DE961453C - Einrichtung zum selbsttaetigen Schalten von Wechselstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum selbsttätigen Schalten von Wechselstrom im oder nahe dem Stromnulldurchgang. Derartige Schalteinrichtungen, die mit mechanischen Kontakten arbeiten, lassen sich wesentlich leichter und kleiner hinsichtlich der Ausbildung ihrer Kontakte ausführen, als solche Schalteinrichtungen, die nicht während oder nahe des Stromnulldurchganges schalten. Tritt nämlich der Schaltvorgang genau

ίο im Stromnulldurchgang auf, so entsteht kein Schailtlichtbogen, kein Kontaktabbrand, keine Kontaktverschmutzung und auch keine Feinwanderung. Es hat sich jedoch durch Versuche ergeben, daß auch bis zu bestimmten geringen Strömen, etwa ι Ampere, noch ein Abschalten erfolgen kann, ohne daß die genannten schädlichen Kontaktbeeinflussungen auftreten. Dieses hat sich für die Praxis als sehr vorteilhaft erwiesen, indem es möglich ist, den geringen zulässigen Schaltstrom für die Betätigung eines Schalters auszunutzen; denn es ist schwierig, eine Schaltbetätigung genau vom Nulldurchgang eines Wechselstroms abhängig zu machen. Bei der Ausnutzung eines geringen zulässigen Schaltstroms ist es jedoch um so schwieriger, den genauen Schaltzeitpunkt zu erreichen, je größer der zu schaltende Strom ist, weil bei größerem Strom der kritische Schaltwert früher erreicht wird, infolge eines steileren Stromanstiegs oder Abfalles.

Es ist vorgeschlagen worden, für Schalteinrichtangen, die nach der obengenannten Weise mit einem geringen unschädlichen Steuerstrom arbeiten,

Schaltanordnungen zu verwenden, nach Art selbsthaltender Kontakte. Dabei wird parallel zu den Schaltkontakten ein Ventil geschaltet, so daß ein geringer Halbwellengleichstrom fließt, der auf elektromagnetischem Wege den Schaltkontakt schon kurz nach dem Einsatz des Ventilstroms betätigt. Eine selbsttätige Kontaktöffnung kann bei derartigen Einrichtungen nur dann erfolgen, wenn der zu schaltende Wechselstrom zusammen mit ίο dem steuernden Ventilstrom über die Auslösespule des Schaltkontakts fließt. Der steuernde Nebenschluß muß also direkt parallel an den Kontaktklemmen liegen. Der Nachteil der vorgeschlagenen Einrichtung besteht jedoch darin, daß für die Betätigung des Kontakts eine bestimmte magnetische Kraft und damit eine bestimmte Amperewindungszahl für die Auslösespule erforderlich ist. Da der zu schaltende Strom bei der Kontaktbetätigung eine bestimmte Höhe nicht überschreiten darf, ist die erforderliche Amperewindungszahl nur durch eine entsprechend hohe Windungszahl erreichbar. Bei großen Windungszahlen ergibt sich aber der Nachteil, daß infolge des großen Wicklungswiderstandes ein Spannungsfall an der Schaltspule auftritt, entsprechend der Größe des zu schaltenden Stroms. Um den Spannungsfall der Schaltspule bei der erforderlichen Amperewindungszahl klein zu halten, müßte die Empfindlichkeit der mechanischen Schalteinrichtung auf Kosten der ßetriebssicherheit erhöht werden.

Die Einrichtung nach der Erfindung vermeidet die geschilderten Nachteile. Sie betrifft eine Einrichtung zum selbsttätigen Schalten eines Wechselstromkreises, enthaltend die Parallelschaltung eines elektrischen Ventils und eines elektromagnetisch betätigten, nach dem Selbsthalteprinzip arbeitenden Selbstschalters, der im Normalbetrieb das Ventil überbrückt und beim Einschalten durch den Ventilstrom und beim Ausschalten in Abhängigkeit, vom Augenblicksverlauf des zu unterbrechenden Stroms durch diesen selbst gesteuert wird, derart, daß er sich im Bereiche sehr kleiner Stromwerte in der Nähe eines den Übergang von der Durchgangs- zur Sperrichtung des Ventils bildenden Stromnulldurchganges öffnet. Hierbei besteht die Erfindung darin, daß einerseits derjenige Stromwert des zu schaltenden Stromkreises, bei welchem der Selbstschalter anspricht, und andererseits auch der Spannungsabfall, den der Strom des zu schaltenden Stromkreises an einem die Steuergröße für die Schalteinrichtung erfassenden Meßorgan hervorruft, durch die an sich bekannte Verwendung einer trägheitsarmen, insbesondere trägheitslosen Verstärkereinrichtung zwischen dem Meßorgan und der Betätigungsspule des Selbstschalters herabgesetzt sind.

Bei einem bekannten Schalter, dessen Steuerstromkreis eine trägheitsarme Verstärkereinrichtung enthält, ist zwar der Unterbrechungsvorgang" auf den Nulldurchgang des Stroms ausgerichtet, jedoch wird die Unterbrechung nicht nach dem Selbsthalteprinzip durch das Fallen der Augenblickswerte des zu unterbrechenden Stroms herbeigeführt, sondern in Abhängigkeit von der Stromstärke durch Schließen eines Relais lediglich vorbereitet und dann unabhängig von der Stärke des zu schaltenden Stroms durch einen Arbeitsstrom in einem einstellbaren Zeitpunkt vor dem Nulldurchgang des Hauptstroms ausgelöst. Diese Arbeitsweise setzt einen regelmäßigen sinusförmigen Verlauf der beteiligten Ströme und Spannungen voraus, welcher bei Störungen, die eine Stromunterbrechung notwendig machen, praktisch meist nicht gegeben ist. Von einer solchen Voraussetzung ist der Erfindungsgegenstand unabhängig, weil er nach dem Selbsthalteprinzip arbeitet. Infolgedessen ist er, nachdem die auf dem Selbsthalteprinzip beruhenden Schwierigkeiten, welche eingangs erwähnt sind, mit der Erfindung überwunden wurden, dem bekannten Schalter mit stromunabhängiger Auslösung gerade in Störungsfällen überlegen.

Die Abnahme des steuernden Schaltstroms kann als Spannungsfall von einem Widerstand im Hauptstromkreis des Schalters sowie gegebenenfalls im Nebenstromkreis des Ventils oder auch vom Ventil selbst erfolgen. Bei einer Abnahme von einem Widerstand im Hauptstromkreis ergibt sich der Vorteil, daß sowohl die Einschaltung wie auch die Ausschaltung des zu schaltenden Wechselstroms selbsttätig erfolgen kann. Bei Abnahme im Ventilstromkreis wird dagegen nur das Einschalten des Schalters erreicht. Ein Abschalten kann ohne zusätzliche Einrichtung dann nicht erreicht werden, da in diesem Falle der Ventilstromkreis kurzgeschlossen ist und kein Spannungsfall am Steuerwiderstand mehr vorliegt.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung kann an sich jede Verstärkungseinrichtung benutzt werden, Voraussetzung ist nur, daß diese so trägheitslos arbeitet, daß ein Schaltvorgang innerhalb der Zeit sichergestellt ist, in der der zu schaltende Strom einen kontaktschädlichen Wert noch nicht erreicht hat. Bei großen Stromstärken wird die Anforderung an den Verstärker hinsichtlich Trägheitslosigkeit höher sein. Geeignet sind insbesondere Magnetronverstärker, aber auch andere steile Verstärker, gegebenenfalls solche, die auf lichtelektrischem Wege eine Verstärkung auslösen, z. B. nach Art von Oszillographen. Magnetronverstärker haben den Vorteil, daß sie bei sehr geringen Steuerspannungen z. B. bei Bruchteilen eines \^rolts zum Ansprechen gebracht werden können. Der Steuerwiderstand im Kreis des zu schaltenden Stroms kann dadurch sehr klein gehalten werden, was geringe Leistungsverluste am Steuerwider stand bedeutet und einen guten Wirkungsgrad der Schalteinrichtung. Jedenfalls wird dadurch der Spannungsfall an der Schalteinrichtung, der bei der vorgeschlagenen Einrichtung durch diie hohe Windungszahl der Betätigungswicklung für den Schalter bedingt ist, erheblich herabgesetzt. In lichtelektrisch arbeitenden Verstärkern können Kathodenstrahlröhren z. B. nach Art von Abstimmanzeigern verwendet werden. Auch Schleifenos^;zillographen oder ähnii ehe ander eEi nr ichtungen, z.B. 11 ach Art von

Tauchspulinstrumenten mit einem kleinen Spiegel, sind geeignet. Die Auslösung der Verstärker erfolgt dabei zweckmäßig vorteilhaft derart über eine lichtempfindliche Zelle, daß zu dem Zeitpunkt, in dem der Kontäktbetätigungsstrom den vorgesehenen Wert erreicht hat, die Zelle vom Lichtstrahl des Oszillographen getroffen wird, so daß der Verstärker ausgelöst wird. Derartige Steuerungen arbeiten also· sehr trägheitsarm, praktisch trägheitslos.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele dargestellt.

Fig. ι zeigt ein Anwendungsbeispiel bei einem dreiphasigen Stromrichter;

Fig. 2 und 3 zeigen Beispiele für die Ausbildung des Verstärkers und die Übertragung der Steuergröße auf das Steuerglied eines Verstärkers.

In Fig. ι ist eine dreiphasige Stromrichteranordnung dargestellt, bei der in jeder Phase eine Schalteinrichtung nach der Erfindung vorgesehen ist. Der Übersicht halber ist jedoch nur eine Schalteinrichtung in einer Phase ausgeführt; die der beiden anderen Phasen sind nur angedeutet. Auf der Wechselstromseite der Anordnung ist an die Klemmen R, S und T ein Transformator 1 angeschlossen. Seine Sekundärwicklungen liegen über die Schalteinrichtungen 2, 3 und 4 an den Gleichstromausgangsklemmen A und B. Die ausgeführte Schalteinrichtung 2 enthält die Schaltkontakte 5 und 5_a, die durch ein Ventil 6 überbrückt sind. Die eine Halbwelle des in dieser Phase zu schaltenden Wechselstromes, die von dem Ventil 6 hindurchgelassen wird, fließt gleichzeitig über den Steuerwiderstand 7. Erreicht der Spannungsfall an diesem den vorgesehenen Steuerwert, so spricht der Anker 8 in der Auslösespule 15 über den äußerst empfindlichen Magnetronverstärker 11 an, und das Kontaktstück 9, das von der Feder 10 gehalten wird, schließt die Schaltkontakte 5 und 5_a kurz. Über diese fließt nun die Halbwelle des Stromes unter Kurzschluß des Ventils 6 weiter und kann bis zur vollen, durch die Belastung 12 bedingte Höhe anwachsen. Kommt die Halbwelle des Wechselstroms

Ί-5 auf ihrem absteigenden Ast an den Stromwert, bei dem der Anker 8 nicht mehr gehalten werden kann, so fällt das Kontaktstück 9 ab, und der Wechselstrom wird kurz vor oder im Nulldurchgang unterbrochen. In der jetzt folgenden anderen Halbwelle des Wechselstromes kann dagegen kein Steuerstrom über das Ventil 6 fließen. Der Verstärker erhält kein steuerndes Potential, und die Schaltkontakte 5 und 5_a bleiben während der ganzen Zeit der anderen Halbwelle geöffnet.

Es ist zweckmäßig, den Spannungsfall, der an den geöffneten Schaltkontakten 5 und 5_a durch die durchgelassene Halbwelle des Ventils 6 entsteht, in an anderer Stelle bereits vorgeschlagener Weise zu kompensieren, damit im Einschaltmoment zwischen den Schaltkontakten 5 und ζ_α einerseits und dem Kontaktstück 9 andererseits keine zu hohe Spannung auftreten kann, welche ebenfalls schädigende Kontaktveränderungen hervorrufen könnte. Durch diese Maßnahme wird ferner erreicht, daß als Gleichrichter nicht eine Spezialausführung mit extrem kleiner Brennspannung (Röhrengleichrichter) bzw. Spannungsfall (Trockengleichrichter) verwandt werden muß.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie bei einer Einrichtung nach der Erfindung die Steuerung des Schaltkontakts von dem Steuerwiderstand über einen anderen trägheitslosen Verstärker erfolgen kann. Der bei Stromfluß über das Ventil 6 entstehende Spannungsfall an dem Steuerwiderstand 7 beeinflußt die Lichtstärke einer Lichtquelle 13, was z. B. mit einer Kathodenstrahlröhre nach Art eines Abstimmanzeigers erfolgen kann. Bei Erreichung des Steuerwertes fällt eine entsprechende Lichtmenge auf die Fotozelle 14, die hier vereinfacht als eine einzige Zelle dargestellt ist. Ihr Widerstand wird dabei so stark verringert, daß ein so großer Strom von der Stromquelle 22 durch die Auslösespule 15 fließt, daß dieser ausreicht, um durch den' Anker 8 und das Kontaktstück 9 die Kontakte 5 und S₀ kurzzuschließen. Das einzige mit Trägheit behaftete Glied dieser Anordnung ist das Kontaktstück 9 mit dem Anker 8. Beide können jedoch baulich z.u einem einzigen so kleinen Teil vereinigt werden, daß dessen Trägheit nicht stört.

In Fig. 3 ist ein weiteres Beispiel hinsichtlich der Ausführung eines, trägheitsarmen Verstärkers dargestellt. Die Steuerung des Verstärkers erfolgt hier über ein Tauchspulenmeßwerk 16 mit einem Spiegel 20, ähnlich wie bei einem Schleifenoszillographen. Der permanente Feldmagnet für die Tauehspule 21 ist mit N, S bezeichnet. Der Spiegel 20 wird durch den Spannungsfall an dem Steuerwiderstand 7 ausgelenkt, so daß ein Lichtstrahl aus einer Lichtquelle 13 bei Erreichung des Steuerwertes die Fotozelle 18 trifft. Der Zellenstrom wirkt über das Steuergitter der Röhre 19 auf den Anodenkreis der Röhre und ruft damit in der Auslösespule 15 einen Strom hervor, der den Schalter betätigt.

Wie weiter oben bereits erwähnt, kann der steuernde Schaltstrom, wenn nur ein Einschalten des Schalters im oder nahe dem Stromnulldurchgang erfolgen soll, auch an einem Widerstand im Ventilstromkreis des Schalters oder gegebenenfalls am Ventil selbst abgenommen werden. Ein Ausschalten kann in diesem Falle durch eine Beeinflussung erfolgen, die vom Hauptstromkreis ausgeht. Eine Einrichtung nach diesem Verfahren, also mit einer Einscihaltibeeinflussung durch den Ventilstromkreis und einer Ausschaltbeeinflussiung durch den Hauptstromkreis, kann in solchen Fällen angewendet werden, in denen ein Wechselstrom nicht nach jeder Halbperiode unterbrochen werden soll, sondern wahlweise nach mehreren Schwingungen. Die Steuerung der Ausschaltung kann dabei z. B. durch ein zusätzliches Steuermittel erfolgen.

Die Erfindung ist auf die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Sie läßt sich in all den Fällen anwenden, in denen echte gesteuerte oder ungesteuerte Ventile zur Anwendung kommen, z. B. Gleichrichter-, Wechselrichter- und Umrichterbetrieb, ferner zum willkürlichen Schalten vom

Wechselstrom zu einem Nulldurchgangszeitpunkt, z. B. bei Leistungsschaltern oder Relais.

Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Einrichtung zum selbsttätigen Schalten eines Wechselstromkreises, enthaltend die Parallelschaltung eines elektrischen Ventils und

   ίο eines elektromagnetisch betätigten, nach dem Selbsthalteprinziip arbeitenden Selbstschalters, der im Normalbetrieb das Ventil überbrückt und beim Einschalten durch den Ventilstrom und beim Ausschalten in Abhängigkeit vom Augenblicksverlauf des zu unterbrechenden Stroms durch diesen selbst gesteuert wird, derart, daß er sich im Bereiche sehr kleiner Stromwerte in der Nähe eines den Übergang von der Durchgangs- zur Sperrichtung des Ventils bildenden Stromnulldurcihganges öffnet, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits derjenige Stromwert des zu schaltenden Stromkreises, bei welchem der Selbstschalter anspricht, und andererseits auch der Spannungsabfall, den der Strom des zu schaltenden Stromkreises an einem die Steuergröße für die Schalteinrichtung erfassenden Meßorgan hervorruft, durch die an sich bekannte Verwendung einer trägheitsaarmen, insbesondere trägheitslosen Verstärkereinrichtung zwischen dem Meß organ und der Betätigungsspule des Selbstschalters herabgesetzt sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Steuerung dienende Strom als Spannungsfall an einem Widerstand im Kreis des zu schaltenden Stroms (Hauptstromkreis) abgenommen wird.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Steuerung dienende Strom als Spannungsfall am Ventil oder an einem besonderen Widerstand im Ventilstromkneis abgenommen wird.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließen des Schalters vom Ventilstromkreis und sein Öffnen vom Hauptstromkreis aus erfolgt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsfall an dem Ventil zumindest zeitweise durch eine Gegenspannung kompensiert ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrkhtung ein Magnetronverstärker ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruchs oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsfall an dem Steuerwiderstand direkt als Steuerimpuls auf den Steuerteil der Verstärkereinrichtung wirkt, vorzugsweise auf dem Steuerteil einer Magnetronverstärkereinrichtung.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsfall an dem Steuerwiderstand einen Lichtstrahl beeinflußt, der über einen Photozellenverstärker den Schaltkontakt betätigt.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung des Lichtstrahles mittels einer Kathodenstrahlröhre z. B. nach Art einer Abstimmanzeigeröhre erfolgt.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung eine gasgefüllte Verstärkerröhre enthält.

    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschriften Nr. 690783, 476348; schwedische Patentschrift Nr. 114 132.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    (309852 3.57