DE3717491A1

DE3717491A1 - Elektronischer leistungstrennschalter

Info

Publication number: DE3717491A1
Application number: DE19873717491
Authority: DE
Inventors: Edward Keith Howell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-06-16
Filing date: 1987-05-23
Publication date: 1987-12-17
Also published as: JPS632214A; BR8702421A; IT1215517B; US4700256A; FR2600207A1; CA1292553C; IT8720632A0

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Leistungstrennschalter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Stromkreisunterbrechungsvorrichtungen weisen im allgemeinen zwei mechanische Schaltkontakte auf, die zwischen eine Stromquelle und den gesteuerten Stromkreis geschaltet sind und auf Kommando mittels einer Betätigungsvorrichtung schnell getrennt werden. Wenn die Kontakte getrennt werden, bildet sich zwischen ihnen ein Lichtbogen, der weiterhin Strom führt, bis der Strom aufhört. Da die Energie, die dem Lichtbogen zugeordnet ist, die Kontakte stark beschädigen kann, ist es notwendig, den Stromfluß so schnell wie möglich zu stoppen. Im Stand der Technik gibt es verschiedene Lichtbogenkammerkonfigurationen und Materialien, die so ausgelegt sind, daß die Lichtbogenspannung schnell vergrößert wird. Früher sind bereits Versuche gemacht worden, einen "lichtbogenfreien" Leistungstrennschalter zu schaffen, bei dem Halbleiterelemente in verschiedenen Kombinationen zusammen mit den Schaltkontakten benutzt werden, um die Auswirkungen

der Lichtbogenbildung zu reduzieren. Beispielsweise beschreibt die US-PS 35 58 910 einen zweiseitigen Halbleiterschalter, der zu den Kontakten eines elektromechanischen Relais parallel geschaltet ist, um eine Lichtbogenbildung an den Kontakten zu verhindern. Die US-PS 35 43 047 beschreibt eine Zwei-Schalter-Anordnung in Serie mit einer elektrischen Niederspannungsstromquelle und einer Last. Ein Varistorshunt an einem der Schalter absorbiert die zu unterbrechende Energie, wenn der Schalter geöffnet wird, und dämpft den Strom, um die Lichtbogenbildung zu reduzieren, wenn der andere Schalter später geöffnet wird.

Die US-PS 44 20 784 beschreibt einen Feldeffekttransistor und eine Z-Diode zwischen zwei trennbaren Leistungskontakten. Eine Lichtbogenkammer ist erforderlich, um den Lichtbogen zu kontrollieren, der sich an den Kontakten bildet, und die Lichtbogenspannung zu erhöhen, damit der Durchlaßfehlerstrom, der über die Kontakte geht, reduziert wird.

Zweck der Erfindung ist es, einen kontaktlosen oder elektronischen Schalter parallel zu einem Kontaktpaar vorzusehen, um erstens, nach dem Öffnen der Kontakte, den Strom von den Kontakten bei einem niedrigen Spannungsabfall über den elektronischen Schalter zu leiten, um den Lichtbogen zu löschen, der sich vorübergehend zwischen den Kontakten bildet, und dann den Spannungsabfall bei Nichtvorhandensein eines Lichtbogens zu erhöhen, so daß der Strom dann schnell auf null abfällt.

Ein elektronischer, strombegrenzender Leistungstrennschalter nach der Erfindung enthält ein Paar Kontakte, die zwischen einer Stromquelle und einer geschützten Last elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ein elektronischer Schalter, der in Nebenschlußschaltung an die Kontakte angeschlossen ist, leitet den Strom über den elektronischen Schalter ab, wenn die Kontakte geöffnet werden. Der Strom fließt zuerst über ein erstes Schaltungselement innerhalb des elektronischen Schalters für eine Mindestzeit die gerade ausreicht, um das anfängliche Lichtbogenplasma zu deionisieren und die Kontaktoberflächen auf eine Temperatur unterhalb der thermionischen Emission abzukühlen. Der Strom wird dann über ein zweites Schaltungselement innerhalb des elektronischen Schalters für eine ausreichende Zeit übertragen, um die Energie abzuführen, die in der Induktivität des Strompfades gespeichert ist, wobei zu dieser Zeit der Strom auf null abfällt, um den Stromkreis zu unterbrechen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Gleichstromschaltung, die eine erste Ausführungsform des elektronischen, strombegrenzenden Leistungstrennschalters nach der Erfindung enthält,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Spannungswellenform an dem Leistungstrennschalter für die in Fig. 1 gezeigte Schaltung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Wellenform des durch den mechanischen Schalter, der in der Schaltung nach Fig. 1 benutzt wird, fließenden Stroms,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Wellenform des Stroms, welcher durch den elektronischen Schalter fließt, der in der Schaltung nach Fig. 1 benutzt wird,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der gesamten Stromwellenform in der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Schaltung, die in dem elektronischen Schalter nach Fig. 1 benutzt wird,

Fig. 7 ein Schaltbild einer Gleichstromschaltung, die eine zweite Ausführungsform des elektronischen, strombegrenzenden Leistungstrennschalters nach der Erfindung enthält,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Spannungswellenform an dem Leistungstrennschalter für die in Fig. 7 gezeigte Schaltung,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Wellenform des Stroms, der durch ein erstes Schaltungselement innerhalb des elektronischen Schalters fließt, welcher in der Schaltung nach Fig. 7 benutzt wird, Fig. 10 eine graphische Darstellung der Wellenform des Stroms, der durch ein zweites Schaltungselement innerhalb des elektronischen Schalters fließt, welcher in der Schaltung nach Fig. 7 benutzt wird,

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Spannungswellenform an der Last, die in der Schaltung nach Fig. 7 gezeigt ist,

Fig. 12 eine schematische Darstellung der Schaltung, die in dem elektronischen Schalter nach Fig. 7 benutzt wird,

Fig. 13 eine Gleichrichterschaltung zur Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 bei Verwendung in einer Wechselstromschaltung,

Fig. 14 ein Schaltbild der Schaltung nach Fig. 12 für eine Wechselstromschaltung, und

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Strom- und Spannungswellenformen für die Wechselstromschaltung nach Fig. 14.

Ein Lichtbogen wird sich zwischen sich trennenden Kontakten in dem Bereich von Strömen und Spannungen bilden, die bei den meisten Stromkreisunterbrechungsvorrichtungen gegeben sind. Für die Zwecke der folgenden Beschreibung wird "lichtbogenfreie" Unterbrechung als das Begrenzen der Lichtbogenbildung auf ausreichend niedrige Energiewerte und auf eine ausreichend kurze Zeitdauer, so daß keine nennenswerte Erosion oder Beschädigung der Kontakte bei Nichtvorhandensein einer Lichtbogenkammer oder von Lichtbogenkanälen hervorgerufen wird, definiert. Zum Schutz der Silber- und Silber-Wolfram-Kontakte, die bei Stromkreisschutzvorrichtungen benutzt werden, ist es wichtig, daß das anfängliche Lichtbogenplasma, das bei der Kontakttrennung gebildet wird, auf eine Zeit begrenzt wird, die ausreicht, um das anfängliche Lichtbogenplasma zu entionisieren und die Kontaktoberflächen auf eine Temperatur unterhalb der thermionischen Emission abzukühlen, und üblicherweise in einem Bereich von 10-100 Mikrosekunden liegt.

Eine Ausführungsform des Festkörper- oder elektronischen, strombegrenzenden Leistungstrennschalters nach der Erfindung weist die Kombination aus einem mechanischen Schalter 14 und einem Festkörper- oder elektronischen Schalter 18 auf, die in der Schaltung 9 gemäß der Darstellung in Fig. 1 angeschlossen sind, die eine Spannungsquelle V ₀, beispielsweise eine Batterie, aufweist, welche an eine Last, die aus einer Induktivität L in Reihe mit einem Widerstand R besteht, über einen Speiseleiter 7 und einen Rückleiter 8 über den mechanischen Schalter 14 angeschlossen ist, der aus einem feststehenden Kontakt 15 und einem beweglichen Kontakt 16 besteht. Ein Beispiel eines mechanischen Hochgeschwindigkeitsschalters findet sich in der US-PS 46 20 122. Der leitende Pfad geht über Klemmen 12, 13, wenn der mechanische Schalter in der Schließstellung ist, und über Klemmen 10, 11, wenn der mechanische Schalter in der offenen Stellung ist. Obgleich der mechanische Schalter 14 als ein einpoliger mechanischer Ausschalter dargestellt ist, der um einen Drehpunkt 17 schwenkbar ist, können andere Variationen von einpoligen mechanischen Ausschaltern ebenfalls benutzt werden. Der elektronische oder kontaktlose Schalter 18 weist zwei Betriebszustände auf, einen ersten Zustand, bei welchem es sich um Stromleitung bei einem niedrigen Spannungsabfall von weniger als Lichtbogenspannung handelt, und einen zweiten Zustand, bei welchem es sich um Stromleitung bei einem hohen Spannungsabfall von mehr als Versorgungsspannung handelt. Wenn der Stromfluß in der Schaltung unterbrochen werden soll, wird der mechanische Schalter geöffnet, und der Strom wird sofort über die Klemmen 10 und 11 durch den elektronischen Schalter 18 geleitet. Der Strom fließt zuerst durch den elektronischen Schalter 18 mit einem Spannungsabfall von weniger als 10 Volt und leitet den Strom von dem Lichtbogen weg, der zwischen den Kontakten 15 und 16 auftritt, wenn diese zum ersten Mal getrennt werden. Nach einer ersten Zeitspanne, die beispielsweise in dem Bereich von 10 bis 100 Mikrosekunden liegt, ist das Lichtbogenplasma zwischen den Kontakten entionisiert worden, und die Oberflächen der Kontakte haben sich auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger als die thermionische Emissionstemperatur ist, und die Kontakte haben sich ausreichend getrennt, so daß eine Spannung, die wesentlich höher als die Versorgungsspannung ist, wieder angelegt werden kann, ohne daß sich ein Lichtbogen bildet. Es wird angenommen, daß die in der oben erwähnten US-PS 44 20 784 beschriebene Anordnung bewirken könnte, daß die Kontakte, welche üblicherweise in gekapselten Leistungsschaltern benutzt werden, bei Nichtvorhandensein einer Lichtbogenkammer überhitzt und beschädigt werden. Zu dieser Zeit schaltet der elektronische Schalter 18 von einem ersten Zustand auf einen zweiten Zustand um, in welchem der Spannungsabfall höher als die Versorgungsspannung ist. Der elektronische Schalter wird so gewählt, daß er Spannungsklemm- sowie Energieaufnahme- und -ableitvermögen hat, so daß die in der Induktivität des Strompfades gespeicherte Energie schnell aufgenommen wird und der Strom nahezu linear auf null in einer zweiten Zeitspanne, die in dem Bereich von 100 Mikrosekunden bis 1 Millisekunde liegt, absinkt.

Zu Darstellungszwecken repräsentiert I _T den Gesamtstromfluß in der Schaltung 9 in Fig. 1, der einen Wert I _O hat, bevor der Schalter 14 geöffnet wird. I ₁ repräsentiert den Stromfluß in dem Schaltungszweig, welcher sich zwischen den Klemmen 12, 13 befindet und über den Schalter 14 führt, und I ₂ repräsentiert den Stromfluß in dem Schaltungszweig, welcher sich zwischen den Klemmen 10, 11 befindet und über den elektronischen Schalter 18 führt. Die Spannungswellenform 20, die die Spannung an dem mechanischen Schalter 14 und an dem elektronischen Schalter 18 repräsentiert, ist in Fig. 2 dargestellt, wobei der Spannungsabfall an dem Schalter 14 und den Klemmen 10, 11 vor dem Öffnen des Schalters 14 nahezu null ist und etwa auf einen Wert V ₂ ansteigt, der gleich dem Lichtbogenspannungsabfall von ungefähr 12 Volt an den Kontakten 15, 16 zur Zeit T ₀ ist, zu der der Schalter 14 zum ersten Mal geöffnet wird. Für den elektronischen Schalter 18 in Fig. 6 repräsentiert T ₁ die Zeit, zu der der gesamte Strom auf den elektronischen Schalter 18 übertragen worden ist. Der Strompfad wird nun zwischen den Klemmen 10, 11 durch I ₂ repräsentiert, der graphisch in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn der mechanische Schalter 14 zuerst bei T _O öffnet, steigt I ₂ von null auf einen Maximalwert an, der gleich dem Quellenstrom I ₀ ist, während I ₁ kontinuierlich von einem Anfangsspitzenwert I ₀ bei T ₀ auf null absinkt, was bei T ₁ in Fig. 3 gezeigt ist. Die Spannungswellenform 20 in Fig. 2 zwischen der Zeit T ₁ und der Zeit T ₂ ist wesentlich niedriger als V _2, um das Entionisieren und Abkühlen zu gestatten. Zur Zeit T ₂ schaltet der elektronische Schalter 18 von dem Betriebszustand niedriger Spannung auf den Betriebszustand hoher Spannung um. Die Spannungswellenform 20 in Fig. 2 erreicht zur Zeit T ₂ einen Spitzenwert V _P, der wesentlich höher ist, als die Quellenspannung V ₀. In Fig. 4 ist zu erkennen, daß der Strom I ₂ durch den elektronischen Schalter schnell von einem Maximalwert von I ₀ zur Zeit T ₂ auf null zur Zeit T ₃ absinkt, da die Energie, die in der Induktivität L gespeichert war, in dem elektronischen Schalter vernichtet wird. Der Strom I _T, der den Gesamtstrom in der Schaltung 9 repräsentiert, bleibt gemäß der Darstellung in Fig. 5 auf einem relativ konstanten Wert von I ₀, bis der elektronische Schalter umschaltet, und sinkt in der zweiten Zeitspanne von T ₂ bis T ₃ schnell auf null ab.

Der Mechanismus zum Steuern des elektronischen Schalters 18 wird am besten anhand von Fig. 6 verständlich, gemäß welcher der elektronische Schalter 18 die Kombination aus einem Leistungstransistor Q ₁ und einer Z-Diode Z ₁ aufweist, die beide zwischen den Klemmen 10, 11 in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung angeordnet sind. Zu Erläuterungszwecken ist ein einzelner bipolarer Transistor dargestellt. Es können jedoch auch mehrere in Darlington- Schaltung verbundene bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren, feldgesteuerte Transistoren und abschaltbare Vorrichtungen wie z.B. Thyristoren benutzt werden. Einer der Gründe für die erfolgreiche "lichtbogenfreie" Unterbrechung, die durch den elektronischen Schalter 18 nach Fig. 6 erzielt wird, ist, daß relativ große Kollektorströme durch relativ kleine Basisströme während des Betriebszustands niedriger Spannung gesteuert werden können. Die Steuerungserfordernisse für den elektronischen Schalter 18 werden mittels eines Stromwandlers erfüllt, dessen Primärwicklung CT _A zwischen die Klemme 11 und den Emitter von Q ₁ geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung CT _B zwischen die Basis und den Emitter geschaltet ist, um die Basisansteuerung von Q ₁ zu bewirken. Wenn der mechanische Schalter 14 zuerst geöffnet wird, wird eine Spannung erzeugt und an die Kombination aus der Z-Diodenkapazität und der Stromwandlersekundärwicklung CT _B angelegt, die ausreichend Anfangsbasisstrom erzeugt, um Q ₁ in Sättigung zu treiben, und ausreichend Rückkopplungsstrom, um Q ₁ in seinem leitenden Zustand zu halten. Durch sorgfältige Wahl der Größe und des Materials des Magnetkerns kann der Stromwandler veranlaßt werden, zur Zeit T ₂ in Sättigung zu gehen und den Transistor Q ₁ abzuschalten. Die Induktivität L bewirkt, daß die Spannung V an den Klemmen 10, 11 ansteigt, wodurch die Z-Diode Z ₁ leitend wird, um dem Transistor Q ₁ in dem Betriebszustand hoher Spannung des elektronischen Schalters Basisstrom zu liefern, wie weiter oben mit Bezug auf die Fig. 2-5 beschrieben.

Eine zweite Ausführungsform des elektronischen, strombegrenzenden Leistungstrennschalters nach der Erfindung enthält den elektronischen Schalter 21, der in Fig. 7 gezeigt ist, wobei der Betriebszustand niedriger Spannung durch das gesteuerte, niedrige Spannung leitende Element 22 (im folgenden als gesteuertes Element bezeichnet) geschaffen wird, und wobei der Betriebszustand hoher Spannung durch das hohe Spannung leitende Element 19 (im folgenden als Hochspannungselement bezeichnet) geschaffen wird. Das gesteuerte Element 22 gleicht dem weiter obenen für den elektronischen Schalter 18 nach Fig. 1 beschriebenen. Das Hochspannungselement 19 muß in der Lage sein, eine große Menge an elektrischer Energie in kurzer Zeit aufzunehmen und aufzuzehren, ohne beschädigt zu werden. Eine solche elektronische Vorrichtung, die einen spannungsabhängigen Widerstand hat, ist der Metalloxidvaristor (MOV), der die in der US-PS 43 74 049 beschriebene Zusammensetzung hat.

Die Schaltung für den elektronischen Schalter 21 ist in Fig. 12 gezeigt, gemäß welcher das gesteuerte Element 22 dem in Fig. 6 gezeigten gleicht, wobei aber ein Kondensator C ₁ die Z-Diode Z ₁ ersetzt. Der Kondensator in Kombination mit der Induktivität, welche durch die Stromwandlersekundärwicklung CT _B vorhanden ist, liefert die Anfangsspannung zum Einschalten des Transistors Q ₁ auf weiter oben beschriebene Weise. Wenn der Transistor Q ₁ durch Sättigung des Stromwandlerkerns ausgeschaltet ist, fließt der Strom durch den Metalloxidvaristor 19. Die betreffende Spannungswellenform 23 ist in Fig. 8 gezeigt, und die Stromwellenformen sind in den Fig. 9 und 10 für dieselben Zeitabschnitte wie in den Fig. 2-5 gezeigt, so daß gleiche Bezugszeichen dort benutzt werden, wo es möglich ist. In Fig. 7 ist der zusätzliche Strompfad über den Metalloxidvaristor 19 zwischen den Klemmen 24, 25 mit I ₃ bezeichnet. Der Strom I ₁ durch den mechanischen Schalter 14 und der Gesamtstrom I _T in der Schaltung sind dieselben bei beiden Ausführungsformen, die in den Fig. 7 und 1 gezeigt sind, so daß nur die Stromwellenformen I ₂ in dem gesteuerten Element 22 und I ₃ in dem Hochspannungselement 19 in den Fig. 9 bzw. 10 dargestellt sind.

Gemäß Fig. 8 verändert sich die Spannungswellenform 23 von einem niedrigen Anfangswert, bei dem der Schalter 14 in der Schließstellung ist, auf einen etwas höheren Wert zur Zeit T ₀, wenn der Schalter zum ersten Mal geöffnet wird, was einen Lichtbogenspannungsabfall an den Kontakten 15, 16 in der Größenordnung von ungefähr 12 Volt darstellt. Zur Zeit T ₁ ist der Strom vollständig auf das Element 22 zwischen den Klemmen 10, 11 übergegangen, was durch I ₂ dargestellt ist. Fig. 9 zeigt den Strom I ₂ bei null, wenn der Schalter 14 geschlossen wird, und schnell ansteigend auf einen Maximalwert von I ₀ in dem Zeitabschnitt T ₀ bis T₁, der die Zeit repräsentiert, welche der Strom benötigt, um von dem Strompfad 12, 13 auf den Strompfad 10, 11 überzugehen. I ₂ bleibt in dem gesteuerten Element 22 relativ konstant, was durch den Zeitabschnitt T ₁ bis T ₂ dargestellt ist. Zur Zeit T ₂ schaltet das gesteuerte Element 22 ab, und das Hochspannungselement 19 wird leitend. Die Spannungswellenform an den Klemmen 12, 13 hat gemäß der Darstellung in Fig. 8 einen Maximalwert V _P zur Zeit T ₂ und nimmt über dem Zeitabschnitt T ₂ bis T ₃ etwas ab, bevor sie zur Zeit T ₃ abrupt auf die Quellenspannung V ₀ absinkt. Der Strom I ₃ in dem Hochspannungselement 19 nimmt über demselben Zeitabschnitt schnell auf null ab, was in Fig. 10 gezeigt ist.

Wenn der elektronische Schalter 18 nach Fig. 1 in einer Wechselstromschaltung benutzt wird, bei der die Spannungsquelle V ₀ eine Wechselstromquelle ist, wird die Brückengleichrichterschaltung 26, die aus Dioden D ₁-D ₄ besteht und in Fig. 13 gezeigt ist, zwischen den Klemmen 12, 13 und 10, 11 angeordnet. Der elektronische Schalter 18 verhält sich auf gleiche Weise wie weiter oben mit Bezug auf die in den Fig. 2-5 dargestellten Wellenformen beschrieben.

Wenn eine Wechselspannungsquelle in Verbindung mit dem elektronischen Schalter 21 benutzt wird, der in Fig. 7 gezeigt ist, wird die Schaltungsanordnung benutzt, die in Fig. 14 gezeigt ist. In dieser Anordnung ist das Hochspannungselement 19 an die Klemmen 12, 13 in dem Wechselstromteil des Brückengleichrichters 26 angeschlossen, und das gesteuerte Element 22 ist an die Klemmen 10, 11 in dem Gleichstromteil des Brückengleichrichters angeschlossen. Das Hochspannungselement 19 könnte zwar an den Gleichstromteil des Brückengleichrichters auf ähnliche Weise wie weiter oben mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben angeschlossen werden, das Hochspannungselement ist jedoch stabiler, wenn es an Wechselspannung betrieben wird. Innerhalb des gesteuerten Elements 22 ist ein Kondensator C ₁ an den Kollektor und die Basis des Transistors Q ₁ angeschlossen, um einen Einschaltstromimpuls an der Basis des Transistors auf dieselbe Weise wie oben beschrieben zu erzeugen. Die Stromwandlerwicklungen CT _A und CT _B werden auf ähnliche Weise benutzt, um die regenerative Basisansteuerung für den Transistor Q ₁ zu schaffen. Die Verwendung eines Stromwandlers mit sättigbarem Kern zum Umschalten zwischen den leitenden Zuständen niedriger Spannung und hoher Spannung des elektronischen Schalters ist zwar im Zusammenhang mit der Erfindung beschrieben worden, es können jedoch andere Einrichtungen zum Abschalten des gesteuerten Elements 22 im Rahmen der Erfindung benutzt werden.

Die Lastspannung V _L, die weiter oben als die Spannung an der Last definiert worden ist, welche durch eine Induktivität L und einen Widerstand R für die Ausführungsform nach Fig. 7 dargestellt wird, ist graphisch in Fig. 11 gezeigt. Wenn der mechanische Schalter 14 geschlossen ist, ist die Spannung V _L die Quellenspannung V ₀ und bleibt bis zur Zeit T ₀ konstant, zu der der mechanische Schalter geöffnet wird und ein kleiner Lichtbogenspannungsabfall in der Größenordnung von 12 Volt an den Kontakten 15, 16 auftritt. Zur Zeit T ₁ fließt der Strom I ₂ durch das gesteuerte Element 22, und die Lastspannung nähert sich V ₀. Zur Zeit T ₂ wird das Hochspannungselement 19 leitend, und der Strom I ₃ fließt über den Strompfad zwischen den Klemmen 24 und 25. Die Lastspannung V _L sinkt dann abrupt auf einen negativen Wert ab, der gleich der Differenz zwischen der Quellenspannung V ₀ und der Spitzenspannung V _P ist. Die Spannung an der Last bleibt negativ, bis der Strom I ₃ zur Zeit T ₃ auf null absinkt, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, wobei zu dieser Zeit die Lastspannung ebenfalls null wird.

Die weiter oben beschriebenen Ausführungsformen, die in den Fig. 1 und 7 gezeigt sind, werden benutzt, wenn "lichtbogenfreies" Umschalten verlangt wird, beispielsweise in einer explosiven Atmosphäre in Bergwerken, und wenn "geräuschloses" Umschalten verlangt wird, beispielsweise bei empfindlicher elektronischer Ausrüstung in Computern. Der elektronische, strombegrenzende Leistungstrennschalter nach der Erfindung hat auch einen wichtigen Verwendungszweck als Schaltungsschutzvorrichtung, wenn es notwendig ist, den Strom in einem Stromkreis zu unterbrechen, um den Stromkreis und die Stromkreiskomponenten vor einer Beschädigung durch übermäßig großen Strom zu schützen. Wenn der Leistungstrennschalter nach der Erfindung für einen solchen Verwendungszweck benutzt wird, ist keine Lichtbogenkammer oder andere Lichtbogenhandhabungsvorrichtung erforderlich. Bei Verwendung als Schutzvorrichtung ist ein Stromsensor wie beispielsweise ein Stromwandler mit seiner Primärwicklung an den Speiseleiter 7 in Fig. 7 und mit seiner Ausgangswicklung an eine Unterbrechungsvorrichtung angeschlossen, um den mechanischen Schalter 14 schnell zu öffnen, wenn der Strom einen vorbestimmten Wert erreicht. Die Verwendung eines solchen Stromwandlers und einer solchen Betätigungsvorrichtung innerhalb eines geschützten Stromkreises ist beispielsweise in den US-PS 41 15 829 und 40 01 742 beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Die Gesamtstromwellenform I _T und die Spannungswellenform 27 an den Klemmen 12, 13 für den elektronischen Schalter 21, der in Fig. 7 gezeigt ist, sind innerhalb einer Wechselspannungsquelle in Fig. 15 gezeigt. Bei einem vorbestimmten Stromwert wird der mechanische Schalter 14 zur Zeit T ₀ geöffnet. V repräsentiert die Spannung an dem gesteuerten Element 22 und ist gleich dem Lichtbogenspannungsabfall V ₂, der an den Kontakten bis zur Zeit T ₁ gebildet wird, zu der der Strom durch das gesteuerte Element 22 fließt und die Spannung auf einen neuen Wert absinkt, der den geringen Spannungsabfall an dem gesteuerten Element 22 darstellt. Zur Zeit T ₂ schaltet das gesteuerte Element 22 ab, und der Strom fließt nun durch das Hochspannungselement 19, wie es weiter oben mit Bezug auf den in Fig. 12 gezeigten elektronischen Schalter 21 beschrieben worden ist. Die Spannung an dem Hochspannungselement 19 steigt schnell auf einen Spitzenwert V _P an, wie es weiter oben beschrieben worden ist. Der Strom in dem Hochspannungselement sinkt schnell auf null ab, um den Stromfluß zur Zeit T ₃ vollständig zu unterbrechen, wobei zu dieser Zeit die Spannung an dem elektronischen Element die Wellenform der normalen Speisespannung wie angegeben annimmt.

Es ist somit zu erkennen, daß ein lichtbogenloser, strombegrenzender Leistungstrennschalter mittels eines schnell öffnenden mechanischen Schalters realisiert werden kann, um den Strom in dem Stromkreis in einem frühen Stadium in der Stromwellenform gemäß der Darstellung in Fig. 15 zu unterbrechen und den Stromkreisstrom auf einen relativ niedrigen Wert im Vergleich zu dem angegebenen unbeeinflußten Strom zu begrenzen. Die gemeinsame Verwendung eines gesteuerten Elements zum Wegschalten des Stroms von den mechanischen Schalterkontakten, um das Lichtbogenplasma zu entionisieren und die Kontakte auf eine Temperatur abzukühlen, die niedriger als die Temperatur der thermionischen Emission ist, damit sie die mit einem Hochspannungselement wieder angelegte Spannung aushalten, um die gespeicherte Energie aufzuzehren, ergibt die vollständige Stromkreisunterbrechung mit dem Lichtbogen niedrigster Energie an den Kontakten, die jemals früher erzielt worden ist.

Claims

1. Elektronischer Leistungstrennschalter, gekennzeichnet durch:
eine mechanische Schalteinrichtung (14), die ein aus einem festen und einem beweglichen Kontakt (15, 16) bestehendes Kontaktpaar, durch das ein Strom fließt, trennt; einen Transistor (Q ₁), der an die Kontakte (15, 16) angeschlossen ist, um zuerst den Strom von den Kontakten (15, 16) für eine Zeitspanne wegzuleiten, die in dem Bereich von 10 bis 100 Mikrosekunden liegt;
einen Varistor (19), der an die Kontakte (15, 16) angeschlossen ist, zum anschließenden Wegleiten des Stroms von dem Transistor (Q ₁); und
eine Einrichtung, die an den Transistor (Q ₁) angeschlossen ist, zum Einschalten des Transistors, um dem Strom zu gestatten, für die 10 bis 100 Mikrosekunden durch den Transistor (Q ₁) zu fließen, um dann den Transistor (Q ₁) abzuschalten.

2. Leistungstrennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (19) den Strom für eine Zeitspanne von 100 Mikrosekunden bis 1 Millisekunde leitet.

3. Leistungstrennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einschalten des Transistors (Q ₁) einen Stromwandler aufweist, der eine Primär- und eine Sekundärwicklung (CT _A, CT_B ) und einen sättigbaren Kern hat, wobei die Primärwicklung (CT _A ) zwischen einen der beiden Kontakte und einen Emitter des Transistors (Q ₁) geschaltet ist und wobei die Sekundärwicklung (CT _B ) zwischen eine Basis des Transistors (Q ₁) und den Emitter geschaltet ist, um den Transistor abzuschalten, wenn der sättigbare Kern gesättigt wird.

4. Leistungstrennschalter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Kondensator (C ₁), der zwischen einen Kollektor des Transistors (Q ₁) und die Transistorbasis geschaltet ist, zum Liefern einer Anfangsspannung zum Einschalten des Transistors (Q ₁), wenn der feste und der bewegliche Kontakt (15, 16) zum ersten Mal getrennt werden.

5. Leistungstrennschalter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Z-Diode (Z ₁), die zwischen einen Kollektor des Transistors (Q ₁) und die Transistorbasis geschaltet ist, zum Liefern einer Anfangsspannung zum Einschalten des Transistors (Q ₁), wenn der feste und der bewegliche Kontakt (15, 16) zum ersten Mal getrennt werden.

6. Leistungstrennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der feste und der bewegliche Kontakt (15, 16) aus einer Silber-Wolfram-Legierung bestehen.