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elektrische Schalteinrichtung Bekannte elektrische Schalteinrichtungen
sind entweder als schnelle Öffner oder als schnelle schließer ausgebildet. Die Scha]tkontakte
von mechanisch trennenden Schaltern können mit Hilfe von geeigneten Auslösemechanismen
sehr schnell geöffnet werden und sind in der Lage, den Strom mit einem Schaltverzug
von weniger als zwei Nillisekunden zu unterbrechen. Das Schließen der Schaltkontakte
dieser mechanischen Schalter dauert jedoch erheblich länger.
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Halbleiterschalter können durch geeignete Ansteuerung bzw. durch Zündimpulse
sehr schnell stromdurchlässig gesteuert werden. Das Ausschalten geschieht durch
Sperrung der Zündimpulse. Wechselstrom fließt jedoch noch bis zu seinem natürlichen
ullduichgang weiter, wo er erlischt. Gleichstrom kann nur durch spezielle Töschkreise
zur Zwangskommutierung unterbrochen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schalteinrichtung
für Gleich-, echsel- oder Drehstrom mit einer Reihenschaltung eines mechanischen
Trennschalters und eines Halbleiterschalters zu schaffen, die sowohl eine schnelle
Unterbrechung wie auch eine schnelle Zuschaltung des Stroms ermöglicht.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist eine Steuereinrichtung
für den mechanischen Trennschalter und den Halbleiterschalter vorgesehen, die bei
einem Auschaltbefehl die Schaltkontakte des mechanischen Trennschalters öffnet und
den Halbleiterschalter in Sperrung steuert und nach Eintritt des stromlosen Zustandes
die Schaltkontakte des mechanischen Trennschalters schließt, und die bei einem Einschaltbefehl
den Halbleiterschalter stromdurchlässig steuert.
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Aus HEUMANN/STUMPE 1'Thyristoren", B.G. Teubner, Stuttgart, 3. Auflage
1974, Seite 67, ist eine elektrische echselstrom-Schalteinrichtung bekannt, bei
der in Reihe mit einem Thyristorschalter ein mechanischer Trennschalter vorgesehen
ist. Der mechanische Trennschalter ist mit Riicksicht auf den Berührungsschutz während
längerer Betriebspausen vorgesehen und um einen Reststrom über den Halbleiterschalter
zu verhindern. Die Schaltkontakte des mechanischen Trennschalters bleiben im stromlosen
Zustand geöffnet. Eine Ausbildung dieser bekannten Schalteinrichtung sowohl als
schneller Öffner als auch als schneller Schließer ist nicht vorgesehen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung werden bei einem Ausschaltbefehl
die Schaltkontakte des mechanischen Trennschalters unverzüglich geöffnet und der
HalbleiterschaCter wird in Sperrung gesteuert. Da der mechanische Trennschalter
einen äußerst kleinen Schaltverzug aufweist, wird der Strom rasch unterbrochen.
Damit erlischt auch der Strom im Halbleiterschalter, ohne daß hierzu spezielle Löschkreise
erforderlich sind. Der Halbleiterschalter kann daher einen einfachen Schaltungsaufbau
aufweisen. Um den Strom bei Bedarf wieder schnell zuschalten zu können, werden im
stromlosen Zustand die Schaltkontakte des mechanischen Trennschalters wieder geschlossen.
Der Halbleiterschalter bleibt zunächst gesperrt gesteuert. Das Schließen der Schaltkontakte
des mechanischen Trennschalters kann entweder nach einer vorgegebenen kurzen Zeitspanne
erfolgen, oder aber in Abhängigkeit von einem aus einem Meßwert abgeleiteten Signal,
das anzeigt, daß der stromlose oder spannungslose Zustand erreicht ist. Bei einem
Einschaltbefehl wird der Halbleiterschalter stromdurchlässig gesteuert und übernimmt
unverzüglich die Stromführung. Die verhältnismäßig lange Zeitdauer, die der Schließvorgang
der Schaltkontakte eines mechanischen Trennschalters benötigt, kann den Einschaltvorgang
somit nicht verzögern.
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Die vorliegende Erfindung schafft unter Verwendung einer an sich bekannten
Reihenschaltung eines mechanischen Trennschalters und eines Halbleiterschalters
erstmalig die Möglichkeit, eine derartige
Schalteinrichtung sowohl
als schnellen Öffner wie als auch schnellen Schließer für hohe Iastströme zu betreiben.
Dies geschieht durch eine Steuerung der beiden Schalter, die sich mit einfachen
Mitteln realisieren läßt.
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Mit dieser erfinderischen Erkenntnis kann eine elektrische Umschalteinrichtung
geschaffen werden, bei der im stromabgebenden und im stromübernehmenden Zweig jeweils
eine Schalteinrichtung mit einem mechanischen Trennschalter und einem in Reihe geschalteten
Halbleiterschalter angeordnet ist, denen eine gemeinsame Steuereinrichtung zugeordnet
ist, die bei einem Umschaltbefehl die Schaltkontakte des mechanischen Trennschalters
im stromabgebenden Zweig öffnet und den Halbleiterschalter im stroluabgebenden Zweig
in Sperrung steuert und nach erfolgter Stromabgabe den Halbleiterschalter im stromübernehmenden
Zweig stromdurchlässig steuert und die Schaltkontakte des mechanischen Trennschalters
im stromabgebenden Zweig schließt. Eine derartige Umschalteinrichtung kann große
Lastströme in äußerst kurzer Zeit vom stromabgebenden zum stromaufnehmenden Zweig
umschalten.
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mine bevorzugte Anwendung einer derartigen Umschalteinrichtung ist
bei einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage gegeben, bei der ein Verbraucher
im Normalbetrieb aus einem Versorgungsnetz und bei einem Ausfall oder einem unzulässigen
Einbruch der rdetzspannung aus einer Ersatzstromquelle gespeist ist.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Wig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
elektrischen Schalteinrichtung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
elektrischen Umschalteinrichtung, Fig. 3a eine unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage
mit einer erfindungsgemäßen Umschalteinrichtung, Fig. 3b eine Steuereinrichtung
für die Umschalteinrichtung der Fig. 3a.
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In Figur 1 ist eine Reihenschaltung eines schematisch dargestellten
tlalbleiterschalters 1 und eines ebenfalls schematisch dargestellten mechanischen
Trennschalters 10 gezeigt.
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Der Halbleiterschalter 1 enthält ein Stellglied 2 mit zwei antiparallel
geschalteten Thyristoren, deren Zündstrecken von einer Steuereinrichtung 3 mit Zündimpulsen
ansteuerbar sind. Bei dem Halbleiterschalter 1 kann es sich um einen bekannten Gleichstrom-,
Wechselstrom- oder Drehstromsteller in beliebiger Ausführung handeln. Die Zündimpulse
der Steuereinrichtung 3 sind über Sperrgatter 4 und 5 geführt.
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Der mechanische Trennschalter 10 weist einen Auslösemechanismus 11
und einen Einschaltmechanismus 20 auf. Der Auslösemechanismus 11 kann beispielsweise
als Wirbelstromauslösespule ausgebildet sein, die über einen elektronischen Schalter
1? an einen Kondensator 13 angeschlossen ist. Der Kondensator 13 wird von einer
Gleichspannungsquelle 14 aufgeladen, die mit dem symbol einer Batterie dargestellt
ist. Als Gleichspannungsquelle kann jedoch auch ein mit Wechselspannung gespeister
Gleichrichter vorgesehen sein. Wenn der elektronische Schalter 12 mit einem Zündimpuls
vom Zündimpulsgenerator 15 stromdurchlässig gesteuert wird, entlädt sich der Kondensator
13 über die Relaisspule 16 und bewirkt ein rasches Öffnen des Schaltkontakts 18
des Trennschalters 10. Der Finschaltmechanismus 20 enthält einen Aufzugmotor 21,
der über einen Hilfskontakt 17 des Trennschalters 10 und den Kontakt 22a eines Relais
22 an eine Gleichspannungsquelle 23 geschaltet werden kann. Wenn das Relais 22 erregt
und der Kontakt 22a geschlossen ist, läuft der Aufzugmotor 21 so lange, bis der
Schaltkontakt 18 geschlossen und damit der Hilfskontakt 17 geöffnet ist.
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Die Steuereinrichtung für den Halbleiterschalter 1 und den mechanischen
Trennschalter 10 enthält ein Flip-Flop 6 als Befehlsspeicher, dessen Setzeingang
7 von einem Einschaltbefehl I und dessen Rücksetzeingang 8 von einem Ausschaltbefehl
AUS ansteuerbar ist.
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Im stromlosen Zustand der Schalteinrichtung ist der Schaltentakt 18
des mechanischen Trennschalters 10 geschlossen. Die Weitergabe der Zündimpulse der
Steuereinrichtung 7 an das Steilglied 2 des Halbleiterschalters 1 ist von den Sperrgattern
4 und 5 gesperrt.
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Bei einem Einschaltbefehl EIN steuert das Ausgangssignal des Flip-Flops
6 die Sperrgatter 4 und 5 durchlässig und gibt damit die Zündimpulse für die gesteuerten
Ventile des Stellgliedes 2 des Halbleiterschalters 1 frei. Der Strom kann über das
durchlässig gesteuerte Stellglied 2 des Halbleiterschaters 1 und den geschlossenen
Schaltkontakt 18 des Trennschalters 10 fließen. Anstelle der dargestellten Steuerelnrichtung
3 und der Sperrgatter 4, 5 kann beispielsweise auch ein Oszillator verwendet werden,
der vom Ausgangasignal des Flip-Flops 6 gestartet wird.
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Bei einem Ausschaltbefehl AUS steuert das Ausgangssignal des Flip-Flops
6 über eine Impulsstufe 9 den Zündimpulsgenerator 15 des elektronischen Schalters
12 an und läßt damit den Auslösemechanismus 11 des Trennschalters 10 ansprechen.
Der Schaltkontakt 1° des Trennschalters 10 wird äußerst rasch geöffnet und unterbricht
den Strom. Mit dem Wechsel der Ausgangssignale des Flip-Flops 6 werden auch die
Sperrgatter 4 und 5 gesperrt gesteuert, so daß keine Zündimpulse- mehr auf da Stellglied
2 des Halbleiterschalters 1 gelangen. Der Strom im ialblefflterschalter 1 erlischt
ebenfalls. Der Ausschaltbefehl wird von einem Verzögerungsglied 24 um eine kurze
Zeitdauer verzögert, die so bemessen ist, daß mit Cicherheit der strom- oder spannungslose
Zustand erreicht ist. Der verzögerte Ausschaltbefehl steuert das Relais 22 an und
setzt damit den zinschantmechanismus 20 des mechanischen Trennschalters 1G in Tätigkeit.
Der Schaltkontakt 18 wird geschlossen. Die Schalteinrichtung ist dar für einen neuen
Einschaltbefehl vorbereitet.
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Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer schnellen bmschalteinrichtung,
bei der ein Verbraucher 25 entweder aus einer Strom versorgungsanlage 26a über den
Zweig a oder aus einer zeiten
Stromversorgungsanlage 26b über den
Zweig b gespeist wird. Sowohl der Verbraucher 25 wie auch die beiden Stromversorgungsanlagen
26a und 26b können als Versorgungsnetze aufgefaßt werden.
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Die Stromversorgungsanlage 26a ist über das Stellglied 27a eines Halbieiterschalters
mit einer Steuereinrichtung 28a sowie über den Schaltkontakt 29a eines mechanischen
Trennscha3ters mit einem Auslösemechanismus 30a und einem l.inschaXtmechanismus
31a mit dem Verbraucher 25 verbunden. Die Spannung oder vorzugsweise der Strom im
Zweig a wird von einem Meßfühler 32a erfaßt und von einem Grenzwertmelder 33a in
ein Schaltsignal umgesetzt. In entsprechender Weise ist die Stromversorgungsanlage
26b über das Stellglied 34a eines Halbleiterschalters mit einer Steuereinrichtung
35a und über den Schaltkontakt 36a eines mechanischen Trennschalters mit einem Auslösemechanismus
37a und einem Einschaltmechanismus 38a mit dem Verbraucher 25 verbunden. Ein Meßfühler
99a erfaßt die Spannung oder bevorzugt den Strom im Zweig b. Ein Grenzwertmelder
40a bildet hieraus ein Schaltsignal, wenn die entsprechenden Meßwerte zu Null werden.
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Den beiden Halbleiterschaltern und den beiden mechanischen Trennschaltern
ist eine Steuereinrichtung 41 zugeordnet, die einen als Flip-Flop ausgebildeten
Befehlsspeicher 42, sowie weitere Flip-Flops 43 bis 46 und Sperrgatter 47 und 48
enthält. Zur einfacheren Erläuterung der Wirkungsweise der Umschalteinrichtung wird
eine Darstellung mit logischen Signalen benutzt, wobei ein logisches "1"-Signal
ein Sperrgatter durchlässig steuert und ein Flip-Flop auf die angesteuerte Seite
kippt. Ein "O"-Signal sperrt ein Sperrgatter und beeinflußt ein Flip-Flop nicht.
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Es wird angenommen, daß der Verbraucher 25 aus der Otromversorgungsanlage
26a über das durchlässig gesteuerte Stellglied 27 und den geschlossenen Schaltkontakt
29 gespeist wird. Es soll nunmehr auf die Stromversorgungsanlage 26b umgeschaltet
werden. Der Zweig a ist somit der stromabgebende und der Zweig b der stromaufnehmende
Zweig. Der entsprechende Umschaltbefehl b gelangt
als logisches
"1"-Signal auf den Rücksetzeingang des Flip-Flops 42. Der Umschaltbefehl "b" bedeutet,
das die Versorgung des Verbrauchers 25 vom Zweig a auf den Zweig b umgeschaltet
weiden soll.
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Kit dem Umschaltbefehl "b" wird das Flip-Flop 42 rückgesetzt, so daß
sein unterer Ausgang ein logisches "1"-Signal führt. Dieses kippt das Flip-Flop
46, dessen Ausgangssignal den Auslösemechanismus 30 des Trennschalters im Zweig
a ansteuert. Der Schaltkontakt 29 wird geöffnet. Das Ausgangssignal des Flip-Flops
42 setzt das Flip-Flop 43 zurück, dessen obere Ausgang nunmehr "0"-Signal führt.
Dieses "0"-Signal sperrt das Sperrgatter 59 für die Zündimpulse der Steuereinrichtung
28 an das Stellglied 27 im Zweig a. Der Strom im Stellglied 27 erlischt. Sobald
der Strom im Zweig a zu Null geworden ist, erzeugt der Grenzwertmelder 33 ein logisches
fl111Signal, welches das Sperrgatter 48 durchlässig steuert. Das Flip-Flop 45 wird
rückgesetzt. Sein unterer Ausgang führt nunmehr ein logisches "1"-Signal, welches
das operrgatter 50 für die Zündimpulse der Steuereinrichtung 35 durchlässig steuert.
Das Stellglied 34 im Zweig b wird somit stromdurchlässig gesteuert. Zugleich wird
der Einschaltmechanismus 31 des Trennschalters im Zweig a angesteuert. Der Schaltkontakt
29 wird geschlossen. Das Signal am oberen Ausgang des Flip-Flops 45 kippt von "l-Signal
auf "0"-Signal und setzt mit seiner fallenden Flanke das Flip-Flop 44 zurück. Der
obere Ausgang des Flip-Flops 44 führt somit ein "Oll-Signal, das den Auslösemechanismus
37 in Tätigkeit setzt.
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ttach der erfolgten Umschaltung vom Zweig a auf den Zweig b ist das
Stellglied 27 gesperrt, der Schaltkontakt 29 ist geschlossen.
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Das Stellglied 34 ist durchlässig gesteuert und der Schaltkontakt
36 geschlossen.
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Zur Umschaltung vom Zweig b auf den Zweig a wird ein ll1ll-Signal
als Umschaltbefehl llal' auf den Setzeingang des Flip-Flops 42 gegeben. Der obere
Ausgang des Flip-Flops 42 kippt auf ?,1flSignal
und setzt das Flip-Flop
44 und das Flip-Flop 45. Der obere Ausgang des Flip-Flops 44 steuert mit einem "1"-Signal
den Auslösemechanismus 37 an. Der Schaltkontakt 36 im Zweig b wird geöffnet.
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Der untere Ausgang des Flip-Flops 45 führt ein "O"-ignal, welches
das Sperrgatter 50 für die Zündimpulse der Steuereinrichtung 35 sperrt. Der Strom
im Stellglied 34 erlischt. Sobald der Strom im stromabgebenden Zweig b zu Null geworden
ist, bildet der Grenzwertmelder 40 aus der vom Strommeßfühler 39 erfaßten Meßspannung
ein Schaltsignal, welches das Sperrgatter 47 durchlässig steuert.
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Das Ausgangssignal des Sperrgatters 47 setzt das Flip-Flop 43, dessen
oberer Ausgang nunmehr ein "1"-Signal führt, welches das Sperrgatter 49 für die
Zündimpulse der Steuereinrichtung 28 durchlässig steuert. Das Stellglied 27 im Zweig
a wird somit stromdurchlässig gesteuert. Der strom kann unverzüglich über das otel'-glied
27 und den geschlossenen Schaltkontakt 29 zum Verbraucher 25 fließen. Gleichzeitig
wird auch der Einschaltmechanismus 38 betätigt und der Schaltkontakt 36 im stromabgebenden
Zweig b wieder geschlossen. Der untere Ausgang des Flip-Flops 43 kippt von "1"-
auf Signal und setzt mit seiner fallenden Flanke das Flip-Flop 46. Der untere Ausgang
des Flip-Flops 46 führt somit ein Signal, das den Auslösemechanismus 30 nicht ansteuert.
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Figur 3a zeigt als bevorzugtes Anwendungsbeispiel der Erfindung den
prinzipiellen Aufbau einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage. Sin Verbraucher
52 ist über ein Filter 53 und den im Normalbetrieb geschlossenen Schaltkontakt 54
und das durchlässig gesteuerte Halbleiterstellglied 55 an ein Versorgungsnetz 56
angeschlossen. Die Netzspannung des Versorgungsnetzes 56 wird von einem Spannungsmeßfühler
57 erfaßt und einer Steuereinrichtung 70 zugeführt. Der Eingang des Filters 53 ist
üDer einen ebenfalls im Normalbetrieb geschlossenfn chaltkontakt 5E und ein im Normalbetrieb
gesperrt gesteuertes Halbleiterstellglied 59 an einen Wechselrichter 60 angeschlossen,
der aus einer Ersatzstromquelle 61 gespeist ist. Dem Wechselrichter 60 ist eine
Steuereinrichtung 62 zugeordnet. Die Weitergabe dell Zündimpulse der 'tcucreinrichtung
62 an die gesteuerten Ventile im 'lechselrichter 60
ist im Normalbetrieb
gesperrt. Strommeßfühler 63 und 64 erfassen die Ströme in den beiden Zweigen und
liefern entsprechende Meßwerte an die Steuereinrichtung 70. Ein weiteres Spannungsmeßfühler
65 erfaßt die Spannung am Eingang des Filters 53. Die Steuereinrichtung 70 bildet
Schaltbefehle zur Beeinflussung der beiden Schaltkontakte 54 und 58 und der beiden
Halbleiterstellgliedes 55 und 59, sowie einen Freigabebefehl für die Zündimpulse
der ftouereinrichtung 62.
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Das dem Verbraucher 52 ständig vorgeschaltete Filter 53 dämpft im
Normalbetrieb die nieder- und hochfrequenten Verzerrungen der Netzspannung. Beim
Umschaltvorgang vom Normalbetrieb zum Betrieb aus der 8 Ersatzstromquelle 61 und
zurück zum Normalbetrieb wirkt das filter 53 als kurzzeitiger Energiespeicher. Beim
Betrieb über den Wechselrichter 60 siebt es dessen Ausgangsspannung.
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figur 3b zeigt schematisch den Aufbau einer geeigneten Steuereinrichtung
7V. Eingangsseitig sind de) Spannungsmeßfühler 57 zur Erfassung der Netzspannung,
der Spannungsmeßfühler 65 zur Erfassung der Eingangsspannung des filters und die
beiden Strommeßfühler 63 und 64 zur Erfassung der Ströme in den beiden Zweigen angeschlossen.
ntsprechend eingestellte Grnzwertmeldes erzeugen logische Signale aus den ihnen
eingargsscitig zugeführten Meßspanungen. Der Grenzwertmelder 67 erzeugt ein logisches
"0"-Signal, wenn die Spannung am Mitlereingang ordnungsgemäß ansteht; hingegen ein
logisches "1"-Signal, ein dis Spannung am Filtereingang unzulessige Abweichungen
aufweist. Der Grenzwertmelder 65 erzeugt ein logisches "0"-Signal, 1.-'enn die Xetzspannung
innerhalb ihre zulässigen Toleranzen liegt, dagegen ein logisches "1"-Signal bei
unzulässigen Störungen der Netzspannung.
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Bei einer unzulässigen Abweichung der vom Spannungsmeßfühler 65 erfaßten
Spannung am Filtereingang gelangt das "1"-Signal vom Grenzwertmelder 67 sofort auf
die Steuereinheit 62 des Wechselrichters 6, wodurch deren Z-;'ndimpulse an die gesteuerten
Ventile des Wechselrichters freigegeben werden. Gleichzeitig gelangt ein
entsprechender
Umschaltbefehl auf den Setzeingang des Flip-Flops 71, wodurch in der bereits beschriebenen
Weise ein Ausschaltbefehl für den Auslösemechanismus 54a de ,chaltkontakts 5 und
ein Sperrbefehl für das fialbleiterstellglied 55 erzeugt wird. 'obald der vom Strommeßfühler
64 erfaßte Netzstrom zu Null geoden ist, gibt der Grenzwertmelder 72 ein "1"-Signal
aus, welches einen Freigabebefehl für das Halbleiterstellglied 59 und einen Schließbefehl
für den Einschaltmechanismus 54b des Schaltkontakts 54 zur Folge hat. Die Versorgung
des Verbrauchers 52 erfolgt jetzt aus der Ersatzstromquelle 61 über den Wechselrichter
60.
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Das Signal des Grenzwertmelders 67 wird einem Zeitglied £8 mit Abfallverzögerung
zugeführt, dessen verzögertes Ausgangssignal in einem NOR-Glied 69 mit dem Ausgangssignal
des Grenzwertmelders 66 veXlçnüpft ist. eilen die vom ßpannungsmeßfühler 57 überwachte
Netzspannung ihren Nennwert wieder erreicht und für die Verzögerungszeit des Zeitgliedes
68 nicht wieder unterschreitet, so beeinflußt das Ausgangssignal des NOR-Gliedes
69 die Steuereinheit 62 des Wechselrichters dahingehend, daß der Wechselrichter
stillgesetzt oder auf Leerlaufbetrieb gesteuert wird.
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Außerdem wird ein Umschaltbefehl an den Rücksetzeingang des Flip-Flops
71 gegeben, das in der bereits beschriebenen Weise den Auslösemechanismus 58a für
den Schaltkontakt 58 ansteuert und das Halbleiterstellglied 59 in Sperrung steuert.
Sobald der vom Strommeßfühler 63 erfaßte Strom zu Null geworden ist, wird das Halbleiterstellglied
55 durchlässig gesteuert und der Einschaltmechanismus 58b für den Schaltkontakt
58 angesteuert. Die Versorgung des Verbrauchers 52 erfolgt jetzt wieder aus dem
Netz 56.
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3 Patentansprüche 3 Figuren