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Widerstandsschalter Es ist bekannt, Ausschaltvorgänge dadurch zu erleichtern,
daß in den Stromkreis ein Widerstand eingebracht wird, beispielsweise indem zunächst
eine parallel zu dem Widerstand liegende Schalteinrichtung geöffnet wird, wodurch
der Strom auf einen entsprechend geringeren Wert herabgesetzt wird, der im Bedarfsfall
leicht unterbrochen werden kann.
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Es ist weiter bekannt, daß die Bedingungen für de Einschaltung eines
derartigen Widerstandes wesentlich erleichtert werden können, wenn die den Widerstand
einschaltende Schalteinrichtung synchron, d. h. in einer bestimmten Phasenlage zu
dem Nulldurchgang des Stromes, eingeschaltet wird. Bei Überstromabschaltung kann
es unter Umständen vorteilhaft sein, den Widerstand möglichst unmittelbar nach Eintritt
der Störung, und zwar möglichst noch bevor der durch die Störung bewirkte Stromanstieg
sich wesentlich auswirken kann, also nicht im Stromnulldurchgang in den Stromkreis
einzuschalten. Insbesondere für diese beiden Fälle ist es wertvoll, wenn die Schalteinrichtung,
mit deren Hilfe der Widerstand in den Stromkreis eingebracht wird, mit kurzer Schaltzeit
arbeitet.
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Nach der Erfindung kann diese Aufgabe in besonders vollkommener Weise
dadurch gelöst werden, daß als Schalteinrichtung ein. oder mehrere Teile verwendet
werden, die zwischen Elektroden bzw. Magnetpolen so in Schräglage zur Feldrichtung
im Luftspalt angeordnet sind, daß sie unter Einfluß, des Feldes bzw. von Feldänderungen
entgegen der Wirkung einer Gegenkraft ihre Schräglage ändern und hierbei den Schaltvorgang
durchführen. Hierbei kann der Anker drehbar angeordnet sein und selbst nach Art
einer Schaltbrücke die leitende Verbindung zwischen zwei Kontakten herstellen.
Die
beweglichen Teilchen können vorzugsweise als Stäbchen mit im Verhältnis zur Länge
kleiner Dicke, z. B. in einem Verhältnis 5:1, ausgeführt werden. Unter Umständen
kann man an deren Stelle auch längliche Blechstreifen verwenden, .da die dritte
in die Schwenkachse fallende Dimension in das Trägheitsmoment nicht störend eingeht.
In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, einem derartigen Stäbchen bzw. Blechstreifen
mehrere unabhängig voneinander federnde Gegenelektroden zuzuordnen, um sicher auch
die größere Breite voll für den Stromübergang ausnutzen zu können. Mit besonderem
Vorteil wird für die Bewegung ein Magnetfeld verwendet, wobei dann die Stäbchen
wenigstens zum größten Teil aus magnetischem Material ausgebildet werden. Unter
Umständen kann es zweckmäßig sein, diese aus mehreren in Feldrichtung verlaufenden,
elektrisch voneinander isolierten dünnen Drähtchen oder Blechen aufzubauen oder
auch aus einer Pulvermasse unter Verwendung eines isolierenden Bindemittels. Die
Lagerung der Stäbchen bzw. Blechstreifen wird mit besonderem Vorteil derart gestaltet,
daß sie bei ihrer Lageänderung etwa um ihre Schwerpunktachse bewegt werden, wobei
das Trägheitsmoment besonders klein und die Kraftausnutzung gesteigert und außerdem
eine Doppelunterbrechung erreicht wird, bei der bei kleinem Hub die doppelte Spannung
beherrscht werden kann.
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Die Anordnung der Teile und der gegenüberliegenden Pole kann hierbei
in verschiedener Weise gewählt werden; beispielsweise so, daß die beweglichen Teile
als Drehanker arbeiten, wobei wenigstens über einen bestimmten Bewegungsbereich
der Luftspalt konstant bleibt und infolge der Verdrehung der für den Übergang der
Kraftlinien zur Verfügung stehende Querschnitt. geändert wird; besonders vorteilhaft
ist jedoch die Ausbildung als Klappanker, bei denen der Luftspalt bei der Bewegung
immer kleiner und schließlich Null wird. Für manche Verwendungszwecke kann es vorteilhaft
sein, die Teilchen als permanente Magnete auszuführen. Die Teilchen können je nach
ihrer Aufgabe noch mit einem geschlitzten Überzug versehen werden, beispielsweise
aus gut leitendem Material, wie Silber, oder aus einem Material mit hohem Widerstand,
wie beispielsweise Kohle. Unter Umständen kann es hierbei zweclnnäßig sein, auf
die Teilchen zunächst einen Isolierüberzug und erst auf diesen den leitenden Überzug
aufzubringen. Der leitende Überzug kann auch geschlitzt ausgeführt werden, wodurch
die Verluste in den Teilchen herabgesetzt werden und ein besonders rascher Aufbau
des Feldes (mit sehr geringer Verzöge=rung) ermöglicht wird. Um durch das durch
den den magnetischen Teil der Stäbchen durchfließenden Strom bedingte Eigenfeld
keine, Verzögerung des Feldaufbaues zu bewirken, ist es zweckmäßig, den leitenden
Überzug so zu bemessen, daß er den größten Teil des Stromes führt.
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Als Rückführkraft für die beweglichen Teilchen kann zweckmäßig Federkraft
verwendet werden oder auch - gegebenenfalls zusätzlich zu einer Federkraft - Magnetkraft,
und zwar sowohl in Form eines Quer- als auch in Form eines Gegenfeldes. Für manche
Fälle kann hierzu noch eine besondere Erregung durch die Teilchen umgebende Spulen
vorgesehen werden. Um eine federnde Rückführkraft zu erreichen, kann es zweckmäßig
sein, die Teilchen in einer federnden Membran abzustützen oder gegebenenfalls mit
Hilfe von Torsionsdraht aufzuhängen. Insbesondere, soweit Doppelunterbrechung an
den beiden Enden eines Teilchens vorgesehen ist bzw. wenn mehrere derartige Teilchen
zueinander parallel angeordnet sind, kann es zweckmäßig sein, die Abstützung mit
einem kleinen Spiel durchzuführen, wodurch unvermeidbare fabrikatorische Ungenauigkeiten
ohne zusätzliche Beanspruchung der Lagerung bzw. des Trägers ausgeglichen werden
können. Eine einfache Anordnung ergibt sich auch, wenn die beweglichen Stäbchen
an ihren beiden Emden mit Hilfe z. B. bügelförmiger Federn gehalten werden, die
auf die Stäbchen die Gegenkraft ausüben. Hierbei kann beispielsweisse mit Hilfe
aufgebogener Enden, die in eine kleine Nut der Stäbchen eingreifen, das Stäbchen
gegenüber der Feder gegen Verschiebung gesichert werden. Bei der Feldänderung wird
eine Formänderung der Federn herbeigeführt, wobei sich im wesentlichen seine Bewegung
des Stäbchems, um steine Schwerpunktachse einstellt, aber beide Ende: des Stäbchens
sich frei bis zu ihrem Anschlag bewegen können, ohne daß ein Spiel in der Albstutzunsg
erforderlich wäre oder durch fabrika.-torische Ungenauigkeit Unzuträglichkeiten:
entstehen würden.
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Die Erregung bzw. die Anordnung der Gegenkontakte kann in der Weise
durchgeführt werden, daß die Teile beim Einschalten des Feldes einet Einschaltbewegung
durchführen. Für das Feld kann hierbei Fremderregung, Eigenerregung sowie auch beides
gemeinsam nach Art einer Verbunderregung, gegebenenfalls auch in der Form, daß die
Eigenerregung einer Fremderregung entgegenwirkt (Gegenverbunderregung), angeordnet
werden.
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Mit Hilfeeiner solchen Schalteinrichtung können sowohl einstufige
als auch mehrstufige Widerstände in einer extrem kurzen Zeit in den Stromkreis eingeschaltet
werden. Sowohl bei einstufigen wie bei mehrstufigen Widerständen kann es zweckmäßig
sein, Widerstandsmaterial mit positiven Widerstandskoeffizienten, wie beispielswe;se
Eisendraht, schwedisches Holzkohleneisen, Wolfram u. dgl., zu verwenden. Insbesondere
bei Schaltern, die in kurzen Zeitabständen wiederholt betätigt werden, kann es zweckmäßig
sein, den Widerstand mit einer Kühleinrichtung zu versehen, damit schon nach kurzer
Zeit der Widerstand wieder bei niedriger Temperatur und dementsprechend niedrigen
Widerstandswerten für ein neuerliches Einschalten zur Verfügung steht. Der Widerstand
kann hierzu in .einem .geeigneten Kühlmedium, Wasser; Öl o,d..dgl, angeordnet sein.
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Brei der Anordnung von mehrstufigen Widerständen kann es zweckmäßig
sein, die einzelnen
Widerstandsstufennacheinandereinzuschalten.
Durch eine derartige zeitliche Aufeinanderfolge kann erreicht werden, daß beim Einschalten
der Widerstände nur sehr geringe überspannungen entstehen. Unter Umständen kann
es aber besondere Vorteile bringen, mit Hilfe mehrerer gleichzeitig 'betätigten
Schaltelemente, die mitecnander in Reihe geschaltet sind, die ,einzelnen gle,ichfalls
hintereinanderliegenden Stufen gleichzeitig einzuschalten. Die Anzahl der einzelnen
hintereinander angeordneten Schaltelemente wird zweckmäßig so groß gewählt, daß
die Spannung an den einzelnen Unterbrechungsstellen einen Wert von io bzw. höchstens
i a Volt nicht überschreitet. Auf diese Weise wird eine praktisch lichtbogenfreie
Unterbrechung ermöglicht und dadurch eine hohe Lebensdauer der Schalteinrichtung
gesichert. Hierbei wird durch die Hintereinanderschaltung eine Unterteilung des
Spannungsgefälles erreicht, wobei der Widerstand selbst auch zur Spannungssteuerung
beiträgt, wodurch die Schaltbedingungen an den einzelnen Schaltstellen erheblich
verbessert werden. Eine weitere wesentliche Verbesserung kann auch dadurch erreicht
werden, daß zu einer Gruppe derart miteinander in Reihe geschalteter Schalteinrichtungen
noch eine besondere Schalteinrichtung parallel geschaltet wird, die zweckmäßig mit
einer geringen Phasenvoreilung arbeitet. Eine solche zusätzliche parallele Schalteinrichtung
entlastet die anderen Schaltelemente vom Dauerstrom. Dadurch, da.ß bei ihrem Ausschaltvorgang
der Parallelweg üb:eir die anderen Schaltelemente noch geschlossen ist, werden aber
auch die Schaltbedingungen für diese Parallelschalteinrichtung erheblich erleichtert.
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Bei einer derartigen Schalteinrichtung ist infolge der kleinen Trägheitsmasse
und Trägheitsmomente der einzelnen Schaltelemente sowie der hohen erreichbaren Beschleunigung
(bis zu 3ooo g) verhältnismäßig leicht seineextrem kurze Schaltzeit erreichbar,
so daß der Widerstand schon zu einem Zeitpunkt in den Stromkreis eingebracht werden
kann, bei dem der Stromwert sehr gering ist. Da die den Widerstand einschaltenden
Schaltelemente nur extrem kurzzeitig von dem Strom belastet sind, können diese sehr
klein ausgeführt werden. Mit besonderem Vorteil wird die Anordnung so getroffen,
daß die Widexstände so lange eingeschaltet bleiben, bis entweder die Störungen wegfallen
oder aber bis an einem in Reihe liegenden Leistungsschalter eine endgültige Unterbrechung
durchgeführt ist. In den meisten Fällen wird es möglich sein, hierbei mit einer
Einschaltdauer von etwa i bis z Sekunden auszukommen. Unter Umständen kann es noch
:eine wertvolle zusätzliche Verbesserung bedeuten, in Kombination hiermit noch einen
zusätzlichen Widerstandsschalter anzuordnen und hierbei die Anordnung so zu treffen,
daß der zuerst eingeschaltete, Widerstand nur sehr kurze Zeit, beispielsweise i
bis 3 ursec, eingeschaltet bleibt und dann der Widerstand des zweiten Widerstandsschalters
an dessen Stelle tritt. Hiebei kann dieser zweite Widerstand entweder annähernd
denselben Ohmwert oder, wenn eine nachfolgende Unterbrechung erwünscht ist, auch
einen höheren Ohmwert erhalten. Auch die Einschaltung dieses zweiten Widerstandes
kann mit Vorteil mit Hilfe von Schalteinrichtungen der angegebenen Art erfolgen,
bei denen das bewegliche Schaltelement von Stäbchen gebildet wird, die unter Einfluß
des Feldes innerhalb eines Luftspaltes ihre Schräglage ändern. Der zuerst eingeschaltete
Widerstand kann infolge der noch wesentlich geringeren Belastungsdauer sehr klein
ausgeführt werden.
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Da sich beim Unterbrechen der einzelnen Schalteinrichtungen die Spannung
etwa gleichmäßig auf den Widerstand verteilt, wird insbesondere bei Anordnungen
für höhere Spannungen (Hochspannung) eine gute Isolierung erforderlich. Eine solche
Isolierung kann dadurch in einfacher Weise erreicht werden, daß der Magnetkreis
in zueinander parallele, etwa den einzelnen Schaltelemnenten oder kleineren Gruppen
von Schaltelementen entsprechende Zonen zerlegt wird, zwischen die Isolierscheiben
hoher Durchschlagsfestigkeit gelegt werden können. Die Erregerwicklung kann hierbei
derart angeordnet werden, daß sie unter Zwischenschaltung einer geeigneten Isolierung
das gesamte, aus den einzielnen Zonen. des Eisenkörpers und den dazwischenliegenden
Isollerscheiben gebildete Paket umschließt.
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Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, für die Parallelschalteinrichtung
und die einzelnen in Reihe liegenden Schalteinrichtungen einen gemeinsamen Eisenkörper
vorzusehen, etwa in der Form, daß die beiden die entsprechenden Schalteinrichtungen
enthaltenden Luftspalte in ein und demselben Kreis hintereinander bzw. zueinander
parallel liegen-. In diesem Fall kann durch die entsprechende Dimensionierung der
Schalteinrichtung, ihrer bewegten Elemente, des Hubes sowie durch Verzögerungseinrichtung
usw. die gewünschte zeitliche Aufeinanderfolge der Schaltvorgänge gesichert werden.
Wenn die Schalteinrichtungen in zueinander parallelen Kraftflußzweigen liegen, kann
als derartige Verzögerungseinrichtung beispielsweise eine Kurzschlußwicklung, die
die eine der Schalteinrichtungen umschließt, verwendet werden. Besonders bei höheren
Spannungen kann es mit Rücksicht auf die Isolierung zweckmäßig sein, den beiden
Schalteinrichtungen getrennte Eisenkörper zuzuordnen. In diesem Fall .ergibt sich
eine einfache konstruktive Lösung, indem die Eisenkörper der beiden Schalteinrichtungen
U- bzw. hufeisenförmig ausgeführt werden und die Pole sowie die Schalteinrichtung
zwischen den beiden Schenkeln der Hufeisen gelegt werden, wobei die einzelnen Elemente
so zusammengefügt werden, daß die magnetischen Rückschlüsse der beiden Hufeisen
außen, die Schenkel aber einander zugewendet sind. Um hierbei eine gegenseitige
unerwünschte Beeinflussung der beiden Kraftflüsse zu vermeiden, wird zwischen die
beiden Magnetkörper zweckmäßig ein Luftspalt von ausreichender Größe gelegt. Unter
Umständen, insbesondere bei kleinem Abstand, kann es zweckmäßig sein, in diese Luftspalte
seine dämpfende Anordnung, wie beispielsweise eine Kupferplatte, zu legen, die bei
dem überaus kurzzeitigen Verlauf
der :einzelnen Vorgänge eine ausreichende
Abschirmung zwischen den beiden Systemen bildet. Bei dieser Einrichtung sind bei
jeder einzelnen Scha.Iteinrichtung drei Seiten völlig frei, was für die Führung
der Leitungen zwischen den beeiden Schalteinrichtungen und von diesen zu den Widerständen
und damit .auch für die räumliche Anordnung der Widerstände große Vorteile bietet.
Auf diese Weise wird :auch die Möglichkeit gegeben, die Leitungsführung in einer
solchen Weise .anzuordnen, daß die Verkettung der Stromwege mit einem Magnetkreis
bei den Schaltvorgängen nicht bzw. möglichst wenig geändert wird und der Stromweg
selbst an keiner Steile Teile mit magnetischem Kraftfuß umschließt, so daß die Induktivität
der Stromkreise klein gehalten werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. i der Zeichnung
dargestellt. Innerhalb eines isolierenden Gehäuses i, das von einem Isolator z getragen
wird, ist die Einrichtung zur Beeinflussung des Stromes untergebracht. Die Stromzu-
bzw. -abführung erfolgt hierbei über zwei Leitungen 3 und q.. Mit 5 ist eine Schalteinrichtung
bezeichnet, die als Überbrückungsschalter zu einer zweiten Schalteinrichtung 6 verwendet
ist, die ihrerseits wieder die Widerstände i q. in den Stromkreis einbringt. Der
Schalteinrichtung 5 ist ein Magnetkreis zugeordnet, der aus einem Joch 7 besteht,
an das sich zwei Schenkel 8 und 9 anschließen, wobei der Schenkel 8 mit Hilfe einer
in einem Luftspalt io angeordneten Isolierschicht i i elektrisch abgetrennt ist.
An den beiden Schenkeln 8 und 9 liegen Polplatten 1z und 13 .an. Zwischen diesen
Polplatten. sind bewegliche. Stäbchen 16 in Schräglage zur Feldrichtung entgegen
der Wirkung einer Gegenkraft beweglich angeordnet, die bei ihrer Bewegung den Schaltvorgang
durchführen.
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Der Magnetkreis der Schalteinrichtung 6 besteht aus zwei Teilen
17 und 18, die -derart aufeiderges@etzt sind, daß. sie eine Ausnehmung i
9 offenlassen, wobei Flächen 2o und 2i dieser beiden Teile einander polartig gegenüberliegen.
In den Luftspalt zwischen diesen beiden Flächen sind wieder b.ewegliche Elemente
22 ähnlich den Stäbchen 16 untergebracht. Mit 23 ist :eine Erregerwicklung
bezeichnet, die den beiden Magnetkörpern gemeinsam zugeordnet ist und in der Ausnehmung
-i 9 liegt, wie dies aus Fig. i zu ersehen ist. Aus Fig. 2 ist zu -erkennen., daß
der Eisienkörpier 17 der Schalteinrichtung 6 aus seiner größeren Anzahl schmaler
Streifen besteht, zwischen denen. Isolierschichten 2q. angeordnet sind. Das gleiche
gilt auch für den. Eisenkörper 18. Auf diese Weise ist jeder einer Reihe
von Schaltelemnenten 22 zugeordnete Eisenkörper elektrisch von dem benachbarten
isoliert. Den beweglichen Schaltelementen 22 sind Gegenkontakte 25 zugeordnet, die
mit Zuleitungen 2 6 zu den einzelnen Teilen des Widerstandes i q. verbunden
sind. Die Kontakte z 5 sind hierbei im Luftspalt zwischen den Flächen 20 und 2i
in solcher Weise angeordnet, daß die Sühaltelemente 22 sich unter der Wirkung einer
Feder oder mehrerer Fedexn z8 in entregtem Zustand paarweise an den Gegenkontakt
anlegen, so daß sämtliche Schaltelemente hintereinandergeschaltet und die einzelnen
Widerstandsteile kurzgeschlossen sind. Zur Verringerung der Induktivität kann hierbei
die Anordnung so getroffen sein, daß die Reihen der :einzelnen Schaltelemente mäanderförmig
hintereinandergeschaltet sind. Mit 27 ist eine Kurzschlußwicklung bezeichnet,
die den Eisenkörper 17 umschließt, durch die bewirkt wird, daß sich in der Schalteinrichtung
6 das Feld beim Einschalten der gemeinsamen Erregung -etwas später aufbaut als in
der Schalteinrichtung 5. Der Stromweg zwischen den Zuleitungen 3 und q. geht zunächst
über den Pol 12, die Schaltelemente 16 und den Pol 13 der Schalteinrichtung
5 und, sobald diese geöffnet hat, zu den beiden äußersten Kontakten der Reihe des
Schalters 6. Er führt zunächst über die Schaltelemente a2 und die dazwischenliegenden
Kontakte25, nach der öffnung dieser Schaltstellen aber über die einzelnen Teile
des Widerstandes 14-Wenn es ,auf sehr kurze Schaltzeit ankommt, ist dieses Kleinhalten
der Induktivität besonders wichtig. In solchen Fällen ist es daher zweckmäßig, bei
der Konstruktion dafür zu sorgen, daß Wirbelströme weitgehend vermieden werden.
Aus diesem Grund wird der Eisenkörper des Magnetkreises zweckmäßig aus sehr dünnen
Blechen lamelliert, wobei die niedrigsten Blechstärken ioo oder 5o,u oder noch weniger
zweckmäßig sein können. Unter Umständen kann es auch vorteilhaft sein, die Stäbchan
selbst gleichfalls aus derart dünnen Blechen aufzubauen.
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Für die Widerstände kann in solchen Fällen mit besonderem Vorteil
Wolfram verwendet werden, das bei einer hohen Temperaturabhängigkeit keine zusätzliche
Induktivität mit sich bringt. Auch isst es daran besonders wichtig, dafür zu sorgen,
daß der Strom möglichst wenig durch Eisen hindurchgeführt ist, wozu @es unter Umständen
zweckmäßig sein kann, die eigentlichen Kontakte .an den Stäbchen seitlich außerhalb
des Magnetfeldes anzuordnen.
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An federeinzelnen Schaltstelle können viele gleichartige bewegliche
Schaltelemente zueinander parallel angeordnet werden, wodurch die Stromhelastung
verteilt und der übergangswiderstand verkleinert wird. Wenn mehrere Schaltelemente
- gegebenenfalls in zueinander in Reihe geschalteten Gruppen - zueinander parallel
vorgesehen sind, ist es- zweckmäßig, den einzelnen Teilen eine kleine Induktivität
vorzuschalten, um die Stromverteilung auf die parallel arbeitenden Stäbchen sicherzustellen
und zu stabilisieren. Hierzu genügt aber- eine sehr geringe Induktivität, die um
so kleiner sein kann, je schneller die Schalteinrichtungen arbeiten und je geringer
der Ungleichzeitigkeitsfaktor ist. Besonders zweckmäßig kann es unter Umständen
sein, diese Induktivitäben miteinander zu verketten, wodurch die Rückwirkung auf
den Gesamtstromkreis besonders klein wird.