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"Elektrisches Schaltgerät"
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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät mit wenigstens
einer Kont'aktanordnung, an der im Falle einer Ausschaltung zumindest ein Schaltlichtbogen
gezogen wird, der mittels der Kontaktanordnung zugeordneter steuerbarer Halbleiterventile
gelöscht wird.
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Derartige Schalter nennt man sogenannte Hybridschalter.
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Die Kontakt- und Löschsysteme von Wechselstromschaltgeräten unterliegen
insbesondere bei Schwerlastbetrieb starkem Verschleiß durch die auftretenden Schaltlichtbögen,
wodurch sich ihre Lebensdauer beträchtlich verringert. Ein gfinstizeres Verhalten
zeigen unter derartigen Belastungen sogenannte Hybridschaltsysteme, Schalter der
eingangs genannten Art, bei denen der Laststrom nach öffnen der Hauptkontakte auf
einen Nebenweg kommutiert und dort durch eingebaute Halbielterventile im Nulldurchgang
abgeschaltet wird. Derartige Hybridschalter haben gegenüber konventionellen, rein
mechanischen
Schaltgeräten den Nachteil, daß im ausgeschalteten
Zustand keine galvanische Trennung zwischen Netz und Verbraucher vorhanden ist,
so daß für viele Anwendungen die Reihenschaltung eines weiteren stromlos öffnenden
Schaltgerätes erforderlich ist. Hiermit entstehen zusätzliche geräte- und steuerungstechnische
Aufwendungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein elektrisches Schaltgerät
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem mit möglichst geringem Aufwand und
hoher Zuverlässigkeit die Trennstellen im Laststromkreis innerhalb des Schaltgerätes
selbst erzeugt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß die Kontaktanordnung
als an sich bekannte Doppelkontaktanordnung ausgebildet ist und daß die Kontaktstellen
durch gesteuerten Bewegungsablauf der Doppelkontaktanordnung zeitlich nacheinander
öffnen, wobei der zuerst öffnenden Kontaktstelle das wenigstens eine steuerbare
Halbleiterventil parallelgeschaltet ist.
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Dabei kann die Doppelkontaktstelle in an sich bekannter Weise eine
durch einen Antriebsstößel betätigbare Kontaktbrücke besitzen, welcher Antriebsstößel
auf die Kontaktbrücke auBerhalb ihres Schwerpunktes bei einer Ausschalthandlung
einwirkt, wobei die Angriffsstelle näher an der Kontaktstelle liegt, die zuerst
geöffnet wird.
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Aufgrund der Öffnung der einen Kontaktstelle wird der Strom von dieser
Kontaktstelle auf das Halbleiterventil kommutiert, so daß dort der Strom unterbrochen
wird. Die eigentliche,
mechanische Trennstelle erfolgt dann bei
der anderen Kontaktstelle, wenn diese geöffnet ist.
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Um die Wirkungsweise der Anordnung zu verbessern, insbesondere um
mit Sicherheit eine Öffnung der einen Kontaktstelle zuerst zu bewirken, ist der
Antriebsstößel an der zur Kontaktbrücke hin gerichteten Fläche, mit der er gegen
die Kontaktbrücke anliegt, abgeschrägt, derart, daß die zuerst mit der Kontaktbrücke
in Berührung kommende Kante die Spitze der Abschrägung darstellt.
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Durch die Anschrägung gelangt die Spitze außermittig gegen die Kontaktbrücke
und öffnet so die eine Kontaktstelle.
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In vorteilhafter Weise kann der sich zunächst öffnenden Kontaktstelle
ein Anschlag zugeordnet sein, gegen den die Kontaktbrücke im Verlauf einer Ausschalthandlung
zum Anliegen kommt und gegenüber dem die Kontaktbrücke bei weiterem Ausschalten
verdreht wird. Der Anschlag wäre dann so zu bemessen, daß die Kontaktstelle, die
sich zuerst öffnet, soweit geöffnet wird, daß eine Rückzündung bei wiederkehrender
Spannung vermieden wird, daß aber eine weitere Verdrehung zur besseren bzw. schnelleren
Öffnung der anderen Kontaktstelle ermöglicht wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann dahin gehen,
daß die Kontaktbrücke mit zwei Federn in Richtung Schließen der Kontaktstellen beaufschlagt
ist, deren Kraftrichtungen mit den Kontaktstellen fluchten. Dadurch wird insbesondere
das Wiederschließen des Schalters erleichtert.
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Insbesondere dann, wenn die sich zuerst öffnende Kontaktstel-
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beim Einschaltvorgang zuletzt geschlossen werden soll, sind diese Federn von vorteilhafter
Wirkung.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet
sein, daß der Antriebsstößel an der zur Kontaktbrücke hin gerichteten Fläche eine
Doppelabschrägung besitzt, deren Spitze auRerhalb des Schwerpunktes der Kontaktbrücke
angreift, dergestalt, daß beim Ausschalten die Kontaktbrücke zunächst gegen die
eine Schrägfläche, nach Erreichen des Anschlages und nach Ausführung einer Kippbewegung
gegen die andere Schrägfläche anliegt, womit beim Einschalten die Kontaktstelle,
die zuletzt geöffnet hat, nunmehr zuletzt schließt. Dadurch wird das Halbleiterventil
vom Einschaltstrom entlastet.
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Mit dieser Ausgestaltung der zur Kontaktbrücke hin gerichteten Fläche
wird eine optimale Bewegung der Kontaktbrücke beim Ausschalten bewirkt.
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Die Doppelunterbrechungsanordnung mit den beiden Kontaktstellen ist
mit einer Kontaktbrücke versehen; es besteht natürlich auch die Möglichkeit, die
beiden Kontaktstellen axial anzuordnen wobei die Kontaktstellen jeweils zwischen
axial verschieblichen Kontaktstiften liegen, wobei am mittleren Kontaktstift, an
dessen einem freien Ende die sich zuerst öffnende Kontaktstelle bildet, eine Verzögerungseinrichtung
vorgesehen ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann dahin gehen, daß
in an sich bekannter Weise (P 31 32 338.3) die Lichterscheinung des Schaltlichtbogens
die Zündung des
steuerbaren bzw. der steuerbaren Haibleiterventile
bewirkt.
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Ferner kann in an sich bekannter Weise eine mit der zuerst öffnenden
Kontaktstelle mechanisch gekoppelte Hilfsschalteranordnung vorgesehen sein, die
bei Trennung der ersten Kontaktstelle die durch die Potentialdifferenz an der Kontaktstelle
aufgrund des Lichtbogens erzeugte Spannung bzw.
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den dadurch erzeugten Strom auf den Zündanschluß des steuerbaren Halbleiterventiles
aufschaltet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren
Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestelt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verbesserungen näher erläutert und beschreiben werden.
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Es zeigt Figur 1 eine erste Ausgestaltung der Erfindung in Einschaltstellung,
Figur 2 die Ausgestaltung gemäß Figur 1 bei geöffneter erster Kontaktstelle, Figur
3 die Ausgestaltung gemäß den Figuren 1 und 2 in Ausschaltstellung, Figur II eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung in Ausschaltstellung und
Figur
5 eine dritte Ausführungsform der Erfindung in Einschaltstellung.
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Das Schaltgerät gemäß den Figuren 1 bis 3 besitzt eine erste Anschlußklemme
10, die über einen Verbindungsleiter 12 mit dem Festkontaktstück 14 einer ersten
Kontaktstelle 16 in Verbindung steht, wobei die Kontaktstelle 16 durch das feste
Kontaktstück 14 und ein bewegliches Kontakt stück 18 gebildet wird, das an einer
Kontaktbrücke 20 angebracht ist, die wiederum ein zweites bewegliches Kontaktstück
22 trägt, das mit einem weiteren FestkontaktstUck 24 die zweite Kontaktstelle 26
bildet. Das feste Kontaktstück 24 ist auf einem Verbindungsteil 28 angebracht, das
mit einer weiteren Anschlußklemme 30 fest Verbunden ist. Der Strom fließt nun gemäß
Pfeilrichtung I-I von der Anschlußklemme 10 über die Kontaktstelle 16, die Kontaktbrücke
20, die Kontaktstelle 26 hin zur anderen Anschlußklemme 30. Der Kontaktdruck an
den Kontaktstellen 16 und 26 wird mittels zweier Federn 32 und 34 bewirkt, die an
einem Abstützteil 36 eines Kontaktbrückenträgers 40 anliegen, welcher Kontaktbrückenträger
ein Schiebeelement 42 besitzt, das eine Schrägfläche 44 und in Abstand zu dieser
eine Horizontalfläche 46 aufnimmt, zwischen denen ein Fenster 48 zur Aufnahme der
Kontaktbrücke angeordnet ist.
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Die Kante 50 der Schrägfläche liegt außermittig und in der Nähe der
Kontaktstelle 16.
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Parallel zur der Kontaktstelle 16 liegt ein Halbleiterventil 52. Mit
dem Kontaktstückträger 40 ist eine Stange 54 verbunden, an derem Ende eine Verdickung
56 angeformt ist, die in einem Fortsatz 58 endet. Die Verdickung 56 greift in ein
Bauteil
60 mit einer zylindrischen Bohrung 62 ein, die zwei Bereich 64 und 66 besitzt, deren
Durchmesser unterschiedlich sind. Der Bereich 64 besitzt einen gegenUber dem Bereich
66 yergrößerten Durchmesser, wogegen der Durchmesser des Bereiches 66 dem Außendurchmesser
des Bereiches 56 entspricht, so daß der letztere quasi wie ein Kolben in den Bereich
66 eingreifen kann.
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Nach oben hin besitzt das Teil 60 einen nach innen ragenden, die Ausnehmung
62 abschließenden Flansch 68, dessen Innendurchmesser dem Fortsatz 58 entspricht,
so daß dann, wenn der Fortsatz 58 in die Innenausnehmung des nach innen weisenden
Flansches eingreift, die Ausnehmung 62 nach oben hin abgeschlossen ist und lediglich
mit einem Kanal 70 mit der Umgebung in Verbindung steht.
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Der Kontaktbrückenträger 40 ist mit einem Schlitz 72 versehen, durch
den ein Zapfen 64 hindurchgreift, der zur Führung der Kontaktbrücke 20 dient.
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In der Figur 1 ist die Einschaltstellung dargestellt. Wenn nun der
Schalter ausgeschaltet werden soll, dann bewegt sich der Kontaktbrückenträger 40
in Pfeilrichtung A1, bis die Kante 50 gegen die Unterseite der Kontaktbrücke 20
greift. Da die Kante 50 außerhalb der Mitte der Kontaktbrücke 20 angreift, wird
die Kontaktstelle 16 zuerst geöffnet, so daß der Strom auf den Nebenzweig mit dem
Halbleiterventil 52 kommutiert wird. Er fließt nun gemäß Pfeilrichtung I1 nicht
mehr über die Kontaktstelle 16, die ja schon geöffnet hat, sondern über das Halbleiterventil
52 und den Nebenweg 53. In dem in der Figur 2 dargestellten Moment ist die Kontaktstelle
26
noch geschlossen und der Kolben 56 hat sich aus dem Bereich
64 hin zu dem Bereich 66 bewegt, so daß er dort diesen Bereich 66 gerade "anschnäbelt".
Der Fortsatz 58 gelangt in die durch den Flansch 68 gebildete Ausnehnmung, so daß
der Raum 66 nur noch über den Kanal 70 mit der Umgebung in Verbindung steht, wodurch
die Anordnung 60, 66 und 70 zusammen mit dem Kolben 56 und dem Fortsatz 58 als eine
Art Dämpfer wirkt, deren Dämpfeigenschaften von der Toleranz zwischen dem Außendurchmesser
des Kolbens 56 und dem Innendurchmesser des Bereiches 66 und der Öffnung 70 bestimmt
wird. In jedem Falle beginnt zu dem Zeitpunkt, in dem der Schalter bzw. das Schaltgerät
die Stellung gemäß Figur 2 eingenommen hat, die Luft aus dem Bereich 66 über den
Kanal 70 gemäß Pfeilrichtung L abzuströmen.
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Nach Kommutierung des Stromes auf das Halbleiterventil 52 wird dieser
in seinem nächsten Nulldurchgang unterbrochen, so daß die Kontaktstelle 16 lichtbogen
und stromlos ist. Die Kontaktstelle 26 führt ebenfalls keinen Strom mehr und bei
weiterer Ausschaltbewegung gem. Pfeilrichtung A1 wird auch die Kontaktstelle 26
geöffnet, und die Kontaktbrücke legt sich an die Fläche 44 an, wie in der Figur
3 dargestellt ist.
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Die Dämpfungseinrichtung dient zunächst dazu, die Kontaktstelle 26
solange geschlossen zu halten, bis der Strom auf das Halbleiterventil 52 kommutiert
ist, was dadurch erfolgt, daß die Aufwärtsbewegung der Kontaktbrücke 20 verzögert
wird.
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Dabei ist der Kolben 56 in der Stellung gemäß Figur 3 vollständig
in den Bereich 66 eingefahren.
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Die gewünschte stromlose Öffnung der Kontaktstelle 26 darf bei dreiphasiger,
netzfrequenter Anwendung frühestens 15
Millisekunden nach der Öffnung
der Kontaktstelle 16 beginnen.
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Der hierfür erforderliche zeitliche Verlauf der Ausschaltbewegung
kann anstelle der in der Figur 1 bis 3 gezeigten Beeinflussung durch pneumatische
Bedämpfung (Bauteile 60, 56, 66...) auch mittels einer gleichwertigen Bewegung des
Antriebsstößels 42 des Kontaktträgers 40 über ein Kurvenscheiben- oder Kulissengetriebe
bewirkt werden. Bei mehrpoligen Schaltern kann die Beeinflussung des Bewegungsablaufes
sowohl für jeden Strompfad einzeln in der beschriebenen Weise als auch gemeinsam
für alle Strompfade vorgenommen werden.
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Als steuerbares Halbleiterventil 52 können Triacs oder antiparallel
geschaltete Thyristoren Verwendung finden, deren Ansteuerung bei Öffnung der Kontaktstelle
16 durch einen Wischkontakt aus dem Hauptstromkreis erfolgen kann. Beim Einsatz
lichtsteuerbarer Ventile können diese durch die Leuchterscheingung des sich an der
Kontaktstelle 16 kurzzeitig ausbildenden Schaltlichtbogens gezündet werden. In ähnlicher
Weise können konventionell ansteuerbare Ha'bleiterventile über optoelektronische
Sensoren angesteuert werden.
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Die Einschaltung erfolgt genau umgekehrt: Zuerst schließt die Kontaktstelle
26 und dann erst die Kontaktstelle 16. Bei der Verwendung eines Wischkontaktes zur
Zündung der Halbleiterventile führen diesen den Einschaltstrom des Verbrauchers
für den Zeitbereich, in dem die Kontaktstelle 26 bereits geschlossen, die Kontaktstelle
16 aber noch offen ist. Soll dies wegen der dabei auftretenden Beanspruchung der
Ventile vermieden werden, so kann die Anordnung nach der Figur 4 verwendet werden.
Zu diesem Zwecke besitzt der Antriebsstößei
42 eine doppelt abgeschrägte
Fläche 80 mit zwei Bereichen 82 und 84, wobei der Antriebsstößel 42 eine Ausnehmung
86 besitzt, in der eine Feder 8'8 sich befindet, die zwischen dem Antriebsströßel
42 und auRermittig in Richtung zur Kontaktstelle 16 an der Kontaktbrücke 20 angebracht
ist. Die beiden Flächen 82 und 84 bilden eine Spitze 90, die ebenfalls auRermittig
zur Kontaktbrücke angeordnet ist. Der Kontaktstelle 16 im Bereich des steuerbaren
Halbleiterventiles 52 ist ein Anschlag 92 zugeordnet. Die Dämpfungseinrichtung ist
wieder die gleiche wie bei der Anordnung gemäß den Figuren 1 bis 3.
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Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Figur 4 ist wie folgt.
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Bei einem Ausschaltvorgang wird aufgrund des außermittigen Angriffes
des Stößels 42 zunächst die Kontaktstelle 16 geöffnet, wie dies auch bei den Anordnungen
gem. den Figuren 1 bis 3 der Fall war. Dadurch wird der Stromfluß auf das Halbleiterventil
52 kommutiert und dieses schaltet den Strom in seinem Nulldurchgang ab, bevor die
Kontaktstelle 26 geöffnet hat. Nach weiterer Öffnung gelangt die Kontaktbrücke 20
mit ihrem in der Nähe der Kontaktstelle 16 liegenden Bereich gegen einen Anschlag
92, so daß die Kontaktbrücke um den Anschlag 92 zur Öffnung der Kontaktstelle 26
verdreht wird. Die Feder 88 dient dann dazu, die Kontaktbrücke gegen die Fläche
84 anzulegen und dort zu stabilisieren. Beim darauf folgenden Einschaltvorgang wird
die Kontaktstelle 16 zuerst geschlossen, so daß das Halbleiterventil 52 vom Einschaltstrom
entlastet wird. Die Kontaktstelle 26 schließt dann erst nach der Kontaktstelle 16,
im Gegensatz zu den Anordnungen gem. der Figur 1 bis 3.
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Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist in der
Figur
5 ersichtlich. Das Doppelunterbrechungssystem ist in axialer Anordnung durch ein
festes Kontaktstück 102, ein in einer Hülse 104 beweglich geführtes Zwischenkontaktstück
106 und ein bewegliches Kontaktstück 108 gebildet. Die einzelnen Kontaktstellen
110 bzw. 112 befinden sich so zwischen dem festen Kontaktstück 102 und dem Zwischenstück
106 bzw. die andere Kontaktstelle 112 zwischen dem Zwischenstück 106 und dem beweglichen
Kontaktstück 108. Die Kontaktstelle 110 ist mittels Kontaktfedern 114 und die Kontaktstelle
112 mittels Kontaktfedern 116 überbrückt, wobei die Kontaktfedern 114 an der HUlse
104 in nicht näher dargestellter Weise befestigt sind. Die Hülse 104 ist aus elektrisch
leitfähigem Material gebildet und umgreift eine Anschlagscheibe 118, wobei zwischen
der Anschlagscheibe 118 und dem Boden 120 der Hülse eine Druckfeder 122 angeordnet
ist. Das feste Kontaktstück 102 ist in einem Isolierstoffblock 124 festgehalten,
so daß es von der Hülse 104 isoliert ist. Zwischen der Hülse 104 und dem beweglichen
Kontaktstück parallel zur Kontaktstelle 110 ist ein Halbleiterventil 126 geschaltet.
Der Ausschaltvorgang ist wie folgt: Zunächst wird die Kontaktstelle 110 geöffnet,
so daß der Strom von der Kontaktstelle 110 auf das Ventil 126 kommutiert wird. Der
Strom fließt dann von der Anschlußklemme 101 über das feste Kontaktstück 102, das
Halbleiterventil 126, die Hülse 104 und die Kontaktfedern 114 zu dem Zwischen stück
und von dort weiter hin zum beweglichen KontaktstUck 108, wobei die Kontaktstelle
112 aufgrund der Feder 122 weiterhin geschlossen bleibt. Im Nulldurchgang des Stromes
wird der Strom durch das Halbleiterventil abgeschaltet. Im weiteren Verlauf des
Abschaltvorganges wird die Anschlagscheibe von einem am freien Ende der Hülse 104
nach innen ragenden Anschlagsflansch 105 festgehalten, so daß sich die
zweite
Kontaktstelle 112 öffnen kann. Kontaktfedern 116, die normalerweise nicht vorgesehen
sein müssen, bewirken hierbei eine Verlängerung der Verzögerungszeit zwischen den
beiden Kontaktöffnungen, in dem die Kontaktfedern eine gewisse Zeit nach Öffnungen
der Kontaktstellen auf dem Zwischenstück 106 gleiten.
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Allen gezeigten Ausgestaltungen ist gemeinsam, daß innerhalb eines
einzelnen Doppelunterbrechungssystemes sowohl die Löschung des Schaltlichtbogens
und die Unterbrechung des Laststromes nach dem Hybridkonzept als auch die Herstellung
einer Trennstelle vorgenommen werden, so daß für die Herstellung einer Trennstelle
kein zusätzliches Schaltgerät erforderlich ist.