DE2536638C3 - Schaltvorrichtung zur Eliminierung oder zumindest Dämpfung des "inrush"-Effektes (Stoßstrom-Effektes) - Google Patents

Description

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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 f>o 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 22 40 435. 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 60 Hz und mit einem beliebigen Phasenverschiebungswinkel 0±90°, d.h. von Stromverbrauch-ern mit ohmschem, induktivem oder kapazitivem Charakter. Damit sind bei dieser Schaltvorrichtung alle 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: oc liegendes verlustarmes Durchschalten des Laststromkreises.

Nicht gelöst ist auch bei der aus der DE-AS 22 40 435 bekannten Schaltvorrichtung das Problem des sogenannten »inrush«-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 Charakter (Kondesatoren) schädlich oder zumindest störend bemerkbar machen und welche sogar bei rein ohmschen, 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 »inrush«-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 Slromverbrauchers 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 »inrushft-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 Trägheil der zu bewegen-

den Massen steigt und weil diese mechanischen Lastkreisschalter, insbesondere bei industrieller Verwendung von Schaltvorrichiungen der hier inirage 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.

Unter Berücksichtigung des »inrushw-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 _>o daß sie Sicherung auslöst Dies bedeutet in der Prcxis, daß der Stromverbraucher nicht auf seinen »echten« Stromwert abgesichert ist und bei langer 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 jo Schaltmitteln, welche einige Perioden der speisenden Netzfrequenz nach dem Einschalten des Stromverbrauchers die wegen des »inrush«-Effektes überhöht ausgelegte Sicherung überbrücken und den Stromverbraucher mit Nennstromabsicherung an das speisende r, 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 bzw. im Einschaltmoment und einem Endwert im eingefahrenen Zustand variiert, wie dies besonders ausgeprägt bei Elektromotoren der Fall ist, deren cos ψ im Zusammenhang mit der vom Motor erst mit steigender Tourenzahl entwickelter* Gegen-EMK von v, ca. 0,35 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 w Aufwand in der bisherigen Art verursacht selbstverständlich entsprechende Kosten und erfordert außerdem ausreichendes Bauvolumen, was insbesondere in modernen Schahanlagen in- und außerhalb von Maschinenaggregaten od. dgl. mit der zunehmend γ, angestrebten Miniaturisierung von elektrischen Schalteinrichtungen in Widerspruch steht und hinderlich ist.

Auch steht der »inrushw-Effekt selbst dann, wenn die Schaltvorrichtung an sich eine höhere Schalthäufigkeit erlauben würde, einer Steigerung der Schaltfolge des mi 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 »inrushw-Effekt führt t>^r) nämlich auch zu einer thermischen Überlastung des Stromverbrauchers selbst, so daß dieser entweder nur eine beschränkte Schalthäufigkeit mit dazwischenliegenden Abkühlzeiten erlaubt oder andernfalls überdimensioniert werden muß und damit erheblich teuerer und größer wird.

Es ist auch anzuführen, daß der »inrush«-Effekt wegen des stark überhöhten Einschaltstromstoßes zu einer ruckartigen elektromagnetischen bzw. mechanischen Belastung des Stromverbrauchers führt und daß hiervon ausgelöst beispielsweise die mechanischen Führungen und Lager eines Stromverbraucheis 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 »inrush«-Effekt mehr oder weniger spürbare stoßweis-. Belastungen des speisenden Netzes, was insbesondere an öffentlichen Stromversorgungsnetzen infolge Spannungseinbruch zu störenden Einflüssen auf andere mit diesem Netz elektrisch verbundene Stromverbraucher mit spannungss^nsiblem 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 de^r. Stiombegrenzungswiderstandes muß die an ihm bei üblicher 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 Hort ist jedoch das angestrebte Ziel einer Eliminierung oder zumindest Dämpfung des »inrushw-Effektes nur äußerst unbefriedigend gelöst, weil auch bei dieser Anordnung letztlich die mechanischen Lastkreisschalter 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 Lichtbogenbildung 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, daB eine zeitgerecht vollautomatische und funkenfreie Eliminierung oder zumindest Dämpfung des »inrush«-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 Laststromkreises auf Grund eines Befehles der Steuereinrichtung als erste stromführend wird, ein mittels eines elektrischen Schalters überbrückbarer Einschaltstoßstrom-Begrenzungswiderstand eingefügt ist und daß der Überbrückungsschalter — bzw. bei Anordnung von Strombegrenzungswiderständen in beiden Stromzwcieen die Überbrückungsschalter — ieweils nur dann geschlossen bzw. geöffnet wird/werden, wenn der betreffende Stromzweig auf 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 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 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 des iNcimMromes. u. n. ües Siromwenes des Stromverbrauchers 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 Einschaltstrom 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 der bereits geschilderten Nachteilen behafteter »inrush« Effekt sich bei einer überwiegenden Mehrzahl vor Stromverbrauchern nur in der ersten stromführender Halbwelle einstellt, während in den darauf folgender stromführenden Halbwellen der Laststrom nur nocr unwesentlich über dem Nennstrom unter Vollast lieg und innerhalb weniger Perioden der Frequenz dei Speisespannung nach einer e-Funktion auf den tatsächli

i" ehen Nennstrom abklingt.

Den vorerwähnten Erkenntnissen folgend, ist c mithin für die Praxis in vielen Fällen ausreichend, wenr das im /weiten Strompfad. d. h. in dem erst in einei Halbwelle der Speisespannung mit entgegengesctztei

π Polarität anschließend an die erste stromführende Halbwelle effektiv werdenden Strompfad vorhandeni elektrische Ventil elektrisch überbrückt oder durer einen elektrischen Leiter ersetzt ist und der in diesen zweiten Strompfad vorhandene mechanische Lastkreis

2(i schalter mittels einer beispielsweise mit dem Steuer Stromkreis der Schaltvorrichtung elektrisch verknüpf ten Schaltungslogik sowohl beim Einschalten als aucl beim Ausschalten erst dann geschlossen bzw. geöffne wird, wenn sich das iingestcuerte elektrische Ventil de

:■■> ersten Strompfades im Durchlaßzustand befindet.

Es gibt jedoch auch Stromverbraucher. bei denen siel der Ncnristrom erst nach einer gewissen Zeit einstellt Solche Stromverbraucher sind beispielsweise Glühlam pen mit Metallfaden, deren elektrischer Widerstand ii

jo hohem Maße von der Heiztemneratur abhängig is (positiver Temperaturkoeffizient), so daß eine gcwissi Aufheizzeit verstreicht, bis der Maximalwert, d. h. de Nennstrom erreicht ist. Insbesondere zählen zu genannten Art von Stromverbrauchern auch aiii

i'i Elektromotoren, weil auch hier eine im Gegensat, beispielsweise zu Transformatoren. Drosseln. Magnetei etc, spürbar längere Zeit vergeht, bis der Elektromoto insbesondere bei Belastung seine Nenndrehzahl unc damit unter Lieferung der maximalen Gegen-EMK seine optimale, dem Laststrom entsprechend begren

braucher ist es daher zweckdienlich, wenn in jedem de beiden Strompfade je ein Strombegrenzungswiderstam und je ein seiner Überbrückung dienender elektrische

•ίϊ Schalter eingefügt ist. wobei die beiden Strombegren zungswiderstände durch die ihnen zugehörigen elektri sehen Schalter jeweils nur dann überbrückbar sind wenn sich das in dem betreffenden Strompfai befindliche elektrische Ventil im Sperrzustand befindet.

w Eine optimale Eliminierung oder gewünschte Dämp fung des »inrush«-Effektes für Stromverbraucher de zuletzt genannten Art mit längere Zeit anhaltenden höheren Einschalt- bzw. Anlaufstrom läßt sich errei chen, wenn den der Überbrückung der Strombegren zungswiderstände dienenden elektrischen Schalten elektrische Schaltmittel von an sich bekannter Ar zugeordnet sind, mit deren Hilfe die Betätigung diese elektrischen Schalter erst nach Abiauf einer wählbare! Zeit erfolgt, wobei die effektive Schließung bzw

Öffnung dieser Schalter in bereits beschriebener Weisi nur während einer Zeitspanne durchgeführt wird, in de sich das in dem betreffenden Strompfad befindlichi ungesteuerte elektrische Ventil im Sperrzustand befin det. Auf diese Weise können die Strombegrenzungs widerstände wählbar so lange wirksam gehaltei werden, bis der Laststrom auf seinen Nennwer abgeklungen ist. Dabei können die vorgenannte! Schaltmittel zur Verzögerung der effektiven Betätigunj

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

Wird die Schaltvorrichtung gemäß einer Weiterbildung <'°r Erfindung so ausgebildet, daß die beiden die Lastkrenschalter, die Gleichrichterventile, die Begrenzungswiderständc und deren Überbrückungsschalter enthaltenden Stromzweige in dem Zeitraum zwischen in dem Schließen der Überbrückungsschalter beim Umschulten des Verbrauchers und dem Öffnen dieser Schalter beim Abschalten des Verbrauchers durch ebenfalls von dor Steuereinrichtung betätigte SchaltmilteI überbrückt sind, so bringt dies den bedeutsamen ii Vorteil, daß die ungestciierten elektrischen Ventile, die mechanischen l.asikreisschaller. die Hcgrcn/ungswidcrstände und deren I Ibcrbrückungsschaltcr relativ klein und damit billig und platzsparend bemessen werden können, weil sie durch (lic genannte Überbrückung .?<) beispielsweise in Form billiger handelsüblicher Schutzkontakte nur über eine geringe Anzahl von stromführender; I lalbu eilen der Speisespannung hinweg mit dem Laststrom belastet und anschließend bis auf ein dem Wiilerstandsverhalinis der beiden Siromzwcige einer- :■> scils bzw. dem die Überbrückung einhaltenden Siromzwcig andererseits entsprechendes Minimum entlastet werden.

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

F ι g. 1 die oszilliigrafische Aufnahme der .Spannungsund Siromkurve beim umschalten einer Induktivität mit Eisenkern.

I" i g. 2 die os/illografischc Aufnahme der Spannungs- und Siromkurve beim Einschalten eines ungeladenen r> Kondensators.

F'i g. J das Prinzipschallbild eines Ausführungsbeispiels der F.rfindung.

F i g. 4 das Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. tu

In der Fig. 1 stellt die mit 1 bezeichnete Kurve den oszillografischcn Wiedergabe gemäß Fig. I 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 Halbwclle als steile Stromspitze deutlich erkennbar ist. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, wird bei diesem Einschallvorgang an einem ungeladenen Kondensator bereits in der darauffolgenden zweiten stromführenden Halbwelle der Speisespannung praktisch schon der Nennstrom erreicht, weil der Kondensator durch die erste stromführende Halbwelle bereits aufgeladen ist und dadurch einen entsprechend hohen Scheinwiderstand besitzt.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der F.rfindung in optimaler Dimensionierung, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen nur die funktionell wichtigen elektrischen Bauelemente dargestellt sind. Von diesen sind mit /:' I und Γ2 zwei Fingangsklemmen 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 /. angeschaltet ist. Die mit I bzw. Il bezeichneten l.astdreisschalter und die mit :i bzw. b bezeichneten Überbrückungsschalter sind Kontakte von elektromagnetischen Relais, welche Teil einer symbolisch angedeuteten Stcuerlogik SL sind und von dieser in Relation zur Polarität und zum jeweiligen Augenblickswert der Halbweilen der Speisespannung zeitsynchron geschlossen bzw. geöffnet werden. Die Bauelemente Vl und V 2 sind ungesteuerte elektrische Ventile (beispielsweise Dioden), welche entgegengesetzt gepolt angeordnet sind. Mit SlVI und BW2 sind

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 (Schaltschütz etc.). Hierbei ist aus dem Oszillogramm deutlich der mit 3 bezeichnete »inrush«-Effekt (Stoßstrom-FJfekt) erkennbar, d. h. eine gegenüber dem Nennstrom 4 im eingeschwungenen Zustand etwa um den Faktor 7—8 überhöhte Stromspitze in der ersten stromführenden Halbwelie. mit welcher die induktive Last beaufschlagt wird. Von dieser ersten, mit dem »inrush«-Strom behafteten stromführenden Halbwelle ab klingt der die Induktivität durchfließende Lastsirom 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 in Serie mit den vorgenannten Lastkreisschaltern I bzw. Il und Ventilen Vl bzw. 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 angedeute'. 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 Üein weiterer elektrischer Schalter bezeichnet, welcher die Lastkreisschalter 1 und II, die Überbrückungsschalter a und b, die Strombegrenzungswiderstände BW\ und BW2 sowie die beiden ungesteuerten elektrischen Ventile Vl und V 2 galvanisch überbrückt, wobei der Zeitpunkt dieser Überbrückung bzw. öffnung der Überbrückung wiederum durch die Steuerlogik SZ. 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 I all im — ein geerdetes öffentliches Stromnetz beispielsweise mit I 10/220 Volt-40/60 Hz benützt wird, wobei der von E2 über A 2 direkt an den Stromverbraucher L geschaltete eine Pol der Speisespannung den potentiiilfreien Nulleiter bildet, d.h. also bei Betrieb an einem vorgenanntem Netz an Ei eine Phase und an E2 der Mittelpunkt /V/pdieses Stromversorungsnetzes angelegt ist.

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

Wird der nicht dargestellte Slarischalter geschlossen, so sorgt die Steuerlogik .SV. dafür, daß zuerst und Hinunter der Voraussetzung, daß sich die beiden Lastkreisschalter I und Il in der gezeichneten Schaltlage befinden und die Speisespannung mit + an /:'I anliegt, der Lastkreisschalter I geschlossen wird, wobei dies absolut funkenfrei erfolgt, weil infnlui· <Ιι>·; Sncrr/iistandcs des ungesteuerten elektrischen Ventils V I kein Strom über den Verbraucher /. fließen kann. Dabei sorgt die Steuerlogik SL außerdem dafür, daß der I.astkreissehalter I unter Beachtung eines je nach dem Charakter des .Stromverbrauchers /. gegebenenfalls auftretenden Phasenverschiebungswinkcls zwischen Speisespannung und Laststrom und zusätzlich unter Beachtung eines ausreichenden Sicherheitsfaktors bezüglich der Zeitverzögerung der elektromagnetischen Erregung der den l.astkreisschaltcr I betätigenden Schaltmitiel geschlossen ist, bevor die Polarität der Speisespannung wechselt. Anschließend folgt der Wechsel der Polarität der Speisespannung, wobei in dieser I lalbwelle + nunmehr an der Klemme Γ.2 liegt und ab dem Nulldurchgang der Speisespannung der Stromfluß über den Verbraucher /. beginnt, weil sich jetzt das Ventil Vl im Durchlaßziistand befindet und der l.aslkreisschalter I bereits geschlossen ist. Hierbei wird das Auftreten eines »inrush<(-Stromes verhindert, weil der Strombegrenzungswiderstand IiW \ je nach Bemessung seines elektrischen Widerstandsweries den l.aststrom auf ein gewünschtes Maß reduziert. Innerhalb dieser zuletzt genannten Halbwelle d»r Speisespannung, d.h. also, wenn + an £ 2 liegt. w^:rd von der Steuerlogik .SX beeinflußt zeitsynchron der l.aslkreisschalter Il geschlossen, was wiederum absolut ohne Kontaktfeucr erfolgt, weil in dem hier infrage kommenden Strompfad II, BW2, V2 das ungesteuertc elektrische Ventil V2 sperrend wirkt. Nachdem nunmehr beide Lastkreisschalter I und Il funkentrei geschlossen sind, kann der Laststrom über den Siromverbraucher L in beiden Richtungen ungehindert fließen. Damit dabei der Stromverbraucher nicht mehr über die .Strombegrenzungswiderstände BWl und BW2, sondern verlustfrei direkt an die Speisespannung angeschaltet ist, werden die Überbrückungsschalter a und b unter galvanischer Überbrückung der Begrenzungswiderstände SlVl und BW2 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 Vl bzw. V2 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 1,1! BW\,BW2,a,h. Vl und V2 sowohl aus thermischen als insbesondere auch aus ökonomischen Gründen günstig dimensioniert werden können und nur während einer kurzen Zeitspanne beim Einschalten de.·» Stromverbrauchers die volle Nennleistung führen müssen, können sie mittels eines weiteren Schalters Ügalvanisch überbrückt und damit weitestge- > hend vom Laststrom entlastet werden. Selbstverständlich erfolgt auch hie· 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 Lastslrom lediglich von den Strompfaden I, /HV I. ,-/und Wl bzw. II, BW2. bund V2 auf den Schalter (/ohne die Voraussetzungen für eine

■■'■ Lichtbogenbildung kommutiert. Auch die Öffnung der Überbrückung am Schalter 0 erfolgt ohne Kontaktfeder, weil hierbei in umgekehrter Reihenfolge der l.aststrom von 0 wieder auf die vorgenannten

Beim Ausschalten des Laststromes in der Anordnung nach F i g. J wird durch ein Stopfsignal über die Sieiierlogik .SV. zuerst die Überbrückung 0 aufgehoben, anschließend unter dem Einfluß der Steuerlogik .SV. zuerst und nur, wenn + an 1:2 anliegt, der

2> Lastkreisschalter II. dann der Lastkreisschaltcr I und dann die Überbrückungsschalter ;» und b geöffnet, was jeweils absolut ohne Kontaktfeuer erfolgt, weil die Öffnung dieser Schalter wiederum unter Beachtung der Polarität vor Speisespannung und l.aststrom und unter

in Einbeziehung eines je nach dem Charakter des Sl rom verbrauche rs etwaigen Phasenverschiebungs winkeis jeweils nur dann erfolgt, wenn sich das in dem beireffenden Stromzweig vorhandene elektrische Ventil Vl bzw. Vl im .Sperrzustand befindet.

Ii lis ist nicht zwingend notwendig, zwei Hegrenzungs widerstände anzuordnen, sondern es kann für die Praxis durchaus befriedigend sein, wenn nur im ersten stromführenden Pfad. d. h. im Strom/weig El, I_- IiW \. ,7. Vl ein Strombegrenzungswiderstand vorgesehen ist,

■m weil beispielsweise beim Einschalten eines Kondensators gemäß Oszillogramm nach Fig 2 nur ^;n der ersten stromführenden Ilalbwelle der Speisespannung ein etwaiger »inrush«-Effekt verhindert werden muß. während in den nachfolgenden Halbwellen der Strom

4i 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

V) »inriish«-Effektes zustande kommt, wenn lediglich in der ersten den Stromverbrauchcr 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 zuletzt 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

bs gleichartig funktionierende Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen, wie die entsprechenden Bauelemente der Anordnung nach F i g. 3. Die Funktion dieser Anordnung entspricht weitesigehend 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 Start-Stoptaste· bzw. mit dem Start-Stopschalter elektrisch verknüpfter zusätzlicher Schalter Sbeispielsweise ein handelsübliches Schaltschütz etc.) vorgesehen ist, weil hier an Et und £2 eine Wechselspannung mit zwei stromführenden Polen (Phase/Phase), beispielsweise aus einem öffentlichen Drehstromnetz 380 V, anliegensoll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche;

1. Schaltvorrichtung in Hybrid-Technik zum lastfreien Schalten von mit Wechselspannung gespeisten Stromverbrauchern mit beliebigem Phasenverschiebungswinkel, bei der in zwei parallelen Stromz'Areigen 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 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 befladet, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 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 (BW) eingefügt

ist und daß der Überbrückungsschalter (a) — bzw. bei Anordnung von Strombegrenzungswiderständen (BtVl, BW L·) in beiden Stromzweigen (Fig. 3) die Überbrückungsschalter (a, b' — jeweils nur dann geschlossen bzw. geöffnet wird/werden, wenn der betreffende Stromzweig auf Crund der Sperrwirkung des darin befindlichen Gleichrichterventils j> stromlos ist.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden die Lastkreisschalter (I, II), die Gleichrichterventile (Vl. V2), 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) v, durch ebenfalls von der Steuereinrichtung (SL) betätigte Schaltmittel (ÜJ überbrückt sind (F i g. i).