glockenförmige Kompressionszylxnder, der über einen nicht dargestellten Antrieb beim Ausschalten nach rechts bewegt wird. 18 ist ein Kolben aus Isoliermaterial mit der Kolbenfläche 19..20 ist ein zylinderförmiger Ansatz, mit dem über die Blattfedern 21 die Überbrückungskontakte 22 mechanisch verbunden sind. Die Blattfedern erzeugen zudem den erforderlichen Kontaktdruck. 23 ist eine feststehende Spule mit den abgewinkelten Anschlüssen 24 und 25, wovon 24 mit der Düse 10, 25 mit der rohrförmigen Stromzuführung 11 leitend verbunden sind. 26 ist ein isolierender Abstützzylinder, der mit Hilfe der Spannstifte 27 mit der Stromzuführung 11 fest verbunden ist. Die Spule 23 ist an der Stirnseite des Abstützzylinders 26 befestigt. 28 ist ein

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beweglicher leitender Ring, der über den Lenker 29 mit dem Schwinghebel 30 verbunden ist. Der Schwinghebel 30 dreht sich um die Achse 31 und steht über den Lenker 32 mit dem Gehäuse 15 und damit mit dem Hauptkontakt 14 in Verbindung. Die Schaltanordnung besitzt drei um je 120 ° versetzte derartige Übersetzungsgetriebe. Damit das zwischen der Spule 23 und dem Ring 28 entstehende Magnetfeld sich möglichst ungehindert ausbilden kann, ist die Düse 10 einseitig mit Schlitzen versehen.

Der Ausschaltvorgang vollzieht sich wie folgt: Durch einen nicht dargestellten beispielsweise hydraulischen Antrieb wird der Zylinder 17 nach rechts bewegt, wodurch im Hohlraum 33 ein Überdruck entsteht, der auf die Kolbenfläche 19 einwirkt und den Kolben 18 zusammen mit dem Kontakt 14, dem zylinderförmigen Ansatz 20 und dem Überbrückungskontakt 22 nach rechts bewegt, bis der Überbrückungskontakt 22 am Abstützzylinder aufschlägt (s. punktiert eingezeichnete Stellung). Dadurch wird eine etwaige geringe Verschweißung am Hauptkontakt 14 aufgebrochen, ohne daß jedoch bereits eine Unterbrechung zustande kommt. Zugleich wird die Verbindung zwischen der Düse 10 und der rohrförmigen Stromzuführung 11 getrennt und dadurch der Strom auf die Spule 23 kopnutiert; ferner wird der Ring 28 entsprechend der Untersetzung durch das Getriebe 29,30,32 etwas nach rechts bewegt.

Auf die linke Stirnseite des Gehäuses 15 wirkt ebenfalls ein Überdruck. Liegt der abzuschaltende Strom z. B, in der Größe des Nennstromes, so ist die elektrodynamische Kraft zwischen der Spule 23 und dem Ring 28 sehr klein. Bei ansteigendem Strom tritt zwar eine geringe Abstoßung, bei fallendem Strom hingegen eine Zugkraft auf, welche die Druckkraft auf das Gehäuse 15 etwas unterstützt; die Unterbrechung erfolgt jedoch asynchron. In der Ausschaltstellung erreicht der Haupt-

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kontakt 14 die gestrichelt angedeutete Lage. Die linke Stirnseite des Zylinders 17 steht dann unmittelbar vor dem Hauptkontakt 14, so daß zwischen den Düsen 9 und 10 eine freie Öffnungsstrecke vorhanden ist.

Tritt jedoch zu Beginn der Bewegung des Kolbens 18 ein großer ansteigender Strom auf, so entsteht zwischen der Spule 23 und dem Ring 28 eine starke abstoßende Kraft, so daß sich der Hauptkontakt 14 vorerst nicht weiter bewegen kann. Nach Überschreiten des Strommaximums verwandelt sich die abstoßende Kraft in eine anziehende (s. Figuren 1 und 2). Der Hauptkontakt 14 wird nun pneumatisch und elektrodynamisch nach rechts bewegt, so daß bei Erreichen des Stromnulldurchganges im allgemeinen die Löschdistanz erreicht ist und somit eine synchrone Unterbrechung erfolgt. Sollte jedoch die Löschung nicht zustande kommen, so wird durch die nun sehr große elektrodynamische abstoßende Kraft der Hauptkontakt 14 wieder in die Einschaltstellung bewegt, und die synchrone Unterbrechung erfolgt dann erst beim nächsten Stromnulldurchgang. Der gleiche Vorgang vollzieht sich, wenn während der Abschaltung eines kleinen Stromes eine Umschlagstörung auftreten sollte. Ist die Ausschaltstellung erreicht, so wirken auf das bewegliche System keinerlei Kräfte mehr.

Beim Einschalten bewegt sich der Zylinder 17 nach links. Durch den Sprengring 34 werden der bewegliche Ring 28 und über das Übersetzungsgetriebe 29,30,32 das Gehäuse 15 und mit Hilfe des Mitnehmerringes 15a der Kolben 18 in die gezeichnete Einschaltstellung bewegt.

4 Figuren

5 Ansprüche

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Claims

23Q49Q4

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Patentansprüche

MJ Anordnung zum asynchronen und synchronen Schalten von elektrischen Wechselströmen mittels eines elektrodynamischen Kontaktantriebes, bestehend aus mindestens einer feststehenden Spule und einer beweglichen, mit einem Lichtbogenkontakt mechanisch gekoppelten Spule, in der durch einen in der feststehenden Spule fließenden Strom ein diesem gegenüber phasenverschobener Strom induziert wird, und mit Lichtbogenlöschung durch strömendes Löschgas, dadurch gekennzeichnet, daß der in der feststehenden Spule (7, 23) fließende Strom (i^) der zu schaltende Wechselstrom ist und die Anordnung so ausgebildet ist, daß der in der beweglichen Spule (6, 28) fließende Strom (ip) gegenüber der in ihr induzierten Spannung (u₂) um höchstens 60 ° nacheilt, und daß ferner der Druck des Löschgases auf den beweglichen Lichtbogenkontakt (14) in Ausschaltrichtung einwirkt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Spule (6) unmittelbar mit dem Lichtbogenkontakt (4) verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der beweglichen Spule (28) und dem Lichtbogenkontakt (14) ein Übersetzungsgetriebe (29,30,32) vorgesehen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der Lichtbogenkontakt in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (15) als Druckkolben auf den Lichtbogenkontakt (14) wirkt.
5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung, daß die feststehende Spule (23) im Dauerbetrieb überbrückt ist und daß bei Anstieg des Gasdruckes zunächst die Überbrückung (22) aufgehoben wird.

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