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Schalteinrichtung zum Unterbrechen und Schließen eines Stromkreises
Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum Unterbrechen und Schließen eines
Stromkreises, z. B. für hochwertige Regler und Relais toder für Kontaktumformer,
insbesondere für Starkstrom. Es ist bekannt, zur Erleichter ung derUnterbrechungsbedingungen
der Unterbrechungsstelle einen Kondensator parallel zu schalten, der bei der Unterbrechung
aufgeladen wird. In der Zwischenzeit können die Unterbrechungskontakte auf eine
Rückzündungen mit Sicherheit ausschließende Entfernung voneinander gebracht werden.
Bei einem Wiedereinschalten der Unterbrechungsstelle wird dann aber der Kondensator
über die Unterbrechungsstelle wieder entladen. Hierbei treten unter Umständen Einschaltlichtbögen
auf, die zu Abbrandschäden an den Unterbrechungskontakten führen können. Zur Dämpfung
dieser Stromstöße kann ein Widerstand vor den Kondensator geschaltet werden. Je
größer dieser ist, um so mehr verschlechtert er jedoch die funkenlöschende Wirkung
des Kondensators -beim öffnen der Unterbrechungsstelle.
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Derselbe Nachteil tritt ein, wenn bekanntermaßen ein Gleichrichter
mit dem Kondensator in Reihe geschaltet ist. Hier beruht die Verschlechterung der
funkenlöschenden Wirkung beim Öffnen der Unterbrechungsstelle auf dem unvermeidlichen
Spannungsabfall im Gleichrichter, der in gleicher Höhe stets auch an der Unterbrechungsstelle
beim öffnungsvorgang auftritt. Gelangt beispielsweise ein Glühkathodenrohr zur Verwendung,
so entspricht die Öffnungsspannung stets mindestens der Entladungsspannung des Rohres,
die in der Größenordnung von 2o Valt liegt. Bei einer so hohen öffnungsspannung
können jedoch nur verhältnismäßig kleine Ströme in der Größenordnung von 1/2 Ampere
ohne schädliches Schaltfeuer unterbrochen werden. Die Verwendung eines Trockengleichrichters
ist ebenfalls nur für verhältnismäßig kleine Leistungen wirtschaftlich, weil die
Sperrspannung des
Gleichrichters mindestens so hoch sein muß wie
die an der Unterbrechungsstelle auftretende Betriebsspannung, so daß schon bei Mittelspannungsgeräten
eine ganze Anzahl v; @n Elementen hintereinandergeschaltet wcrd-n müssen, wodurch
sich ihre Spannungsabfälle auch in der Übertragungsrichtung summieren und eine entsprechend
hohe öffnungsspannung an der Unterbrechungsstelle verursachen.
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Es ist ferner bekannt, zu einer Unterbrechungsstelle außer einem Kondensator
noch eine Glimmlampe parallel zu schalten. Eine derartige Anordnung kommt jedoch
nur für sehr kleine Betriebsspannungen in Betracht, weil die Sperrspannung der Glimmlampe
höher sein muß als der Maximalwert derK Betriebsspannung des zu unterbrechenden
Stromkreises, sonst würde nämlich die Glimmlampe eine glatte Überbrückung der Unterbrechungsstelle
darstellen. Die Glimmlampe dient also hier nur zur Begrenzung etwaiger Überspannungen,
die oberhalb der Betriebsspannung liegen, und ist ohne Einfluß auf die Vorgänge,
die sich bei der Ladung des Kondensators bis zum Sperrs.parinungswert der Glimmlampe
und bei der Entladung des Kondensators unterhalb dieses Wertes abspielen.
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Die vorstehenden Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden,
daß eine Drossel mit beim Durchgang eines Stromes von vorbestimmter Richtung und
Stärke gesättigtem, sich bei Überschreitung eines bestimmten Wertes des Durchgangsstromes
sprunghaft entsättigendem Eisenkern innerhalb des zur Unterbrechungsstelle parallelen
Strompfades mit dem Kondensator in Reihe geschaltet ist.
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Mit Hilfe einer vorzugsweise aus einer besonderen Stromquelle entnommenen
Vormagnetisierung kann die Sättigungsgrenze der Drossel so eingestellt werden, daß
der Stram in Laderichtung beim Öffnen der Unterbrechungsstelle ungehindert durch
die Drossel hindurchfließen kann, weil sich diese dann im gesättigter. Zustand befindet
und infolgedessen einen praktisch vernachlässigbar kleineu Widerstandswert hat.
Sobald jedoch beim Schließen der Unterbrechungsstelle ein Entladungsstrom in der
umgekehrten Richtung durch die Drossel zu fließen beginnt, unterschreitet diese
.die Sättigungsgrenze und verhindert infolge ihres nunmehr hohen induktiven Widerstandes
ein Ansteigen des Entladungsstromes ausreichend lange, bis die Unterbrechungsstelle
sicher geschlossen ist. Zu dem vorgenannten Zweck muß die Stromrichtung der Vormagnetisierung
so gewählt sein, daß sie in der gleichen Richtung magnetisierend wirkt wie der Ladestrom,
welcher ungehindert hindurchfließen soll. Die Stärke des Vorinagnetisierungsstromes
muß so bemessen sein, daß die Drossel durch diesen Strom allein gerade bis zur Sä
ttigtnigsgrenze vormagnetisiert ist.
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Der Drossel kann innerhalb des parallelen Strompfades ihrerseits ein
hoher Ohnischer Widerstand parallel geschaltet sein, über den sich die in ihr plötzlich
entstehende tn_xgnetische Energie allmählich ausgleichen lüznn.
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Als Werkstoff für den Drosselkern R=ird vorzugsweise eine magnetisch
Hochwertige Eisensorte- von großer Permeabilität und scharfem Sättigungsknick verwendet,
um mit einer sehr geringen Windungszahl auszuk;>minen und so die Induktivität der
Drossel in gesättigtem Zustand, das ist die Luftinduktivität der Wicklung, möglichst
kle_ii zu halten.
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Da die Luftinduktivität einer derartigen Drossel. aus rein geometrischen
Gründen nur schwer- unter bestimmte Werte gebracht werden kann. so empfiehlt es
sich, in den Fällen. in denen eine noch geringere Luftinduktivität, d. h. ein besonders
geringer Widerstand für Ströme in Laderichtung erforderlich ist, zwei oder gegebenenfalls
auch noch mehr dei<zrtigc Schaltdrosseln zueinander parallel zti schalten.
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Ferner kann eine weitere Drossel mit sich sprtuigb-#ift sättigendem
Eisenkern in den ParallcIpfad eingeschaltet sein, di° in entgegengesetzter Richtung
vorgesättigt ist. 'Man erhält dadurch eine Anordnung, bei welcher der Strom im Parallelpfad
in beiden Richtungen vorübergehend innerhalb vorbestimmter Grenzwerte gehalten wird.
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Die vorbezeichneten Anordnungen eignen sich besonders zur Verwendung
für die periodisch arbeitende Schalteinrichtung eines Isontaktumformers, z. B. eines
Gleichrichters oder Wechselrichters, bei dem in Reihe mit jeder Unterbrechungsstelle
eine gesättigte, sich nur bei sehr kleinen Stromwerten in der Nähe des Stromnulldurchganges
entsättigende Schaltdrossel liegt, mittels deren der Stromverlauf derartig verzerrt
wird, daß in der Nähe jedes Stromnulldurchganges eine Abflachung, eine stromschwache
Pause entsteht, während welcher der Strom praktisch Null ist und daher ohne gefährliches
Schaltfeuer unterbr@-)chen werden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. fcq ist die Unterbrechungsstelle eines Stromkreises, beispielstveise
einer Phase des Speisestromkreises eines mehrphasigen Stromrichters. Der Kontakt
wird periodisch abwechselnd mit den entsprechenden Kontakten der übrigen, nicht
dargestellten Phasen betätigt, und zwar so, daß die Stromunterbrechung jedesmal
in der Nähe des Stromnulldurchganges stattfindet. Parallel zu der Unterbrechungsstelle
liegt ein Kondensator 3o, mit dem ein Dämpfungswiderstand 3 r in Reihe geschaltet
ist.
Zu dieser Reihenschaltung liegt ein ho,chohmiger Widerstand 32 parallel. In Reihe
mit dieser vorzugsweise kapazitiven Widerstandskombination liegen die Drosseln 33
und 33', deren Eisenkerne 34 und 3.4' aus einer magnetisch hochwertigen Eisensorte
bestehen, deren Magnetisierungskennlinie :eüie,n scharfen Sättigungsknick aufweist.
Auf den Eisenkernen befindet sich je eine Vormagnetisierungswicklung 35 und
35'. Diese Wicklungen sind mit entgegengesetztem Sinn an ein Gleichstromnetz angeschlossen,
wobei regelbare Widerstände 37 und 37' die Einstellung einer. gewünschten Stromstärke
für die Vormagnetisierung gestatten. Parallel zu jeder der sich sättigenden Drosseln
ist ein hochohmiger Widerstand 38 bzw. 38' geschaltet, über den sich die in der
Drossel aufgespeicherte magnetische Energie allmählich ausgleichen kann.
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Der nicht gezeichnete Antrieb der Unterbrechungsstelle i 9 sei synchron
mit der Frequenz der Spannung des speisenden Transformators derart gesteuert, daß
die Unterbrechung in einem Augenblick beginnt, in welchem der dem Nullwert zustrebende
Strom noch die Richtung des eingezeichneten Pfeiles 2o hat. Die Stromstärke in der
Vormagnetisierungswicklung 35 sei so stark eingestellt, daß der Kern 34. gerade
gesättigt ist, und zwar in der gleichen Richtung, in der. der in Richtung des Pfeiles
2 i fließende Strom bei seinem Durchfluß durch die Spule 33 auf den Kern 3.4 magnetisierend
wirkt. Dann kann dieser Strom ungehindert zum Kondensator 3o flie-13en und diesen
aufladen, wodurch die Spannung an der Unterbrechungsstelle 19 eine Zeitlang
auf einem sehr kleinen Wert gehalten wird, bis die Trennstärke eine genügende Länge
erreicht hat, um Rückzündungen zu verhindern. Dadurch wird erreicht, daß beim Öffnen
der Trennstrecke i 9 praktisch kein Schaltfeuer auftritt.
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Wird die periodisch betätigte Unterbrechungsstelle i9 zu Beginn der
folgenden Stromübertragungsperiode wieder geschlossen, so würde ohne besondere Vorkehrungen
ein Stromstoß aus dem Kondensator 3o in Richtung des Pfeiles 22 über die Schaltstelle
flielien lind dort einen Funken verursachen können, bevor die Kontakte sich fest
berühren. Dies wird nun durch die Drossel33 verhindert; der aus dem Kondensator3o
in Richtung des Pfeiles 22 fließende Strom wirkt nämlich entgegen der durch die
Spule 35 hervorgerufenen Vormagnetisierung auf den Eisenkern entmagnetisierend ein.
Der Eisenkern gelangt dadurch zunächst in den ungesättigten Zustand, und infolgedessen
hat die Drosse133 einen sehr hohen Widerstandswert (Induktivität), durch den der
Entladungsstrom gedrosselt wird, so daß es nicht zur Ausbildung des Schließungsfunkens
kommen kann.
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Die Drossel33' ist für den geschilderten Vorgang bedeutungslos, weil
sie durch entsprechende Einstellung des Regelwiderstandes 37' bis über den Sättigungsknick
der MagnetisierungskuTve des Eisenkernes 3,1' hinaus vormagnetisiert ist, derart,
daß die entmagnetisierende Wirkung des in Richtung des Pfeiles 2 i fließenden Ladestromes
nicht dazu ausreicht, den Eisenkern 3q.' in den ungesättigten Zustand zu versetzen.
Der in umgekehrter Richtung fließende Entladestrom wirkt in gleicher Richtung wie
der Vormagnetisierungsstrom der Spule 35'; der Eisenkern 34' bleibt infolgedessen
sowohl während l:er Aufladung des Kondensators 3o als auch während seiner Entladung,
d. h. sowohl beim öffnen als auch beim Schließen der Unterbrechungsstelle i9 gesättigt,
so daß die Spule 33' einen praktisch vernachlässigbar kleinen Widerstandswert hat.
Voraussetzung dafür ist natürlich, daß die Spannung im S:chließungsaugenbiick die
gleiche Richtung hat.wie der Strom im Unterbrechungsaugenblick. Diese Voraussetzung
ist z. B. beim Gleichrichter gewöhnlich erfüllt.
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Es . kann nun aber beispielsweise infolge einer Änderung der Phasenlage
des Schalttaktes zwecks Einstellung eines: anderen Aussteuerungsgrades oder infolge
von elektrischen oder mechanischen Störungen vorkommen, daß die Spannung im Schließungsaugenblick
die entgegengesetzte Richtung hat wie _ der Strom bei der Unterbrechung, so daß
der Kondensator umgekehrt aufgeladen ist. Dann besteht die Gefahr, daß ein hoher
Entladungsstromstoß aus dem Kondensator in Richtung des Pfeiles zi über die sich
schließende Unterbrechungsstelle fließt und dort einen Schließungsfunken hervorruft.
Dagegen schützt die Drosse133'. Sobald nämlich der Entladungsstrom in Richtung des
Pfeiles 2 z einen solchen Wert erreicht hat, daß er die sättigende Wirkung des in
der Spule 35' fließenden Vormagnetisierungsstromes aufhebt und damit den Kern 34',
in den ungesättigten Zustand versetzt, nimmt die Drossel 33' sprunghaft einen hohen
Widerstandswert (Induktivität) an,' wodurch das weitere Ansteigen des Entladungsstromes
in Richtung des Pfeiles 2 i verhindert wird. Die Grenze des Entladungsstromes kann
so bemessen werden, daß auch in diesem Fall merklichen K ontaktabbrand hervorrufendes
.Sthaltfeuer beim Schließen der Unterbrechungsstelle i 9 vermieden wird.
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Die strombegrenzende Wirkung der Drosseln 33 und 33' ist nur eine
vorübergehende; weil jedesmal nach einer gewissen Zeit, während welcher sich die
Drossel in ungesättigtem Zustand befindet, die Sättigung in entgegengesetzter
Richtung
eintritt und- damit der Widerstandswert wieder auf einen geringen Betrag absinkt.
Die Wirkungszeiten der Drosseln sind jedoch lang genug, daß während dieser Zeit
die gefahrlose Schließung der Unterbrechungsstrecke stattfinden kann.