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Lastumschalter für Stufenschalter
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von Regeltransformatoren Für Lastumschalter von Stufentransformatoren
wird heute meist die in Fig. 1 dargestellte Schaltung angewendet. Bei einer Umschaltung
von der Klemme 1 nach 2 sind zunächst die Schaltstrecken 3 und 4 geschlossen, die
Schaltstrecken 5 und 6 geöffnet. Die Umschaltung erfolgt dann so, daß 3 öffnet,
5 schließt, 4 öffnet und 6 schließt. Diese Schaltung ergibt an den einzelnen Schaltstrecken
jeweils nach der Stromunterbrechung eine Wiederkehrspannung, die praktisch ohne
Einschwingvorgang sinusförmig entsprechend der Frequenz des zu schaltenden Stromes
ansteigt. Diese Voraussetzungen ergeben für die einzelnen Schalt strecken die günstigsten
Löschbedingungen.
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In bestimmten Fällen können Jedoch die zwischen den Klemmen 1 und
2 angeschlossenen Wicklungsteile des Transformators eine größere Streuinduktivität
haben. Dies gilt besonders,
wenn die gesamte Regelwicklung aus einer
Grobstufe und einer Feinwicklung besteht. Bei dieser Wicklungsausführung sind die
Induktivitäten, solange nur zwischen 2 Stuten innerhalb der Feinwicklung umgeschaltet
wird, so klein, daß sie den überschaltvorgang praktisch nicht beeinflussen.
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Wird dagegen von der Fein- auf die Grobwicklung oder umgekehrt geschaltet,
so beträgt die Induktivität ein Vielfaches und kann sich auf den Ausschaltvorgang
an den sog. Widerstandskontakten 4 oder 5 nachteilig auswirken, da sie nach der
Stromunterbrechung dieser Kontakte zu einer hochfrequenten Einschwingspannung führt.
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Mit Rücksicht auf hohe Kontaktlebensdauer und geringe olverrußung
durch den Lichtbogen strebt man bei Lastunschaltern an, daß der Lichtbogen an den
öffnenden Kontakten möglichst in der ersten Stromhalbwelle, d. h. im ersten Stroxnulldurchgang
nach der Kontakttrennung erlischt. Befindet sich Jedoch auf einzelnen Stufen zwischen
den Glimmen 1 und 2 eine größere Streuinduktivität, so kann dies an den Widerstandskontakten
zu einer wesentlichen Verlängerung der Lichtbogenzeit führen.
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Es ist dann möglich, daß am Widerstandskontakt 4 der Lichtbogen noch
brennt, wenn der Hauptkontakt 6 bereits geschlossen hat. In diesem Fall werden dann
die Löschbedingungen für den Widerstandskontakt 4 noch zusätzlich erschwert, weil
mit den Schließen des Kontaktes 6 der Uberschaltwiderstand 13 kursgeschlossen ist
und folglich über den Widerstandskontakt 4 ein doppelt so hoher Ausgleichsstrom
wie vor dem Schließen den Kontaktes 6 fließt.
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Das Problem der Einschwingspannung beim Schalten induktiver Stromkreise
ist bei den in Hochspsnnungsnetzen eingebauten leistungsschaltern seit langem bekannt.
Zur Dämpfung der ein schwingspannung werden bei diesen Schaltern in kritischen Fällen
der eigentlichen Leistungsschaltstrecke über einen Hilfsschalter ohmsche Widerstände
parallelgeschaltet (Fig.2).
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Vor dem Ausschalten sind beide Schaltstrecken 7 und 8 geschlossen.
Als erstes öffnet die Hauptschaltstrecke 7, der dann zunächst noch der Widerstand
9 parallel liegt. Erst nach der Stromunterbrechung in 7 öffnet die Hilfsschaltstrecke
8.
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In der DT-AS 2 204 983 wird nun vorgeschlagen, das Prinzip nach Fig.
2 auch bei einem Lastumschalter nach Fig. 1 anzuwenden, indem man dort zwischen
die Punkte 10 und 11 einen Hilfsschalter in Reihe mit einem Widerstand anschließt.
Auf diese Weise läßt sich der durch höhere Streuinduktivitäten der Wicklung verursachte
Einschwingvorgang an den Widerstandskontakten verflachen. Nachteilig bei dieser
Schaltung ist Jedoch, daß der Hilisschalter zwangsläufig bei Jeder Umschaltung einen
Strom schaltet und folglich zur Ölverrußung beiträgt, während er in Wirklichkeit
auf den vielen im gesamten Einstellbereich des Stufenschaltwerkes enthaltenen Stufen
immer nur auf der einen kritischen Stufe notwendig ist. Die Ölverrußung ist Jedoch
hinsichtlich Wartung und Lebensdauer der Lastumschalter ein wesentlicher Faktor,
d. h. sie sollte so klein als möglich gehalten werden.
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Eine Erhöhung der Schaltleistungen,auch bei größeren Induktivitäten,
ist durch Reihenschaltung zweier Schaltstrecken entsprechend der Schaltung der DT-AS
2 329 072 möglich. In diesem Fall tritt an Jeder Schaltstrecke nur die halbe Einschwingspannung
nach der Stromunterbrechung auf, sofern sich die Spannung gleichmäßig auf beide
Schaltstrecken aufteilt. Zur Vergleichmäßigung der Spannungsaufteilung wurde weiter
schon vorgeschlagen, beiden Schaltstrecken Jeweils Widerstände parallel zu schalten,
wie in der Schaltung der DT-AS 2 329 072'dargestellt. Damit diese Parallelwiderstände
Jedoch im Normalbetrieb stromlosbleiben,
ist ihnen noch ein zusätzlicher
Hilfsschalter in Reihe zu schalten, woraus sich ein entsprechender Aufwand ergibt.
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Versuche zeigten weiter, daß der Einfluß von Induktivitäten auf das
Schaltvermögen durch Parallelschaltung von Widerständen zur eigentlichen Hauptschaltstrecke
entsprechend Fig. 2 und der Schaltung der DT-AS 2 329 072 nur dann wesentlich vermindert
werden kann, wenn die Parallelwiderstände relativ niederohmig sind. Dies bedeutet
aber, daß, zum Beispiel in Fig. 2 nach der Stromunterbrechung in der Schaltstrecke
7, über den Widerstand 9 ein entsprechend hoher Strom fließt, 80 daß auch der Hilfeschalter
8 noch relativ große Ströme schalten muß und entsprechend aufwendig wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltanordnung zu finden, die
auch bei größeren Induktivitäten zwischen gewählter und vorgewählter Stufe noch
eine hohe Schaltleistung ergibt, aber ohne zusätzliche Hilfsschalter zum kurzzeitigen
Zuschalten von Dämpfungswiderständen auskommt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, die Widerstandskontakte
Jeder Seite aus zwei in Reihe geschalteten Teilschaltstrecken aufzubauen und einer
dieser beiden Teilschaltstrecken einen fest angeschlossenen Widerstand parallel
zu schalten, entsprechend Fig. 3. Beide Schaltstrecken öffnen gleichzeitig oder
nahezu gleichzeitigb Es ergibt sich dann folgender Ablauf: Nach Kontakttrennung
tritt zunächst in beiden Schaltstrecken ein Lichtbogen auf, wobei über Jede Schaltstrecke
der gleiche Strom fließt. Durch die Reihenschaltung zweier Schaltstrecken werden
die Löschbedingungen sowohl auf den Stufen mit kleiner als auch auf Stufen mit hoher
Streuinduktivität verbessert. Versuche zeigten weiter, daß, auch
wenn
nur einer der beiden in Reihe geschalteten Teilschaltstrecken ein ohm'scher Widerstand
parallelgeschaltetist und sich folglich keine ideale Spannungsaufteilung ergibt,
die Reihenschaltung trotzdem noch zu einer wesentlichen Steigerung der Schaltleistung
gegenüber einer einzigen Schaltstrecke führt. Dies ist darin begründet, daß in dem
für die Lichtbogenlöschung maßgebenden Zeitraum kurz vor bis kurz nach dem Stromnulldurchgang
das Lichtbogenplassa eine relativ hohe Leitfähigkeit besitzt. Wird dann der zu einer
Schaltstrecke parallel liegende äußere Widerstand hinreichend hochohmig gewählt,
dann beeinflußt er unmittelbar im Bereich des Stromnulldurchganges die Spannungsaufteilung
auf die beiden in Reihe geschalteten Teilschaltstrecken nur unwesentlich. Man erhält
somit bei kleinen Induktivitäten im Stromkreis annähernd die gleiche Schaltleistung
als wenn die beiden in Reihe geschalteten Teilschaltstrecken ohne Parallelwiderstände
betrieben würden.
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Liegt jedoch in dem zu unterbrechenden Stromkreis eine größere Induktivität,
dann hat die durch den ohm'schen Widerstand über brückte Schalt stelle 15 wesentlich
günstigere Löschbedingungen als die hierzu in Reihe liegende Schaltstelle 4. Die
von der Induktivität verursachte Einschwingspannung nach der Stromunterbrechung
wird nämlich an der Schaltstelle 15 durch den Paralleiwiderstand weitgehend unterdrückt
und tritt folglich nur an der Schaltstelle 4 auf.
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q6 Dementsprechend wird im 1. oder 2. Stromnulldurchgang die Schaltstelle
15 löschen, während an der Schaltstelle 4 der Lichtbogen weiterbrennt. Der Ohmwert
des Widerstandes 16 läßt sich Jedoch so groß wählen, daß durch diesen, nach der
Stromunterbrechung der Schaltstelle 15, nur noch ein Bruchteil des vorher über die
beiden Schaltstellen geflossenen Stromes fließt.
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Dementsprechend muß nach der Stromunterbrechung der Schaltstelle 15
die Schaltstelle 4 nur noch einen Bruchteil des ursprünglichen Stromes unterbrechen.
Dies bedeutet, daß gleichzeitig auch die an der Induktivität entstehende Einschwingspannung
nur noch einen Bruchteil des ursprünglichen Wertes erreicht, so daß die Löschbedingungen
für die Schaltstrecke 4 nunmehr wesentlich günstiger als ursprünglich sind.
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Dementsprechend wird bei richtiger Bemessung die Schalt stelle 4 normalerweise
etwa im folgenden Stromnulldurchgang löschen.
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Da nach der Stromunterbrechung in der Schaltstelle 4 gleichzeitig
auch der Widerstand 16 stromlos wird, kann ein spezieller Hiltssehalter zur Unterbrechung
des Stromes in Widerstand 16 entfallen.
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Hat die zu unterbrechende Schaltleistung eine Größe, daß bereits eine
einzige Schaltstrecke mit ausreichender Sicherheit im 1. oder 2. Stroxnulldurehgang
den Strom unterbricht, sofern die Induktivität in Stromkreis genügend klein ist,
so kann es zur Erzielung einer möglichst geringen olverrußung vorteilhaft sein,
wenn lan den Offnungszeitpunkt der Schaltstelle 15 um eine bis drei 8troihalbwellendauern
später als den Offnungszeitpunkt der Schaltstelle 4 legt. In diesem Fall löscht
die Schaltstelle 4 bei kleinen Induktivitäten bereits bevor die Schaltstelle 15
öffnet, so daß nur beim Offnen der Schaltstelle 4 ein Lichtbogen und folglich eine
Olverrußung auftritt. Auf Stufen mit hoher Induktivität brennt dagegen an der Schaltstelle
4 der Lichtbogen länger, nämlich bis Schaltstelle 15 öffnet. Darauf verläuft der
weitere Löschvorgang wie oben schon beschrieben für den Fall einer gleichzeitigen
Öffnung von Schaltstelle 4 und 15.
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Für einen Iastumschalter nach dem bekannten Jansen-Prinzip entsprechend
Figur 1 ergibt sich aufgrund vorstehender oberlegungen eine Schaltung gemäß Figur
4.
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Eine Vereinfachung der Schaltung ergibt sich dadurch, daß die Verbindungsleitung
zwischen den Widerstandskontakten 4 und 5 nicht mehr wie bisher üblich direkt mit
der gemeinsamen Schalterklenme 14 verbunden ist, sondern daß zwischen diese Verbindungsleitung
und 14 ein mittels eines Widerstandskontaktes 15 überbrückbarer Widerstand 16 entsprechend
Fig. 5 eingeschaltet ist und daß ferner der bei der Umschaltung zunächst schließende
Widerstandskontakt im Laufe der Umschaltung in einem späteren Zeitpunkt wieder öffnet.
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In der Schaltung nach Fig. 5 ergibt sich bei einer Umschaltung von
1 nach 2 folgende Schaltfolge: Zunächst ist nur 3 geschlossen, alle übrigen Schalter
geöffnet. Als erstes schließt 4 und 15, dann öffnet 3, anschließend schließt 5,
dann öffnet 4, darauf schließt 6 und zuletzt öffnen 5 und 15.
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Bei einer Umschaltung zwischen Stufen mit kleiner Induktivität löschen
der Schalter 3 und 4 sofort in der ersten Halbwelle, das bedeutet, daß dann die
Schalter 5 und 15 stromlos öffnen.
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In Stellungen mit hoher Induktivität kann Jedoch an dem Schalter 4
der Lichtbogen über nehrere Ralbschwingungen brennen, nämlich bis die Schalter 5
und 15 öffnen. Beim gleichzeitigen Oeffnen von 5 und 15 sind die Löschbedingungen
für diese beiden Kontakte auch bei hohen Induktivitäten günstig, da durch den diesen
Schaltstrecken parallel liegenden Widerstand 16 die Einschwingspannung stark gedämpft
ist.
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Haben die Schaltstrecken 5 und 15 gelöscht, dann geht bei entsprechender
Wahl des Ohmwertes für den Widerstand 16 der Strom in der Schaltstrecke 4 stark
zurück, so daß auch diese Schaltstrecke anschließend günstigere Löschbedingungen
hat. Voraussetzung hierfür ist, daß der Widerstand 16 in seinem Ohmwert mindestens
etwa gleich den Widerständen 12 und 13 oder höher gewählt wird.
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Die Schaltung nach Fig. 4 läßt sich auch dadurch vereinfachen, daß
man, entsprechend Fig. 6, anstelle der beiden Widerstände 16 und 16' nur einen Widerstand
16 verwendet und
diesen zwischen die Verbindungsleitungen der beiden
in Reihe geschalteten ;Widerstandskontakte anschließt. Da Jeweils beim Öffnen der
Widerstandskontakte einer Seite die Widerstandskontakte der anderen Seite geschlossen
sind, ergibt diese Schaltung die gleiche Wirkung wie Schaltung Fig. 4.
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Bei Lastumschaltern für hohe Nennströme werden vielfach die einzelnen
Haupt- und Widerstandskontakte aus mehreren parallelgeschalteten Einzelkontakten
aufgebaut. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Stromaufteilung wird dann Jeder Widerstandskontakt
über einen eigenen Teilwiderstand angeschlossen. Man kann dann den Erfindungsgedanken
entsprechend Fig. 7 zunächst so anwenden, indem man an jede Verbindungsleitung zweier
Teilkontakte einen Widerstand mit Hilfsschalter anschließt, Wesentlich einfacher
ist Jedoch eine Lösung nach Fig. 8, wobei sämtliche Verbindungsleitungen der parallelgeschalteten
Widerstandskontakte zusammengefaßt und über einen geneinsaven Widerstand mit parallelliegender
Schaltstelle 15 itt der Kleine 14 verbunden sind. Sind entsprechend Fig. 8 z. B.
drei Widerstandskontakte mit Jedem einzelnen Kontakt zuge ordnetem flberschaltwiders
tand parallelgeschaltet, so kann man voraussetzen, daß auch bei hohen Induktivitäten
zunächst zwei Widerstandskontakte ganz normal innerhalb einer Halbwelle löschen.
Dies ist darin begründet, daß solange eine der Schaltstrecken noch nicht gelöscht
hat, die Einschwingspannung an den übrigen Schalt strecken durch den dieser ersteren
Schaltstrecke vorgeschalteten oberschaltwiderstand gedämpft wird. Erst wenn die
letzte Schaltstrecke löscht, tritt die Einschwingspannung mit verminderer Steilheit
und Höhe auf. Man kann daher bei mehreren auf diese Weise parallelgeschalteten Widerstandskontakten
voraussetzen, daß die Schaltstelle 15 nur noch den Strom eines einzigen Widerstandskontaktes
unterbrechen muß. Sinngesäß sind die Verhältnisse auch, wenn nach dem Schließen
des Hauptkontaktes 6 die Widerstandskontakte 5 wieder öffnet.
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Es läßt sich rechnerisch zeigen, daß man die von den einzelnen Schaltstrecken
zu bewältigenden Schaltleistungen, also das Produkt aus Schaltstrom und Wiederkehrspannung,
beeinflusen kann, wenn man statt des einen Widerstandes 16 in die Verbindungsleitung
der beiden Widerstandskontakte und zur Schalterklsmme 14 eine Kombination aus mehreren
Widerständen einfügt. So sind bei Fig. 9 in die Verbindungsleitung zwischen den
Widerstandskontakten 4 und 5 zwei in Reihe liegende Widerstände und von deren Mittelabgriff
zur Schalterklemme 14 ein weiterer Widerstand geschaltet. Abhängig vom Ohmwert dieser
Widerstände 16, 19 und 20 sowie der eigentlichen tlberschaltwiderstände 12 und 13
lassen sich die Schaltleistungen an den Schalt strecken 3 bis 6 sowie 15 und 15'
variieren. Die Variationsmöglichkeiten weiden noch erweitert, wenn man auch in die
Verbindungsleitung von Schalter 4 zu 15 und 5 zu 15' Jeweils einen Widerstand 21
und 22 schaltet (Fig. 10).
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Das Grundprinzip gemäß Fig. 3 und 9 läßt sich auf zahlreiche Arten
variieren. Einige Beispiele sind in den Figuren 10 - 14 zusammengestellt.
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Durch Veränderung der einzelnen Teilwiderstände lassen sich die an
den einzelnen Schalt strecken auftretenden Schaltleistungen in weiten Grenzen variieren.
Hierdurch wird es möglich, an Jeder Teilschaltstrecke die dort auftretende Schaltleistung
der von dieser noch beherrschbaren Schaltleistung anzugleichen, um so für den gesamten
Schalter eine möglichst hohe Schaltleistung zu erzielen.
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So sind in der Sohaltungsanordnung nach Figur 11 die Widerstände 12
und 13 mit den Widerständen 19, 20, 21 und 22 zu einer Spannungsteilerschaltung
zusammengeschaltet und statt des Widerstandes 16 ist der Schalter 17 zwischen dem
Mittelabgriff der Widerstände 19 und 20 und der Anschlußklemme 14 eingeschaltet.
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Hat in der bisher üblichen Schaltung Fig. 1, bei einer Umschaltung
von 1 nach 2, die Schaltstrecke 4 noch nicht gelöscht wenn Schaltstrecke 6 schließt,
so fließt über die Schaltstrecke 4 der doppelte Ausgleichstrom. Liegt dann zwischen
den Kleben 1 und 2 eine größere Induktivität, so hat es unter diesen Bedingungen
die Schaltstrecke 4 besonders schwer zu löschen. Im Gegensatz hierzu kann bei den
vorgeschlagenen neuen Schaltungen nach Fig. 12 und 13 durch Anordnung eines Umschalters
24 bzw. eines dreipoligen Schalters 25 und durch entsprechende Wahl der Schaltfolge
der einzelnen Teilschaltstrecken und entsprechende Wahl der Ohmwerte der einzelnen
Teilwiderstände, erreicht werden, daß, auch wenn an der zuletzt löschenden Teilschaltstrecke
der Lichtbogen noch brennt, wenn der Hauptkontakt 6 bereits schließt, der Ausgleichstrom
nicht wesentlich größer als vor dem Schließen des Hauptkontaktes 6 wird.
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Bei Figur 12 kann durch Anordnung des Umschalters 24 auf die Schalter
15 und 15' sowie den in Figur 11 verwendeten Schalter 17 verzichtet werden.
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In der Schaltung nach Figur 13 werden die Schalter 4 und 5 eingespart;
die Widerstände 12 und 13 sind mit den Eingangs- bzw.
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Ausgangshauptschaltstrecken 3 und 6 direkt verbunden. Der Umschaltvorgang
wird über die Schalter 15 und 15' sowie den in die Verbindungsleitungen der beiden
Widerstände 19 und 20 und dem Widerstand 16 angeordneten dreipoligen Schalter 25
vorgenommen.
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In der Schaltung nach Figur 14 werden die in der Schaltung nach Figur
13 vorhandenen Schalter 15, 15' und 25 durch zwei dreipolige Hilfsschalter 28 und
29 ersetzt. In dieser Schaltung schließt der Hauptkontakt 6 bevor der letzte Widerstandskontakt
28 öffnet, damit hat der zuletzt öffnende
Widerstandskontakt stets
nur den Ausgleichsstrom abzuschalten. Dies wirkt sich bei Lastumschaitungen unter
Uberströmen besonders vorteilhaft aus.
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In der eingangs beschriebenen bekannten Schaltanordnung wird bei einer
Umschaltung von der Eingangsschaltstute auf die Ausgangsschaltstufe der Ausgangswiderstandskontakt
5 erst geschlossen und damit der Ausgleichsstrom eingeschaltet, nach dem der Hauptkontakt
3 geöffnet hat. Im Gegensatz hierzu kann es bei den vorgeschlagenen neuen Schaltungen
vorteilhaft sein, wenn der den Ausgleichsstrom einschaltende Ausgangswiderstandskontakt
5 schon vor dem öffnenden Hauptkontakt 3 schließt, da hierdurch die Schaltleistung
an diesem Hauptkontakt 3 vermindert wird.
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Wie Versuche gezeigt haben, läßt sich durch entsprechende Wahl der
Widerstandswerte der in den Schaltungen von Figur II - 14 verwendeten Widerständen
eine optimale Auslegung und Angleichung der von den einzelnen Schaltstrecken zu
bewältigenden Schaltleistungen erreichen.
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- Patentansprüche -