DE2304904C3

DE2304904C3 - Anordnung zum asynchronen und synchronen Schalten von elektrischen Wechselströmen

Info

Publication number: DE2304904C3
Application number: DE19732304904
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr.-Ing. Kuesnacht Zuerich Kesselring (Schweiz)
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-01-29
Filing date: 1973-01-29
Publication date: 1975-08-28
Also published as: CH559424A5; FR2215689A1; DE2304904B2; DE2304904A1; JPS49105171A; FR2215689B1

Description

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 Lichtbogcr!"schung durch strömendes Löschgas.

Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise in dem Auisatz »Gesteuerte Synchronschalter« von Fritz Kessel ring, ETZ-A, 1967. S. 593 ff., beschrieben. Hierbei wird die feststehende Spule von dem Entladestrom eines Kondensators gespeist, der im allgemeinen eine Frequenz /,, 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 ?,. =

R,

(D

annähernd 90' nacheilt. In Gleichung (1) bedeuten L₂₂ die Selbstinduktivität des Ringes, R₂ dessen Widerstand und r = 2.τ/, die Kreisfrequenz des Entladestromes. Da VL₂₂ :> R₂ «st, weist der im Rüig fließende Strom i₂ gegenüber dem Entladestrom i, in der Spule eine Phasenverschiebung von annähernd 180^a auf; die Ströme i, und i₂ haben somit entgegengesetzte Richtung, und es tritt immer eine abstoßende Kraft auf.

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, daß 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 an Hand der F i g. 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 Ausführungsform der Erfindung für Druckgasschalter mit Doppeldüse.

Wird ein elektrodynamischer Antrieb mit einem Strom der Netzfrequenz/, die im allgemeinen 50 oder 60 Hz beträgt, gespeist, so ergibt sich für die Phasenverschiebung (f zwischen der im Ring induzierten Spannung u₂ und dem Sekundärstrom /₂

tan,=

In dem speziellen Fall ViL₁₂ = R₂ wird tang* = 1

und 7 =45". Da

. L₂₂ = I₀DNl-IO ⁷* 10-DN₂^-10 ⁷[/ί] (3)

ist φ = mittlerer Ringdurchmesser in m), so folgt aus Gleichung (2) für Kupfer mit o%2 10~⁸üm und /V₂=I

tan _r = 314JOP_nIO- ^ ^ . ^ ^ _q(a,, • "" (4)

gegenüber der in ihm induzierten Spannung um Aus Gleichung (4) folgt, daß q unabhängig vom mittleren Durchmesser D, hingegen proportional

dem Querschnitt q ist. Für q = 1 cnr wird tan 7 = 0,5 und 9 = 26,6 .
Der primäre Strom /, (s. F i g. I) sei gegeben durch

/, = J₁ COS int.

(5)

während der Strom i, im Ring gegenüber der induzierten Spannung w, eine Phasenverschiebung ? aufweise Ui«i daher durch nachstehende Gleichung gegeben ist:

h = 7_;sin(i.if - if.). (6)

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

proportional der zeitlichen Änderung von /,; der Strom /₂ weist wiederum die Phasenverschiebung ? gegenüber u, auf. Die erste kleine Halbschwingung von Z₁ wird gesperrt, da der kleine positive Anteil von F[t) praktisch ohne Einfluß bleibt. Es tritt daun während des Zeitintervalls N₁ bis P eine Kraft in Einscbaltrichtung auf, worauf die Ausschaltung mit Lichtbogenlöschung im Stronmulldurchgang JV₂ erfolgt

Wesentlich für das einwandfreie Funktionieren der Anordnung ist eine genügend kleine Zeitkonstante τ, der beweglichen Spule. Ist wieder WL₂₂IW₂ - 0,5. so wird für ω = 2.τ/ = 314/s

I₁ -I₂ = 7, " 7; ' COSw/ ■ Sin (fit — <f)

(7)

= Λ h ' -, fsin [<··ί + (rif - t})] + sin [<·■? - (...r — ?)]].

woraus folgt

q) -sin7].

(8)

Setzt man in Gleichung (8) 9 = 0, so erkennt man, daß das Produkt i, · i₂ ~ F(r) mit der doppelten Kreisfrequenz 2<o schwingt. Die Kraft schwankt somit zwischen positiven und negativen Werten.

Die Amplitude des Stromes im Ring I₂ berechnet sich mit

35

1 +ju L₁

FTi?' " Γ,

(9)

110)

Interessiert nur der Absolutwert der Amplitude 7₂, so wird

U-^U=X ^. «10a,

IR?+(..»L„)²

-22

Für den Fall 9 = 26,6 ergeben sich bei symmetrischem Verlauf von /, Verhältnisse, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind. Die induzierte Spannung i/₂ hat 90^l Phasenverschiebung gegenüber /',. Der Strom /₂ eilt K₂ um den Winkel q = 26.6 nach. Das Produkt /j · 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 /V₁. 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 α = R₂/i"L₂₂ als selbsidenkender Synchronantrieb; es wird somit kein Vorauslöserelais benötigt.

F i g. 2 zeigt die Verhältnisse bei starker Verlagerung des Stromes /,. Die induzierte Spannung u₂ ist

IS

Lt, 0,5

-3

(H)

was ausreichend klein ist.

Bedeutet .x den jeweiligen Abstand zwischen Spule und Ring (s. F i g. 3) und 7 den mittleren Spulen- bzw. Ringradius, so ergibt sich bei je einer Windung die Kraft zu

= —^Γ- · -~- [sin (2. .f - 9) - sin 7)],

wobei <f und I₂ durch die Gleichungen (2) und (10a) gegeben sind. Wie aus Fi g. 1 ersichtlich ist, verläuft die Kraft Fit) mit derdpppelten Netzfrequenz 2/und ist um den Wert -(7,7₂ 2)sin? 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 /, auf für

90 +9 90 +26,6

= 58.3 ·.

45 Das Grundprinzip der Anordnung zum asynchronen und synchronen Ausschalten von Wechselströmen nach der Erfindung zeigt F i g. 3. Darin bedeuten 1. 2 und 3 feststehende Stromschienen, 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 isi 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 iir. Bereich kleinerer Ströme eine asynchrone Unterbrechung zustande kommt. Bei größeren Strömen vermag die Kraft F den Schalter nur bei fallendem Strom ι, 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 SF_ft-Schaltern je nach Druck und Spannung I bis 3 cm.

In F i g. 4 bedeuten 9 und 10 die Düsen des Unlcrbrcchungssystems, U cine rohrförmigc Stromzuführung, die mit Hilfe der Isolierscheibe 12 und der Isolierstifte 13 mit der Düse 10 starr verbunden ist. 14 ist der Hauptkontakt mit dem Gchilusc 15 und dem damit verbundenen Mitnehmerring 15a; 16 sind Anpreßfedern. 17 ist der glockenförmige Kompressionszylinder, der über einen nicht dargestellten Antrieb beim Ausschalten nach rechts bewegt wird. 18 ist ein Kolben aus Isoliermaterial mit der Kolbenfliichc 19. 20 ist ein zylindcrförmigci Ansatz, mit dem über die Blattfedern 21 die Überbrückungskontakt 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 U leitend verbunden sind. 26 ist ein isolierender Abslülzzylinder, der mit Hilfe der Spannstifte 27 mit der Stromzuführung U fest verbunden ist. Die Spule 23 ist an der Stirnseite des AbstUlzzylinders 26 befestigt. 28 ist ein 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 Hauplkontakt 14in Verbindung. Die Schallanordnung besitzt drei um je 120 versetzte derartige tibcrsctzungsgctncbc. Damit das zwischen der Spule 23 und dem Ring 28 entstehende Magnetfeld sich möglichst ungehindert ausbilden kann, ist die Düse 10 einseitig mit Schlitzen verseilen.

Der Ausschaltvorgang vollzieht sich wie folgt: Durch einen nicht dargestellten beispielsweise hydraulischen Antrieb wird dci Zylinder 17 nach rechts bewegt, wodurch im Hohlraum 33 ein tiberdruck entsteht, der auf die Kolbenlläche 19 einwirkt und den Kolben 18 zusammen mit dem Kontakt 14. dem zylindcrformigen Ansatz 20 und dem ti bei brück ungskonlakt 22 nach rechts bewegt, bis der tiberbrück ungskontakl 22 am Abstützzylindcr 26 aufschlagt (s. punktiert eingezeichnete Stellung) Dadurch wird eine etwaige geringe Verschweißung am Ilauptkontakt 14 aufgebrochen, ohne daß jedoch bereits eine Unterbrechung zustande kommt Zugleich wird die Verbindung zwischen der Düse 10 und der rohrförmigen Stromzuführung Il getrennt und dadurch der Strom auf die Spule 23 kommuticrt; ferner wird der Ring 28 entsprechend der Untersetzung durch das Getriebe ?,9. 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

ίο 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 Ausschalt· stellung erreicht der Hauptkoniakt 14 die gestrichelt angedeutete Lage. Die linke Stirnseite des Zylinders 17 steht dann unmittelbar vor dem Hauplkontakl 14, so daß zwischen den Düsen 9 und 10 eine freie Offnungssirccke vorhanden ist.

Tritt jedoch zu Beginn der Bewegung des Kolbens 18

»ο 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 tibcrschrciten des Slronv maximums verwandelt sich die abstoßende Kraft in

*5 eine anziehende (s. 1-Ί g. 1 und 2). Der Hauplkonlakt 14 wird nun pneumalisch und elektrodynamisch nach rechts bewegt, so daß bei l-ricichcn des Stromnulldurchgangcs im allgemeinen die Löschdisianz 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 Hauplkontakl 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 Umschlagslörung auftreten sollte. 1st die Ausschallstcllung erreicht, so wirken auf das bewegliche System keinerlei Kräfte mehr.

Beim hinschaltcn 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 I5<j der Kolben 18 in die gezeichnete Einschaltstcllung bewegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 23

1. Anordnung zum asynchronen und synchronen Schalten von elektrischen Wechselströmen mittels S 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 ι s Wechselstrom ist, daß die Anordnung so ausgebildet ist, daß der in der beweglichen Spule (6, 28) fließende Strom W₂) gegenüber der in ihr induzierten Spannung (u₂) um höchstens 60 nacheilt und daß ferner der Druck des Löschgases auf den beweglichen Lichtbogenkontakl (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 !,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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