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Anordnung zur phasenrichtigen Einschaltung einphasiger Wechselstromverbraucher
mittels zündstiftgesteuerter Entladungsgefäße Es sind eine Reihe von Anordnungen
angegeben worden, die bezwecken, an Stelle mechanischer Schaltapparate mit Hilfe
von Entladungsgefäßen einphasige Wechselstromverbraucher häufig ein- und auszuschalten.
Diese Aufgabe tritt unter anderem bei großen Widerstands- und Abbrennschweißmaschinen
auf, und an dieser Stelle haben sich besonders die Schwierigkeiten bei Verwendung
mechanischer Schaltapparate gezeigt, und zwar in Gestalt des Kdntal:tabbrandes und
der mechanischen Abnutzungserscheinungen, die durch die häufige Betätigung der Apparate
entstehen. Zur Vermeidung solcher Störungen sind an Stelle mechanischer Schaltapparate
Entladungsgefäße mit Steuerorganen vielfach verwendet worden, wobei, durch den Ventilcharakter
derartiger Elemente bedingt, zwei Gefäße, gegensinnig parallel geschaltet, verwendet
werden. Bei dieser Anordnung tritt praktisch keine Abnutzung auf, da die Schaltung
durch die Steuerung der Gefäße vorgenommen wird, die einerseits nur sehr kleine
ILcistungen benötigt, andererseits auch ohne mechanisch bewegte Teile mit rein elektrischen
Steuerungen bewerkstelligt' werden kann. Der
Nachteil dieser Anordnungen
ist ihre relativ große Iiompliziertlreit, ihre dadurch bedingte Störanfälligkeit
und ihr hoher Preis.
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Die zündstiftgesteuerten Entladungsgefäße G' und G" bieten die Möglichkeit,
mit Hilfe sehr einfacher Schaltungen (vgl. Fig. i, 2 und.I), die einen kleinen mechanisch
betätigten Schalter B und Widerstände R sowie gegebenenfalls gleichrichtende
Elemente T aufweisen, praktisch jede beliebige Schaltleistung zur Verfügung zu stellen.
Die Gefäße sind hinsichtlich des Scheitelwertes des Belastungsstromes kurzzeitig
stark überlastbar, und der benutzte mechanische Schalter braucht, z. B. in den Anordnungen
nach Fig. i und 2, nur . die in Fig. 3 gezeichneten, außerordentlich kurzdauernden
und relativ kleinen Ströme iZ zu führen, die zur Zündung über die Stifte der -Gefäße
fließen müssen. Auf Grund des Zündmechanismus der Gefäße sind diese Schaltungen
nur für induktive oder gemischte Belastungen geeignet.
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D.ie schon erwähnte große Überlastbarkeit der Gefäße hat bei diesen
Schaltungen zuerst das Auftreten von Einschaltüberströmen als harmlos erscheinen
lassen, die sich ja immer dann ausbilden müssen, wenn der Beginn des Stromflusses
nicht genau in dem auch bei Dauereinschaltung auftretenden Phasenpunkt des \Tulldurchganges
des Stromes erfolgt. Diese Aufgabe kann selbstverständlich von .den obenerwähnten
Röhrensteuerungen ohne Schwierigkeiten geleistet werden. Will man sie auch mit,den
in Fig. i, 2 und 4 gezeichneten einfachen Schutzschaltungen erfüllen, dann muß das
präzise Einschalten der Zündkreise durch eine Röhrenanordnung bewirkt werden. Dadurch
wird aber nicht nur der Aufbau einer solchen Apparatur wieder verwickelter gestaltet,
sondern es treten auch alle die Nachteile wieder in Erscheinung, die der Verwendung
derartiger Anordnungen im praktischen Betrieb entgegenstehen. Außer der Notwendigkeit
eines gelegentlichen Röhrenersatzes ist es hauptsächlich die gerade in ungeheizten
Räumen sehr störende Anheizzeit dieser Hilfsgefäße, die zusammen mit der dann erforderlichen
AnheizzeitverriegeIung die Apparatur schwierig und für viele Fälle zu teuer gestaltet.
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Die vorliegende Erfindung gibt einen Weg an, dieser Schwierigkeiten
Herr zu «erden. Es wird mittels des eigentlichen Betätigungsschalters de-r Zündkreis
der Schalteinrichtung nicht direkt geschlossen, sondern der Betätigungskreis eines
phasengenau ansprechenden Relais .eingeschaltet. Derartige Relais sind beispielsweise
auch für besondere. Aufgaben der üblichen Relaistechnik (schnell arbeitende Leistungsrichtungsrelais)
bereits bekannt. Sie sind beispielsweise in der Ausführung als Ilalterelais gekennzeichnet
durch ein ordentlich leichtes _1iil:ersvstefn, das lilrcll eine starke Zugfeder
von einem ma#@ntfschtu Haltekreis sehr präzise dann ab'-Orisstn wird. wenn der Fluß
im 11altelcreis und im _@üktr des Relais durch Null gellt. Durch f'lKrlagerung verschiedener
Flursysteme kann inan erreichen, daß unabiiärigig vom Einschaltmoment der sog. Auslösespule
das Relais sicher in dem nächsten der Einschaltun@@ folgenden, genau einstellbaren
Phasenpunkt der benutzten Wechselspannung auslöst. Die Verzögerungszeit liegt dann
in der GriU#nordnung von etwa z m/s und kann auch doch durch eine entsprechende
'#Toreilung des Auslösepunktes berücksichtigt «-erden. Ein solches Relais ist also
ohne weiteres imstande, eine Schalteinrichtung der in Fig. i, 2 oder .4 gezeichneten
Art präzise zu einem gewünschten Phasenpunkt der Netzspannung einzuschalten. Durch
geeignete Ausbildung der Relaiskreise wird dieser Phasenpunkt nicht hinsichtlich
der Halbwelle, sondern hinsichtlich der ganzen Periode genau festgelegt.
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Eine praktische Anordnung dieser Art ist in Fig. ä aufgezeichnet.
Für die Gefäße und die Zündkreise wurde dabei .eine Schaltung nach Fig. q. zugrunde
gelegt. In d. -n beiden Zündkreisen selbst liegen die Kontakte von zwei Relais,
von denen das eine. Plr. phasengenau schaltet (Phasenrelais). Dieses links gezeichnete
Relais besitzt zwei _@rlyeitsküntakte, die heim Loslassen des Ankers durch eine
darüber dargestellte Feder mit groljer Schnelligkeit geschlossen werden. Der Anker
wird durch die in den Spulen i, 2, 3 flierenden Ströme angezogen gehalten. Diese
Spulen werden teils direkt, teils über Gleichriclittr 1I aus einem Wechselstromnetz
- gespeist, das frequenz- und phasengleich mit der speisenden Stromquelle des Hauptstromkreises
geschaltet ist. Der Spule i wird eine durch Trcckeil#"1uiciirichter in GraetzschaItung
gleichg--richtete ungeglättete Stromkurve zugeführt, so claß durch sie allein der
Fluß im Haltekreis zweimal in jeder Periode durch Null gehen würde. Durch einen
Vorschaltwiderstand ist dafiir gesorgt, daß unabhängig von den an den anderen Spulen
liegenden Spannungen die theoretische Kurvenform des Stromes genau eingehalten wird.
Die an den Gleichrichtern liegende Wechselspannung wird durch Vor-@°nüh.r
thm schaltung eines Kondensators ge :.letz in der Phase tun qo-" geschwenkt. In
der Spule 2 wird durch einen Gleichrichter eine Halbwelle der speisenden Wechselspannung
zusätzlich überlagert, so daß nur einmal je Periode der resultierende Fluß der Spulen
i und 2 durch \t111 gellt. Der Spule 3 wird ein
stark gegliitteter: Gleichstrom
zugeführt, der den resultierenden FIuß im \ullclurcligang
der von
den Spulen i und 2 aufgedrückten Komponenten nur so weit absinken läßt, daß der
Anker gerade noch gehalten wird. Durch Einschalten der Spule d. wird eine sinusförmige
Wechselstromkoiriponente überlagert, die in der Nähe des Nulldurchganges der Resultierenden
von i und 2,das Relais zum Abfallen bringt. Auch hier ist wieder durch Vorschaltung
eines Widerstandes dafür gesorgt, (laß unabhängig von den gegenseitigen Kopplungen
der Spulen i bis q. sich ein sinusförmiger Strom in q. ausbildet. Die Einschaltung
der Spule q. wind über den rechts unten gezeichneten Betätigungsschalter B vorgenommen.
Im nächsten darauffolgenden, durch die Einstellung des Phasenrelais festgelegten
Phasenaugenblick spricht dasselbe an und schließt die beiden Zündkreise. Die Zündunken
in den beiden Hauptgefäßen G' und G" werden ermöglicht, und der Laststrom bildet
sich ohne Einschaltüberstrom einwandfrei aus. Gleichzeitig wird mit der Spule q.
aber auch die Spule des rechts gezeichneten Zeitrelais Z unter Spannung gesetzt.
Dasselbe beginnt zu arbeiten und schließt nach der eingestellten Zeit seinen Arbeitskontakt.
Durch diesen wird das darüber dargestellte Hilfsrelais HR zum Ansprechen
gebracht, öffnet mit seinen beiden Ruhekontakten die Zündkreise und unterbricht
damit das Arbeiten der Hauptgefäße. Durch (las phasengenau arbeitende Halterelais
wird also ein einwandfreies Einschalten des Hauptstromkreises gewährleistet. Die
Einstellung des Zeitrelais ergibt dann zusammen mit der natürlichen Verzögerungszeit
des Hilfsrelais die Einschaltdauer des Hauptkreises.' Außer der Forderung des präzisen
Einschaltaugenblickes wird an derartige Schalteinrichtungen--bei großen einphasigen
Verbrauchern noch eine zusätzliche Forderung dann gestellt, wenn der von -der Schalteinrichtung
geschaltete elektrische Stromkreis direkt mit den Wicklungen eines Transformators
verbunden ist, dereine nennenswerteRemanenz besitzt. Diese Gefahr ist bei allen
Transformatoren ohne Luftspalt und insbesondere bei Verwendung minderwertiger Eisensorten
gegeben, deren Anwendungsgebiet ja hauptsä clllich bei aussetzend arbeitenden Umspannern
liegt. In diesem Fall wird an die .Schalteinrichtung die zusätzliche Forderung gestellt,
(laß sie eine ganze Anzahl von Perioden durch den Verbraucher schickt, also grundsätzlich
dafür sorgt, daß der Zündstromkreis der Gefäße (s. hig. i, 2) erst unterbrochen
wird, wenn eine Halbwelle in der dem ersten Zündmoment entgegengesetzten Richtung
zustand- gekommen ist. Auch für diese Aufgabe kann gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung ein solches schnell arbeitendes P1iasenrelais benutzt werden, wobei der
Aufbau und ,die Ausführung wesentlich einfacher gehalten werden können, denn jetzt
koninlt es nicht mehr wie beim Einschaltaugenblick mit voller Genauigkeit auf den
Phasenaugenblick an, sondern nur darauf, daß im Laufe einer Halbwelle zu einem beliebigen
Zeitpunkt der Zündkreis wieder geöffnet wird. Der Zeitbereich, in dem die Öffnung
erfolgt, muß hinter dem eigentlichen Zündvorgang der letzten Halbwelle liegen.
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In Fortbildung des Erfindungsgedankens können die beiden erwähnten
Relais konstruktiv dadurch vereinigt werden, daß zwei magnetische Hälfekreise auf
einen gemeinsamen Anker arbeiten. Dazu ist es .dann nur erforderlich, daß der Kraftspeicher,
der sm Einschaltaugenblick das Abreißen vom ersten System bewirkt, anschließend
außer Tätigkeit gesetzt wird und dafür ein zweiter Kraftspeicher auf den Anker zur
Wirkung- gebracht wird, der das. Abreißen zum Zwecke der Ausschaltung vom zweiten
Magnetsystem bewirkt. Dabei setzen diese Lösungen voraus, daß die Einrichtung Arbeitszeiten
von einigen Perioden besitzt, da das Ein- und Ausschalten der Kraftspeicher natürlich
reicht mit der Geschwindigkeit geschehen kann, mit dar die Ankerbewegung des Relais
erfolgt.
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Das Schaltbild einer solchen Anordnung zeigt Fig: 6. Es findet nur
ein einziges Spezialrelais sowie das für alle solche Schaltungen erforderliche Zeitrelais
Verwendung. Für den Hauptstromkreis ist eine Schaltung gemäß Fig. i zugrunde gelegt.
In die für beide Gefäße gemeinsameZündleitung isteinArbeitsk-ontakt des Relais eingeschaltet,
welches außerdem einen zweiten Arbeits- und einen zweiten Ruhekontakt besitzt. Diese
Kontakte K sind in -der Mitte des Relais dargestellt und stehen je nach ihrer Lage
unter der Einwirkung einer der beiden darüber und darunter schematisch dargestellten
Federn zur Ein- und Ausschaltung (Fe bzw. FR). '
Diese beiden Federn werden
dadurch gespannt, daß das dem eigentlichen Relaisanker abgewandte Federende durch
einen Anker angezogen wird, der -unter der Wirkung einer entsprechenden Spule steht.
Diese Spulen sind unter- und oberhalb der Federn gleichfalls dargestellt. Auf den
Anker dieses Relais wirkt in jeder seiner beiden Lagen je ein magnetischer Haltekreis,
von denen der eine die vier Spulen iL. bis 41, und der andere die vier Spulen iA
bis q.A enthält. In der natürliclien Ruhelage des Relais liegt der Anker wie gezeichnet
und schließt über seinen unteren Ruhekontakt den Kreis der oberen Spannspule, wodurch
die Feder F, gespannt gehalten wird. Durch die in den Spulen ii, bis 3@, fließenden
Ströme wird der Anker festgehalten, bis zti dem Augenblick, in deal Slittlc.h, eingeschaltet
wird.
Zusammenarbeiten und Bezifferung dieser Spulen entspricht vollkommen der Anordnung
in Fig. 5. Die Spule 4E wird durch den Betätigungsschalter B über den Ruhekontakt
des Zeitrelais rechts unten an Spannung gelegt. Damit wird die phasenrichtige Schließung
der Zündleitung durch den oberen Arbeitskontakt des Relais sichergestellt. Gleichzeitig
wird die Spule des Zeitrelais unter Spannung gesetzt, und das Zeitrelais beginnt
zu laufen. Im Hauptrelais ist durch das erstmalige Ansprechen der Anker in die obere
Lage gelangt. Der untere Relaiskontakt hat den Stromkreis der oberen Spannspule
geöffnet und- inzwischen den der unteren Spannspule geschlossen und damit die Fe-'der
F" vorgespannt. Der Anker liegt inzwischen an dem oberen magnetischen Haltekreis
an und wird von 'demselben erst losgelassen, wenn nach Ablauf des Zeitrelais dieses
die Spule 4A unter Spannung setzt. Dabei ist es gleichgültig, ob nach Abfangen des
Ankers die Spule 4E abgeschaltet wurde. Ebenso ist es belanglos, daß in dem Moment
des ersten Ansprechens die Spannspule für die Feder Fe abgeschaltet wurde.
Bevor der schwere Kern dieser Spule sich überhaupt aus einerRuhelage bewegen konnte,
war das Relais bereits in die zweite Endlage gelangt. Das gleiche gilt für den der
Feder F4 zugeordneten Kern, der im Moment des ersten Ansprechens angezogen wurde.
Bevor er überhaupt nur eine Bewegung ausführen und auf F" eine Kraft ausüben konnte,
hatte das Relais bereits angesprochen. Nach Ablauf des Zeitrelais kehrt das Relais
in die Lage zurück, die es vor der Einschaltung besaß. In derselben verbleibt es,
solange das Zeitrelais unter Spannung steht. Wird der Betätigungsschalter geöffnet,
so kehrt zwar das Zeitrelais auch in seine Ruhelage zurück, ein erneutes Ansprechen
des Hauptrelais findet jedoch erst beim Schließen des Stromkreises der Spule 4E
durch den Betätigungsschalter statt. Ein besonderes- Eingehen auf die Schaltung
der Spulen i, 2 und 3 und ihrer Gleichrichter ist in diesem Zusammenhang nicht erforderlich.
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Die dargestellten Anordnungen sollen nur beispielsweise den Gedanken
der Frfndutierläutern. Insbesondere können die gezeigten Anordnungen noch durch
weitere zusätzliche Teile den Forderungen der Praxis aiiepat:,-t werden. In den
oder die Zündkreise können Kontakte von zusätzlichen Gliedern eingeschaltet werden,
deren Ansprechen eine sofortige Abschaltung des gesamten Kreises zur Folge haben
soll, wie beispielsweise Kühlwasserschalter, Überstromsicherungen, Notschalter usw.
Auch bleibt der Erfindungsgedanke nicht auf Anordnungen beschränkt, bei denen die
Einschaltdauer des Hauptkreises nur von einem reinen Zeitrelais gesteuert wird.
Es können statt dessen beliebig andere Abhängigkeiten das Arbeiten des phasenrichtig
arbeitenden Schnellrelais je nach Aufgabenstellung beeinflussen. Auch ist es nicht
in allen Fällen unbedingt erforderlich, Relais der hier dargestellten Form zu verwenden,
bei denen eine außerordentlich hohe Ansprechgeschwindigkeit mit einem relativ erheblichen
Aufwand erreicht wurde.