DE767729C - Anordnung zum Schutze von Schaltstellen, insbesondere Relaiskontakten - Google Patents

Description

Relaiskontakte und viele andere Schaltstellen elektrischer Schaltgeräte sind ganz besonders im Augenblick des Einschal tens durch den Strom gefährdet. Der Übergang vom geöffneten Zustand zum geschlossenen, bei dem der Widerstand der Kontaktstelle genügend klein geworden ist, um den auftretenden Strom zu vertragen, erfolgt nämlich nicht plötzlich, sondern allmählich. Steigt daher beim Schließen des Stromkreises der Strom mit großer Geschwindigkeit an, wie es z. B. beim Einschalten von Gleichstrom oder beim Einschalten von Wechselstrom zu einem in der Umgebung eines Maximums der Stromkurve liegenden Zeitpunkt geschieht, so verdampfen dieersten spitzenartigen Berührungsstellen; es bildet sich ein Metalldampf lichtbogen, durch den unter Umständen ein Schwimmen des Kontaktes verursacht werden kann. Größere Material wanderung, gegebenenfalls Verschweißung der Kontakte, sind die Folgen. Wenn die Kontaktanordnung flattert, d. h. wenn sich die Schaltstücke vor ihrer endgültigen Schließung ein- oder mehrmals voneinander abheben, so entsteht ein Abbrand nicht nur durch das wiederholte Einschalten, sondern, wenn der Strom in dieser Zeit genügend groß geworden ist, auch durch das

Ausschalten. Bei guten Kontaktanordnungen sind alle geschilderten störenden Erscheinungen nach einer Zeit in der Größenordnung von ι Millisekunde und weniger verschwunden. Es ist bekannt, die elektrischen Beanspruchungen von Schaltern beim Öffnen eines Wechselstromkreises mittels einer in Reihe geschalteten Drossel zu erleichtern, deren Magnetkern beim Xennstromwert hochgesättigt ist und in der Nähe des Stromnullwertes eine stromschwache Pause hervorruft. Dieselbe Wirkung tritt jedoch bei der erneuten Schließung des Stromkreises nicht ohne weiteres ein. Erfolgt nämlich diese Schließung zu einem Zeitpunkt, von dem aus der Strom in derselben Richtung ansteigt, die er vor der Unterbrechung hatte, so ist die Drossel infolge ihrer Remanenz noch in der Richtung des ansteigenden Stromes gesättigt, so daß der Strom sofort steil ansteigt. Anders liegen die Verhältnisse bei den bekannten Kontaktumformern mit vormagnetisierten Schaltdrosseln. Hier sind die Schaltzeitpunkte genau festgelegt, so daß es möglich ist, durch eine den Magnetisierungszustand der Drosseln im Hinblick auf die ebenfalls gegebene Richtung des bevorstehenden Stromanstieges beeinflussende Steuerung zu verhindern, daß die Drossel im Schließzeitpunkt bereits in Richtung des ansteigenden Stromes gesättigt ist, indem eine Wechselstrommagnetisierung angewendet wird, die die Stromstärke nicht nur beim Ausschalten, sondern auch beim Einschalten niedrig zu halten gestattet.

Die Erfindung besteht in der Verwendung der erwähnten bekannten. Anordnung zur Beseitigung von Mängeln der eingangs geschilderten Art, also zum Schütze von Schaltstellen gegen elektrische Beanspruchungen beim Schließvorgang in gewöhnlichen, zu unbestimmten Zeitpunkten zu schließenden Stromkreisen, und zwar nicht nur für Wechselstrom, sondern auch für Gleichstrom, wo die Verwendung hochgesättigter Drosseln zur Erleichterung von Schaltvorgängen an sich neu ist. In den genannten Gleich- und Wechselstromkreisen besteht im Gegensatz zu den bekannten Kontaktumformern keine Möglichkeit zur eindeutigen zeitlichen Ausrichtung der Steuerung des Magnetisierungszustandes der Drossel nach einem bevorstehenden Schließzeitpunkt. Diese Steuerung muß daher denjenigen Ausgangszustand der Drossel, der zur Erleichterung eines bevorstehenden Schließungsvorganges erforderlich ist, unabhängig von der zeitlichen Lage des letzteren herstellen bzw. ständig bereithalten. Erfindungsgemäß wird dazu die Steuereinrichtung entweder, sowohl für Gleich- als auch für Wechselstromkreise, so ausgebildet, daß sie die Drossel nach jeder Stromkreisöffnung mittels eines in der Öffnungszeit vorübergehend fließenden und abklingenden Vormagnetisierungs-Wechselstromes wieder in den ungesättigten Zustand versetzt, oder, für Gleichstromkreise, so, daß sie die Drossel nach jeder Stromkreisöffnung mittels eines in der Öffnungszeit mindestens vorübergehend fließenden Vormagnetisierungs-Gleichstromes in einen der Sättigung in entgegengesetztem Sinne wie während der Stromflußzeit mindestens nahekommenden Magnetisierungszustand versetzt, oder daß sie durch einen zwischen je zwei Stromflußzeiten stattfindenden Umschaltvorgang eine Richtungsumkehr der Drosseldurchflutung bei aufeinanderfolgenden Schließungen des Stromkreises hervorruft oder, für Wechselstromkreise, so, daß sie die Drossel mittels eines vor dem Schließvorgang fließenden Vormagnetisierungs-Wechselstromes von gleicher Frequenz wie die Wechselspannung abwechselnd in beiden Richtungen mindestens annähernd sättigt und der Vormagnetisierungsstrom gegenüber der Wechselspannung eine solche Phasenlage hat, daß die Sättigungsrichtung in jeder Halbwelle der Wechselspannung, wenigstens solange deren Augenblickswerte hoch sind, entgegengesetzt ist.

Zur Erläuterung der Erfindung ist zunächst in Fig. ι die Magnetisierungskurve einer Drossel mit geschlossenem Eisenkern dargestellt. Ordnet man, wie es Fig. 2 zeigt, die Drossel D in Reihe mit der Schaltstelle-S im Stromkreis irgendeines Gerätes, Widerstandes od. dgl. (Z) an, so durchläuft beim Einschalten der Schaltstelle 6" der Magnetisierungszustand der . Drossel D infolge des sich vermöge der treibenden Spannung u ausbildenden Stromes i die von ο (Fig. 1) ausgehende Neukurve bis zum Erreichen des Sättigungszustandes bei entsprechend hohen Stromwerten. Dem steilen Anstieg der Magnetisierungskurve zufolge ist der Widerstandswert der Drossel zunächst, d. h. vor dem Erreichen des Sättigungszustandes, sehr groß, so daß der Wert des Stromes i unmittelbar nach dem Einschalten für eine entsprechende Zeitdauer, beispielsweise etwa ι Millisekunde, sehr gering bleibt und erst danach den Verlauf nehmen kann, den er bei Xichtvorhandensein der Drossel sogleich nehmen würde. Diese Abflachung der Stromkurve zu Beginn des Stromflusses kann durch zweckgerechte Bemessung der Drossel so gestaltet werden, daß die Schaltstelle S gegen Beschädigungen durch den eingeschalteten Strom vollauf ausreichend geschützt ist.

Wird der Schalter S wieder geöffnet und geht dementsprechend der Strom i auf ο zurück, so ändert sich, wie Fig. 1 zeigt, der

Wert des die Drossel durchsetzenden Flusses wegen der hohen Remanenz des Drosseleisens nur wenig; die Drossel verbleibt in dem Magnetisierungszustand A. Dies ist in der Regel unerwünscht, da nun bei einer erneuten Einschaltung des Schalters 5* die Sättigungskurve lediglich den von A aus beginnenden, bedeutend flacheren, gestrichelt gezeichneten Verlauf nimmt, so daß bei der zweiten und

ίο allen folgenden Einschaltungen der Schaltstelle S die erwünsch te Abflachung der Stromkurve nicht mehr erzielt wird. Diese Schwierigkeit kann dadurch aus dem Wege geräumt werden, daß durch besondere Maßnahmen vor Beginn des neuen Schaltvorganges ein geeigneter Magnetisierungszustand herbeigeführt wird, von dem aus eine genügende Steilheit der Magnetisierungskurve, die beim folgenden Schaltvorgang bis zur Sättigung durchlaufen wird, gewährleistet ist. Dies kann z. B. mit einer Anordnung erreicht werden, wie sie in Fig. 3 grundsätzlich dargestellt ist. Danach wird die vorzugsweise mit einer Hilfswicklung versehene Drossel D nach Öffnung der zu schützenden Schaltstelle S durch den Entladestrom eines Kondensators C vormagnetisiert, der von irgendeiner (nicht gezeichneten) fremden Stromquelle her geladen und mittels- eines Hilfsschalters s, zweckmäßig über eine besondere Impedanz oder einen Widerstand R₁ an die Hilfswicklung der Drossel D. gelegt werden kann. Der gesamte Scheinwiderstand des Hilfsstromkreises ist so· zu bemessen und mit dem Kondensator C abzustimmen, daß die Entladung periodisch abklingt. Dies hat zur Folge, daß während der Entladung des Kondensators C der Magnetisierungszustand der Drossel die Hysteresisschleife mehrmals ■ durchläuft, wdbei' der Magnetisierungszustand, da die Scheitelwerte des Stromes ständig abnehmen, schließlich den Wert ο oder einen in der Nähe von ο liegenden Wert annimmt. Die Drossel ist dann wieder arbeitsbereit, und zwar nach beiden. Richtungen hin, d.h. es wird die erforderliche Steilheit der Sättigungskurve gewährleistet, gleichgültig ob der Strom im Einschaltaugenblick positiv oder negativ · ist. Daher ist die Anordnung nach Fig. 3 sowohl für Gleichstrom als auch, für Wechselstrom anwendbar.

Allerdings haben demgegenüber Schaltungen, bei· denen die Drossel vor Beginn des neuen Schaltvorganges nicht nur entsättigt, sondern im Sinne der dem Augenblickswert des Stromes beim Einschalten entgegengesetzten Polarität (negativ bei positivem Augenblickswert des Stromes) gesättigt wird, den Vorteil einer besonders günstigen Ausnutzbarkeit der Drossel.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist schematisch in Fig. 4 veranschaulicht. Hier wird die Drossel durch einen Hilfsgleichstrom i_v aus einer Spannungsquelle E negativ gesättigt, die, zweckmäßig über eine besondere Impedanz /, an eine Hilfswicklung der Drossel D angeschlossen ist. Dieser Hilfsgleichstrom hält die Drossel bei geöffnetem Schalter 5 in einem bestimmten Magnetisierungszustand B, der z. B. in der Nähe des negativen Sättigungszustandes> gewählt werden kann (Fig. 1). Beim Schließen des Schalters JT nimmt die Sättigungskurve den vom Punkte B aus beginnenden, zunächst gestrichelt gezeichneten Verlauf, so daß gleichfalls die erforderliche Steilheit der Magnetisierungskurve gewährleistet ist.

Vielfach wird es auch genügen, die Hilfswicklung der Drossel anstatt dauernd lediglich kurzzeitig mittels eines im Hilfsstromkreis angeordneten Hilfsschalters J an die Hilfsspannung zu legen. Ausgangspunkt für die Magnetisierungskurve ist dann nach Wiederöffnen des Hilfsschalters· s an. Stelle des Punktes B der Punkt B' der Magnetisierungskurve.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, daß die Drossel nach öffnung der Schaltstelle durch einen aperiodischen Entladestromstoßi eines Kondensators negativ gesättigt wird. Hierzu kann grundsätzlich die Schaltung nach Fig. 3 verwendet werden, jedoch sind die Scheinwiderstände des Hilfsstromkreises auf den Kondensator C so abzustimmen, daß dessen Entladung aperiodisch verläuft.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung, bei der ein Verbraucher Z über die Schaltstelle >? und die Drossel D aus einem Kondensator K gespeist wird, der z. B-. von einer nicht gezeichneten Stromquelle her aufgeladen wird. Die Entsättigung bzw. negative Sättigung der Drossel D nach Öffnung des Schalters 5" geschieht hier durch einen mit oder ausschließlich zur Aufladung des Kondensators K dienenden Stromstoß aus einer Gleichstromquelle, beispielsweise von einem Gleichrichter G her. Dieser ist zweckmäßig über einen hinreichend großen Dämpfungswiderstand R' angeschlossen, damit die Entladung des Kondensators K auf den Verbraucher Z nicht gestört wird.

Eine andere für Gleichstromkreise anwendbare Möglichkeit zur Herbeiführung eines für den Beginn des Schaltvorganges geeigneten 1*5 Magnetisierungszustandes besteht beispielsweise darin, daß zwischen je zwei Einschaltvorgängen die Anschlüsse der Drossel umgeschaltet werden. Man verbindet also-, etwa wie Fig. 6 dies schematisch zeigt, die Drosselwicklung über Umschalter x, y mit dem zu schaltenden Stromkreis. Diese Umschalter

können mit der Schaltstelle 5" in geeigneter Weise gekuppelt sein oder in Abhängigkeit von dieser, gegebenenfalls auf elektrischem Wege, gesteuert werden. Wird dann die Drossel bei oder nach Öffnung der Schaltstelle 5" umgeschaltet, so bedeutet dies hinsichtlich der Wirkung der Drossel soviel wie eine Drehung der Magnetisierungskurve um ι So⁰ unter Beibehaltung des gerade vorhandenen Magnetisierungszustandes, oder, mit anderen Worten, Ausgangspunkt für den Sättigungsvorgang ist bei erneutem Einschalten nicht der Punkt A, sondern der Punkt Ä der Magnetisierungskurve. Es wird also ohne weiteres wieder eine hinreichend steile Sättigungskurve erzielt, um den Strom beim Einschalten genügend abzuflachen. Allerdings ist diese Anordnung bzw. dieses Verfahren nur bei Gleichstromkreisen, nicht aber bei Wechselstromkreisen anwendbar, da bei zufälligem Einschalten des Stromes im Bereich der negativen Halbwelle wieder der gleiche Übelstand aufträte, der durch das Umpolen der Drossel gerade vermieden werden soll.

Eine Möglichkeit zur Vereinfachung der Anordnung nach Fig. 6 ist in Fig. 7 gezeigt. Die Drossel D ist hier mit zwei Wicklungen versehen, die gegeneinander geschaltet sind, bzw. mit einer einzigen Wicklung mit einer Anzapfung in der Mitte. Der doppelpolige Umschalter x, y der Fig. 6 ist mit dem Schalter 5" zu einem einzigen Schalter vereinigt. Zum Schließen des Stromkreises wird der Schalter S das eine Mal nach oben, das andere Mal nach unten gelegt. Durch derartiges abwechselndes Einschalten wird, wie ohne weiteres ersichtlich ist, gleichfalls erreicht, daß die Drossel D jeweils im richtigen Sinne vormagnetisiert ist, so daß jedesmal beim Einschalten der Punkt A' der Magnetisierungskurve nach Fig. 1 Ausgangspunkt für den Sättigungsvorgang ist.

Eine nur für Wechselstromkreise geeignete Ausführungsmöglichkeit des Errlndungsgedankens ist in Fig. 8 veranschaulicht. Die Drossel D hat hier eine Hilfswicklung, die durch Wechselstrom von gleicher Frequenz, aber entgegengesetzter Phase wie die treibende Spannung des zu schließenden Stromkreises vormagnetisiert wird. Fig. 9 zeigt den zeitlichen Verlauf der treibenden Spannung u und den des Vormagnetisierungsstromes i_v. Wird die Schaltstelle S zu einem beliebigen Zeitpunkt geschlossen, so ist die Drossel stets in dem der Richtung der treibenden Spannung entgegengesetzten Sinne gesättigt. Infolgedessen kann der Strom in dem soeben geschlossenen Kreise zunächst nur kleine Augenblickswerte annehmen, bis die Drossel ungesättigt ist. Beim Augenblickswert Null der treibenden Spannung bzw. des Vormagnetisierungsstromes befindet sich die Drossel allerdings in einem unbestimmten Zustand bezüglich der Relation ihres Magnetisierungszustandes zu der Polarität der treibenden Spannung; dem steht aber gegenüber, daß bei den Schaltvorgängen, die etwa zufällig gerade in diesem Phasenzeitpunkt oder seiner näheren Umgebung beginnen, auch die Beanspruchung der Schaltstelle durch den Strom ganz besonders gering ist, weil die treibende Spannung nahezu Null ist. Xach einem weiteren Vorschlage läßt es sich auch erreichen, daß bei Wechselstrom zu jedem beliebigen Phasenzeitpi nkt eine Vorerregung der Drossel in einem gegenüber dem jeweiligen Wert der treibenden Spannung negativen Sinne vorhanden ist. Dies veranschaulichen die Fig. 10 und 11. Nach Fig. 10 ist in dem Hilf sstromkreis eine Hilf sdrossel H angeordnet. Die Hilfsdrossel H sättigt sich bei einem kleineren Stromwert als die Hauptdrossel D, deren Magnetisierungsschleife in Fig. 11 links dargestellt ist. Durch die Hilfsdrossel H wird der Verlauf des Vormagnetisierungsstromes i_v (Fig. 11) nach jedem Nulldurchgang abgeflacht. Durch entsprechende Anordnung zusätzlicher Impedanzen / (Induktivitäten, Kapazitäten) im Hilfsstrom- kreis läßt sich nun die gegenseitige Phasenlage zwischen der treibenden Spannung u und dem Vormagnetisierungsstrom i_v so einstellen, daß der letztere beim Nulldurchgang der Wechselspannung den Sättigungswert der Hauptdrossel D durchläuft. Damit wird erreicht, daß die Drossel D in jedem beliebigen Zeitpunkt gegenüber dem Augenblickswert der treibenden Spannung negativ, d. h. entgegengesetzt vorerregt ist.

Die Möglichkeiten zur Ausführung und Anwendung der Erfindung w-erden durch die hier behandelten Beispiele keineswegs erschöpft.

Claims (4)

1. Patentansprüche: ^1o5

   i. Anordnung zum Schütze von Schaltstellen, insbesondere Relaiskontakten, gegen elektrische Beanspruchungen beim Schließ Vorgang mittels einer in Reihe ge- no schalteten Drossel (Einschaltdrossel) mit beim Nennstromwert hochgesättigtem Magnetkern und einer den Magnetisierungszustand der Drossel im Hinblick auf die Richtung des bevorstehenden Stromanstieges beeinflussenden Steuerung, die verhindert, daß die Drossel im Schließzeitpunkt bereits in Richtung des ansteigenden Stromes gesättigt ist, gekennzeichnet durch die Verwendung in gewöhnlichen, zu unbestimmten Zeitpunkten zu schließenden Gleich- oder

   Wechselstromkreisen in Verbindung mit einer Steuereinrichtung, die entweder, für beide Arten von Stromkreisen, so¹ ausgebildet ist, daß sie die Drossel nach jeder Stromkreisöffnung mittels eines in der Öffnungszeit vorübergehend fließenden und abklingenden Vormagnetisierungs-Wechselstromes wieder in den ungesättigten Zustand versetzt (Fig. 3), oder, für Gleichstromkreise," so, daß sie die Drossel nach jeder Stromkreisöffnung mittels eines in der Öffnungszeit mindestens, vorübergehend fließenden Vormagnetisierungs-Gleichstromes in einen der Sättigung in ientgegengesetztem Sinne wie während der StromfLußzeit mindestens nahekommenden Magnetisierungszustand versetzt (Fig. 3 bis 5), oder daß sie durch einen zwischen je zwei Stromflußzeiten stattfindenden Umschaltvorgang eine Richtungsumkehr der Drosseldurchflutung bei aufeinanderfolgenden Schließungen des Stromkreises hervorruft (Fig. 6 und* 7) oder, für Wechselstromas kreise, so, daß sie die Drossel mittels eines vor dem Schließvorgang fließenden Vormagnetisierungs-Wechselstromes von gleicher Flrequemiz; wie die Wechiseispaitniunig abwechselnidl in beiden- Richtungen mindestens annähernd! sättigt unidi der Vormagnetisierungsstrom gegenüber der Wechselspannung eine solche Phasenlage hat, daßi die Sättigungsrichtung in jeder Halbwelle der Wechselspannung, wenigstens solange deren Augenblickswerte hoch sind, entgegengesetzt ist (Fig. 8 bis 11).
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1 für Gleich- oder Wechselstromkreise, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Drossel ein Kondensator mit periodisch schwingendem Ladekreis vorgesehen ist (Fig.3).
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 für Gleichstromkreise, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Drossel ein· Kondensator mit aperiodischem Ladekreis vorgesehen ist (Fig.3 und 5).
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 für Gleichstromkreise, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Drossel ein Hilfsumschalter vorgesehen ist, durch den bei geöffnetem Stromkreis die Hauptanschlüsse der Drossel vertauscht werden (Fig. 6).

   5. Anordnung nach Anspruch 1 für Gleichstromkreise, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel zwei gegensinnige Wicklungen hat, die bei aufeinanderfolgenden Schließvorgängen abwechselnd in den zu schließenden Stromkreis einzuschalten sind (Fig. 7).

   6. Anordnung nach Anspruch 1 für Wechselstromkreise, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem Sch ließ Vorgang fließende Vormagnetisierungs-Wechselstrom die entgegengesetzte Phase wie die (treibende Spannung des zu schließenden Stromkreises hat (Fig. 8 und 9).

   7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des vor dem Schließ Vorgang fließenden Vormagnetisierungs-Wechselstromes durch eine im Vormagnetisierungskreis angeordnete hochgesättigte Hilfsdrossel verzerrt wird, deren Sättigungsstromwert kleiner ist als der S ättigungs stromwert der Hauptdrossel, und daß der Vormagnetisierungsstrom beim Nulldurchgang der Wechselspannung den Sättigungsstromwert der Hauptdrossel durchläuft (Fig. 10 und 11).

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

   Deutsche Patentschriften Nr. 285281,

   623439, 643404;

   britische Patentschrift Nr. 467628;
   tlSA.-Patenitschriften Nr. 816468,
   ι 287 232.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   5832 4. S3