DE9300144U1 - Schaltanordnung zur Umpolung hoher elektrischer Gleichströme - Google Patents

Description

ZENZ - HELBER ■ HOSBACH & LÄUFER

Patentanwälte ■ European Patent Attorneys
Scheuergasse 24 · D-6144 Zwingenberg

Firma Elektrometall Wirth + Co., Friedrich-Ebert-Str. 64 , D-6104 Seeheim

Schaltanordnung zur Umpolung hoher elektrischer Gleichströme

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zur Umpolung hoher elektrischer Gleichströme, die von einem Paar von Eingangsanschlüssen über zwei bewegliche Kontaktbrücken zu einem Paar von Ausgangsanschlüssen fließen.

Aus der DE-AS 1 083 385 ist ein Drehschalter zur Stromumpolung bekannt, bei dem die stationären Gegenkontakte auf einer Kreisringfläche und die beweglichen Kontakte auf einer drehbaren Isolierscheibe angeordnet sind. Bei dieser bekannten Konstruktion war es schwierig, eine gleichmäßige Stromverteilung und dementsprechend einheitliche Stromdichten an den Kontaktflächen in jeder der beiden Schaltpositionen zu erreichen. Außerdem ist dieser Drehschalter speziell für Handbetätigung ausgebildet, so daß er praktisch nicht oder doch nur mit hohem Aufwand in eine automatisierte Systemsteuerung integrierbar ist.

Bekannt sind auch Umpoler, die unter Verwendung sogenannter Messerkontakte auf-0 gebaut sind. In jeder Schaltposition greift eine bewegliche Kontaktzunge zwischen zwei im wesentlichen stationäre Gegenkontakte ein. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß die Kontaktflächen zwischen der Kontaktzunge und beidseitigen Gegenkontakten beim Öffnen und Schließen eine Relativbewegung zueinander ausführen und sich dabei selbst reinigen. Die Kontaktdrücke und demzufolge die über den Messerkontakt fließenden Ströme sind

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jedoch begrenzt; die in der Praxis benötigten hohen Gleichströme von mehrere 1000 A können über Messerkontakte nur dann geschaltet werden, wenn eine Kontaktbank mit einer relativ großen Anzahl parallelgeschalteter Messerkontakte verwendet wird. Der damit verbundene Aufwand, die Störanfälligkeit und der Verschleiß sind hoch, so daß sich derartige Umpoler in der Praxis nicht durchsetzen konnten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Umschaltung bei unterbrochenem Strom mit geringem Aufwand durchgeführt und eine gleichmäßige Stromverteilung und zuverlässige Kontaktgabe über die Kontaktflächen gewährleistet sind. Dabei soll die Schaltanordnung grundsätzlich auch ohne größeren Aufwand in automatisierte programmgesteuerte Systeme integrierbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kontaktbrücken an einem linear beweglichen Schieber befestigt und als zweiarmige parallele Traversen ausgebildet sind, wobei der erste Arm jeder Traverse mit einem Eingangsanschluß und der zweite Arm jeweils mit einem Ausgangsanschluß verbindbar ist; daß die Arme beider Traversen jeweils in den Raum zwischen zwei stationäre Gegenkontakte eingreifen, wobei ein Arm jeder Traverse zwischen zwei gleichnamige Pole und der andere Arm zwischen 0 zwei ungleichnamige Pole eingreift; daß zwischen jedem der Kontaktarme und jedem stationären Gegenkontakt ein Kontaktelement vorgesehen ist, über welche der Kontaktbrückenstrom fließt; und daß wenigstens eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung zur Umsteuerung des Schiebers in die beiden Endstellungen vorgesehen und so ausgelegt ist, daß die in jeder Endstellung in die Strompfade eingebundenen vier Kontaktelemente zwischen den Traversenarmen und den Gegenkontakten in eine sichere Kontaktgabe gewährleistende Kontaktanlage gedrängt werden.

Das translatorische Bewegungsspiel des Schiebers ermöglicht den Einsatz besonders einfach ausgebildeter Kolben-Zylinder-Vorrichtungen, deren Schub- bzw. Zugkräfte axial in 0 das Schiebersystem eingeleitet werden. Vorzugsweise finden dabei Pneumatikzylinder mit kurzem Hub, jedoch großem Durchmesser Verwendung, damit hinreichend hohe Kräfte für die sichere Kontaktgabe aller Kontaktelemente in jeder Schaltstellung zur Verfügung stehen.

Alle Traversen und Gegenkontakte können aus Hohl-, I-, oder Rechteckprofilen aus massivem Kupfer oder einem anderen elektrisch gut leitenden Material bestehen. Derartige Profile sind im Handel erhältlich und können durch einfaches Ablängen in die für den jeweiligen Einsatzfall geeignete Form gebracht werden.
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In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist der Schieber an beiden Enden mit je einer einseitig beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Vorrichtung verbunden, die vorzugsweise pneumatisch betätigbar ist.

Übereinstimmende Flächendrücke an allen vier gleichzeitig wirksamen Kontaktelementen lassen sich bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erreichen, daß alle Traversenarme gleiche Längen haben und alle Kontaktelemente auf der Stromeingangsseite ebenso wie alle Kontaktelemente auf der Stromausgangsseite auf einer zur Schieber-Bewegungsachse parallelen Betätigungsachse ausgerichtet sind. Diese symmetrische Ausbildung sorgt selbst dann für eine einheitliche Verteilung der Kontakt-Flächendrücke, wenn der Schieber mit einem gewissen Bewegungsspiel geführt ist.

Der Schieber selbst besteht aus isolierendem Material.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch die Schaltachse der neuen Schaltanordnung;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1; und
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Fig. 3 eine schematische Schnittansicht entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 1.

Die als ganze mit 1 bezeichnete neue Schaltanordnung hat zwei Eingangsanschlüsse 11, 12, die im Betrieb mit einer Gleichstromquelle oder mit den Ausgangsanschlüssen eines

Gleichrichters verbunden sind, und zwei Ausgangsanschlüsse 21 und 22, deren Polung (+ bzw. -) durch Umsteuerung zweier beweglicher Kontaktbrücken 3 und 4 geändert werden kann. Jede Kontaktbrücke 3 bzw. 4 besteht in dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Rechteckprofil aus massivem Kupfer, dessen Enden jeweils zwei Tellerfedern 31, 32, 33 und 34 bzw. 41, 42, 43 und 44 als Kontaktelemente tragen. Alle Tellerfedern bestehen aus einem mechanisch hoch beanspruchbaren Material, vorzugsweise Beryllium-Bronze, das ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit hat. Die Kontaktbrücken sind, wie insbesondere Fig. 1 zeigt, in einem Schieber 5 aus isolierendem Kunststoff gehaltert und als zweiarmige, untereinander parallele Traversen ausgebildet. Jeder der Traversenarme greift mit den beiden an ihm befestigten Tellerfedern 31 ... 34 bzw. 41 ... 44 in den Raum zwischen zwei plattenförmigen stationären Gegenkontakten 35, 36, 37, 38 bzw. 45, 46, 47, 48 ein. Die beiden Gegenkontakte 35 und 36 sind mit dem einen Eingangsanschluß 11 und die beiden Gegenkontakte 45, 46 mit dem anderen Eingangsanschluß 12 verbunden. Auf der Ausgangsseite greift jeder Kontaktarm der beiden Traversen 3 bzw. 4 zwischen zwei ungleichnamige Pole ein, d.h. das Gegenkontaktpaar 37 und 38 besteht ebenso wie das Gegenkontaktpaar 47 und 48 aus ungleichnamigen Polen. Die beiden Gegenkontakte 38 und 47 sind über den Verbindungssteg 40 zusammengeschlossen und mit dem Ausgangsanschluß 21 verbunden, während die beiden äußeren Gegenkontaktplatten 37 und 48 mit dem Ausgangsanschluß 22 verbunden sind. Nimmt man an, daß der Eingangsanschluß 11 mit dem positiven Pol und der Eingangsanschluß 12 mit dem negativen Pol der Stromquelle verbunden sind, so fließt in der in Fig. 1 dargestellten Position des Schiebers 5 und der Kontakttraversen 3 und 4 Strom vom Eingangsanschluß 11 über den Gegenkontakt 35, die Tellerfeder 31, die Kupfertraverse 3, die Tellerfeder 33, den Gegenkontakt 37, den Ausgangsanschluß 22, über die Last und zurück über den Ausgangsanschluß 21, den Kontaktsteg 40, den Gegenkontakt 47, die Tellerfeder 43, die Traverse 4, die Tellerfeder 41 den Gegenkontakt 45 und den negativen Eingangsanschluß 12. Zu beachten ist, daß die Tellerfedern 31, 33 bzw. 41, 43 in ihrer stromführenden Betriebsstellung stärker als dargestellt verformt sind, damit sie beim Fließen von Strömen in der Größenordnung von mehreren 1000 A mit hinreichendem Verformungsdruck an den 0 Gegenkontakten 35, 37 bzw. 45, 47 in Anlage stehen und eine ausreichende Kontaktfläche an allen Stromübergabebereichen bieten.

Die Eingangsanschlüsse 11 und 12 und die Ausgangsanschlüsse 21 und 22 sind, wie am deutlichsten in Fig. 2 zu erkennen ist, durch den die Kontaktbrücken bzw. Traversen 3,

4 tragenden Schieber 5 elektrisch voneinander getrennt. Sie sind über Schrauben (Fig. 2) an einer aus Isoliermaterial bestehenden Trägerplatte 6 befestigt.

Der Schieber 5 weist einen rechteckigen Kunststoffblock 50 auf, der oben und unten mit Rechtecknuten zur Aufnahme der Traversen 3, 4 versehen ist. Jede Rechtecknut ist durch eine Isolierplatte 51 abgeschlossen. Ein metallisches Betätigungselement 52 ist in jede Isolierplatte 51 eingesetzt (Fig. 1) und über Schrauben 53 am Schieber 5 befestigt. Die vorstehenden Enden dieser Betätigungselemente können beispielsweise zur Auslösung von elektrischen oder pneumatischen Druckschaltern dienen, welche in einer Programm-Steuerung dafür Sorge tragen, daß vor dem eigentlichen Umpoi-Schaltvorgang der Stromfluß zu den Eingangsanschlüssen 11, 12 von dem den umzupolenden Strom liefernden Gleichrichter unterbrochen bzw. der Schaltvorgang nur bei hinreichendem Druck in dem die Kolben-Zylinder-Vorrichtungen beaufschlagenden Druckmedium ausgelöst wird. Auf die Isolierplatten 51 wirken jeweils blockartige Schubelemente 70 bzw. 80, die mit dem Kolben 71, 81 zweier kurzhubiger Kolben-Zylinder-Vorrichtungen 7 bzw. 8 verbunden sind. Die Kolben-Zylinder-Vorrichtungen 7 und 8 sind jeweils einseitig beaufschlagbar; die Beaufschlagungsmittel sind in der Zeichnung nicht gezeigt.

Die beiden Kolben-Zylinder-Vorrichtungen 7 und 8 und der Schütten 5 sind an einem 0 Trägergestell 9 angeordnet, und zwar ausgerichtet auf einer Montage- und Bewegungsachse 55. Das Trägergestell besteht aus zwei stirnseitigen Montageplatten 90, einer z. B. als Halterung oder Träger für die die Beaufschlagung der Kolben-Zylinder-Vorrichtungen steuernden peumatischen Schaltelemente verwendbaren Rückplatte 91, mehreren in einem Rechteckmuster angeordneten Abstandssäulen 92, einer mit einer Führungsnut 94a versehenen Führungsplatte 94, einer die Anschlußfahnen 11 und 21 bzw. 12 und 22 elektrisch voneinander trennenden Isolierplatte 95 und der Trägerplatte 6. Die Platten 90, 91, 94, 95 und 6 sind aus elektrisch isolierendem Material hergestellt. Jeder Montageplatte 90 ist das Gehäuse einer Kolben-Zylinder-Vorrichtung 7 bzw. 8 aufgesetzt. Das blockartige Schubelement 70 bzw. 80 durchgreift eine passende Öffnung in der zugehörigen Montageplatte 90 und steht mit der Außenseite des Schiebers 5 bzw. des Betätigungselements 52 in Berührung.

Wie am besten in den Axialansichten gemäß den Figuren 1 und 2 zu sehen ist, ist der Schieber 5 mit dem Block 50 und der Trägerplatte 6 in der vertikalen Führungsnut 94a der

Führungsplatte 94 geführt. Der nach außen vorstehende Teil des Betätigungselements 52 durchgreift eine nutartige Aussparung 96 in der Trägerplatte 6 und der Isolierplatte 95 und kann als Betätigungselement für pneumatische oder elektrische Steuerorgane dienen. Eine zusätzliche Führungsnut ist zwischen den Anschlußfahnen 11, 12 und 21, 22 ausgebildet.
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Die Kolben-Zylinder-Einheiten 7 und 8 sind großflächig und kurzhubig ausgebildet, so daß sie erhebliche Schubkräfte entfalten und über die Blöcke 70 bzw. 80 auf den Schieberkörper 5 und von diesem über die Kontaktbrückentraversen 3 und 4 auf die Tellerfedern übertragen. Die auf vier Tellerfedem (Tellerfedem 31, 33 und 41, 43 in der Schaltstellung gemäß Fig. 1) wirkenden Kräfte sind so groß, daß sie die relativ biegesteifen Tellerfedem jeweils soweit verformen, daß sowohl am jeweils zugeordneten Gegenkontakt als auch an der jeweiligen Kontaktbrückentraverse 3, 4 eine hinreichend großflächige Anlage erhalten wird. Durch die dabei entstehenden Relativbewegungen werden die Übergangswiderstände an den Kontaktflächen minimiert.

Zum Umsteuern der Schieberposition wird der wirksame Zylinder (8 in Fig. 1) - nach zuvoriger Stromunterbrechung, d.h. Abschaltung des Gleichrichters - entlastet und der entgegengesetzte Zylinder (7) druckmittelbeaufschlagt. Über den Kolbenblock 70 bewegt der Kolben 71 den Schieber 5 mit den Traversen 3 und 4 in Fig. I soweit nach unten, daß die Tellerfedem 32, 34 und 42, 44 in Anlage an die stationären Kontaktplatten 36, 38 und 46, 48 gedrängt werden, während die zuvor wirksamen Tellerfedem von ihren vier Gegenkontakten abgehoben werden. Gleichzeitig wird der Kolben 81 der Kolben-Zylinder-Einheit 8 über den Schieber 5 in das Gehäuse zurückgedrängt. Infolgedessen werden die Eingangsanschlüsse 11 und 12 über die Kontaktbrücken 3 und 4 den vertauschten Ausgangsanschlüssen 21 und 22 zugeordnet. Aus der Sicht der Last bedeutet dies eine Umpolung; der Ausgangsanschluß 21 ist mit dem positiven Pol und der Ausgangsanschluß 22 mit dem negativen Pol (Eingangsanschluß 12) verbunden. Da das Umschalten - wie erwähnt stets bei abgeschaltetem Strom erfolgt, sind Lichtbogenbildungen und Kontaktabbrände praktisch ausgeschlossen. Die symmetrische Anordnung aller gleichzeitig wirkenden Tellerfedem an gleich langen Traversenarmen sorgt für einheitliche Kontaktdrücke und Übergangswiderstände.

Es ist ersichtlich, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens Abwandlungen und Weiterbildungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels verwirklichbar sind, die beispielsweise

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die Form und das Material der als Tellerfedem beschriebenen Kontaktelemente betreffen. Grundsätzlich ist lediglich eine solche Form zu wählen, welche unter Druckeinwirkung eine Verformung, und zwar eine elastische Verformung des Kontaktelements zur Folge hat, so daß beim Schaltvorgang ein gewisse Relativbewegung zwischen den aneinander zur Anlage kommenden Kontaktflächen resultiert.

Claims (10)

Ansprüche

1. Schaltanordnung (1) zur Umpolung hoher elektrischer Gleichströme, die von einem Paar von Eingangsanschlüssen (11, 12) über zwei bewegliche Kontaktbrücken (3, 4) zu einem Paar von Ausgangsanschlüssen (21, 22) fließen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Kontaktbrücken an einem linear beweglichen Schieber (5) befestigt und als zweiarmige parallele Traversen ausgebildet sind, wobei der erste Arm jeder Traverse mit einem Eingangsanschluß und der zweite Arm jeweils mit einem Ausgangsanschluß verbindbar ist;

daß die Arme beider Traversen (3, 4) jeweils in den Raum zwischen zwei stationäre Gegenkontakte eingreifen, wobei ein Arm jeder Traverse zwischen zwei gleichnamige Pole (35-36, 45-46) und der andere Arm zwischen zwei ungleichnamige Pole (37-38, 47-48) eingreift;

daß zwischen jedem der Kontaktarme und jedem stationären Gegenkontakt ein metallisches Kontaktelement (31...34, 41...44) vorgesehen ist, über die der Kontaktbrückenstrom fließt; und

daß wenigstens eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung (7, 8) zur Umsteuerung des Schie-0 bers (5) in die beiden Endstellungen vorgesehen und so ausgelegt ist, daß die in jeder Endstellung in die Strompfade eingebundenen vier Kontaktelemente (31,33,41,43) zwischen den Traversenarmen und den Gegenkontakten in eine Kontaktanlage gedrängt werden.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente (31...34, 41...44) an den Kontaktbrücken (3, 4) befestigt und die stationären Gegenkontakte (35...38, 45...48) in zur Schieber-Bewegungsrichtung (55) rechtwinkligen Ebenen angeordnet sind.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tra-

0 versen (3, 4) aus metallischen Profilen vorzugsweise Hohl-, I-, oder Rechteckprofilen aus massivem Kupfer bestehen.

4. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (5) an beiden Enden mit je einer einseitig beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Vorrichtung (7, 8) verbunden ist.

5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Vorrichtung (7, 8) pneumatisch betätigbar ist.

6. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arm jeder Traverse (3, 4) zwischen zwei gleichnamige Pole (35-36, 45-46) auf der Eingangsseite und zwischen zwei ungleichnamige Pole (37-38, 47-48) auf der Ausgangsseite eingreift.

7. Schaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden benachbarten ausgangsseitigen Gegenkontakte (38, 47) und die beiden am weitesten beabstandeten ausgangsseitigen Gegenkontakte (37, 48) paarweise miteinander und mit einem der Ausgangsanschlüsse (21, 22) elektrisch verbunden sind.

8. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Traversenarme gleiche Längen haben und alle Kontaktelemente (31, 32, 41, 42) auf der Stromeingangsseite ebenso wie alle Kontaktelemente (33, 34, 43, 44) auf der Stromausgangsseite auf einer zur Schieber-Bewegungs achse (55) parallelen Betätigungsachse ausgerichtet sind.

9.Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß 5 die Kontaktelemente als Tellerfedern (31...34,41.. .44) ausgebildet sind.

10. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfedern (31.. .34, 41.. .44) aus Beryllium-Bronze bestehen.