-
-
Schaltungsanordnung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz
von mechanischen Schaltgeräten, die mit durch Gleichstrom gespeisten ohmschen induktiven
Lasten in Reihe liegen, durch elektronische Schalter, die durch aus der Lastspannung
geladene, kapazitive Speicher steuerbar sind.
-
Bei einer bekannten Schaltungsanordnung der obengenannten Art (DE-OS
2 312 238) ist zur Verminderung der Erosion von Schalterkontakten eine Schalteinrichtung
in Form einer Zweirichtungsthyristortriode parallel zu den Kontakten des mechanischen
Schaltgerätes geschaltet. Ein reaktiver Steuerkreis ist mit einer Steuerelektrode
dieser Schalteinrichtung und mit mindestens einem Leistungsanschluß der Schalteinrichtung
verbunden, so daß der Steuerkreis selbsttätig einen Triggerimpuls bildet, der die
Schalteinrichtung sofort leitend macht, wenn die Vorrichtung bei Betrieb mit den
stromführenden Schalterkontakten verbunden wird und die Schalterkontakte geöffnet
werden. Diese Einrichtung hat einerseits den Nachteil, daß keine galvanische Trennung
zwischen Last und Netz bei geöffnetem mechanischen Schaltgerät vorhanden ist und
andererseits, daß bei Verwendung von Wechselspannung der Triac während des gesamten
verbleibenden Teils des T{albzyklusses der Wechselspannung leitend bleibt und daß
bei Verwendung von Gleichspannung ein Kondensator mit großer Kapazität erforderlich
ist, der mit dem Triac in Reihe parallel zum elektrischen Schaltgerät liegt. Darüber
hinaus können bei offenen Kontakten transiente Vorgänge in der Speise spannung ein
häufiges Triggern des Triacs verursachen.
-
Es ist an sich auch bekannt (DIN 43235, AI)sclO. 4.1) um lichtbogenarmcI
Schalten ohmisch indikt i ve r (.leicllstromkreise eine der Belastung parallel geschaltete
Frei litfdiode vorzusehen, die ei eingeschalteter Last in Sperrrichtung betrieben
wird. Nach Uffnen des Stromkreises kommutiert der Laststrom auf diesen Freilaufkreis,
so daß die in der Induktivität gespeicherte Energie gefahrlos abgebaut wird. Da
das Abklingen des Stromes von der Zeitkonstakte des Belastungskreises abhängt, ergibt
sich u.U. eine erhebliche Verzögerung der mit der Abschaltung bezweckten Funktion,
z.B. bei der Bewegung eines Magnetantriebes für elektromagnetische Schaltgeräte.
In einer verbesserten Freilaufschaltung (DE-AS 1 175 321) wird der Diode die Parallelschaltung
eines Kondensators mit einem Widerstand in Reihe geschaltet. Bei größeren Lastströmen
sind für eine ausreichende Wirkung aber wiederum große Kapazitätswerte erforderlich,
deren Realisierung teuer ist.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung
der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß keine Spannungsverschleppungen
über die Kontakte des mechanischen Schaltgerätes unter Beibehaltung des schnellen
Abbaues der Restenergie des ohmsch induktiven Lastkreises beim Ausschalten erfolgen.
Dies wird bei einer Schaltungsanordnung der obengenannten Art auf einfache Weise
dadurch erreicht, daß der elektronische Schalter und ein spannungsabhängiger Widerstand
parallel zur Last liegen. Für einen möglichst einfachen Aufbau der Schaltungsanordnung
ist es besonders vorteilhaft, wenn der aus der Lastspannung geladene, kapazitive
Speicher aus einem parallel zur Last und spannungsabhängigem Widerstand liegenden
Kondensator besteht, dessen einer Anschluß am Steueranschluß des elektronischen
Schalters liegt. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn unterschiedliche Strompfade
zum Auf- und Entladen des Kondensators vorgesehen sind. Die Zeitdauer bis zur Kommutie-
rung
des J,;lststromes üuf den spallnungsabhSngigen Widerstand kann unabhängig von der
gewählten Betriebs spannung gewählt werden, wenn dem Kondensator eine Zenerdiode
parallel liegt. Als elektronischer Schalter hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn
der elektrische Schalter ein Feldeffekttransistor ist.
-
Zum Schutz der Gate-Sorce-Strecke des Feldeffekttransistors vor transienten
Spannungsspitzen ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zum Aufladen aus dem Kondensator
vorgeschalteter Zenerdiode bestehen. Um sicherzustellen, daß der spannungsabhängige
Widerstand bei geschlossenem Schaltgerät nicht an Spannung liegt, ist es vorteilhaft,
wenn der Parallelschaltung aus elektronischem Schalter und spannungsabhängigem Widerstand
eine Diode vorgeschaltet ist. Damit braucht seine Begrenzungsspannung nicht über
der normalen Betriebsspannung zwischen den Klemmen zu liegen. Dies erlaubt auch
den Einsatz strommäßig hoch belastbarer Silizium-Karbid-Varistoren, ohne daß diese
unerwünschte Ruheströme führen müßten. Wird dem Kondensator eine Parallelschaltung
aus Diode und Widerstand vorgeschaltet, und wird zusätzlich auf der der Parallelschaltung
abgewandten Seite des Kondensators ein Widerstand parallel zur Zenerdiode und ein
weiterer Widerstand an den dem Kondensator abliegenden Verbindungspunkten der Parallelschaltung
von Widerstand und Diode und Widerstand und Zenerdiode angeschlossen, so wird erreicht,
daß die Auf- und Entladung des kapazitiven Speichers auf unterschiedlichen Stromwegen
erfolgt. Um einen weiteren Ladestrom bei Offenen des mechanischen Schalters schnell
zu verhindern ist es vorteilhaft, wenn in Reihe zur Parallelschaltung von Widerstand
und Diode am Verbindungspunkt mit dem weiteren Widerstand eine zur Diode umgekehrt
gepolte Diode liegt. Um gegenüber der Verwendung eines Feldeffekttransistors höhere
Strom- und Abschaltungswerte beim gegenwärtigen Stand der Bauelementeentwicklung
zu errcichen ist es vorteilhaft, wenn der
elektronische Schalter
ein abschaltbarer Thyristor ist.
-
Eine einfache Steuerung des Thyristors ist erreichbar, wenn die Steuerung
des Thyristors über vor- bzw. nacheilende Flilfsschalter des mechanischen Schaltgerätes
crfolgt.
-
Anhand der Zeichnung werden Allsführungsbeispicle gemiß der Erfindung
beschrieben und die Wirkungsweise näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung unter Verwendung eines
Feldeffekttransistors und Fig. 2 die Verwendung eines abschaltbaren Thyristors als
elektronischen Schalter.
-
Klemme 1 ist mit dem positiven, Klemme 2 mit dem negativen Pol des
Gleichstromnetzes verbunden. Bei geschlossenem Schalter 3 liegt diese Gleichspannung
an der aus dem ohmschen (4) und induktiven (5) Anteil gebildeten Last.
-
Der Laststrom fließt in Richtung des Pfeiles 6. Parallel zur Last
ist an den Klemmen 7 und 8 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung angeschlossen.Von
der Klemme 7 fließt über die Zenerdiode 9, die Zenerdiode 10, den zur Strombegrenzung
dienenden Widerstand 11 und die Diode 12 ein erster Hilfsstrom zur Klemme 8, der
an der Zenerdiode 10 deren Zenerspannung abfallen läßt. Der Kondensator 13 ist auf
diese Zenerspannung geladen; am Verbindungspunkt 14 liegt der positive, am Verbindungspunkt
15 der negative Pol dieser Spannung. Ein zweiter Hilfsstrom fließt von der Klemme
7 über den Widerstand 16 und die Diode 12 zur Klemme 8; dieser Stromweg ist zunächst
ohne Bedeutung.
-
Die Diode 17 wird bei geschlossenem Schalter 3 in Sperrrichtung belastet
und verhindert einen Stromfluß über den Feldeffekttransistor 18 oder den spannungsabhängigerl
Wider stand 19. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 18 ist gegenüber der
Source-Elektrode mit der Flußspannung
der Diode 9 negativ vorgespannt.
Wird der Schalter 3 geöffnet, so wird der Strom von der im induktiven Teil 5 der
Last gespeicherten Energie weiter in Richtung des Pfeiles 6 getrieben. Nach dem
Induktionsgesetzt kehrt sich dabei die Polarität der zwischen den Klemmen 7 und
8 liegenden Spannung um, sobald die Lichtbogenspannung des Schalters 3 den Augenblickswert
der Netzspannung erreicht; Klemme 7 ist nun der negative, Klemme 8 der positive
Pol. Damit sperrt zunächst die Diode 12. Der Kondensator 13 entlädt sich über die
Widerstände 20 und 16 sowie die Diode 21, so daß der Punkt 14 positives Potential
gegenüber dem Punkt 7 erhält. Damit wird der Feldeffekttransistor 18 leitend; der
Laststrom 6 fließt von Klemme 8 durch Diode 17 und Feldeffekttransistor 18 zur Klemme
7. Zwischen den Klemmen 8 und 7 liegt eine geringe Spannung, die sich aus der Flußspannung
der Diode 17 und der Drain-ource-Restspannung des Feldeffekttransistors 18 zusammensetzt.
Die Schaltungsanordnung wirkt damit ähnlich wie eine zwischen die Klemmen 7 und
8 geschaltete Freilaufdiode; die geöffnete Schaltstrecke 3 kann sich elektrisch
verfestigen. Hat sich der Kondensator 13 ausreichend entladen, wird der Feldeffekttransistor
18 hochohmig. Der Laststrom 6 wird nun auf den spannungsabhängigen Widerstand 19
kommutiert, der so ausgewählt ist, daß der Spannungsabfall an ihm unter der zulässigen
Drain-Source-Spannung des Feldeffekttransistors 18 liegt.
-
Wegen dieser hohen Gegenspannung wird die noch in der Induktivität
5 gespeicherte Restenergie schnell endgültig abgebaut. Hierbei tritt am offenen
Schalter 3 kein Lichtbogen mehr auf, da diese Luftstrecke bereits hoch isolierend
ist. Damit ist die gewünschte Wirkung erreicht.
-
Die Einfügung der Diode 17 bewirkt bezüglich des spannungsabhängigen
Widerstandes 19, daß dieser bei geschlossenem Schalter 3 in an sich bekannter Weise
nicht an Spannung liegt. Damit braucht seine Begrenzungsspannung nicht über der
normalen Betriebsspannung zwischen den
Klemmen 1 und 2 zu liegen.
Diese Tatsache erlaubt auch den Einsatz strommäßig hochbelastbarer Silizium-Karbid-Varistoren
für den Widerstand 19, ohne daß diese unerwünschte Ruheströme führen würden.
-
Die Zenerdiode 10 bewirkt, daß die Zeitdauer bis zur ommutierung des
Laststromes auf den Widerstand 19 unabhängig von der gewählten Betriebsspannung
wird, solange diese nur größer als die Zenerspannung ist. Die Zenerdiode 9 schützt
die Gate-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 18 vor transienten Spannungsspitzen.
-
Der untere Anschluß des Widerstandes 16 kann, statt an den Verbindungspunkt
22, auch an den Verbindungspunkt 15 angeschlossen werden; hierdurch verringert sich
die Ver-Iustleistung im stationären eingeschalteten Zustand. Ferner kann dann die
zur besseren Spannungsausnutzung des Kondensators 13 vorgesehene Diode 21 entfallen.
Gegenüber der Verschaltung gemäß Fig. 1 ist aber die zur vollständigen Aufladung
des Kondensators 13 erforderliche Mindestspannung zwischen den Klemmen 1 und 2 höher.
-
Fig. 2 zeigt eine zweite Schaltungsanordnung unter Verwendung eines
abschaltbaren Thyristors. Gleiche Teile sind hier mit gleichen Bezugszeichen verstehen.
Beim gegenwärtigen Stand der Bauelementeentwicklung sind gegenüber der Schaltung
nach Fig. 1 höhere Strom- und Abschaltspannungswerte erreichbar.
-
Von der Klemme 7 fließt über die Zenerdiode 10, den Widerstand 11
und die Diode 12 der Hilfsstrom zur Klemme 8.
-
Der Kondensator 13 ist auf die Zenerspannung der Zenerdiode 10 aufgelagen.
Der mit dem Schalter 3 gekoppelte Uffnerkontakt 3a ist offen, der nacheilende Schließerkontakt
3b ist geschlossen. Wird der Schalter 3 geöffnet, polt sich die Spannung zwischen
den Klemmen 7 und 8 um.
-
Damit fließt ein positiver Steuerstrom von der Klemme 8
über
die Diode 17, den Strombegrenzungswiderstand 24 und den noch kurzzeitig geschlossenen
Schalter 3b zur Steuerelektrode des abschaltbaren Thyristors 23. Dieser zündet und
realisiert den Freilaufkreis zwischen den Klemmen 8 und 7, auf den der Laststrom
kommutiert. Nachdem der Schalter 3b ebenfalls geöffnet wurdc, schließt der Schaltcr
3a. hierdurch wird der Kondensator 13 mit seinem negativen Anschluß an die Steuerelektrode
des abschaltbaren Thyristors 23 gelegt, so daß dieser wiederum sperrt.
-
Damit kommutiert der Laststrom auf den spannungsabhängigen Widerstand
19, wodurch die im induktiven Anteil 5 der Last gespeicherte Energie ohne weitere
Lichtbogenerscheinung abgebaut werden kann.
-
Beim Betrieb mit phasenanschnittgesteuerter Gleichspannung werden
vorteilhaft zusätzliche elektronische oder mechanische Schaltelemente eingesetzt,
die eine Ansteuerung des Freilaufkreises beim Offenen des mechanischen Schalters
ermöglichen, dies aber beim möglichen Auftreten negativer Augenblickswerte der versorgenden
Gleichspannung verhindern.
-
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird, um zu verhindern, daß bereits
im stationären Fall der Freilaufeffekt einsetzt, anstelle des verlängerten Schließerkontaktes
3b vorteilhafterweise ein Wischkontakt vorgesehen, z.B. durch Reihenschaltung eines
zusätzlichen, mit dem Schalter 3 gekoppelten, verlängerten Offnerkontaktes zum Schließer
3b. Hierdurch wird der Thyristor 23 nur beim Ausschaltvorgang des Schalters 3 gezündet.
-
Die mit dem Schalter 3 gekoppelten mechanischen Hilfsschalter können
vorteilhaft durch elektronische Schaltkreise ersetzt werden, die z.B. potentialfrei
von der Spulenspannung eines Schützes angesteuert werden. Hierdurch ist eine größere
Freizügigkeit bei der Gestaltung des zeitlichen Ablaufs der Zündung und Löschung
des Thyristors 23
möglich als mit mechanisch gekoppelten Schaltern.
Werden mehrerc ohmsch-induktive Verbrauche r aus einem gemeinsamen Gleichrichter
gespeist und besteht die Möglichkeit, daß die vom Gleichrichter kommcndc Leitung
bei geschlossellem Schalter 3 unterbrochen wird (z.B. durch übergeordnete Schutzorgane),
würden sich alle im Netzwerk gespeicherten Energien über den aktivierten Freilaufkreis
abbauen. Um Uberlastungen des elektronischen Schalters oder des spannungsabhängigen
Widerstandes zu verhindern, kann erforderlichenfalls zwischen den Schalter 3 und
die Parallelschaltung Last - elektronischer Schalter eine im normalen Betrieb im
Durchlaß befindliche Diode 25 geschaltet werden.
-
Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Schaltungen ist, daß zu
den Schaltern 3 kein leitfähiger Nebenweg besteht. Im offenen Zustand dieser Schalter
ist der Stromkreis damit sicher getrennt. Da im eingeschalteten Zustand keine Haibleiterstrecken
im Laststromkreis liegen, ist die Verlustleistung der Schaltungen gering.
-
Hierdurch ist es weiterhin möglich, handelsübliche Wechselstromschütze
ohne wesentlichen Umbau als Gleichstromschütze einzusetzen, insbesondere, wenn zur
schnellen Erreichung höherer Lichtbogenspannungen mehrere Schaltstrecken in Reihe
geschaltet werden. Ferner ist es möglich, die Abbrandersche inungen an Gleichstromschützen
entscheidend zu verringern, die häufig ohmsch-induktive Lasten mit hohen Zeitkonstanten
schalten müssen.
-
13 Patentansprüche 2 Figuren
- Leerseite -