DE2536638B2 - Schaltvorrichtung zur Eliminierung oder zumindest Dämpfung des "inrush"-Effektes (Stoßstrom-Effektes) - Google Patents

Description

den Massen steigt und weil diese mechanischen Lastkreisschalter, insbesondere bei industrieller Verwendung von Schaltvorrichtungen der hier infrage stehenden Art, bei den allgemein üblichen Frequenzen des speisenden Wechselspannungsnetzes zwischen 40 bis 60 Hz unter Berücksichtigung gewisser Sicherheitszonen innerhalb relativ sehr geringer Zeit in der Größenordnung von max. 5 ms exakt schalten müssen. Eine Begrenzung der Schalthäufigkeit auf relativ kleine Werte ist jedoch vielfach unerwünscht, beispielsweise wenn die Schaltvorrichtungen für Dauererprobungen von Stromverbrauchern eingesetzt sind, wo eine Raffung der geforderten Gesamtzahl von Schaltspielen zur Ermittlung der Lebensdauer auf ein Zeitminimum verlangt oder erwünscht ist !5

Unter Berücksichtigung des »inrush«-Stromes muß ein Stromverbraucher auf den mehrfachen Wert des Nennstromes abgesichert werden, wobei diese Sicherung außerdem träge sein muß, damit der Stromverbraucher überhaupt eingeschaltet werden kann, ohne daß sie Sicherung auslöst. Dies bedeutet in der Praxis, daß der Stromverbraucher nichi auf seinen »echten« Stromweit abgesichert ist und bei länge: dauernder Überschreitung seines Nennstromes im bereits eingeschwungenen Zustand somit nicht effektiv geschützt ist, es sei denn, daß man zusätzlich entsprechend kostspielige Maßnahmen trifft, beispielsweise in Form von elektrischen Überwachungskontakten, welche in thermischem Austausch mit dem Stromverbraucher stehen (Temperaturwächter) oder in Form von elektrischen Schaltmitteln, weiche einige Perioden der speisenden Netzfrequenz nach dem Einschalten des Stromverbrauchers die wegen des »inrush«-Effektes überhölu ausgelegte Sicherung überbrücken und den Stromverbraucher mit Nennstromabsicherung an das speisende Netz ankoppeln.

Der »inrush«-Effekt erfordert teilweise kostspieligen Aufwand beim Einschalten von Stromverbrauchern, deren Phasenverschiebungswinkel nicht von vorneherein festliegt und außerdem zwischen einem Wert bei Stillstand '.zw. im Einschaltmoment und einem Endwert im eingefahrenen Zustand variiert, wie dies besonders ausgeprägt bei Elektromotoren der Fall iyt, deren cos φ im Zusammenhang mit der vom Motor erst mit steigender Tourenzahl entwickelten Gegen-EMK von ca. 035 im Einschaltmoment bis ca. 0,75 bei Nenndrehzahl schwankt. Hier ist es zumindest ab einer gewissen Motorleistung unerläßlich, einen zusätzlichen Aufwand beispielsweise in Form von Anlaßwiderständen, Stern-Dreieck-Schaltern od. dgl. zu treiben. Dieser zusätzliche Aufwand in der bisherigen Art verursacht selbstverständlich entsprechende Kosten und erfordert außerdem ausreichendes Bauvolumen, was insbesondere in modernen Schaltanlagen in- und außerhalb von Maschinenaggregaten od. dgl. mit der zunehmend angestrebten Miniaturisierung von elektrischen Schalteinrichtungen in Widerspruch steht und hinderlich ist.

Auch steht der »inrush«-Effekt selbst dann, wenn die Schaltvorrichtung an sich eine höhere Schalthäufigkeit erlauben würde, einer Steigerung der Schaltfolge des Stromverbrauchers entgegen, wenn dieser oft und rasch aufeinanderfolgend ein- und ausgeschaltet werden soll, wie dies beispielsweise bei Elektromotoren oder Elektromagneten in Werkzeugmaschinen, Kransteuerungen etc. der Fall ist. Der »inrush«-Effekt führt nämlich auch tu einer thermischen Überlastung des Stromverbrauchers selbst, so daß dieser entweder nueine beschränkte Sc! althäufigkeit mit dazwischenliegenden Abkühlzeiten erlaubt oder andernfalls überdimensioniert werden muß und damit erheblich teuerer und grööer wird.

Es ist auch anzuführen, daß der »inrush«-EfTekt wegen des stark überhöhten Einschaltstromstoßes zu einer ruckartigen elektromagnetischen bzw. mechanischen Belastung des Stromverbrauchers führt und daß hiervon ausgelöst beispielsweise die mechanische-:; Führungen und Lager eines Stromverbrauchers mit beweglichen Teilen übermäßig beansprucht werden und dementsprechend stabil gebaut werden müssen und daß insbesondere auch kostspielige Maßnahmen getroffen werden müssen, damit die sowohl bei Elektromotoren als auch bei Elektromagneten und bei Transformatoren vorhandenen Wicklungen sich nicht lockern oder gar lösen können und dabei einen mechanischen oder elektrischen Defekt des Stromverbrauchers herbeiführen.

Darüber hinaus verursacht der »inrushw-Effekt mehr oder weniger spürbare stoßweise Belastungen des speisenden Netzes, was insbesondere an öffentlichen Stromversorgungsnetzen infolge bpannungseinbruch zu störenden Einflüssen auf andere mit diesem Netz elektrisch verbundene Stromverbraucher mit spannungssensiblem Verhalten (Radio, Fernseher etc) führt.

Abhilfemaßnahmen gegen die vorstehend geschilderten schädlichen Wirkungen des »inrush«-Effektes sind bekannt. So werden beispielsweise, wie bereits erwähnt wurde, Elektromotoren nicht direkt, sondern über einen nach Ablauf einer gewissen Verzögerungszeit überbrückten Vorwiderstand an das speisende Netz angeschaltet (Anlaßwiderstand, Stern-Dreieck-Schalter etc.). Bei bisher bekannt gewordenen Lösungen erfolgt zumindest die Überbrückung des Strombegrenzungswiderstandes — ganz abgesehen von der hierbei verwendeten manuellen oder rein mechanischen und damit vor allem in der richtigen Zeitfolge nicht immer einwandfreien Steuerung der diesbezüglichen Schaltkontakte — nicht ohne Lichtbogenbildung an den Lastkreisschaltern, sondern beim Überbrücken des Strombegrenzungswiderstandes muß die an ihm bei i'blicher Anpassung bzw. optimaler Bemessung normalerweise abfallende halbe Nennleistung des Stromverbrauchers geschaltet werden, womit wieder die Bildung von Kontaktfeuer verbunden ist.

Dies gilt auch für Schaltvorrichtungen modernerer Bauart, bei denen in Hybrid-Technik mechanische Lastkreisschalter mit elektronischen Schaltern zusammenarbeiten und bei denen Strombegrenzungswiderstände vorgesehen sind, welche elektronisch an- und abgeschaltet werden. Eine derartige Schaltvorrichtung ist beispielsweise aus der CH-PS 4 52 020 bekannt. Auch dort ist jedoch das angestrebte Ziel einer Eliminierung oder zumindest Dämpfung des »inrush«-Effektes nur äuiierst unbefriedigend gelöst, weil auch bei dieser Anordnung letztlich die mechanischen Liislkreis3chalter die in parallelen Zweigen zum eigentlichen Laststromkreis angeordneten Strombegrenzungswiderstände überbrücken müssen und dabei infolge der zu bewältigenden Schaltleistung von etwa 50% der Nennleistung des Stromverbrauchers wiederum einem wesentlich erhöhten Verschleiß infolge Lichtbögenbildung mit Materialwanderungseffekten sowie einer stark reduzierten Schalthäufigkeit und allen übrigen ausreichend bekannten schädlichen Auswirkungen einer Funkenbildung zwischen mechanischen Schaltkontakten unterliegen.

Von dem im vorhergehenden geschilderten Stand der

Technik ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltvorrichtung der eingangs zitierten Art derart weiterzubilden, daß eine zeitgerecht vollautomatische und funkenfreie Eliminierung oder zumindest Dämpfung des »inrushw-Effektes gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest in derjenigen der beiden Reihenschaltungen eines elektrischen Gleichrichterventils mit einem Lastkreisschalter, welche beim Einschalten des Last-Stromkreises auf Grund eines Befehles der Steuereinrichtung als erste stromführend wird, ein mittels eines elektrischen Schalters überbrückbarer F.inschaltstoßstrom-Begrenzungswiderstand eingefügt ist und daß der Überbrückungsschalter — bzw. bei Anordnung von ü Strombegrenzungswiderständen in beiden Stromzweigen die Überbrückungsschalter — jeweils nur dann geschlossen bzw. geöffnet wird/werden, wenn der betreuende Stromzweig aut Grund der Sperrwirkung des darin befindlichen Gleichrichterventils stromlos ist.

Durch diese Maßnahme läßt sich der Einschaltstrom jedenfalls in der ersten auf den Stromverbraucher einwirkenden Halbwelle der Speisespannung je nach Dimensionierung des Widerstandswertes des Strombegrenzungswiderstandes auf einen beliebigen Wert reduzieren, weil an den Stromverbraucher nicht die volle Speisespannung angelegt wird, sondern ein entsprechender Anteil dieser Spannung an dem Begrenzungswiderstand vernichtet wird. Zweckdienlich ist es hierbei allerdings, den Widerstandswert so zu w bemessen, daß die Speisespannung etwa je zur Hälfte am Stromverbraucher bzw. am Strombegrenzungswiderstand abfällt, damit der Stromverbraucher in bezug auf die nachfolgenden Halbwellen der Speisespannung optimal erregt wird. Bei variabler Größe des ü zu schaltenden Laststromes kann es auch vorteilhaft sein, den Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstandes so zu bemessen, daß sich beim Einschalten des Stromverbrauchers im Leerlauf ein Einschaltstrom einstellt, dessen Amplitude etwas höher ist als diejenige -to des Nennstromes, d. h. des £"-^mwertes des Stromver· brmchers unter Vollast, weil dies einen für die Praxis idealen Kompromiß insofern darstellt, als sich zwar beim Einschalten des Stromverbrauchers im Leerlauf ein etwas über dem Nennstrom liegender Einschalt- ■·' strom ergibt, den man jedoch nicht als nachteilig im Sinne eines echten »inrush«-Stromes ansprechen kann und weil andererseits dieser etwas überhöhte Einschaltstrom zusammen mit dem dafür kleineren Laststrom insgesamt die Größe des Nennstromes bei Vollast entweder überhaupt nicht erreicht oder jedenfalls nicht übersteigt, so daß beispielsweise eine Absicherung des Stromverbrauchers auf seinen echten Nennstrom voll effektiv ist und weil zum anderen beim Einschalten des Stromverbrauchers unter Vollast der Einschaltstrom in der ersten stromführenden Halbwelle zwar unter den Nennstrom absinkt, aber immer noch ausreichend für eine derartige elektrische Erregung des Stromverbrauchers ist, daß sich in den nachfolgenden stromführenden Halbwellen kein schädlicher »inrush«-Effekt mehr einstellt.

Diese im vorhergehenden geschilderte Maßnahme zur Eliminierung bzw. Dämpfung des »inrush«-Effektes unter Verwendung von nur einem einzigen Strombegrenzungswiderstand mit zugehörigem Überbrückungsschalter ist in der Praxis in zahlreichen Fällen ausreichend und durchaus befriedigend, insbesondere nachdem durch oszillografische Beobachtungen nachweislich bekannt ist. daß ein »echter«, d. h. ein mit den bereits geschilderten Nachteilen behafteter »inrush«- Effekt sich bei einer überwiegenden Mehrzahl von Stromverbrauchern nur in der ersten stromführenden Halbwelle einstellt, während in den darauf folgenden stromführenden Halbwellen der Laststrom nur noch unwesentlich über dem Nennstrom unter Vollast liegt und innerhalb weniger Perioden der Frequenz der Speisespannung nach einer e-Funktion auf den tatsächlichen Nennstrom abklingt.

Den vorerwähnten Erkenntnissen folgend, ist es mithin für die Praxis in vielen Fällen ausreichend, wenn das im zweiten Strompfad, d. h. in dem erst in einer Halbwelle der Speisespannung mit entgegengesetzter Polarität anschließend an die erste stromführende Halbwelle effektiv werdenden Strompfad vorhandene elektrische Ventil elektrisch überbrückt oder durch einen elektrischen Leiter ersetzt ist und der in diesem /weiten Strompfad vorhandene mechanische Lastkreisschalter mittels einer beispielsweise mit dem Steuerstromkreis der Schaltvorrichtung elektrisch verknüpften Schaltungslogik sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten erst dann geschlossen bzw. geöffnet wird, wenn sich das ungesteuerte elektrische Ventil des ersten Strompfades im Durchlaßzustand befindet.

Es gibt jedoch auch Stromverbraucher, bei denen sich der Nennstrom erst nach einer gewissen Zeit einstellt. Solche Stromverbraucher sind beispielsweise Glühlampen mit Metallfaden, deren elektrischer Widerstand in hohem Maße von der Heiztemperatur abhängig ist (positiver Temperaturkoeffizient), so daß eine gewisse Aufheizzeit verstreicht, bis dei Maximalwert, d. h. der Nennstrom erreicht ist. Insbesondere zählen zur genannten Art von Stromverbrauchern auch alle Elektromotoren, weil auch hier eine im Gegensatz beispielsweise zu Transformatoren. Drosseln, Magneten etc, spürbar längere Zeit vergeht, bis der Elektromotor insbesondere bei Belastung seine Nenndrehzahl und damit unter Lieferung der maximalen Gegen-EMK seine optimale, dem Laststrom entsprechend begrenzende Induktivität erreicht. Für derartige Stromverbraucher ist es daher zweckdienlich, wenn in jedem der beiden Strompfade je ein Strombegrenzungswiderstand und je ein seiner Überbrückung dienender elektrischer Schalter eingefügt ist, wobei die beiden Strombegrenzungswiderstände durch die ihnen zugehörigen elektrischen Schalter jeweils nur dann überbrückbar sind, wenn sich das in dem betreffenden Strompfad befindliche elektrische Ventil im Sperrzustand befindet.

Eine optimale Eliminierung oder gewünschte Dämpfung des »inrush«-Effektes für Stromverbraucr.er der zuletzt genannten Art mit längere Zeit anhaltendem höheren Einschalt- bzw. Anlaufstrom läßt sich erreichen, wenn den der Überbrückung der Strombegrenzungswiderstände dienenden elektrischen Schaltern elektrische Schaltmittel von an sich bekannter Art zugeordnet sind, mit deren Hilfe die Betätigung dieser elektrischen Schalter erst nach Ablauf einer wählbaren Zeit erfolgt wobei die effektive Schließung bzw. Öffnung dieser Schalter in bereits beschriebener Weise nur während einer Zeitspanne durchgeführt wird, in der sich das in dem betreffenden Strompfad befindliche ungesteuerte elektrische Ventil im Sperrzustand befindet. Auf diese Weise können die Strombegrenzungswiderstände wählbar so lange wirksam gehalten werden, bis der Laststrom auf seinen Nennwert abgeklungen ist Dabei können die vorgenannten Schaltmittel zur Verzögerung der effektiven Betätigung

der die Begrenzungswiderstände überbrückenden elektrischen Schalter in unterschiedlicher, an sich bekannter Art ausgebildet sein und wirken, beispielsweise als an sich bekannte Zeitglieder in Verbindung mit Entkopplungselementen, als Logikschaltungen etc.

Wird die Schaltvorrichtung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung so ausgebildet, daß die beiden die Last!■ < »isschalter, die Gleichrichterventile, die Begrenzungswiderstände und deren Überbrückungsschalter enthaltenden Stromzweige in dem Zeitraum zwischen dem Schließen der Überbrückiingsschalt.r beim Einschalten des Verbrauchers und dem öffnen dieser Schalter beim Abschalten des Verbrauchers durch ebenfalls von der Steuereinrichtung betätigte Schaltmittel überbrückt sind, so bringt dies den bedeutsamen Vorteil, daß die ungesteuerten elektrischen Ventile, die mechanischen l.astkreisschalter.die Begrenzungswiderstände und deren Überbrückungsschalter relativ klein

IO oszillografischen Wiedergabe gemäß F i g. 1 deutlich die praktisch um 90° nacheilende Phasenverschiebung zwischen Speisespannung und Laststrom erkennbar.

In der F i g. 2 ist wiederum die etwa rein sinusförmige Speisespannung einer nicht gezeigten Stromquelle als Kurve 5 dargestellt, welche Speisespannung mit Erreichen der Amplitude 6 ihrer positiven ersten stromführenden Halbwelle mittels eines elektrischen Schalters herkömmlicher Bauart auf einen nicht oder nur geringfügig geladenen Kondensator geschaltet wird. Der dabei über den Kondensator fließende Strom ist als Kurve 7 gezeigt, wobei der »inrush«-Effekt in dieser ersten stromführenden Halbwelle als steile Stromspitze deutlich erkennbar ist. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist. wird bei diesem Einschaltvorgang an einem ungeladenen Kondensator bereits in der darauffolgenden zweiten stromführenden Halbwelle der Speisespannung praktisch schon der Nennstrom

können, weil sie durch die genannte Überbrückung beispielsweise in Form billiger handelsüblicher Schutzkontakte nur über eine geringe Anzahl von stromführenden Halbwellen der Speisespannung hinweg mit dem Laststrom belastet und anschließend bis auf ein dem Widerstandsverhältnis der beiden Stromzweige einerseits bzw. dem die Überbrückung enthallenden Stromzweig andererseits entsprechendes Minimum entlastet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt im einzelnen

F i _c. 1 die oszillografische Aufnahme der Spannungsund Stromkurve beim Einschalten einer Induktivität mit Eisenkern,

F i g. 2 die oszillografische Aufnahme der Spannungsund Stromkurve beim Einschalten eines ungeladenen Kondensators,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig.4 das Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In der Fig. I stellt die mit 1 bezeichnete Kurve den etwa sinusförmigen Verlauf der Speisespannung einer nicht gezeichneten Stromquelle und die mit 2 bezeichnete Kurve den Stromverlauf beim Einschalten einer Induktivität mit Eisenkern (Transformator. Drossel) dar, und zwar beim Einschalten mit einem der bisher bekannten Schalter mechanischer Bauart (Schallschutz etc.). Hierbei ist aus dem Oszillogramm deutlich der mit 3 bezeichnete »hrush«-Effekt (Stoßstrom-Effekt) erkennbar, d. h. eine gegenüber dem Nennstrom 4 im eingeschwungenen Zustand etwa um den Faktor 7—8 überhöhte Stromspitze in der ersten stromführenden Halbwelle, mit welcher die induktive Last beaufschlagt wird. Von dieser ersten, mit dem »inrush«-Strom behafteten stromführenden Halbwelle ab klingt der die Induktivität durchfließende Laststrom nach einer e-Funktion ab und erreicht nach relativ wenigen Perioden der Speisespannung seinen Nennstromwert 4. Der nicht sinusförmige Verlauf der Stromkurve 2 ist durch das nicht lineare, von der Hysteresekurve des Eisenkerns her vorbestimmte Verhalten der induktiven Last im Leerlauf bestimmt und würde (vorausgesetzt daß die der Induktivität zugeführte Feldstärke den annähernd linearen Bereich der Hysteresekurve nicht verläßt) analog der Reinheit der Sinusform der Speisespannung 1 etwa sinusförmig sein, wenn die induktive Last nicht im Leerlauf, sondern unter Belastung eingeschaltet würde. Ferner ist aus der stromführende Halbwelle bereits aufgeladen ist und dadurch einen entsprechend hohen Scheinwiderstand besitzt.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in optimaler Dimensionierung, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen nur die funktionell wichtigen elektrischen Bauelemente dargestellt sind. Von diesen sind mit E 1 und Ξ2 zwei Eingangsklemmen bezeichnet, an denen die sinusförmige Wechselspannung einer nicht dargestellten Stromquelle anliegt. Mit A 1 und A 2 sind zwei Ausgangsklemmen bezeichnet, an denen ein Stromverbraucher L angeschaltet ist. Die mit I bzw. Il bezeichneten Lastdreisschalter und die mit a bzw. b bezeichneten Überbrückungsschalter sind Kontakte von elektromagnetischen Relais, welche Teil einer symbolisch angedeuteten Steuerlogik SL sind und von dieser in Relation zur Polarität und zum jeweiligen Augenblickswert der Halbwellen der Speisespannung zeitsynchron geschlossen bzw. geöffnet werden. Die Bauelemente V\ und V2 sind ungesteuerte elektrische Ventile (beispielsweise Dioden), welche entgegengesetzt gepolt angeordnet sind. Mit BW \ und BW2 sind zwei Strombegrenzungswiderstände bezeichnet, welche in Serie mit den vorgenannten Lastkreisschaltern I bzw. II und Ventilen Vl b/w. V2 liegen und von den Überbrückungsschaltern a bzw. b — ebenfalls zeitsynchron von der Steuerlogik SL gesteuert — überbrückbar sind.

Die zeitsynchrone Steuerung der genannten elektrischen Schalter durch die Steuerlogik SL ist durch strichliert eingezeichnete Verbindungslinien angedeutet. Mit Z ist ein Zeitglied bezeichnet, welches Teil der Steuerlogik SL oder auch ein separates Bauelement sein kann und bezüglich seiner Funktionszeit in Zusammenarbeit mit den Überbrückungsschaltern a und b vorzugsweise wählbar variabel einstellbar ist Dieses Zeitglied Z ist allerdings nicht zwingend notwendig und deshalb nur strichliert eingezeichnet. Schließlich ist mit C/ein weiterer elektrischer Schalter bezeichnet weicher die Lastkreisschalter I und II, die Überbrückungsschalter a und b, die Strombegrenzungswiderstände BWi und BW2 sowie die beiden ungesteuerten elektrischen Ventile Vi und V2 galvanisch überbrückt, wobei der Zeitpunkt dieser Überbrückung bzw. öffnung der Überbrückung wiederum durch die Steuerlogik Si. kontrolliert wird, was ebenfalls durch strichlierte Verbindungslinien zwischen Ü und SL angedeutet ist Die in Fig.3 gezeigte Schaltungsanordnung setzt voraus, daß entweder eine Speisespannung mit beruh-

rungssicher niedriger Amplitude oder — wie dies in der industriellen Praxis bevorzugt der Fall ist — ein geerdetes öffentliches Stromnetz beispielsweise mit 110/220 Volt-40/60 Hz benützt wird, wobei der von £2 über A 2 direkt an den Stromverbraucher L geschaltete eine Pol der Speisespannung den potentialfreien Nulleiter biluet, d. h. also bei Betrieb an einem vorgenannten Netz an £1 eine Phase und an £2 der Mittelpunkt Mpdieses Stromversorungsnetzes angelegt ist.

Die Funktion der in der F i g. 3 gezeigten Schaltungsanordnung ist folgende:

Wird der nicht dargestellte Startschalter geschlossen, so sorgt die Steuerlogik SL dafür, daß zuerst und nur unter der Voraussetzung, daß sich die beiden Lastkreisschalter I und Il in der gezeichneten Schaltlage befinden und die Speisespannung mit + an El anliegt, der Lastkreisschalter I geschlossen wird, wobei dies absolut funkenfrei erfolgt, weil infolge des Sperrzustandes des ungesteuerten elektrischen Ventils Vl kein Strom über den Verbraucher L fließen kann. Dabei sorgt die Steuerlogik SL außerdem dafür, daß der Lastkreisschalter I unter Beachtung eines je nach dem Charakter des Stromverbrauchers L gegebenenfalls auftretenden Phasenverschiebungswinkels zwischen Speisespannung und Laststrom und zusätzlich unter Beachtung eines ausreichenden Sicherheitsfaktors bezüglich der Zeitverzögerung der elektromagnetischen Erregung der den Lastkreisschalter I betätigenden Schaltmittel geschlossen ist, bevor die Polarität der Speisespannung wechselt. Anschließend folgt der Wechsel der Polarität der Speisespannung, wobei in dieser Halbwelle + nunmehr an der Klemme E2 liegt und ab dem Nulldurchgang der Speisespannung der Stromfluß über den Verbraucher L beginnt, weil sich jetzt das Ventil Kl im Durchlaßzustand befindet und der Lastkreisschalter I bereits geschlossen ist. Hierbei wird das Auftreten eines »inrush«-Stromes verhindert, weil der Strombegrenzungswiderstand BW\ je nach Bemessung seines elektrischen Widerstandswertes den Laststrom auf ein gewünschtes Maß reduziert. Innerhalb dieser zuletzt genannten Halbwelle der Speisespannung, d. h. also, wenn + an £2 liegt, wird von der Steuerlogik SL beeinflußt zeitsynchron der Lastkreisschalter Il geschlossen, was wiederum absolut ohne Kontaktfeuer erfolgt, weil in dem hier infrage kommenden Strompfad II, BWl, Vl das ungesteuerte elektrische Ventil V2 sperrend wirkt. Nachdem nunmehr beide Lastkreisschalter I und II funkenfrei geschlossen sind, kann der Laststrom über den Stromverbraucher L in beiden Richtungen ungehindert fließen. Damit dabei der Stromverbraucher nicht mehr über die Strombegren zungswiderstände SVVl und BW2, sondern verlustfrei direkt an die Speisespannung angeschaltet ist, werden die Überbrückungsschalter a und b unter galvanischer Überbrückung der Begrenzungswiderstände BWi und BWi geschlossen, allerdings von der Steuerlogik SL zeitsynchron derart kontrolliert daß sie absolut funkenfrei jeweils nur dann geschlossen werden, wenn sich das in dem betreffenden Stromzweig in Serie mit ihnen befindliche Ventil Vi bzw. Vl im Sperrzustand befindet Damit ist letztlich der Stromverbraucher L galvanisch direkt mit der Speisespannung verbunden und wird demzufolge mit seiner vollen Nennleistung betrieben.

Damit die Bauelemente!, H BWi, BWl, a, b, Vi und Vl sowohl aus thermischen als insbesondere auch aus ökonomischen Gründen günstig dimensioniert werden können und nur während einer kurzen Zeitspanne beim Einschalten cHs Stromverbrauchers die volle Nennleistung führen müssen, können sie mittels eines weiteren Schalters ^/galvanisch überbrückt und damit weitestgehend vom Laststrom entlastet werden. Selbstverständlich erfolgt auch hier die Beeinflussung des Schalters Ü mittels der Steuerlogik SL, so daß eine Überbrückung nur erfolgen kann, wenn der Laststrom bereits in geschilderter Weise ohne Kontaktfeuer durchgeschaltet

ίο ist. Selbstverständlich erfolgt auch die Überbrückung durch den Schalter Ü ebenfalls funkenfrei, und zwar deswegen, weil der Laststrom lediglich von den Strompfaden I, 0VV1, a und Kl bzw. II, BW2, bund K2 auf den Schalter Ü ohne die Voraussetzungen für eine

Lichtbogenbildung kommutiert. Auch die Öffnung der Überbrückung am Schalter Ü erfolgt ohne Kontal.tfeuer, weil hierbei in umgekehrter Reihenfolge der Laststrom von Ü wieder auf die vorgenannten Strompfade übergeht.

Beim Ausschalten des Laststromes in der Anordnung nach Fig. 3 wird durch ein Stopfsignal über die Steuerlogik 5/. zuerst die Überbrückung Ü aufgehoben, anschließend unter dem Einfluß der Steuerlogik SL zuerst und nur, wenn + an £2 anliegt, der Lastkreisschalter II, dann der Lastkreisschalter I und dann die Überbrückungsschalter a und b geöffnet, was jeweils absolut ohne Kontaktfeuer erfolgt, weil die Öffnung dieser Schalter wiederum unter Beachtung der Polarität vor Speisespannung und Laststrom und unter Einbeziehung eines je nach dem Charakter des Stromverbrauches etwaigen Phasenverschiebungswinkels jeweils nur dann erfolgt, wenn sich das in dem betreffenden Stromzweig vorhandene elektrische Ventil Kl bzw. K2 im Sperrzustand befindet.

Es ist nicht zwingend notwendig, zwei Begrenzungswiderstände anzuordnen, sondern es kann für die Praxis durchaus befriedigend sein, wenn nur im ersten stromführenden Pfad, d. h. im Stromzweig £1, I. 0W1, a, Kl ein Strombegrenzungswiderstand vorgesehen ist, weil beispielsweise beim Einschalten eines Kondensators gemäß Oszillogramm nach F i g. 2 nur in der ersten stromführenden Halbwelle der Speisespannung ein etwaiger »inrushw-Effekt verhindert werden muß, während in den nachfolgenden Halbwellen der Strom bereits auf den Nennstromwert abgeklungen ist und weil sogar bei Stromverbrauchern solcher Art, daß erst nach mehreren Perioden der Frequenz der Speisespannung der Nennstromwert des Verbrauchers erreicht wird, eine für die Praxis ausreichende Dämpfung des

so »inrush«-Effektes zustande kommt, wenn lediglich in der ersten den Stromverbraucher durchflutenden Halbwelle der Speisespannung der Einschaltstrom entsprechend begrenzt wird. Da jedoch bei bestimmten Sromverbrauchern, wie beispielsweise bei Elektromotoren der Nennstrom in Abhängigkeit von der sich mit steigender Tourenzahl entwickelnden Gegen-EMK erst nach einer längeren und je nach Belastung außerdem variablen Zeitspanne erreicht wird, kann für das zuietzt erwähnte Ausführungsbeispiel mit nur einem einzigen Strombegrenzungswiderstand ein Zeitglied Z vorgesehen sein, mit dessen Hilfe die Überbrückungsschalter a und b erst nach einer bestimmten, gegebenenfalls wählbaren Zeitverzögerung geschlossen werden.

Bei dem in F i g. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind gleichartig funktionierende Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen, wie die entsprechender·. Bauelemente der Anordnung nach F i g. 3. Die Funktion dieser Anordnung entspricht weitestgehend derjenigen

der Anordnung nach F i g. 3. Grundsätzlich unterschiedlich ist lediglich, daß nur ein einziges ungesteuertes elektrisches Ventil V und ein einziger Strombegrenzungswiderstand B Wvorhanden sind, jedoch das bei der Anordnung gemäß Fig. 3 nur alternativ und im Bedarfsfalle vorgesehene Zeitglied Z hier zwingend erforderlich ist, damit der Lastkreisschalter Il ohne Überbrückung des Spannungsabfalles am Strombegrenzungswiderstand BW funkenfrei schließen bzw. öffnen

kann und daß ein mit der Steuerlogik SL oder jedenfalls mit der Stari-Stoptaste bzw. mit dem Start-Stopschalter elektrisch verknüpfter zusätzlicher Schalter 5 beispielsweise ein handelsübliches Schaltschütz etc.) vorgesehen ist, weil hier an fl und £2 eine Wechselspannung mit zwei stromführenden Polen (Phase/Phase^, beispielsweise aus einem öffentlichen Drehstromnetz 380 V, anliegensoll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche;

   1, Schaltvorrichtung ίη Hybrid-Teebnik zum lastfreien Schalten von mit Wechselspannung gespeisten Stromverbrauchern mit beliebigem Pnasenverscbiebungswinkel, bei der in zwei parallelen Stromzweigen je ein elektrisches Gleichrichterventil mit je einem mechanischen Lastkreisschalter in Reihe geschaltet ist und diese beiden Reihenschaltungen zueinander parallel in den Laststromkreis zur Speisung des Stromverbrauchers eingeführt sind, wobei die Gleichrichterventile zueinander entgegengesetzte Polung aufweisen, und bei der weiterhin Steuereinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die beiden Lastkreisschalter derart beiätigt werden, daß sowohl der Einschaltvorgang als auch der Ausschaltvorgang jedes der Lastkreisschalter nur zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem das mit ihm in Reihe geschaltete Gleichrichterventil sich im Sperrzustand befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zuB.kidest in derjenigen der beiden Reihenschaltungen eines elektrischen Gleichrichterventils (V) mit einem Lastkreisschalter (I), weiche beim Einschalten des Laststromkreises auf Grund eines Befehles der Steuereinrichtung (SL) als erste stromführend wird (Fig.4), ein mittels eines elektrischen Schalters (a) überbrückbarer Einschaltstoßstrom-Begrenzungswiderstand (B W) eingefügt ist und daß der Überbrückungsschalter (a) — bzw. bei Anordnung von Strombegrenzungswiderständen (BWi, BW2) in beiden Stromzweigen (Fig.3) die Überbrückungsschalter (a, b) — jeweils nur dann geschlossen bzw. geöffnet wird/werden, wenn der betreffende Stromzweig auf Grund der Sperrwirkung des darin befindlichen Gleichrichterventils stromlos ist.
2. 2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden die Lastkreisschalter (I, II), die Gleichrichterventile CVl, V 2), die Begrenzungswiderstände (BWi, BW2) und deren Überbrückungsschalter (a, b) enthaltenden Stromzweige in dem Zeitraum zwischen dem Schließen der Überbrückungsschalter (a, b) beim Einschalten des Verbrauchers (L) und dem Öffnen dieser Schalter beim Abschalten des Verbrauchers (L) durch ebenfalls von der Steuereinrichtung (SL) betätigte Schaltmittel ^überbrückt sind (F i g. 3).

   Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung in Hybrid-Technik zum lastfreien Schalten von mit Wechselspannung gespeisten Stromverbrauchern mit beliebigem Phasenverschiebungswinkel, bei der in zwei parallelen Stromzweigen je ein elektrisches Gleichrichterventil mit je einem mechanischen Lastkreisschalter in Reihe geschaltet ist und diese beiden Reihenschaltungen zueinander parallel in den Laststromkreis zur Speisung des Stromverbrauchers eingeführt sind, wobei die Gleichrichterventile zueinander entgegengesetzte Polung aufweisen, und bei der weiterhin Steuereinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die beiden Lastdreisschalter derart betätigt werden, daß sowohl der Einschaltvorgang als auch der Ausschaltvorgang jedes der Lastkreisschalter nur zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem das mit ihm in Reihe geschaltete Gleichrichterventil sich im Sperrzustand befindet.

   Eine Schaltvorrichtung der vorgenannten Art ist Gegenstand der DE-AS 2240435, Sie ermöglicht das absolut funkenfreie Ein- und Ausschalten von mit Wechselspannung gespeisten Stromverbrauchern mit

   relativ hoher Schaltleistung im Bereich von 1 bis 10 000 A bei einer Betriebsspannung bis zu 500 V — 40 bis 63 Hz und mit einem beliebigen Phasenverschiebungswinkel Q±90°, d.h. von Stromverbrauchern mit ohmschem, induktivem oder kapazitivem Charakter.

   ίο Damit sind bei dieser Schaltvorrichtung aka Vorteile gewährleistet, die sich aus der Beseitigung des sogenannten Kontaktfeuers ergeben. Insbesondere wird eine erheblich gesteigerte Lebensdauer der Schaltkontakte und eine enorme Steigerung der Schaltspielzahl pro Zeiteinheit erreicht Ferner zeichnet sich die bekannte Schaltvorrichtung durch schalttechnische Kombinierung von mechanischen Lastkreisschaltern mit ungesteuerten Halbleitern gegenüber anderen bekannten Schaltvorrichtungen mit rein elektronischen Schaltmitteln unter Verwendung von gesteuerten Halbleitern (Thyristor, Triac etc.) durch wesentlich höhere Schaltleistungen aus, wobei über die mechanischen Lastkreisschalter eine bei steuerbaren Halbleitern nicht gegebene, aber fast ausnahmslos von allen Sicherheitsvorschriften geforderte echte galvanische Trennung zwischen dem speisenden Netz und dem Stromverbraucher gesichert ist. Schließlich gewährleisten die mechanischen Lastkreisschalter eine praktisch vernachlässigbar kleine Verbrauchleistung sowie ein praktisch etwa im Idealverhältnis 0: oo liegendes verlustarmes Durchschalten des Laststromkreises.

   Nicht gelöst ist auch bei der aus der DE-AS 22 40 435 bekannten Schaltvorrichtung das Problem des sogenannten »inrushw-Effektes (Stroßstrom-Effektes). Hierbei handelt es sich um das beim Einschalten von nahezu allen Stromverbrauchern vorhandene Auftreten von relativ hohen Stromspitzen, welche sich insbesondere bei Stromverbrauchern mit induktivem Charakter (Elektromotoren, Transformatoren, Elektromagnete etc.) oder kapazitivem Charkter (Kondesatoren) schädlich oder zumindest störend bemerkbar machen und weiche sogar bei rein ohmsclien, aber mit positivem Temperaturkoeffizienten behafteten Stromverbrauchern (Glühlampen mit Metallfaden etc.) auftreten und dort bekanntlich einen Maximalwert bis zum 20-fachen des Nennstromes im eingeschwungenen Zustand des Stromverbrauchers erreichen.

   Eine der nachteiligen Wirkungen des »inrushw-Effektes darin zu sehen, daß die Schalthäufigkeit, d. h. die maximal mögliche Zahl von Schaltspielen pro Zeiteinheit relativ niedrig gehalten werden muß, weil der in Relation zum Nennstrom des Stromverbrauchers stark überhöhte »inrush«-Strom einerseits die ungesteuerten elektrischen Ventile periodisch stark belastet, so daß diese entweder bei preislich günstiger Dimensionierung auf den Dauer-Nennstrom einer gewissen Regenerationszeit bedürfen oder bei größerer Bemessung unter Berücksichtigung des »inrushw-Stromes entsprechend teurer und außerdem voluminöser werden und weil andererseits die mit den ungesteuerten elektrischen Ventilen zusammenarbeitenden mechanischen Lastkreisschalter thermisch sehr stark beansprucht werden, so daß zwischen den aufeinanderfolgenden Schaltungen zwangsläufig eine gewisse Abkühlzeit erforderlich ist.

   Eine Abhilfe durch Verwendung entsprechend leistungsfähiger Lastkreisschalter ist nicht möglich, weil mit zunehmender Masse und ansteigendem Kontaktdruck zwangsläufig auch die Trägheit der zu bewegen-