-
Schaltanordnung zur Erleichterung des Schließvorganges eines Schalters
Es ist bekannt, die Einschaltbedingungen eines Schalters dadurch zu erleichtern,
daß mit den Kontakten eine Schaltdrossel in Reihe geschaltet wird, deren Magnetkern
beim Nennstromwert hochgesättigt ist und durch seine Entsättigung in der Nähe des
Stromnullwertes eine stromschwache Pause hervorruft. Durch geeignete Bemessung und
Vormagnetisierung kann erreicht werden, daß die Schaltdrossel im Augenblick der
Stromschließung ungesättigt ist, bis zu ihrer Sättigung den Strom sehr klein hält
und erst nach Eintritt der vollkommenen Sättigung einen steilen Anstieg des eingeschalteten
Stromes zuläßt (Einschaltdrossel). Die stromschwache Pause wird auch als Stromstufe
und der Strom während dieser Zeit als Stufenstrom bezeichnet. Die Höhe des letzteren
hängt von der Größe der Einschaltdrossel ab. Da deren Hauptwicklung für den vollen
Belastungsstrom des Schalters und ihr Kern für die Betriebsspannung zu bemessen
sind, so ist der Stufenstrom, den die Kontakte einzuschalten haben, um so höher,
je höher die Betriebsleistung der Schaltanordnung ist. In Umformungsanlagen ist
die einzuschaltende Spannung durch die Höhe der Betriebswechselspannung des Umformers
und durch seinen Aussteuerungsgrad gegeben. Es ist bekannt, die Einschaltleistung
der Umformerkontakte dadurch herabzusetzen, daß die Schaltstelle durch einen Vorkontakt
unmittelbar vor der Schließung der Hauptkontakte überbrückt wird. In diesem Fall
hat der
Vorkontakt dieselbe Einschaltleistung wie vorher dieHauptkontakte
zu bewältigen. Erfindungsgemäß kann die Einschaltleistung des Vorkontaktes dadurch
verringert werden, däß in dem Überbrückungspfad eine bei der Schließung des Vorkontaktes
ungesättigte Hilfsschaltdrossel mit dem Vorkontakt in Reihe geschaltet ist. Diese
wird durch die sich schließenden Hauptkontakte überbrückt, ist also nur in einer
außerordentlich kurzen Zeitspanne zwischen der Schließung des Vorkontaktes und der
Schließung der Hauptkontakte stromführend und kann dementsprechend kleiner sein
als die bekannte, mit den Hauptkontakten in Reihe liegende Einschaltdrossel. Die
Hilfsschaltdrossel kann daher so ausgeführt werden, daß der durch sie während der
stromschwachen Pause fließende Stufenstrom, der vom Vorkontakt einzuschalten ist,
eine wesentlich geringere Höhe hat, die um eine Größenordnung unter derjenigen jener
bekannten Einschaltdrossel liegen kann.
-
In der Zeichnung sind in den Fig. 1,:2 und 4bis 6 verschiedene Umformungsanordnungen
als Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar jeweils eine Phase
einer dreiphasigen Brückenschaltung. Fig. 3 enthält ein Schaubild zur Erläuterung
der Wirkungsweise.
-
Nach Fig. i dienen zur Hauptstromübertragung die Kontakteinrichtungen
2 und 3, deren bewegliche Teile im Gegentakt angetrieben werden. Neben ihnen sind
Vorkontakteq.bzw.,5 vorgesehen, die zusammen mit den Hauptkontakten durch ein gemeinsames
Getriebe oder mittels eines Kupplungsgestänges od. dgl. derart gesteuert werden,
daß sich zuerst die Vorkontakte und danach die Hauptkontakte schließen. Der beweglicheTeil
jedes Vorkontaktes kann z. B. mit dem beweglichen Teil der Hauptkontakte federnd
verbunden sein. In Fig. i ist dies durch eine strichpunktierte Linie angedeutet.
Der eine Teil jedes Vorkontaktes ist an eine Seite der Hauptkontakteinrichtung angeschlossen;
:der andere Teil des Vorkontaktes steht über eine Hilfsschaltdrossel 6 mit einem
Magnetkern 13 mit der anderen Seite der Haüptköntakteinrichtung in Verbindung. In
Reihe mit den Haüptkontakteinrichtungen 2 und 3 kann z. B. jenseits des Verzweigungspunktes
der Brückenschaltung eine gemeinsame, gegebenenfalls vormagnetisierte Hauptschaltdrossel
7 mit einem Magnetkern $ zur Erleichterung der Ausschaltvorgänge vorgesehen sein.
Beim Einschaltvorgang schließt sich zunächst der Vorkontakt 4;. Über ihn fließt
der Stufenstrom der Hilfsschaltdrossel 6. Wenn die Stufe abgelaufen ist, der Kern
13 der Hilfsschaltdrossel also in den gesättigten Zustand gelangt, verschwindet
die Spannung an den Hauptkontakten 2, so daß diese nunmehr spannungsfrei geschlossen
werden können. Nach Ablauf einer Halbwelle wiederholt sich der gleiche Vorgang an
den Kontakten 3 und 5.
-
Die Hauptkontakte dürfen, wenn ihre Schließung nicht durch eine an
der Hilfsschaltdrossel liegende Spannung erschwert werden soll, nicht vor Beendigung
der von der Hilfsschaltdrossel verursachten Stufe geschlossen werden. Die Dauer
der letzteren ändert sich, wenn der Umformer durch Teilaussteuerung geregelt wird,
wegen der verschiedenen Höhe der Wechselspannung im Einschaltaugenblick. Daher wird
der zeitliche Abstand zwischen den Schließungszeiten der Kontakteinrichtungen 2
und q. bzw. 3 und 5 durch entsprechende Einstellung des gemeinsamen Getriebes bzw.
der Kupplungseinrichtung so groß gemacht, daß er auch beim höchsten betriebsmäßig
vorkommenden Aussteuerungsgrad ausreichend ist, d. h.. daß auch bei dem niedrigsten
betriebsmäßig vorkommenden Wert der Einschaltspannung die Stufe der Hilfsschaltdrossel
abgelaufen ist, wenn die Hauptkontakte geschlossen werden. Der Zeitabstand zwischen
den Schließungszeiten von Vor-und Hauptkontakten kann auch zwecks Anpassung an die
Stufendauer in Abhängigkeit von der Einschaltspannung geregelt werden. Dies erfordert
aber eine ziemlich verwickelte Kupplungseinrichtung. Statt dessen ist es meist einfacher,
die Dauer der stromschwachen Pause z. B. mittels Anzapfungen der Wicklung der Hilfsschaltdrossel6
im Sinne einer Vergleichmäßigüng bei verschieden hohen Einschaltspannungen zu regeln,
so daß eine Verstellung des Zeitabstandes zwischen den Schließungszeiten der Vor-
und Hauptkontakte seltener bzw. in geringerem Umfange oder gar nicht erforderlich
ist. Ist die Einschaltspannung an sich sehr klein, wie z. B. bei annähernd voller
Aussteuerung eines Umformers, so kann unter Umständen die Hilfsschaltdrossel überhaupt
dauernd kurzgeschlossen werden.
-
Damit der Überbrückungsstromkreis mit der Hilfsschaltdrossel nach
der Schließung der Hauptkontakte vollständig von der Stromführung entlastet wird
und die Hilfsschaltdrossel somit besonders klein bemessen werden kann, ist beispielsweise
gemäß Fig. 2 in Reihe mit der Hilfsschaltdrossel ein Wirkwiderstand 9 im Überbrückungspfad
vorgesehen. Der Widerstand g hat mit Rücksicht auf den an ihm auftretenden Spannungsabfall,
der für die Einschaltspannung der Hauptkontakte bestimmend ist, einen sehr niedrigen
Wert von wenigen Ohm, der jedoch groß ist im Verhältnis zum übergangswiderstand
an den Hauptkontakten. Letztere werden bekanntlich wegen ihrer hohen Strombelastungen
gewöhnlich aus einem Werkstoff mit besonders guten Stromübergangseigenschaften,
z. B. aus Silber, hergestellt oder wenigstens an den Berührungsflächen mit einem
solchen Werkstoff überzogen. Für die Vorkontakte dagegen wird, da ihr Widerstand
eine geringere Rolle spielt bzw. unter Umständen neben oder an Stelle des erwähnten
besonderen Widerstandes g erwünscht sein kann, vorzugsweise ein solcher Werkstoff
verwendet, der weniger zur Werkstoffwanderung neigt als derjenige der Hauptkontakte.
Diese Maßnahme kommt, da derartige Werkstoffe bekanntlich gewöhnlich einen höheren
Übergangswiderstand haben, der Vorschaltung eines Zusatzwiderstandes gleich. Eine
Vergrößerung des Widerstandes des überbrükkungskreises bis zu der mit Rücksicht
auf die En-
Schaltspannung an den Hauptkontakten gebotene Höchstgrenze
hat für Umformer den weiteren Vorteil, daß der Vorkontakt im Fall einer Rückzündung
vor übermäßig hohem Rückstrom geschützt ist.
-
Der Überbrückungskreis kann ferner mit erhöhter Induktivität ausgestattet
werden, damit sich der Stromübergang auf die Hauptkontakteinrichtung nach deren
Schließung allmählich vollzieht. Zu diesem Zweck kann die Hilfsschaltdrossel selbst
eine ihre Streuinduktivität erhöhende Wicklungsanordnung erhalten oder mit der Hilfsschaltdrossel
eine gewöhnliche Drosselspule in Reihe geschaltet sein. Auch dieser Maßnahme ist
mit Rücksicht auf die Einschaltspannung an den Hauptkontakten eine Grenze gezogen.
-
Falls die Hauptkontakte trotz einer sehr niedrigen Einschaltspannung
den Laststrom auf die Dauer nicht ohne merkliche Werkstoffwanderung einzuschalten
vermögen, kann in Reihe mit der Parallelschaltung der Hauptkontakte und des Überbrückungspfades
auch noch eine Einschaltdrossel vorgesehen sein, deren Stufenstrom höher ist als
der Sättigungsstrom der Hilfsschaltdrossel. Die Steuerung der Hauptkontakte wird
vorzugsweise so eingestellt, daß sie sich während der von der Einschaltdrossel verursachten
stromschwachen Pause schließen. Die Hilfsschaltdrossel braucht dann nur für kurzzeitige
Belastung mit dem Stufenstrom der Einschaltdrossel bemessen zu sein. Eine derartige
vervollständigte Schaltung ist in Fig.2 dargestellt. Hier ist die Wicklung 7 der
Hauptschaltdrossel außer mit dem beim Ausschalten ungesättigten Magnetkern 8 (Hauptkern)
noch mit einem beim Einschalten ungesättigten Magnetkern 1o (Einschaltkern) magnetisch
verkettet. Das bestimmungsgemäße verschiedene magnetischeVerhalten der beiden Kerne
wird bekanntlich durch verschiedene Vormagnetisierung erzielt (vgl. z. B. Patent
711 3r1). Den Verlauf des Stromes i in Abhängigkeit von der Zeit t beim Einschaltvorgang
zeigt F ig. 3. Im Zeitpunkt t1 werde der Vorkontakt geschlossen; es folgt die von
der Hilfsschaltdrossel 6 verursachte stromschwache Pause bis zum Zeitpunkt t2, wo
sich die Hilfsschaltdrossel 6 sättigt. Hieran schließt sich die Haupteinschaltstufe,
die durch die Einschaltdrossel bzw. den Einschaltkern 1o hervorgerufen wird und
bis zum Zeitpunkt t4 dauert, wo dieser Magnetkern 1o in den gesättigten Zustand
übergeht. Die Hauptkontakte werden beispielsweise im Zeitpunkt t3 geschlossen.
-
Die Schließung der Hauptkontakte kann hier aber auch bereits vor Ablauf
der von der Hilfsschaltdrossel verursachten Stromstufe, also vor dem Zeitpunkt t2,
vorgenommen werden, geht dann aber nicht spannungsfrei vor sich, denn im Schließungsaugenblick
liegt an den Hauptkontakten noch die Spannung der ungesättigten Hilfsschaltdrossel6.
Dafür ist jedoch unter der Voraussetzung, daß der Strom vom Vorkontakt auf die Hauptkontakte
infolge erhöhter Induktivität des Überbrückungspfades, wie oben erwähnt, allmählich
übergeht, der Strom, den die Hauptkontakte einzuschalten haben, um den Hilfsstufenstrom
kleiner als der Stufenstrom der Einschaltdrossel. Durch Vergrößerung des Stufenstromes
der Hilfsschaltdrossel mittels entsprechender Verringerung ihrer Windungszahl können
also in diesem Fall die Hauptkontakte entlastet werden. Die Vergrößerung des Stufenstromes
der Hilfsschaltdrossel 6 findet ihre Grenze in dem zulässigen Höchstwert, der von
den Vorkontakten gerade noch ohne merkliche Werkstoffwanderung eingeschaltet wird.
Durch die obenerwähnte Wahl eines geeigneten Werkstoffes für die Vorkontakte kann
der genannte Grenzwert heraufgesetzt werden.
-
Nach Fig. q. können für die im Gegentakt arbeitenden Schaltstellen
2 und 3 verschiedene Wicklungen 6' und 6" mit den Vorkontakten q. bzw. 5 in Reihe
geschaltet sein. Die Wicklungen 6' und 6" können verschiedene Windungszahlen haben,
damit die Dauer der von der Hilfsschaltdrossel erzeugten stromschwachen Pause den
unter Umständen infolge unvermeidlicher mechanischer Abweichungen verschiedenen
Zeitabständen zwischen den Schließungsaugenblicken der Kontakte 2 und q. einerseits
und der Kontakte 3 und 5 andererseits angepaßt werden kann. Dem kürzeren Zeitabstand
entspricht die kleinere der beiden Windungszahlen. Ungleiche Windungszahlen im vorstehenden
Sinne können auch bei den im folgenden beschriebenen Anordnungen nach den Fig.5
und 6 angewendet werden. Den beiden Wicklungen 6' und 6" kann je ein besonderer
Widerstand g' bzw. g" vorgeschaltet sein. Fig. 5 zeigt eine Anordnung ohne Leitungsanschlüsse
an-den bewegten Kontaktteilen. Hier sind sowohl die Hauptkontakteinrichtung als
auch der Vorkontakt mit zwei ruhenden Teilen a', 2" bzw. q.', q." und einer beweglichen
Schaltbrücke 12 bzw. 1.. ausgerüstet. Die z. B. unter Federdruck stehende Schaltbrücke
14 des Vorkontaktes wird von der Schaltbrücke 12 der Hauptkontakte in öffnungsrichtung
mitgenommen. Die beiden Kontakteinrichtungen können auch in einer zur Richtung der
Kontaktbewegung senkrechten Ebene nebeneinanderliegen. Die beiden Kontaktbrücken
12 und 14 können, wie in Fig. 5 angedeutet, miteinander in leitender Verbindung
stehen. In der Verbindungsleitung zwischen der Trennstelle 2' und der Trennstelle
q.' liegt eine mit dem Magnetkern 13 der Hilfsschaltdrossel 6 verkettete
Wicklung 15, eine zweite Wicklung 16 in der Verbindungsleitung zwischen der Trennstelle
2" und der Trennstelle q.". Die beiden Wicklungen 15 und 16 haben einen solchen
Wicklungssinn, daß sie magnetische Felder in gleicher Richtung hervorrufen. Die
beschriebene Anordnung hat den weiteren Vorteil, daß der Kontaktbrücke 14 stets
ein mittleres Potential gegenüber den ruhenden Kontaktteilen q.' und q." aufgedrückt
wird.
-
Bei der Durchbildung des Vorkontaktes und des Überbrückungspfades
ist unter Umständen auch auf Vorgänge bei der Kontaktöffnung Bedacht zu nehmen.
Letztere wird natürlich dann nicht beeinfiußt, wenn die Steuerung der Haupt- und
Vorkontakte so ausgebildet ist, daß die Öffnung des
Vörkontaktes
derjenigen der Hauptkontakte vorauseilt. Zur Erleichterung des öffnungsvorganges
der Hauptkontakte werden vorteilhaft besondere Mittel vorgesehen, z. B. die an sich
bekannten und verbesserten Nebenwege oder eine früher vorgeschlagene spannungsgebundene
Vormagnetisierung der Hauptschältdrossel. Werden jedoch z. B. Vor- und Hauptkontakte
durch einen gemeinsamen Exzenter über verschieden lange Zwischenstößel oder über
einen gemeinsamen Stößel mit in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzten Berührungsflächen
angetrieben, so ist die Reihenfolge der Öffnungsvorschläge umgekehrt wie diejenige
der Schließvorgänge, ebenso bei federnder Verbindung der beweglichen Teile von Vor-
und Hauptkontakten. Infolgedessen ist durch eine voreilende Schließung des Vorkontaktes
zwangläufig eine nacheilende Öffnung des letzteren gegenüber den Hauptkontakten
bedingt. Durch die mehrfach erwähnte Erhöhung der Induktivität des Vorkontaktkreises
wird auch in diesem Fall eine Beeinflussung des Ausschaltvorganges der Hauptkontakte
praktisch vermieden und damit die ungestörte Wirksamkeit der zur Erleichterung des
Ausschaltvorganges vorgesehenen besonderen Mittel sichergestellt. Ist jedoch die
Induktivität des Vorkontaktkreises vernachlässigbar klein, so stört der V orkontaktkreis
den Ausschaltvorgang nur dann nicht, wenn in dieser Zeit die Hilfsschaltdrossel
6 unwirksam ist, z. B. wenn sie sich dann gerade im gesättigten Zustand befindet.
Das ist normalerweise der Fall, wenn die Hauptkontakte erst nach Ablauf der Hilfsstufe
geschlossen werden, wie z. B. in Fig. 3 veranschaulicht. Die Ausschaltbedingungen
sind hierbei um so günstiger, je schärfer der Sättigungsknick der Magnetisierungskennlinie
des Hilfsschaltdrosselkernes 13 und je geringer ihre Neigung oberhalb des Sättigungsknickes
ist. Da die in Fig. 3 angegebenen Zeitabstände in der Größenordnung von einigen
io-5 Sekunden liegen und die ihnen entsprechenden Kontakthubstrecken in der Größenordnung
von mehreren io-= Millimetern, so können beispielsweise durch Wärmedehnungen oder
andere Nebeneinflüsse oder durch Ungenauigkeiten, die teils von vornherein nur mit
unerträglich hohem Aufwand zu vermeiden wären, teils unvorhergesehen eintreten können,
Abweichungen von der normalen Arbeitsweise hervorgerufen werden. Es kann daher vorkommen,
daß sich die Hauptkontakte bereits während der von der Hilfsschaltdrossel 6 verursachten
Stufe schließen. Dies tritt beispielsweise auch dann ein, -,venn der Umformer zeitweise
mit hoher oder voller Aussteuerung arbeitet und dadurch die von der Hilfsschaltdrossel
6 hervorgerufene Hilfsstufe sehr lang wird, ohne daß eine der obenerwähnten Maßnahmen
zur gegenseitigen Anpassung der Stufendauer und der Zeitspanne zwischen den Einschaltaugenblicken
der Vor- und Hauptkontakte getroffen wird. Dann wird die noch ungesättigte Hilfsschaltdrossel
durch die sich schließenden Hauptkontakte praktisch kurzgeschlossen, und infolgedessen
fällt die an ihr liegende Spannung, die sie in den Sättigungszustand bringen soll,
vorzeitig auf den geringen Wert der übergangsspannung an den Hauptkontakten ab,
so daß während der Zeit, in der die Hauptkontakte geschlossen sind, die Hilfsschältdrossel
im ungesättigten Zustand verharrt. An sie legt sich daher bei der Öffnung der Hauptkontakte
sofort wieder eine hohe Spannung. Diese erscheint entweder in gleicher Höhe an den
Hauptkontakten oder treibt, falls besondere Nebenwege oder andere Hilfskreise zur
Erleichterung des Ausschaltvorganges vorgesehen sind, einen Strom durch diese Hilfskreise,
der dort Spannungsabfälle erzeugen, die Abgleichung der Hilfskreise stören und dadurch
den Unterbrechungsvorgang erheblich erschweren kann. Dagegen kann Abhilfe geschaffen
werden, indem nach Fig. 6 in Reihe mit den Wicklungen 6' bzw. 6" elektrische Ventile
i i' bzw: i i", z: B. Trockengleichrichter oder Gasentladungsventile, angeordnet
werden und der Strom bei einem negativen Augenblickswert unterbrochen wird, indem
z. B. durch geeignete Vormagnetisierung einer gemäß Fig. i zu ergänzenden Hauptschaltdrossel
dafür gesorgt wird; daß der zu unterbrechende Stufenstrom dieser Hauptschaltdrossel
einen negativen Wert hat. Dann kann während des Ausschaltvorganges über den Vorkontaktkreis
kein Strom fließen, und infolgedessen kann hier auch keine den Ausschaltvorgang
störende Spannung entstehen. Für die Vorkontaktkreise der beiden im Gegentakt arbeitenden
Schaltstellen :2 und 3 kann gemäß Fig. 6 ein gemeinsamer Widerstand 9 verwendet
werden.
-
Es ist auch möglich, den Kern 13 der Hilfsschaltdrossel6 durch geeignete
Vormagnetisierung nach der Schließung der Hauptkontakte in den gesättigten Zustand
zu versetzen, falls der Hilfsdrossel im Überbrückungskreis ein Widerstand oder eine-Induktivität
vorgeschaltet ist.
-
Die neue Schaltanordnung kann nicht nur für Umformer, sondern auch
für Schalter zur Ausführung von Einzelschaltungen in beliebigen Gleich- oder Wechselstromkreisen
zur Erleichterung des Schließvorganges mit Vorteil verwendet werden.