DE2710159A1

DE2710159A1 - Kontaktvorrichtung mit bogenunterbrechung

Info

Publication number: DE2710159A1
Application number: DE19772710159
Authority: DE
Inventors: John Kareth Penrod
Original assignee: Power Management Corp
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1977-03-09
Publication date: 1977-09-15
Also published as: CA1065042A; DE2710159C2; GB1545673A; JPS52112750A; JPS5939846B2; US4025820A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Kontaktvorrichtungen zur Steuerung der Aufbringung eines elektrischen Stromes auf eine Last.

Halbleitervorrichtungen sind parallel zu elektrischen Kontakten verwendet worden, um die Lichtbogenbildung während des Schließens und öffnens des Kontaktes zu reduzieren oder zu unterdrücken, wie in den folgenden US-Patentschriften gezeigt ist: 3 474 293; 3 543 047; 3 555 353; 3 558 910; 3 639 805; und 3 868 549, und eine Literaturstelle mit dem Titel "Commutating Relay Combined Solid State Switching" von J. S. von Briemer, April 1965, 13. Annual National Relay Conference.

In vielen dieser bekannten Vorrichtungen sind die Halbleitervorrichtungen parallel zu den Kontaktierelementen verbunden, und etwaiger Leckagestrom durch die Halbleitervorrichtung würde an den Ausgangsanschlüssen der Kontaktiereinrichtung abgefühlt. Es ist auch möglich, daß Ubergangsspannungen die Halbleitervorrichtungen unbeabsichtigt in den leitenden Zustand triggern oder auslösen, und hierdurch würde die Last mit der Quelle über den Halbleiter verbunden, obwohl die Kontakte nicht geschlossen sind. Dieser Zustand ist nicht nur unerwünscht, weil dies dauernd den Halbleiter beschädigen könnte, sondern könnte auch gefährlich sein, insbesondere wenn Wartungspersonal in körperliche Berührung mit dem Ausgang der Kontaktiereinrichtung kommt.

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Elektrische Kontaktiereinrichtungen, die nach der NEMA Spezifikation hergestellt sind, sind für die Handhabung von Spannungen bis zu 6OO V RMS erforderlich, die noch in Masse hergestellte Halbleitervorrichtungen sind, wie z. B. Triacs und siliciumgesteuerte Gleichrichter, die im allgemeinen eine maximale Spannung in der Größenordnung von 500 V haben. Während einige Halbleiter mit höherem Spannungsbereich zur Verfügung stehen, können sie doch nur mit erheblicher Kostensteigerung erhalten werden.

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kontaktiereinrichtungen zur Steuerung der Aufbringung elektrischen Stromes von einer Wechselstromquelle auf eine Last. Insbesondere betrifft die Erfindung mechanisch oder elektromechanisch betätigte elektrische Kontakte, wie z. B. ein Relais, zum Führen des Stromes zu einer Last auf kontinuierlicher Basis, wenn sie geschlossen sind, eine Einrichtung zum Schützen elektrischer Kontakte gegen Beschädigung infolge Lichtbogenbildung und eine Einrichtung zur vollständigen Isolierung der Laat von der Stromquelle, wenn die Kontakte offen sind.

Ein Lichtbogen-unterdrückungskreis einschließlich eines Paares von in Reihe geschalteten Triacs liegt parallel zu den Hauptrelaiskontakten. Jedes Triac hat einen Spannungsbereich in der Größenordnung von 500 V und gestattet es somit, daß das Relais gut im Rahmen der NEMA Spezifikationen betätigt wird.Eine neuartige Schaltung ist vorgesehen, um Verknüpfungssignale zu den

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in Reihe geschalteten Triacs vorzusehen, ohne isolierte Netzgeräte erforderlich zu machen.

Hilfskontakte sind den Hauptrelaiskontakten zugeordnet, schließen unmittelbar vor dem Schließen der Hauptrelaiskontakte und öffnen, nachdem die Hauptkontakte geschlossen sind. Ebenso schließen die Hilfskontakte unmittelbar vor dem öffnen der Hauptrelaiskontakte und öffnen, nachdem die Hauptkontakte geöffnet worden sind.

Bei einer Ausflhrungsform ist der Verknüpfungsstrom zu den in Reihe liegenden Triacs durch ein drittes Triac vorgesehen, dessen Hauptelemente mit den Torelektroden des Triacs verbunden sind und dessen Torelektrode mit den Hilfskontakten verbunden sind und von diesen gesteuert werden.Bei einer anderen Ausführu—ngsform wird ein Paar von Hilfskontakten verwendet, um den Torstrom der in Reihe liegenden Triacs zu steuern.

Bei einigen Anwendungen der Erfindung hat man gefunden, daß die Lichtbogenunterdrückung weder erforderlich ist noch in einigen Fällen während des Schlieflens der Hauptkontakte erwünscht ist. Z. B. hat man gefunden, daß während des Schliessens der Kontaktiereinrichtung eine gewisse Lichtbogenbildung das Auftreten des Zerbröckeins der Oberfläche (fretting) ermöglicht, so daß die Hauptkontakte dauernd ohne übermäßige

die volle Last führen Kontakterwärmung / können. Bei einigen Anwendungen, wo

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ein hoher Einschaltstromstoß wahrscheinlich ist, wäre es nicht erwünscht, Halbleitervorrichtungen zu verwenden, die nicht in der Lage wären, die hohe Anfangslast zu tragen, selbst zeitweilig. Die Erfindung weist deshalb Schaltungseinrichtungen auf zur Verhinderung des Betriebes der Halbleiterlichtbogen-Unterdrückungsschaltung während des Hauptkontaktschließens.

Die Erfindung weist eine Einrichtung zum Unterbinden des Betriebes der Kontaktiereinrichtung in demjenigen Falle auf, wenn die Triacs kurzgeschlossen werden und somit nicht in der Lage sind, normal zu arbeiten. Ferner ist eine Schaltung zur vollständigen Isolierung der Last von der Quelle vorgesehen, wenn die Hauptkontakte offen sind. Hierdurch wird jedes falsche Triggern der Lichtbogen-Unterdrückungsschaltung aus irgendeinem Grund verhindert, wie z. B. übergänge, und es werden Leckageströme durch die Triacs daran gehindert, an die Last angelegt zu werden.

Jeder Leckagestrom, welcher durch die Kontaktiervorrichtung hindurchgeht,und zwar nicht ausreichend ist, unter normalen Umständen für eine Person eine direkte Gefahr zu erzeugen, kann eine hinreichende Größe haben, um eine Person eine unbeabsichtigte Muskelreaktion unter Ansprechen darauf erfahren zu lassen. Weil diese Vorrichtung auch an Hochspannungs- bzw. Hochstromnetzwerke angeschlossen sein kann, könnte alternativ auch eine Person absichtlich auf irgendeine abgefühlte Spannung

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bei nicht übermäßiger Vorsicht reagieren; und in jedem Falle könnte eine sekundäre Verletzung das Ergebnis sein.

Die Erfindung weist auch Mittel auf, um die Kontaktiervor-

daß richtung gänzlich für den Fall abzuschalten, die Halblei-

ist.

terbogen-Unterdrückungsschaltung defekt/wenn Halbleiter defekt sind, nicht,

funktionierensie gewöhnlich in der Kurzschlußbetriebsari/ d.h. sie lassen ein hohes Stromniveau durch, obwohl kein Ansteuerungs- oder Verknüpfungssignal zugegen ist. Ein Schmelz- oder Sicherungselement wird verwendet, das nur zeitweilig mit der Bogen-Unterdrückungsschaltung in Reihe liegt, nachdem der Verknüpfungsstrom dorthin abgenommen worden ist. Wenn mehr als Sicherungsstrom fließt, öffnet es, schaltet das Hauptrelais ab und erfordert das Ersetzen der fehlerhaften Bestandteile. Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer verbesserten Kontaktiereinrichtung und eines Verfahrens insbesondere zum Anschließen einer Wechselstromquelle an eine Last, wobei eine Halbleiter-Lichtb-ogen-Unterdrückungsvorrichtung kurzzeitig parallel zu den Hauptkontakten des Relais angeschlossen sind, und zwar vor und nach dem Kontaktöffnen, um einen Strompfad mit niedriger Impedanz dort hindurch vorzusehen und die Lichtbogenbildung zu unterdrücken, wobei ferner eine Schutzschaltung vorgesehen ist zur Verhinderung des Betriebes der Halbleiterlichtbogen-Unterdrückungsschaltung während des anfänglichen Kontakteschließens und zur Schaffung eines offenen Kreises, nachdem die Hauptkontakte geöffnet haben, um die Stromquelle ganz von der Last zu isolieren und

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zu verhindern, daß die Lichtbogen-ünterdrückungsschaltung durch Einschwing- oder Stoßimpulse anzusteuern.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Diagramm unter Darstellung der verschiedenen Elemente, welche die Erfindung aufweisen,

Fig. 2 ein elektrisches schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten Lichtbogen-Unterdrückungsschaltung ,

Fig. 3 ein elektrisches schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform einer Liehtbogen-Unterdrückungsschaltung,

Fig. 4 ein elektrisches schematisches Diagramm der Schutzschaltung ,

Fig. 5 ein schematisches Diagramm unter Darstellung einer Schmelzoder Sicherungsschaltung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Relais mit Hilfskontakten, wie sie erffndungsgemäß verwendet werden,

Fig. 7 eine Einzelheit der Haupt- und Hilfsrelaiskontakte unter

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Darstellung ihres Betriebes und

Fig. 8 ein Zeitdiagramm unter Darstellung des Betriebes verschiedener Kontakte sowohl des Haupt- als auch des Hilfsrelais.

Gemäß dem Blockdiagramm der Figur 1 ist ein Wechselstromnetzgerät 10 mit einer Last 15 über den Leiter 16 und über normalerweise offene Kontakte 1K1 des Hauptrelais K1 durch Leitungen 17 und 18 verbunden. Das Relais K1 kann mittels eines Schalters S1 oder durch irgendeine andere geeignete Steuereinrichtung gesteuert werden. Ferner ist in Figur 1 ein Hilfsrelais K2 gezeigt, dessen Zweck und Funktion nachfolgend beschrieben wird.

Gemäft Figur 1 kann eine zweite Energiequelle 12 verwendet werden, um Strom zu den Relais K1 und K2 zuzuführen. Es versteht sich, daß diese Energiequelle eine unabhängige Wechselstrom- oder Gleichstromversorgung sein kann, oder der Strom kann direkt vom Netzgerät 10 vorgesehen werden, je nach der Spannung dieses Netzgerätes und den speziellen Umständen, unter welchen die Vorrichtung zu verwenden ist.

Parallel zu den Hauptrelaiskontakten 1K1 liegen eine Bogen-Unterdrückungsschaltung 20 und eine Schutzschaltung 3O. Die Bogen-Unterdrückungsschaltung 20 weist Festkörpervorrichtungen auf, welche die Lichtbogenbildung zwischen den Kontakten

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1K1 des Relais K1 verhindern oder unterdrücken und somit erheblich ihre nützliche Lebensdauer verlängern. Die Schutzschaltung 30 läßt drei Zwecke erreichen: Der erste besteht darin, jeden Leckagestrom, der sonst durch die Bogen-ünterdrückungsschaltung fließen könnte, daran zu hindern, auf die Last aufgebracht zu werden; der zweite besteht darin, einen weiteren Betrieb der Vorrichtung für den Fall zu verhindern, daß die Bogen-ünterdrückungsschaltung nicht funktioniert oder
/einen Fehler hat; und der dritte Zweck besteht darin, ein falsches Einschalten der Bogen-Unterdrückungsschaltung infolge Leitungsstößen oder Einschaltstößen zu verhindern. Die Schutzschaltung 30 ist mit einem sicherungsgesteuerten Schalter 35 verbunden, der in Reihe zum Relais K1 liegt.

Gemäß Figur 2 weist die Bogen-Unterdrückungsschaltung 2O ein Paar von in Reihe liegenden Triacs T1 und T2 auf, welche über die Schutzschaltung 3O mit den Hauptrelaiskontakten 1K1 parallel verbunden ist. Unter Verwendung von in Reihe liegenden Triacs ist es möglich, erheblich die Spannungskapazität der Relaisschaltung zu erhöhen. Parallel zu den Triacs sind lastausgleichende Widerstände R1 und R2 geschaltet. Diese Widerstände sind hochohmig, in der Größenordnung von einem Megaohm, und deshalb wird der durch diese Widerstände fließende Strom auf nicht mehr als ein Milliamper begrenzt.

Die Triacs T1 und T2 werden von einem dritten Triac T3 gesteuert, dessen Hauptanschlüssen mit den Gatter- bzw. Torelektroden der

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Triacs T1 und T2 verbunden sind; und die Torelektrode des Triacs T3 ist über den Widerstand R2 und über die Hilfskontakte 2K1 des Hauptrelais K1 angeschlossen.

Die Hilfskontakte 2K1, die in der in den USA anhängigen USA-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Serial-No. 562 809 beschrieben sind, schließen kurz vor dem öffnen oder dem Schliessen der Hauptrelaiskontakte 1K1. Deshalb wird immer dann, wenn die Kontakte 2K1 geschlossen sind, das Triac T3 mit Torstrom oder Verknüpfungsstrom versehen, und diese Vorrichtung liefert ihrerseits Torstrom zu den Triacs T1 und T2, die einen Strompfad um die Hauptrelaiskontakte 1K1 herum vorsehen können. Wenn die Kontakte 2K1 geöffnet werden, wird der Torstrom vom Triac T3 hinweggenommen, und somit polen sich die Triacs T1 und T2 und alle diese Festkörpervorrichtungen bei dem nächsten Nulldurchgang des Stromes auf Leitung 17 ab.

Figur 3 ist eine andere Ausführungsform der Bcgen-Unterdrückungsschaltung und weist auch zwei in Reihe liegende Triacs T1 und T2 parallel zu den Hauptkontakten 1K1 auf. Bei dieser Ausfuhrungsform liegen die Torelektroden dieser Triacs über die Widerstände R4 und R5 an den Hilfsrelaiskontakten 4K1 und 5K1. Wenn das Relais erregt wird, schließen die Kontakte 4K1 und 5K1 gleichzeitig, jedoch nicht vor dem Schließen der Hauptkontakte 1K1, und öffnen, nachdem die Hauptkontakte geschlossen sind. Während der Relaisentregung schließen diese Hilfskontakte ebenfalls kurzzeitig, bevor die Hauptkontakte 1K1 öffnen und bleiben geschlossen, bis die

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Hauptkontakte geöffnet sind. Der Betrieb dieser Kontakte wird ausführlicher in der oben genannten anhängigen USA-Patentanmeldung mit der Serial-No. 562 809 beschrieben, die am 27. März 1975 angemeldet worden ist, wobei insbesondere auf die Beschreib mg der Figuren 7 und 8 hingewiesen wird.

Bei den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen gestatten die in Reihe liegenden Triacs T1 und T2 die Verwendung der Relaiskontakte 1K1 zur Steuerung der Aufbringung von Spannungen in der Größenordnung von 600 V auf eine Last, selbst wenn jedes Triac einen niedrigeren Spannungsbereich hat. Die Torelektroden der Triacs werden über ein drittes Triac mit Verknüpfungsstrom versehen, wie in Figur 2 gezeigt ist,oder über ein Paar von Hilfsschalterkontakten, wie in Fig. 3 gezeigt ist; in jedem Falle werden die Verknüpfungssignale ohne die Verwendung einer isolierten Netzversorgung vorgesehen.

Jede der in den Figuren 2 oder 3 gezeigten Schaltungen 20 kann direkt parallel zu den Hauptrelaiskontakten 1K1 durch einen Leiter verbunden sein, welcher durch die gestrichelte Linie 33 gezeigt ist. Bevorzugt ist es jedoch, daß die Lichtbogen-Unterdrückungsschaltung 20 in Reihe zu einer Schutzschaltung 30 liegt, deren bevorzugte Ausführungsform in Fig. gezeigt ist. Die Schutzschaltung ist mit einer Bogen-Unterdrückungsschaltung 20 durch die Leitung 31 und mit der Leitung

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18 durch den Leiter 32 verbunden. Die Schutzschaltung weist ein Hilfsrelais K2 mit Hauptkontakten 40 und 41, einen Hilfskontakt 42 und einen sicherungsgesteuerten Schalter 35 auf.

Das Relais K2 ist in vieler Hinsicht ähnlich dem Hauptrelais K1 und das in der vorgenannten anhängigen USA-Patentanmeldung mit der Serial-No. 562 809 gezeigten Relais, insofern, als die Hilfskontakte 4O-42 schließen, bevor die Hauptkontakte 40-41 schließen und nach dem Schließen des Hauptkontaktes, wobei die Hilfskontakte 40-42 aufgrund der Tätigkeit des Drehpunktes bzw. Zapfens 43 öffnen. Nach dem Entregen des Relais erfolgt ebenso ein Schließen der Hilfskontakte 40-42, bevor die Hauptkontakte 40 -41 öffnen, und danach öffnen sie.

Figur 5 zeigt den sicherungsgesteuerten Schalter 35 mit einem Sicherungselement 45 und einem normalerweise geschlossenen Schalter 46. Das Sicherungselement 45 kann eine Buss-Sicherung GMT sein mit 1/4 Amper-Signalanzeige und Alarmbetätigung, welche einen Federarm 47 aufweist, der durch eine Sicherungslasche 48 am Platz gehalten wird. Den Bereich der Sicherungslasche Überschreitender Strom, in diesem Falle 250 Milliampere, läßt die Sicherungslasche schmelzen, wodurch der Federarm 47 sich nach oben bewegen und das Betätigungselement des Schalters 46 berühren kann, um den Stromkreis durch diesen zu öffnen.

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Das Ende des Arms 47 kann mit einem Isolator 49 versehen sein. Der normalerweise geschlossene Schalter, welcher bei der bevorzugten Ausführungsform benutzt wird, ist ein Honeywell-Mikroschalter des Typs 2SX1-T.

In Figur 6 ist schematisch der Betrieb eines Relais mit Haupt- und Hilfskontakten gezeigt. Die Art des in Figur 6 gezeigten Relais kann sowohl für das Hauptrelais K1 als auch für das Hilfsrelais K2 verwendet werden. Das Relais ist mit einer Magnetspule 50 versehen, die bei Erregung einen Anker 52 nach unten zieht. Der Anker dreht um eine Drehstelle 53 und wird von der Spule durch eine Feder 34 fort gedrückt. Die Bewegung des Ankers 52 nach unten ruft die Bewegung eines isolierten Gelenkteils 56 nach unten hervor. Das Teil 56 tritt mit einer ersten und oberen Kontaktstange 58 in Eingriff, welche ein Hauptkontaktelement 60 trägt, das direkt gegenüber einem zweiten Kontaktelement 62 angeordnet ist, welches durch eine Kontaktstange 64 getragen ist. Beide Kontaktstangen 60 und 64 haben einen ausreichenden Querschnittsbereich, um den Strom zur Last 15 auf kontinuierlicher Basis zu führen, und doch sind sie elastisch oder flexibel genug, um während des Betriebes des Relais gebogen zu werden.

Die Kontaktstange. 58 erstreckt sich durch das Gelenkteil und ist an diesem angebracht, und sein Ende bildet einen Kontakt 66, der gemäß Darstellung von einem zweiten Kontakt 68 im Abstand angeordnet ist. Die Kontaktstange 58 kann auch durch

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eine öffnung 70 in einem festen, isolierten Stützteil 72 hindurchgehen. Wie in Figur 7 gezeigt ist, ist das Bodenteil 73 der öffnung 70 bezüglich der Kontaktstange 58 derart angeordnet, daß es mit der Stange in Eingriff gelangt, wenn die Relaisspule den Anker 52 nach unten zieht. Infolgedessen schließen die Kontakte 66 und 68 kurzzeitig vor dem Schließen der Kontakte 60 und 62, die durch die gestrichelte Linie 58a gezeigt ist; danach treten die Kontakte 6O und 62 in Eingriff; und schließlich öffnen die Kontakte 66 und 68, wie mit den gestrichelten Linien 58b gezeigt ist.

Die Kontakte 6O und 62 sind den Kontakten 1K1 des Relais K1 und den Kontakten 40-41 des Relais K2 äquivalent; und die Kontakte 66 und 68 sind den Kontakten 2K2 des Relais K1 und den Kontakten 40-42 des Relais K2 äquivalent.

Nach Figur 1 ist die Wechselstromquelle über den sicherungsgesteuerten Schalter 35 und den Schalter S1 zu einer Brückengleichrichterschaltung BR1 angeschlossen, deren Ausgang direkt mit dem Relais K1 und über die Diode D1 mit einem Kondensator C1 verbunden ist. Dieser Kondensator lädt sich schnell auf die Spitzenausgangsspannung des Bräckengleichrichters auf. Der Ausgang des Brückengleichrichters liegt auch über die normalerweise offenen Hilfsrelaiskontakte 3K1 an der Spule des Relais K2, welches deshalb immer dann erregt wird, wenn das Relais K1 erregt wird. Die Hilfsrelaiskontakte 3K1 sind

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ähnlich den Kontakten 1K1 und arbeiten gleichzeitig mit diesen, obwohl sie nicht die gleiche Stromlast führen.

Das Relais K2 ist ein herkömmliches Gleichstromrelais mit einem Spannungsbereich gleich dem Ausgang des Brückengleichrichters BR1. Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Relais K2 eine kurze Zeit lang nach der Entregung des Relais K1 und somit dem öffnen der Kontakte 3K1 erregt bleibt. Eine bekannte Technik zur Erreichung dieser Verzögerung liegt darin, einen Kondensator über die Wicklungen des Relais K2 vorzusehen, welcher durch das Netzgerät geladen wird und sich dann in die Relaisspule hinein entlädt, wenn der Netzgerätausgang aufhört.

Um jedoch eine Zeitverzögerung vorzusehen, die lang genug ist, um sicherzustellen, daß die Kontakte des Relais K2 nach der Entregung des Relais K1 geschlossen bleiben, müßte ein Kondensator, der parallel zu den Relaiswicklungen angeschlossen ist,eLne solche Größe haben, daß er wesentlich die Spannung über dar Relaisspule infolge der Neigung des Kondensators, sich auf die Spitzenausgangsspannung (etwa 1,414

aufzuladen

mal der RMS-Ausgangsspannung) des Brückengleichrichtersyf erhöhen würde, wodurch die Relaisspule so bemessen und gestaltet sein müßte, daß sie zu dieser höheren Spannung paßt. Dies ist erfindungsgemäß jedoch nicht notwendig, weil der Kondensator C1 von der Spule des Relais K2 durch die Tätigkeit der Diode

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D1 isoliert ist, während die Kontakte 3K1 geschlossen sind.

Der Kondensator C1 lädt sich jedoch auf die Spitzenausgangsspannung des Brückengleichrichters schnell auf, weil dort kein Vorwiderstand in Reihe mit ihm liegt; und diese höhere Spannung führt zu einer längeren Verzögerungszeit als möglich wäre, wenn ein Kondensator gleicher Größe (3 Millifarad L 3mfd3 ) dauernd parallel zum Relais angeschlossen wäre. Andererseits liegt der Kondensator C2 parallel zur Spule des Reiais K1, und seine Kapazität (3 Millifarad) ist nicht groß genug, um die Durchschnittsspannung auf der Relaisspule wesentlich anzuheben.

Wenn jedoch die Relaiskontakte 3K1 öffnen, beginnt das Magnetfeld um die Wicklungen des Relais K2 zusammenzufallen und einen Stromfluß durch die Diode D2 und den Widerstand R4 zu induzieren. Dieser Strom reicht aus, um eine Spannung auf Leitung 75 zum Tor SCR1 in den Leitungszustand hin zu erzeugen, wodurch der Kondensator C1 direkt über die Wicklungen des Relais K2.angeschlossen wird. Genug Strom fließt dann weiterhin durch diese Wicklungen, um diese Relaiskontakte eine Zeit lang geschlossen zu halten, welche durch die Kapazität von C1, den Widerstand von K2 und die Spannung der den Anker gegen das Magnetfeld vorspannenden Feder bestimmt ist. Wenn der Strom aus dem Kondensator C1 durch das SCR1 und die Wicklung des Relais K2 unter den Haltestrom des SCR fällt, polt er sich ab, und die

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Schaltung wird in ihren ursprünglichen Zustand zurückgebracht. Der Kondensator C1 lädt sich schnell auf die Spitzenausgangsspannung des Brückengleichrichters auf, und wenn deshalb der Schalter S1 nur kurzzeitig geschlossen wäre, bestünde eine ausreichende elektrische Ladung auf dem Kondensator C1, um sicherzustellen, daß das Relais K2 nach dem Relais K labschaltet. Diese Schaltung stellt deshalb sicher, daß das Relais K2 in einer zweckmäßigen Folge bezüglich dem Relais K1 arbeitet, unbeachtlich der Dauer des Schließens des Schalters S1.

Der Betrieb der Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf das Zeitdiagramm der Figur 8 geschrieben. Zur Zeit t₁ ist Schalter S1 geschlossen und speist Energie über den sicherungsgesteuerten Schalter 35 zum Hauptrelais K1. Man sollte wissen, daß der Schalter S1 nur irgendeine Vorrichtung darstellt, die zur Steuerung der Aufbringung elektrischen Stromes von einer Quelle 10 auf eine Last 15 benutzt werden kann. Nachdem Strom zur Spule des Relais K1 zugeführt wird, beginnt der Relaisanker, die Spule zu bewegen, die Relaiskontakte 2K1 schließen zur Zeit t_, wonach die Relaiskontakte 1K1 und 3K1 zur Zeit t, schließen und danach die Relaiskontakte 2K1 zur Zeit t₄ öffnen.

Nach dem Schließen der Kontakte 3K1 zur Zeit t₃ wird Energie zur Spule des Hilfsrelais K2 durch die in Figur 1 gezeigte Schaltung zugeführt, und der Anker dieses Relais beginnt sich einzuziehen, wobei die Kontakte 40-42 zuerst zur Zeit t₅ schließen,

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und danach schließen die Kontakte 40-41 zur Zeit t,, und

danach öffnen die Kontakte 40-42 zur Zeit t_?. Weil die Kontakte 40-42 kurz vor dem Schließen der Kontakte 40-41 schliessen, wird kurzzeitig ein Strompfad durch die Sicherungslasche 48 zwischen den Zeiten t^ und t, hervorgerufen. Obwohl die Kontakte 40-42 bis zur Zeit t₇ geschlossen bleiben, ist der Strompfad durch die Sicherungslasche nach dem Schließen der Kontakte 40-41 kurzgeschlossen.

Es sei jedoch bemerkt, daß kein Strom durch die Sicherungslasche 48 zu dieser Zeit fließt, wenn die Kontakte 1K1 geschlossen sind und die Triacs T1 und T2 tatsächlich zur Zeit t. ausgesteuert oder abgeschaltet haben, was vor dem Schliessen der Kontakte 40-42 zur Zeit t,- erfolgt. Bei der in Figur 3 gezeigten Ausfuhrungsform führen die Relaiskontakte 4K1 und 5K1 Steuer- bzw. Torstrom zur selben Zeit wie die Relaiskontakte 2K1 zu den Triacs Ta und T2. Nach dem öffnen des Schalters S1 zur Zeit t„ wird Strom von der Spule des Relais K1 fortgenommen, der Relaisanker beginnt abzufallen, und die Kontakte 2K1 schließen dann zur Zeit t_g, wonach die Relaiskontakte 1K1 und 3K1 zur Zeit t.. öffnen. Weil die Relaiskontakte 3K1 den Strom zur Spule des Relais K2 vorsehen, würde dieses Relais normalerweise abfallen, abgesehen von der in Figur 1 gezeigten Zeitverzögerungsschaltung; die Spannung auf der Spule von K2 steigt jedoch tatsächlich an und klingt danach infolge der Tätigkeit des Kondensators C1 ab.

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Die Kontakte 2K1 öffnen zur Zeit t_11# um den Steuer- bzw. Torstrom zu den Triacs T1-T3 abzunehmen, welche danach abschalten bzw. auspolen. Wenn der Strom durch die Relaisspule K2 auf den Relaisabfallstrom heruntergeht, beginnt sein Anker sich fortzuziehen, die Kontakte 40-42 schließen zur Zeit t_, die Kontakte 40-41 schließen zur Zeit t₁₃, und die Kontakte 40-42 öffnen wieder zur Zeit t..*. Zwlxhen den Zeiten t-₃ und t... schaffen die Kontakte 40-42 einen Strompfad durch die Sicherungslasche 48, und sollten die Triacs T1 und T2 defekt sein, würde ein Strompfad zwischen der Quelle 10 und der Last 15 ausreichender Größe erzeugt, um die Lasche 48 ausbrennen zu lassen und danach die Schaltung abzuschalten.

Die Sicherungslasche 48 öffnet unter Ansprechen auf einen Strom über 250 Milliamper; in dem Falle jedoch, wenn die Triacs T1 und T2 fehlerhaft arbeiten, ist der durch die Sicherungsschaltung geführte Strom um el-nige Größenordnungen größer als dies, je nach der Last; und deshalb öffnet das Sicherungselement äußerst schnell für den Fall eines tatsächlichen Fehlers, und zwar gut innerhalb der Zeit t-^'t-^·

Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist die offene Schaltung, welche durch die Kontakte 40-42 vorgesehen ist, die jeglichen Strom daran hindern, nach der Zeit t.. zur Last geführt zu werden, wodurch das Wartungspersonal von unbeabsichtigten kleineren Schocks geschützt wird, die man bei der Verwendung bekannter

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Festkörperlichtbogen-Unterdrückungsschaltungen häufig antrifft. Somit sind nicht nur die Kontakte 1K1 offen, sondern die Festkörperlichtbogen-Unterdrückungsschaltung ist isoliert und kann keinen Leckagestrom zur Last 15 führen. Während dieser Leckagestrom möglicherweise nicht ausreicht, um eine mit dem Ausgang der Vorrichtung in Berührung kommende Person direkt zu gefährden, kann er doch eine Muskelreaktion hervorrufen, die zu Sekundärverletzungen führt. Weil die Bogen-Urterdrückungsschaltung auch von der Last durch das Relais K2 isoliert ist, können die Festkörpervorrichtungen nicht infolge Einschalt- oder Stoßimpulsen eingeschaltet werden.

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Claims

Dr. Hans-Heinrich Willrath t

Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus Seiffert

PATENTANWÄLTE File 6167

D - 62 WIESBADEN 7. März 1977

S/B P°^slfadl^e 6145 Gustav-Freytag-Stra6e 15 «· (06121) 3717 JO Telegrammadresse: WILLPATENT Telex : 4-186 247

Power Management Corporation, 2211 Acorn Drive, Dayton, Ohio 4 5419 / ü S A

Kontaktvorrichtung mit Bogenunterbrechung

Priorität: 11. März 1976 in USA, Serial-No. 666 152

Patentansprüche

1| Verfahren zum Trennen einer Last von einer Wechselstroraquelle, welche Wechselstrom durch die Kontakte eines Relais zur Last geführt hat, dadurch gekennzeichnet, daß Steuer- bzw. Torstrom zu einer Halbleiterlichtbogen-Unterdrücküngsschaltung augeführt wird, die während des öffnens der Kontakte parallel zu den Kontakten liegt, danach die

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ORK3INAL INSPECTED

Größe des Leckagestromes durch die Lichtbogen-Onterdrückungsschaltung abgefühlt wird und ein weiterer Betrieb des Relais für den Fall verhindert wird, daß der Leckagestrom eine bestimmte Größe überschreitet, und daß danach die Schaltung zwischen der Lichtbogen-Unterdrückungsschaltung und den Kontakten zur vollständigen Isolierung der Trennung von der Last geöffnet wird.
2. Schaltkreis zum Trennen einer elektrischen Stromquelle von einer Last, insbesondere elektrische Kontaktiereinrichtung zum Verbinden und Trennen einer Wechselstromquelle und einer Last, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptrelais (K1) Hauptkontakte (1K1) aufweist, welche zwischen der Stromquelle (10) und der Last (15) angeschlossen sind, ferner erste Hilfskontakte (2K1), welche kurzzeitig vor dem öffnen und Schließen der Hauptkontakte (1K1) schließen und kurz danach öffnen, und zweite Hilfskontakte (4K1-5K1) hat, die im wesentlichen gleichzeitig mit den Hauptkontakten (1K1) öffnen und schließen, eine Festkörperlichtbogen-Unterdrückungsschaltung (2O) vorgesehen ist, welche auf die Tätigkeit der ersten Hilfskontakte (2K1) anspricht und parallel zu den Hauptkontakten (1K1) zur Schaffung eines Strempfades mit niedriger Impedanz um die Hauptkontakte (1K1) herum zur Unterdrückung der Lichtbogenentwicklung angeschlossen ist, ein Hilfsrelais (K2) Kontakte (4O-41) aufweist, die elektrisch in Reihe mit der Bogen-Unterdrückungsschaltung (20) angeschlossen sind und in Abhängigkeit von den zweiten Hilfskontakten (4K1-5K1) arbeiten, wodurch die Bogen-

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Unterdrückungsschaltung (20) wHhrend des anfänglichen Schließens der Hauptkontakte (1K1) elektrisch isoliert ist, und daß eine Verzögerungsschaltung (C1) mit dem Hilfsrelais (K2) für die Verzögerung dessen Abschaltung und Schaffung eines Strompfades durch die Lichtbogen-Unterdrückungsschaltung (20) während des öffnens der Hauptrelaiskontakte (1K1) verbunden ist, und daß die Kontakte (40-41) des Hilfsrelais (K2) danach zur elektrischen Isolierung der Lichtbogen-Unterdrückungsschaltung (20) öffnen, wodurch ihr unbeabsichtigter Betrieb verhindert wird und kein Leckagestrom dort hindurchfließen kann.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungssc-haltung eine Gleichstromquelle (BR1, D1) aufweist, einen zum Aufladen auf die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle (D1) angeschlossene Kapazität bzw. ein Kondensator (C1) angeschlossen ist und eine Schaltung (D2, R4) zwischen dem Kondensator (C1) und dem Hilfsrelais (K2) liegt und auf das öffnen der zweiten Hilfskontakte (4K1-5K1) zur Verbindung des Kondensators (C1) parallel zum Hilfsrelais (K2) anspricht, wodurch eine Stromquelle geschaffen ist und ihre Abschaltung verzögert ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung eine Diode (D2) und einen Widerstand (R4) aufweist, welche über die Relaisspule (K2) geschaltet sind zur Entwicklung einer Spannung in Abhängigkeit vom Zusammenfallen

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des magnetischen Feldes, welches zu der Spule gehört, und daß ein torgesteuerter Thyristor elektrisch zwischen dem Kondensator (C1) und der Spule des Hilfsrelais (K2) angeschlossen ist und daß sein Tor oder Gatt mit dem Widerstand (R4) verbunden ist.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskontakte (2K1-5K1) kurzzeitig vor dem öffnen der Hauptkontakte (1K1) schließen und kurz danach öffnen, die Bogen-Unterdrückungsschaltung (20) einen Strompfad niedriger Impedanz um die Hauptkontakte (1K1) herum kurzzeitig während des öffnens derselben vorsieht, wodurch die Lichtbogenbildung unterdrückt wird, und daß eine Schutzschaltung (30) elektrisch in Reihe mit der Bogen-Unterdrückungsschaltung (20) verbunden ist und nach dem öffnen der Hauptrelaiskontakte (1K1) zur elektrischen Isolierung der Bogen-Unterdrückungsschaltung (20) nach dem vollständigen öffnen der Hauptkontakte (1X1) wirkt.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung(30) einen sicherungsgesteuerten Schalter (35) aufweist, der eine normalerweise geschlossene Schalteinrichtung (46) aufweist, die elektrisch in Reihe zu dem Hauptrelais (1K1) liegt, und eine Sicherungsschaltung (45) auf übermäßigen Stromfluß durch sie hindurch anspricht und zur Veranlassung des öffnens des normalerweise geschlossenen Schal-

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ters (46) angeschlossen ist, ein Hilfsrelais (K2) vorgesehen ist und eine Einrichtung (C1) zur Verzögerung der Abschaltung des Hilfsrelais (K2) vorgesehen ist, bis die

Hauptrelaiskontakte (1K1) geöffnet sind, und daß das Hilfseine

relais (K2)/Kontakteinrichtung aufweist, die

(a) beim Einschalten des Relais (K2) einen Strompfad durch dieses hindurch gewährleistet, wodurch die Bogen-Unterdrückungsschaltung (20) zur Schaffung eines Strompfades mit niedriger Impedanz um die Hauptrelaiskontakte (1K1) herum wirkt,

(b) nach dem Abschalten des Hilfsrelais (K2) einen kurzzeitigen Strompfad durch die Sicherungsschaltung (35, 46) vorsieht, wodurch übermäßiger Strom, welcher durch die Bogen-ünterdrückungsschaltung (2O) fließt, die Sicherungsschaltung (35) zum öffnen des normalerweise geschlossenen Schalters (46) und Abschalten des Hauptrelais (1K1) veranlaßt, und

(c) danach die Schaltung durch die Bogen-Unterdrückungsschaltung (2O) öffnet, damit kein Strom durch sie hindurch- fließt, wodurch unbeabsichtigter Betrieb der Bogen-ünterdrückungsschaltung verhindert ist und die Stromquelle (10) von der Last (15) vollständig isoliert ist.

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7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch betätigte elektrische Kontakte (60, 64) zur Stromführung zu einer Last (15) auf kontinuierlicher Basis vorgesehen sind, wenn sie geschlossen sind, erste und zweite in Reihe liegende Triacs (T1, C2) elektrisch parallel zu den Kontakten verbunden sind, ein drittes Triac (T3) seine Hauptanschlüsse mit den Torelektroden der in Reihe liegenden Triacs (T1, T2) verbunden hat, eine Schalteinrichtung elektrisch mit der Torelektrode des dritten Triacs (T3) verbunden ist und daß eine Einrichtung (50) zur Betätigung der Schalteinrichtung mit den mechanisch betätigten Kontakten (60, 64) vorgesehen ist zur Schaffung von Steuer- oder Torstrom zum dritten Triac (T3) unmittelbar v-or und während des öffnens und Schließens der Kontakte (60, 64), wodurch das dritte Triac (T3) Steuerstrom zu den in Reihe liegenden Triacs (T1, T2) und damit einen Strompfad niedriger Impedanz um die Kontakte herum kurzzeitig während des öffnens und Schließens derselben schafft, wodurch die Lichtbogenbildung unterdrückt wird.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeich -net, daß mechanisch betätigte elektrische Kontakte (60, 62) vorgesehen sind zur Führung des Stromes zu einer Last (15) auf kontinuierlicher Basis, wenn sie geschlossen sind, erste und zweite in Reihe liegende Triacs (T1, T2) parallel zu den Kontakten (6O, 62) elektrisch verbunden sind, erste und zweite Schalteinrichtungen elektrisch mit den entsprechenden Tor-
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elektroden der ersten und zweiten Triacs (T1, T2) verbunden sind und eine Einrichtung vorgesehen ist für die Betätigung der ersten und zweiten Schalteinrichtung mit den mechanisch betätigten elektrischen Kontakten (60, 62), wodurch die Schalteinrichtung unmittelbar vor und während des Offnens und Schließens der Kontakte schließt und Torstrom oder Steuerstrom vorsieht, um die in Reihe liegenden Triacs (T1, T2) einzuschalten, wodurch ein Strompfad niedriger Impedanz parallel zu den Kontakten kurzzeitig während des öffnens und Schließens derselben geschaffen ist und die Lichtbogenbildung unterdrückt ist.
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