DE3317942C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsan­ ordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung der oben­ genannten Art (GB 2 025 183 A) ist das Schaltgerät ein Transistor. Der parallel zur Last liegende elektronische Schalter wird durch den kapazitiven Speicher in Abhängigkeit vom Spannungsabfall am Schaltgerät zur Darstellung eines Freilaufkreises für eine Regelung des Laststromes eines Magnetventils eingeschaltet.

Es ist an sich auch bekannt (DIN 43 235, Absch. 4,1) zum licht­ bogenarmen Schalten ohmsch-induktiver Gleichstromkreise eine der Belastung parallel geschaltete Freilaufdiode vorzusehen, die bei eingeschalteter Last in Sperrichtung betrieben wird. Nach Öffnen des Stromkreises kommutiert der Laststrom auf diesen Freilaufkreis, so daß die in der Induktivität gespei­ cherte Energie gefahrlos abgebaut wird. Da das Abklingen des Stromes von der Zeitkonstante des Belastungskreises abhängt, ergibt sich u. U. eine erhebliche Verzögerung der mit der Ab­ schaltung bezweckten Funktion, z. B. bei der Bewegung eines Magnetantriebes für elektromagnetische Schaltgeräte. In einer verbesserten Freilaufschaltung (DE-AS 11 75 321) wird der Di­ ode die Parallelschaltung eines Kondensators mit einem Wider­ stand in Reihe geschaltet. Bei größeren Lastströmen sind für eine ausreichende Wirkung aber wiederum große Kapazitätswerte erforderlich, deren Realisierung teuer ist.

In einer weiteren bekannten Schaltung (DE-AS 22 58 112) wer­ den spannungsabhängig gezündete Thyristoren zur Begrenzung von Überspannungen an Lastkreisen parallel zur Last geschal­ tet. Wegen der fehlenden Stromnulldurchgänge ist die Schal­ tung nicht für Gleichstrom geeignet; als Freilaufkreis ver­ wendet, weist sie ähnlich lange Abschaltzeiten auf wie die einfache Freilaufdiode.

Bei einer weiterhin bekannten Schaltungsanordnung (DE-AS 10 69 758) liegt der Last die Reihenschaltung von einer Zener­ diode und ein nichtlinearer Widerstand, sowie ein Gleichrich­ ter parallel. Eine Entlastung des vorgeschalteten mechani­ schen Schaltgerätes erfolgt hier erst, wenn die Lichtbogen­ spannung am Schaltgerät gleich der Summe der Netzspannung und der Schwellspannung des nichtlinearen Nebenweges ist. Das bedeutet, daß das Schaltgerät gegenüber der Freilaufdioden­ schaltung thermisch stärker beansprucht wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Schal­ tungsanordnung der obengenannten Art dahingehend zu verbes­ sern, daß sowohl ein schneller Abbau der Restenergie des ohmsch-induktiven Lastkreises beim Ausschalten erfolgt, als auch eine möglichst geringe thermische Belastung des mechanischen Schaltgerätes zu bewirken. Dies wird bei einer Schaltungsan­ ordnung der obengenannten Art auf einfache Weise durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Für einen mög­ lichst einfachen Aufbau der Schaltungsanordnung ist es beson­ ders vorteilhaft, wenn der aus der Lastspannung geladene, ka­ pazitive Speicher aus einem parallel zur Last und spannungs­ abhängigem 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 Laststromes auf den spannungsabhängigen Wider­ stand kann unabhängig von der gewählten Betriebsspannung gewählt werden, wenn dem Kondensator eine Zenerdiode parallel liegt. Als elektronischer Schalter hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der elektrische Schalter ein Feldeffekttransistor ist.

Um die Einhaltung der höchstzulässigen Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors jederzeit zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zum Aufladen aus dem Kondensator vorgeschalte­ ter Zenerdiode bestehen. Um sicherzustellen, daß der spannungsabhängige Widerstand bei geschlossenem Schalt­ gerät 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 Konden­ sator eine Parallelschaltung aus Diode und Widerstand vorgeschaltet, und wird zusätzlich auf der der Parallel­ schaltung abgewandten Seite des Kondensators ein Wider­ stand parallel zur Zenerdiode und ein weiterer Wider­ stand an den dem Kondensator abliegenden Verbindungs­ punkten 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 Öffnen 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 Bauelemen­ teentwicklung zu erreichen 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. nach­ eilende Hilfsschalter des mechanischen Schaltgerätes er­ folgt.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beschrieben und die Wirkungsweise näher erläutert. Es zeigt

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 den negati­ ven Pol des Gleichstromnetzes verbunden. Bei geschlosse­ nem 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 Strom­ begrenzung 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 Sper­ richtung belastet und verhindert einen Stromfluß über den Feldeffekttransistor 18 oder den spannungsabhängigen 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 Induktionsgesetz 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 er­ reicht; Klemme 7 ist nun der negative, Klemme 8 der posi­ tive Pol. Damit sperrt zunächst die Diode 12. Der Kon­ densator 13 entlädt sich über die Widerstände 20 und 16 sowie die Diode 21, so daß der Punkt 14 positives Poten­ tial gegenüber dem Punkt 7 erhält. Damit wird der Feld­ effekttransistor 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-Source-Restspannung des Feldeffekttransistors 18 zusammensetzt. Die Schaltungsanordnung wirkt damit ähn­ lich wie eine zwischen die Klemmen 7 und 8 geschaltete Freilaufdiode; die geöffnete Schaltstrecke 3 kann sich elektrisch verfestigen. Hat sich der Kondensator 13 aus­ reichend entladen, wird der Feldeffekttransistor 18 hoch­ ohmig. Der Laststrom 6 wird nun auf den spannungsabhän­ gigen 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 Licht­ bogen mehr auf, da diese Luftstrecke bereits hoch isolie­ rend ist. Damit ist die gewünschte Wirkung erreicht.

Die Einfügung der Diode 17 bewirkt bezüglich des span­ nungsabhängigen Widerstandes 19, daß dieser bei geschlos­ senem 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 uner­ wünschte Ruheströme führen würden.

Die Zenerdiode 10 bewirkt, daß die Zeitdauer bis zur Kom­ mutierung des Laststromes auf den Widerstand 19 unabhän­ gig von der gewählten Betriebsspannung wird, solange die­ se nur größer als die Zenerspannung ist. Die Zenerdiode 9 schützt die Gate-Source-Strecke des Feldeffekttran­ sistors 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 lustleistung im stationären eingeschalteten Zustand. Ferner kann dann die Diode 21 entfallen, die für den Entlade­ vorgang des Kondensators 13 den Widerstand 11 überbrückt und damit einen größeren Teil der gesamten Kondensator-Spannung für die Ansteuerung des Feldeffekttransistors 18 ausnutzbar macht. Gegenüber der Verschaltung gemäß Fig. 1 ist aber die zur voll­ ständigen Aufladung des Kondensators 13 erforderliche Mindestspannung zwischen den Klemmen 1 und 2 höher.

Fig. 2 zeigt eine zweite Schaltungsanordnung unter Ver­ wendung eines abschaltbaren Thyristors. Gleiche Teile sind hier mit gleichen Bezugszeichen versehen. Beim gegenwärti­ gen Stand der Bauelementeentwicklung sind gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 höhere Strom- und Abschaltspannungs­ werte erreichbar.

Von der Klemme 7 fließt über die Zenerdiode 10, den Wi­ derstand 11 und die Diode 12 der Hilfsstrom zur Klemme 8. Der Kondensator 13 ist auf die Zenerspannung der Zener­ diode 10 aufgeladen. Der mit dem Schalter 3 gekoppelte Öffnerkontakt 3 a ist offen, der nacheilende Schließer­ kontakt 3 b 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 3 b zur Steuer­ elektrode des abschaltbaren Thyristors 23. Dieser zündet und realisiert den Freilaufkreis zwischen den Klemmen 8 und 7, auf den der Laststrom kommutiert. Nachdem der Schalter 3 b ebenfalls geöffnet wurde, schließt der Schal­ ter 3 a. Hierdurch wird der Kondensator 13 mit seinem negativen Anschluß an die Steuerelektrode des abschalt­ baren Thyristors 23 gelegt, so daß dieser wiederum sperrt. Damit kommutiert der Laststrom auf den spannungsabhängi­ gen Widerstand 19, wodurch die im induktiven Anteil 5 der Last gespeicherte Energie ohne weitere Lichtbogenerschei­ nung abgebaut werden kann.

Beim Betrieb mit phasenanschnittgesteuerter Gleichspan­ nung werden vorteilhaft zusätzliche elektronische oder mechanische Schaltelemente eingesetzt, die eine Ansteue­ rung des Freilaufkreises beim Öffnen des mechanischen Schalters ermöglichen, dies aber beim möglichen Auftreten negativer Augenblickswerte der versorgenden Gleichspannung verhindern.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird, um zu verhin­ dern, daß bereits im stationären Fall der Freilaufeffekt einsetzt, anstelle des verlängerten Schließkontaktes 3 b vorteilhafterweise ein Wischkontakt vorgesehen, z. B. durch Reihenschaltung eines zusätzlichen, mit dem Schalter 3 gekoppelten, verlängerten Öffnerkontaktes zum Schließer 3 b. Hierdurch wird der Thyristor 23 nur beim Ausschalt­ vorgang des Schalters 3 gezündet.

Die mit dem Schalter 3 gekoppelten mechanischen Hilfsschal­ ter können vorteilhaft durch elektronische Schaltkreise ersetzt werden, die z. B. potentialfrei von der Spulen­ spannung eines Schützes angesteuert werden. Hierdurch ist eine größere Freizügigkeit bei der Gestaltung des zeit­ lichen Ablaufs der Zündung und Löschung des Thyristors 23 möglich als mit mechanisch gekoppelten Schaltern. Werden mehrere ohmsch-induktive Verbraucher aus einem gemeinsamen Gleichrichter gespeist und besteht die Möglichkeit, daß die vom Gleichrichter kommende Leitung bei geschlossenem Schalter 3 unterbrochen wird (z. B. durch übergeordnete Schutzorgane), würden sich alle im Netzwerk gespeicherten Energien über den aktivierten Freilaufkreis abbauen. Um Überlastungen des elektronischen Schalters oder des span­ nungsabhängigen Widerstandes zu verhindern, kann erfor­ derlichenfalls zwischen den Schalter 3 und die Parallel­ schaltung Last - elektronischer Schalter - eine im norma­ len 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 Strom­ kreis damit sicher getrennt. Da im eingeschalteten Zustand keine Halbleiterstrecken im Laststromkreis liegen, ist die Verlustleistung der Schaltungen gering.

Hierdurch ist es weiterhin möglich, handelsübliche Wechsel­ stromschütze ohne wesentlichen Umbau als Gleichstromschütze einzusetzen, insbesondere, wenn zur schnellen Erreichung höherer Lichtbogenspannungen mehrere Schaltstrecken in Reihe geschaltet werden. Ferner ist es möglich, die Ab­ branderscheinungen an Gleichstromschützen entscheidend zu verringern, die häufig ohmsch-induktive Lasten mit hohen Zeitkonstanten schalten müssen.

Claims (13)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz von Schalt­ geräten, die mit durch Gleichstrom gespeisten ohmsch- induktiven Lasten in Reihe liegen, durch elektronische Schalter, die durch aus der Lastspannung geladene kapazi­ tive Speicher steuerbar sind, wobei der elektronische Schalter parallel zur Last liegt und beim Aus­ schalten des Schaltgerätes leitfähig wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgerät (3) ein mechanisches Schaltgerät ist und der elektronische Schalter (18, 23) nach einer vorgebbaren, die Wieder­ verfestigungsdauer der Schaltstrecke des mechanischen Schaltgerätes (3) über­ schreitenden Zeit sperrbar ist und daß dem elektronischen Schalter (18, 23) ein spannungsabhängiger Widerstand parallel liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Lastspan­ nung geladene kapazitive Speicher aus einem parallel zur Last (4, 5) und spannungsabhängigem Widerstand (19) lie­ genden Kondensator (13) besteht, dessen einer Anschluß (14) am Steueranschluß des elektronischen Schalters (18, 23) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Strompfade zum Auf- (9, 10, 11, 12) und Entladen (20, 16, 21) des Kondensators (13) vorgesehen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (13) eine Zenerdiode (10) parallel liegt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter ein Feldeffekttransistor (18) ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aufladen aus dem Kondensator (13) vorgeschalteter Zenerdiode (9) bestehen.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelschaltung aus elektronischem Schalter (18, 23) und spannungsabhängigem Widerstand (19) eine Diode (17) vorgeschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (13) eine Parallelschaltung aus Diode (21) und Widerstand (11) vorgeschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 und 8, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der der Parallelschaltung abgewandten Seite des Kondensators (13) ein Widerstand (20) parallel zur Zenerdiode (9) und ein weiterer Widerstand (16) an den vom Kondensator (13) abliegenden Verbindungspunkten der Parallelschaltungen und Widerstand (11) und Diode (21) und Widerstand (20) und Zenerdiode (9) angeschlossen ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 und 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zenerdiode (9) ein Widerstand (20) parallel geschaltet ist, und an der dem Kondensator (13) abgewandten Seite der Parallelschaltung das eine Ende eines Widerstandes (16) liegt, dessen anderes Ende an dem Verbindungspunkt (15) der Parallelschaltung vom Kondensator (13) und Zenerdiode (10) mit einem weiteren Widerstand (11) an­ geschlossen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Parallelschaltung von Widerstand (11) und Diode (21) eine zur Diode (21) umgekehrt gepolte Diode (12) liegt.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter ein abschaltbarer Thyristor (23) ist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Thyristors (23) über vor- bzw. nacheilende Hilfsschalter (3 a, 3 b) des mechanischen Schaltgerätes erfolgt.