DE3543804A1

DE3543804A1 - Schalter mit lichtbogenkommutierung

Info

Publication number: DE3543804A1
Application number: DE19853543804
Authority: DE
Inventors: Edward Keith Simsbury Conn. Howell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1985-12-12
Publication date: 1986-06-19
Also published as: IT8523204A0; JPS61153905A; IT1200885B; FR2574984A1

Description

Schalter mit Lichtbogenkomitiutierung

Die britischen Patentschriften 1 072 267 und 1 152 903 erörtern die Verwendung eines spannungsabhängigen Widerstandes, um einen steuerbaren Siliziumgleichrichter über zwei trennenden Kontaktstücken zu schalten.

Die US-PS 3 904 931 beschreibt die Verwendung eines steuerbaren Siliziumgleichrichters, der einer geschützten Vorrichtung parallel geschaltet ist, wobei eine Zener-Diode verwendet wird, um den Gleichrichter beim Auftreten einer Überspannung innerhalb des Stromkreises zu schalten.

Die US-PS 3 887 849 beschreibt die Verwendung eines Halbleiterschalters in Reihe mit einem Schalter und einer Last, um das Anlegen einer Quellenspannung an die Last für

eine längere Zeit als die Auslösezeit des Schalters zu verzögern. Eine Zener-Diode wird verwendet, um den Halbleiterschalter durchzuschalten.

Die Verwendung eines Halbleiterschalters über den Stromkreis unterbrechenden Kontaktstücken mit verschiedenen Schaltungsanordnungen, die zum Übertragen des Stromes von den Kontaktstücken weg verwendet werden, ist bekannt. Auch die Verwendung eines positionsveränderlichen Schalters ist bekannt, wie beispielsweise eine einpolige Umschaltanordnung, die in Verbindung mit einem Kondensator und einem Widerstand als eine RC-Löscheinrichtung verwendet wird, wobei ein Hilfskontaktpaar gleichzeitig den Strom von den Hauptkontaktstücken durch die RC-Schaltung ableitet, um den Lichtbogen zu löschen, der sich zwischen den Hauptkontakten bildet. Nicht bekannt ist der Anmelderin jedoch die Verwendung einer Kombination von spannungsabhängigen Elementen, deren Anordnung hier vorgeschlagen wird, zum Übertragen von Strom durch ein erstes Schaltungselement für eine Zeit, um das anfängliche Lichtbogenplasma zu deionisieren und um die Kontaktflächen auf eine Temperatur unterhalb der thermionischen Emission zu senken, und dann auf ein zweites Schaltungselement für eine ausreichende Zeit, um die in der Induktivität des Strompfades gespeicherte Energie abzuführen und zu bewirken, daß der Strom auf einen ausreichend kleinen Wert abfällt, um den Strom zu unterbrechen.

Erfindungsgemäß wird ein Festkörperschalter unter Verwendung von Lichtbogenkommutation geschaffen, wobei ein Festkörperschalter und ein spannungsabhängiger Widerstand parallel über zwei trennbare Kontaktstücke geschaltet sind. Eine Zener-Diode ist so angeordnet, daß der Festkörperschalter durchgeschaltet wird, wenn die Bogenspannung über den getrennten Kontaktstücken eine vorbestimmte Spannung erreicht. Ein Kondensator, der dem spannungsabhängigen

Widerstand parallel geschaltet ist, lädt sich auf die Kleminspannung des spannungsabhängigen Widerstandes auf, der dann leitend wird, um den Strom von dem Festkörperschalter weg zu übertragen. Die Klemmspannung wird so gewählt, daß sie höher als die Systemspannung ist, um dadurch zu bewirken, daß der Strom sich einem kleinen Wert nähert und den Stromkreis unterbricht.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 - ist eine schematische Darstellung des Lastschalters gemäß der Erfindung.

Figur 2 - ist eine graphische Darstellung der Änderung der Spannung über den Kontaktstücken innerhalb des in Figur 1 gezeigten Lastschalters als eine Funktion der Zeit.

Figur 3 - ist eine graphische Darstellung des Stroms der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung als eine Funktion der Zeit.

Figur 1 zeigt eine geschützte Schaltungsanordnung 10 mit einer Wechselspannungsquelle 9, die einer Last, die durch den Widerstand R und die Induktivität L dargestellt ist, über einen Schalter 11 Strom zuführt, der zwei Sammelleiter 14,15 über entsprechende Kontaktstücke 12,13 verbindet. Um den Lichtbogen zu löschen, wenn die Kontaktstücke 12 und 13 getrennt sind, ist ein Lastschalter 16 den Kontaktstücken parallel geschaltet. Der Schalter weist einen Thyristor, wie beispielsweise einen steuerbaren Siliziumschalter (SCR) oder ein Triac Q₁ in Reihe mit einem Kondensator C. auf, die den Kontaktstücken parallel geschaltet sind. Ein Varistor oder eine bi-direktionale Zener-Diode Z. ist zwischen die Steuerelektrode des Triacs

und den Sammelleiter 14 über einen Widerstand R geschaltet. Die Zener-Diode kann für einige Anwendungsfälle parallel zur Steuerelektrode des Triacs und den Hauptanschluß 20 gegenüber der Steuerelektrode geschaltet werden anstatt mit dem Versorgungsleiter. Wenn die Kontakte 12,13 geschlossen sind_/fließt kein Strom zur Steuerelektrode des Triacs, und das Triacs bleibt in seinem ausgeschalteten Zustand und der Kondensator C. wird über den Widerstand R vollständig entladen. Wenn die Kontaktstücke geöffnetwerden, tritt ein Lichtbogen zwischen den Kontaktstücken auf, und es fließt Strom durch die Zener-Diode, wenn die Bogenspannung einen ersten vorbestimmten Wert erreicht, wie beispielsweise etwa 100 Volt, um das Triac durchzuschalten. Der Strom wird von dem Lichtbogen auf den Kondensator übertragen, wodurch sich die Kontaktstücke abkühlen können und der Kondensator auf eine zweite vorbestimmte Spannung von etwa 1000 Volt aufgeladen wird, was die Klemmspannung des spannungsabhängigen Siliziumcarbid- oder Metalloxid-Varistors MOV ist. Der Metalloxid-Varistor MOV wird dann leitend und der Strom wird durch den Metalloxid-Varistor MOV übertragen. Da die Klemmspannung größer als die Systemspannung V ist, geht der Strom rasch auf null, wodurch der Unterbrechungsprozeß abgeschlossen wird.

Wenn ein SCR anstelle des Thyristors in der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 verwendet wird, ist ein Brückengleichrichter zwischen der Wechselstromquelle und dem SCR erforderlich.

Wenn eine

Gleichspannungsquelle anstelle der Wechselstromquelle 9 verwendet wird, kann ein Thyristor anstelle des Triacs verwendet werden, und die Zener-Diode schaltet dann den Thyristor durch, wenn die Zener-Spannung den ersten vorbestimmten Wert erreicht. Eine Vierschichtdiode, wie beispielsweise eine zwei Anschlüsse aufweisende Shockley-

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Diode, kann anstelle sowohl der Zener-Diode als auch des Thyristors bei einer derartigen Gleichstromanwendung verwendet werden. Die Spannung über der Diode selbst ist so gewählt, daß sie die Diode durchschaltet. Bei Wechselstromanwendungen ersetzt eine bi-direktionale, spannungsabhängige Vierschichtdiode die Zener-Diode und auch den Thyristor, da keine Steuerelektrode erforderlich ist, um die Diode leitend zu machen. Ein Beispiel für eine derartige bi-direktionale, spannungsabhängige Diode ist ein "Sidac", welches ein Handelsname der Unitrode Company ist. Die Schalterspannung V ist bei 17 in Figur 2 für die folgenden Zeitsequenzen gezeigt. Die Kontaktstücke werden zunächst bei t getrennt, wobei sich eine Bogenspannung entwickelt, die die Zener-Spannung V~ zur Zeit t. erreicht, zu welcher Zeit die bi-direktionale Zener-Diode leitend wird, wodurch der Strom von dem Lichtbogen auf den Kondensator C- durch das Triac übertragen wird. Zur Zeit t₂ überschreitet die Kondensatorspannung V-, die Klemmspannung des Metalloxid-Varistors MOV, wodurch der Strom auf den MOV übergeht. Zur Zeit t~ ist der Strom durch die Schaltungsanordnung vollständig unterbrochen, und die Schalterspannung ist gleich der Quellenspannung V_.

Figur 3 zeigt den Systemstrom 18, der den in Figur 2 gezeigten Zeitinkrementen für die Schalterspannung 17 entspricht. Es sei darauf hingewiesen, daß der Strom nur leicht abfällt über dem Zeitinkrement von t„, wo die Kontaktstücke sich das erste Mal öffnen, bis zum Zeitpunkt t₂, wenn der MOV das erste Mal leitend wird. Der Strom fällt dann rasch ab durch den MOV bis zur Zeit t^j, zu welcher Zeit der Stromfluß endet.

Der Kondensator C₁ kann durch einen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten ersetzt werden. Ein einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisender Widerstand hat einen relativ kleinen Widerstandswert bei

niedrigen Betriebstemperaturen und einen sehr hohen Widerstand bei höheren Betriebstemperaturen. Für einen effizienten Betrieb in der hier beschriebenen Schaltungsanordnung sollte das Verhältnis des Widerstandes bei hohen Temperaturen zu niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 1000 zu 1 liegen.

Claims

Patentansprüche

1 .

Lastschalter mit zwei trennbaren Kontaktstücken zum Unterbrechen des Stromflusses durch eine Schaltungsanordnung,

gekennzeichnet durch einen schaltbaren Halbleiter (Q₁) in Reihe mit einer Spannungsspeichereinrichtung (C-), wobei sowohl der schaltbare Halbleiter als die Spannungsspeichereinrichtung den trennbaren Kontaktstücken (12,13) parallel geschaltet sind zum. übertragen des Stromes von den Kontaktstücken weg, und

ein erstes spannungsabhängiges Element (Z-), das mit dem schaltbaren Halbleiter (Q-) verbunden ist, zum Durchschalten des schaltbaren Halbleiters bei einer ersten vorbestimmten Spannung über den Kontaktstücken (12,13).

Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites spannungsabhängiges Element (MOV)den Kontaktstücken parallel geschaltet ist zum Über-

tragen des Stromes von der Spannungsspeichereinrichtung weg bei einer zweiten vorbestimmten Spannung über den Kontaktstücken.

3. Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten anstelle der Spannungsspeichereinrichtung verwendet ist zum Übertragen des Stromes von den Kontaktstücken weg.

4. Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der schaltbare Halbleiter einen Thyristor oder einen Transistor aufweist.

5. Lastschalter nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das zweite spannungsabhängige Element einen Metalloxid- oder Siliziumcarbid-Varistor aufweist.

6. Lastschalter nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor ein steuerbarer Siliziumgleich richter oder ein Triac ist.

7. Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das erste spannungsabhängige Element eine Diode oder einen Varistor aufweist.

8. Lastschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspeichereinrichtung einen Konden sator aufweist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der schaltbare Halbleiter ein Triac ist und das erste spannungsabhängige Element zwischen eine Steuerelektrode des Triacs und eines der Kontaktstücke geschaltet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Strombegrenzungswiderstand mit dem ersten spannungsabhängigen Element in Reihe geschaltet ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R_n) der Spannungsspeichereinrichtung (C₁) parallel geschaltet ist.

12i Lastschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 ,

dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungsabhängiger Halbleiter mit einer Spannungspeichereinrichtung in Reihe geschaltet ist, sowohl der spannungsabhängige Halbleiter als auch die Spannungsspeichereinrichtung den trennbaren Kontaktstücken parallel geschaltet sind zum Übertragen des Stroms von den Kontaktstücken weg bei einer ersten vorbestimmten Spannung über den Kontaktstücken, und ein spannungsabhängiges Element, das mit dem spannungsabhängigen Halbleiter verbunden ist, zum Übertragen des Stromes von der Spannungsspeichereinrichtung weg beim Auftreten einer zweiten vorbestimmten Spannung über den Kontaktstücken.

13. Lastschalter nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Halbleiter eine Vierschichtdiode ist.

14. Lastschalter nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsabhängige Element einen Metalloxid- oder Siliziumcarbid-Varistor aufweist.

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