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Einrichtung zur Betätigung eines Schalt-, Steuer- oder Meßgerätes
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung ;zur Betätigung von Schalt-, Steuer- oder
Meßgeräten und ist von besonderer Bedeutung für die Betätigung dieser Geräte in
Abhängigkeit von .der Größe eines einen elektrischen Leiter durchfließenden Gleichstromes.
Die Erfindung 'kann jedoch auch zur Betätigung der Geräte in Abhängigkeit von anderen
sich betriebsmäßig ändernden Größen, insbesondere in Abhängigkeit einer elektrischen
Wechselspannung, verwendet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanischen Gleicbstromschnellschalter
in anderer Weise zu betätigen, als .dies bisher üblich war, und dadurch gegenüber
bekannten Schnellschaltern betriebstechnische Vorteile zu erreichen. Die prinzipielle
Wirkungsweise :der üblichen Gleichstromschnellscbalter ergibt sich aus Fig. r und
Fig. z a. Sie beruht darauf, daß der konstante, von einem Hilfsstrom JH erzeugte
Haltefluß durch einen vom Hauptstrom J erzeugten Fluß $ kompensiert wird. Dabei
ist 0 proportional zu JO (Fig. z a) und unterstützt oder kompensiert je nach der
Stromrichtung J den Haltefluß 0H und liefert den resultierenden Fluß OR. Beim Durchschreiten
des Auslösestromes - JA bzw. J'A, je nach der Polarität des Halteflusses, überwiegt
die Federkraft, und die Auslösung wird eingeleitet. Es sind verschiedene Maßnahmen
vorgeschlagen worden, um den Rückwärtsauslösestrom kleiner zu halten als den Vorwärtsauslösestrom.
Die Aufgabe der
vollständig voneinander unabhängigen Einstellung
der Vor- und Rückstromaüslösung konnte jedoch bisher noch nicht zufriedenstellend
gelöst werden.
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Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil. Ein nach dem Grundgedanken
der Erfindung arbeitender Schnellschalter hat im Gegensatz zu .den bisher bekanntgewordenen
Schnellschaltern die Eigenschaft, daß er bereits bei .ganz kleinen Rückströmen,
etwa i 0!a des Nennstromes, oder sogar bei Stromlosigkcit auslöst und daß es dabei
gleichgültig ist, auf welchen Wert die Vorwärtsauslösung eingestellt wird.
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Die Erfindung löst -die gestellte Aufgabe .durch Anwendung eines kippfähigen
Drosselspulen-Systems, dessen Aufbau und Wirkungsweise an Hand von Fig. 2@ und a
a erläutert werden soll.
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Die Kippanordnung bzw. das Drösselspulensystem besteht, wie aus der
Schaltung von Fig. a hervorgeht, aus zwei Drosselspulen bzw: zwei Magnetkreisen
A1 und A2 mit je drei Wicklungen I, II und III. Die den Gleichstrom J führende Schiene
wirkt als vierte Wicklung.
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Wenn in dieser Anordnung der Gleichstrom J von einem genügend großen
positiven Wert bis auf einen genügend großen negativen Wert abnimmt und nachher
wieder zu großen positiven Werten ansteigt, ändert sieh der Fluß 0 in .der durch
Fig. 2 a dargestellten Form. Wie die eingezeichneten Pfeile erkennen lassen, nimmt
der Fluß von großen positiven Werten des Gleichstromes J ausgehend mit abnehmenden
Werten dieses Stromes etwa nach einer Geraden allmählich ab, bis er bei dem Stromwert
J1 von dem Punkt r nach dem Punkt 2, d. h. von einem kleinen Flußwert auf einen
verhältnismäßig sehr viel größeren Flußwert kippt. Bei weiterer Abnähme bzw. Änderung
ins Negative nimmt der Fluß langsam zu: Wenn in rückwärtiger Richtung der Gleichstrom
J sich von großen negativen Werten allmählich in Richtung zum Wert Null und dann-
in positiver Ric'ht'ung ändert, so kippt der Fluß 0 bei einem positiven Wert J2
des Gleichstromes von dem Punkt 3 nach dem Punkt 4 bzw. von einem hohen Flußwert
auf einen wesentlich niedrigeren Flußwert. Mit Hilfe eines Vorsättigängsstromes
-I- i" oder -i , der durch die Wicklung III fließt (Figg. 2'), kann .den beiden
Kernen der Magnetkreise A1 und A2 ein Vorwärtsstrom J,, oder ein Rückwärtsstrom
-J'" vorgetäuscht werden, so daß im ersteren Fall, iv, das Kippen bei einem 'kleinen
negativen Strom J, im anderen Fall, - i", bei einem verhältnismäßig großen Vorwärtsstrom
J erfolgt.
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Die kippfähige Drosselspulenanordnung nach Fig.2 kann zur Betätigung
eines Gleichstromschnellschalters verwendet werden. Der die Magnetkreise der beiden
Drosselspülen durchsetzende Fluß 0 kann unmittelbar als Haltefluß für den Schnellschalter
im Sinne der Anordnung nach Fig. z verwendet werden. Da sich der Fluß entsprechend
dem Diagramm nach Fig. 2 ä bei bestimmten Werten des Gleichstromes J plötzlich erheblich
ändert, kann diese Änderung verwendet werden, um den Schalter bei dem Wert des Gleichstromes
J .zum Auslösen zu bringen, der dem Kipp-Punkt des Diagramms in Fig. z entspricht.
Durch Einstellung eines bestimmten Vormagnetisierüngsstromes der Wicklung III gelingt
es, den Ansprechwert des Gleichstromes J, insbesondere den Wert des Rückstromes,
beliebig einzustellen.
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Von dem gleichen Erfindungsgedanken ausgehend kann der Schnellschalter
jedoch auch in anderer Weise betätigt werden; .denn nicht nur der die beiden Drosselspulen
durchsetzende Fluß 0, sondern auch der der Wechselstromquelle entnommene Ström,
d.h. der die Wicklung I oder II in Fig. 2 durchfließende Strom, hat die Eigenschaft,
daß er sich entsprechend dem Diagramm der Fig. a a bei bestimmten Werten des Gleichstromes
J plötzlich erheblich ändert. Diese Änderung des Stromes in den Wicklungen II kann
indirekt zur Änderung des Halteflusses des Schnellschalters verwendet werden.
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Die für die Erfindung wesentlichen Merkmale der Drosselspulenanordnung
besteht in folgendem: Das Drösselspulensystem wird von zwei verschiedenen Strömen
erregt. Die Erregung ist zumTeil von Gleichströmen abhängig. Beider Anordnung nach
Fig. 2 sind dies der für die Auslösung maßgebende Strom J in der Sammelschiene und
der Vormagnetisierungsstromi",welcher .die Wicklungen III durchfließt. Das Drosselspulensystem
wird weiterhin erregt von Erregerströmen, welche durch Gleichrichtung einem Wechselstromnetz
entnommen werden. Hier handelt es sich somit um pulsierende Gleichströme bzw. Ströme,
welche zwar gleichbleibende Richtung haben, deren Augenblickswerte sich jedoch periodisch
ändern. Anders ausgedrückt handelt es sich bei den Strömen; welche in Fig.2 die
Wicklungen I und II durchfließen, um Gleichströme, denen eine Wechselstromkomponente
überlagert ist, bzw. umgekehrt um Wechselströme, die eine Gleichstromkomponente
besitzen. Eine weitere Eigenschaft der durch Gleichrichtung gewonnene Erregungen
besteht darin, daß die Ströme der Wicklungen I je in einer Phasenleitung einer Vollweggleichrichterschaltung
liegen, während die beiden Wicklungen 1I in den Nulleiter der gleichen Gleichrcbteranordnung
geschaltet sind. Die beiden Erregerströme der Wicklungen I und II unterscheiden
sich somit dadurch, daß die Ströme der Wicklungen I eine relativ kleinere Gleichstromkomponente
besitzen als die Ströme der Wicklungen 1I. Die Kippfähigkeit der Drosselspulenanordnung
nach Fig. 2 besteht darin, daß sich der Fluß in den beiden Kernen der Drosselspulen
Al und Az nach Fig. 2 a mit dem Strom der Sammelschiene J bzw. mit dem Wert der
Erregung durch konstanten Gleichstrom ändert. In gleicher Weise ändert sich jedoch
auch, wie bereits angegeben, der Ström; welcher von der Gleichrichterschaltüng der
Erregerwicklungen I und II der speisenden Wechselstromduelle entnommen wird. Weiterhin
ändern sich auch die Spannungen, welche in den Wicklungen I und II der beiden Drosselkerne
A1 und A2 induziert werden. Jede dieser Größen hat die Eigenschaft, daß bei ,zwei
bestimmten Werten des
Gleichstromes J bzw. der resultierenden Gleichstromerregung
Kippen eintritt. Jede dieser Größen kann somit zurBetätigung eines elektrischenGerätes
verwendet werden, welches von der Größe eines Gleichstromes abhängig sein soll.
Ein solches Gerät kann, wie oben angegeben, in einem Gleichstromsc'hnellschalter
bestehen, die Erfindung kann jedoch auch für die Betätigung anderer elektrischer
Geräte, also anderer Schalt-, Steuer- oder Meßgeräte, verwendet werden, die von
der Größe eines in °iner Leitung fließenden Gleichstromes abhängig sein sollen.
Dieser Gleichstrom kann dabei seinerseits auch von anderen für die Betätigung maßgebenden
Größen durch entsprechende Umformung abgeleitet werden. In jedem Fall erhält man
eine kräftige Betätigung des betreffenden Gerätes bei ganz bestimmten Werten der
resultierenden Gleichstromerregung bz-w. der Größe, von der diese Erregung abgeleitet
ist.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß das Kippen der Drosselspulenanordnung
nicht nur bei einer Änderung der resultierenden Gleichstromerregung, sondern auch
bei einer Änderung der Wechselspannung eintritt, «-elche die von pulsierendem Strom
durchflossenen Erregerwicklungen der Drosselspulenanordnung speist. Auch von dieser
U'.ec'hselspannung kann entweder für sich oder zusätzlich die Betätigung der elektrischen
Schalt-, Steuer- oder Meßgeräte abhängig gemacht werden.
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Die Schaltung nach Fig. 2 läßt sich, ohne an dem Erfindungsgedanken
etwas zu ändern, noch in der U'eise abwandeln, daß jeder Magnetkreis zwei Wicklungen
I trägt und daß diese beiden Wicklungen in je einer Phasenleitung einer Vollwellengleichrichterschaltung
bzw. einer sogenannten Graetz-Schaltung liegen, während die Wicklungen II in den
gemeinsamen Rückweg .der Gleichrichterschaltung geschaltet sind. Auch in diesem
Fall werden die Wicklungen I von pulsierenden, durch Gleichrichtung gewonnenen Wechselströmen
durchflossen, und die Ströme in den Wicklungen I und II unterscheiden sich voneinander
in der Weise, daß das Verhältnis zwischen den Gleichstromkomponenten und Wechselstromkomponenten
verschieden ist. Durch die Wicklungen II kann auch ein Gleichstrom geleitet «erden,
der praktisch gleichbleibende Augenblickswerte besitzt, der jedoch dem der speisenden
Wechselstromquelle entnommenen Strom verhältnisgleich ist.
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Die Kippanordnung nach Fig.2 ist besonders dann mit Vorteil anwendbar,
wenn bei einem bestimmten für die Betätigung des elektrischen Gerätes maßgebenden
Wert irgendein Schalt-, Steuer-oder Meßvorgang ausgelöst werden soll. Wenn also
beispielsweise ein Schnellschalter nur in Abhängigkeit von einem Rückstrom bestimmter
Größe betätigt «-erden soll. Ein wichtiges Anwendungsbeispiel ist die Vorstrommessung
und Rückstromanzeige bei einem Stromrichter, insbesondere einem Gleichrichter. Nimmt
man an, daß die Gleichstromkomponente des Anodenstromes eines Stromrichters die
`'Wirkung des Steuerstromes, also des Stromes J in Fig. 2, übernimmt, so arbeitet
die Kippanordnung bei hohen positiven Strömen im Bereich de.-unteren rechten Astes
der in Fig. 2 a dargestellten Kurve. Hier steigt die von dem Strom J abhängige Größe,
also beispielsweise der Fluß (I) oder der in den Wicklungen II fließende Strom,
allmählich mit dem Strom Jan und kann .daher in diesem Bereich gemessen werden.
Sobald jedoch ein Rückstrom in der betreffenden Anodenleitung auftritt, kippt das
Anzeigeinstrument entsprechend der Kurve in Fig. 2 a auf einen hohen Wert, wenn
der Vormagnetisierungsstrom in der Wicklung III so eingestellt ist, wie es in Fig.
2 a für den Strom JV eing Y.-ezeichnet ist. Der beim Kippen von Punkt i auf Punkt
2 in Fig. 2 a erreichte 'hohe Wert bleibt auch dann bestehen, wenn der Steuerstrom
weggenommen wird. Die Rückholung kann durch Unterbrechung der speisenden Wechselspannung
der Schaltung nach Fig. 2 oder durch kurzzeitige sehr starke Erhöhung des Steuerstromes
erreicht werden. Auf diese Weise gelingt es, bei einem mehranodigen Stromrichter
nach einer Rückzündung festzustellen, in welcher Entladungsstrecke die Rückzündung
aufgetreten war.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere für das
Gebiet der Schnellschalter von Bedeutung ist, besteht darin, daß zwei der in Fig.
dargestellten Drossels.pulensysteme miteinander vereinigt werden und daß jeweils
die Flüsse zweier solcher Kippanordnungen in ihrer Wirkung subtrahiert werden. In
Fig.3 ist dies schematisch dargestellt. Die eine Kippanordnung besteht aus den Drosseln
Al und A" und ist mit +i" vorgesättigt. Die zweite Anordnung besteht aus
zwei gleichen Drosselspulen Bi und B., die indessen durch einen anderen Strom-i,
vorgesättigt sind. Der Flußverlauf OA in der Drossel Al und der Flußverlauf OB in
der Drossel Bi kann ähnlich wie in Fig. 2 a in Abhängigkeit von: dem Steuergleichstrom
J aufgetragen werden und ergibt die Diagramme der Fig. 3 a und 3 b. Die Differenzen
der beiden Flüsse OD = OA = OH liefert den Flußverlauf in Fig. 3 c. Beim Unterschreiten
eines negativen Wertes -J1 kippt der Fluß $D von einem großen Wert i nach einem
kleinen Wert z. Beim Überschreiten des positiven Wertes J, kippt der Fluß ebenfalls
von einem höhen Wert 3 auf einen niedrigeren Wert ,I. Das Verschwinden des Flusses
OD bei den Werten-J1 und +J, kann zur Aus-Lösung des Schnellschalters verwendet
werden. Dabei kann entweder der Fluß $D selbst als Haltefluß in dem Magnetsystem
:des Schnellschalters entsprechend Fig. i verwendet werden, oder es wird eine der
anderen, ebenfalls dem Kippvorgang unterworfenen Größen der beiden Drosselsysteme
benutzt, um das System des Schnellschalters so zu betätigen, daß bei den beiden
Werten -J1 und +J2 die gewünschten Schaltvorgänge, nämlich das Öffnen der Konta'hte
des Schnellschalters, ausgelöst «-erden.
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Diese Anwendung einer Doppelanordnung nach der Erfindung ergibt für
das Gebiet des Gleichstromschnellschalters eine Reihe wesentlicher Vorteile: Während
bei dem bekannten Schnellschalter
der auslösende Fluß proportional
mit dem Überstroin bzw. Rückstrom zunimmt und demnach die Haltekraft des Magneten
im gleichen Maß proportional mit dem Strom geschwächt wird, führt bei dem Sehälter
nach der Erfindung das Überschreiten der Auslösestromstärken, die mit Hilfe der
veränderlichen Vorsättigungen beliebig eingestellt werden können, zu sprungartig
auftretenden Flußänderungen, welche je nach der Dimensionierung außerordentlich
groß sein 'können. Daraus ergibt sich eine Beschleunigung des Schaltvorganges, wenigstens
,soweit dieser von den elektrischen Vorgängen abhängt. Da man durch zweckmäßige
Dimensionierung erreichen kann, daß der Sprung des Flusses sehr groß ist, besteht
die Möglichkeit, einen großen Haltefluß und damit starke Schaltfedern zu verwenden,
was auch für. den mechanischen Teil der Auslösung eine Beschleunigung zur Folge
hat.
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Die Differenzbildung des Flusses ist in Fig.3 schematisch dargestellt.
Eine Drossel Al, Bi :besitzt einen gemeinsamen Schenkel, dessen Luftspalt vom Anker
des Schnellschalters überbrückt wird. Die Wicklungen sind so angeordnet, .daß die
Flüsse OA und eB entgegengesetzt gerichtet sind. Der gemeinsame Schenkel, der .die
Haltekraft auf den Anker ausübt, führt somit den Differenzfluß: Der zweite zu der
Anordnung gehörende Teil, nämlich die Drosseln A2 und B2, können je nach den gegebenen
Raumverhältnissen beliebig weit entfernt vom Schnellschalter irgendwo auf der zugehörigen
Stromschiene « angeordnet werden; wenn zwei Schnellschalter parallel zur Bewältigung
großer Stromstärken verwendet werden, kann dieser zweite Teil direkt als Schaltmechanismus
des ,zweiten Schalters Verwendung finden. Schaltungsmäßig muß dabei berücksichtigt
werden, @daß die Speisung der Anordnung über einen durch den Schalter zu betätigenden
Hilfskontakt geführt wird, der beim SchaItvorgang kurzzeitig unterbrochen wird.
Anderenfalls würde nämlich bei einer vorangegangenen Rückstromauslösung der resultierende
Fluß OD im Punkt c von Fig. 3 c im gekippten Zustand bleiben, und der Anker würde
infolge des fehlenden Halteflusses nach Betätigung des Einschaltmechanismus sofort
wieder auslösen. Durch das Öffnen des Hilfskontaktes wird die Anordnung selbsttätig
nach jeder Abschaltung zurückgeholt, und es wird der durch den Kippvorgang vernichtete
Haltefluß wieder hergestellt. Für die konstruktive Ausbildung der Schaltanordnung
bestehen verschiedene Möglichkeiten. Magnetisch besonders günstig ist eine dreischenklige
Drosselspule entsprechend Fig: 3. Konstruktiv besser durchführbar ist jedoch eine
Anordnung, wie sie in Fig, q. angedeutet ist und sieh der vorhandenen Form des Schnellschalters
verhältnismäßig gut anpaßt. Die beiden Drosseln Ä1 und B1 werden durch ein gemeinsames
Joch gekoppelt, in .dem die Bildung des Differenzflusses vor sich geht. Die beiden
Drosseln Al und Bi sind dabei nicht wie im ersten Fall spiegelbildlich zueinander
angeordnet, sondern befinden sich nebeneinander. In Fig. 4 ist -dementsprechend
hinter,dem dort gezeichneten U-förmigen Eisenkern ein zweiter U-förmiger Eisenkern
für die Drossel Bi zu denken. Die beiden oberen Schenkel sind miteinander verbunden,
und zwischen diesen Verbindungsbrücken der beiden U-förmigen Eisenkerne befindet
sich der in Fig. q, sichtbare Luftspalt, der durch das gemeinsame Joch und den Anker
überbrückt ist.
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Ein besonders wichtiger Vorteil der Doppelanordnung nach Fig. 3 besteht
darin, @daß .die Größe des Rückstromes und .die Größe des Vorwärtsstromes, d. h.
die beiden Stromwerte, bei denen die Anordnung kippt, voneinander vollkommen unabhängig
sind, weil diese beiden Größen nur von der Größe der Vormägnetisierung der Drosselspulen-Anordnungen
abhängig ist. Der Schnellschalter, welcher nach dem Prinzip der Erfindung aufgebaut
ist, hat somit die Eigenschaft, daß er nicht nur vor-und rückstromab'hängig auslöst,
sondern daß außerdem auch noch die Stromwerte in den beiden Auslösebereichen voneinander
unabhängig sind und auch unabhängig voneinander eingestellt werden können.
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Ebenso wie dies bereits für die Drosselanordnung nach Fig. 2 angegeben
wurde, kann auch die Doppelanordnung nach Fig. 3 nicht nur für das Gebiet derGleiehstromschnellschalter,
sondern auch für die verschiedensten anderen Schalt- und Steuerzwecke angewendet
werden. Ähnlich wie bei dem Gleichstromschnellschalter kann beispielsweise bei einem
Relais eines der beiden Magnetsysteme in Fig.3 unmittelbar das Magnetsystem des
Relais darstellen.
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Für den Kippvorgang bei der Drosselspulenanordnung nach der Erfindung
ist Voraussetzung, ,daß der Magnetkreis der Drosselspulen im wesentlichen eisengeschlossen
ist. Besonders vorteilhafte Wirkungen ergeben sich dann; wenn eine Eisensorte mit
besonders scharfem Knick in der Magnetisierungskurve verwendet wird.
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Von wesentlicher Bedeutung für den Kippvorgang ist außerdem das Verhältnis
der Windungszahlen der beiden Wicklungen I und II. Es läßt sich nachweisen, daß
dieses Verhältnis nicht beliebig klein und nicht beliebig groß sein darf, sondern
in einem bestimmten Intervall bleiben muß. Im einzelnen hängt dieser Bereich von.
der Art des verwendeten Eisens ab. Außerdem ist das Eintreten des Kippens von,der
speisenden Wechselspannung der Wicklungen I und II abhängig. Bei sonst gleichgehaltenen
Bedingungen der Drosselspulen werden die Kippsprünge um so größer, je größer diese
Spannung ist. Die Höhe der Kippsprünge läßt sich außerdem noch durch deren Ohmschen
Widerstand der Wicklungen I und II, insbesondere der Wicklung II, ändern, wenn die
übrigen Bedingungen konstant gehalten werden.