WO2015091096A1 - Doppelkontakt-schalter mit vakuumschaltkammern - Google Patents

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contact
vacuum
electrode
switch
switching
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PCT/EP2014/077006
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Gerd Schmitz
Marcel Uedelhoven
Johannes Meissner
Michael Wohlang
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Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg
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    • H01H33/14—Multiple main contacts for the purpose of dividing the current through, or potential drop along, the arc

Definitions

  • the invention relates to a double-contact switch with vacuum interrupters and a hybrid switching device with such a double-contact switch.
  • the common switching principle for switching and extinguishing higher currents in switching devices usually consists of a double-interrupting contact arrangement, which lead the switching arcs there arcing rails in a stack arrangement of quenching plates in the form of so-called.
  • Deion- chambers In these chambers, the arcs are cooled and divided into several partial arcs, which is associated with a corresponding multiplication of the arc voltage.
  • the arc goes out and the circuit is interrupted.
  • the arc quenching is usually supported by dynamic magnetic Blasfelder, which are formed by suitable shaping of the conductors within the switching device.
  • hybrid switches consist of a parallel connection of an electromechanically actuated mechanical contact arrangement and a power semiconductor switch, for example based on a powerful IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), such as in German Offenlegungsschrift DE 10315982 AI described. When switched on, this is high-impedance, so that the load current flows exclusively through the closed mechanical contacts.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the power semiconductor is triggered in such a way that it becomes low-resistance for a short time, so that the arc current flowing through the mechanical switch commutates for a short time on the power semiconductor switch arranged in parallel; then this is again driven to block current, whereby the commutated to the semiconductor current is there arcing quickly brought to zero.
  • the effective arc time and thus the load of the switch can be greatly reduced.
  • Vacuum switch chambers as described for example in German published patent application DE 19902498 AI, usually consist of a rigidly connected to the switching chamber housing connection electrode with a so-called. Fixed contact at the inner end and an opposite electrode with so-called. Hub contact, which vacuum-tight over a flexible metal bellows in the axial direction against the fixed electrode is movable.
  • Double contact switches with vacuum interrupters are known, for example, from German Offenlegungsschriften DE 38 11 833 A1 and DE 101 57 140 A1 and from US Pat. No. 8,471,166 B1.
  • Object of the present invention is therefore to propose a double contact switch with vacuum interrupters, which is particularly suitable for use in a hybrid switch, ie a switch with a parallel connection of an electromechanically actuated mechanical contact arrangement and a power semiconductor switch.
  • An underlying idea of the present invention is to propose a double-contact switch with vacuum interrupters, which is designed in such a way that, when a load current flowing across the switch is switched off, the two pairs of contacts are opened with a time offset from one another.
  • This is inventively achieved in that two movable electrodes of the switch are each pressed with contact springs with different spring forces on fixed contacts in the vacuum interrupters. When opening the contacts, a first contact pair is opened in time before a second pair of contacts due to the different spring forces.
  • the double-contact switch according to the invention is particularly suitable for use in a hybrid switch, in which a power semiconductor switch is connected in parallel with the first contact pair opening first in time.
  • One embodiment of the invention now relates to a double-contact switch having first and second tubular vacuum interrupters, a fixed, interposed between the first and second vacuum interrupters Electrode having a first, in the first vacuum interrupter protruding fixed contact and a second, projecting into the second vacuum interrupter fixed contact, arranged in the first vacuum interrupter chamber and movable in this in the axial direction of the first electrode with a contact-carrying area, with respect to the exterior of the first vacuum interrupter chamber is gas-tight shut off, arranged in the second vacuum interrupter chamber and movable in the axial direction of the second electrode, with a contact-carrying area which is sealed gas-tight relative to the exterior of the second vacuum interrupter, a first contact pressure spring for acting on the first movable electrode with a first spring force such that the contact of the first electrode is pressed onto the stationary in the first vacuum interrupter fixed contact, a second contact pressure spring for acting on the second movable electrode with a second spring such that the contact of the second electrode is pressed onto
  • the vacuum interrupters can be designed as sub-switching chambers of a interrupter of particular rotationally symmetrical, cylindrical shape, wherein the sub-switching chambers are designed in particular similar or identical.
  • a switching tube has the advantage that the vacuum interrupters can be implemented with relatively little technical effort.
  • the interrupter may have approximately in its center a partition consisting of a conductive material for separating the two vacuum interrupters, which carries on both sides of each of the first fixed contact and the second fixed contact so that the faces of the fixed contacts the interior of the respective vacuum interrupter chamber and the the contact-bearing portion of the movable first and second electrode are facing.
  • the interrupter may have a partition approximately in its center for separating the two vacuum interrupters, which is designed such that it serves as a double contact arrangement and its contact surface consists of an electrically conductive and weld-resistant material.
  • the contact-carrying areas of the first and second electrodes can each be closed in a gastight manner by means of a flexible metal bellows.
  • the interrupter can be provided with a lid at each of its two ends, and each metal bellows can be soldered on one side to a respective end of the lid and on the other hand to one of the movable electrodes via an encircling, vacuum-tight solder joint.
  • the vacuum interrupters may be formed as gas-tight separate chambers or partially connected to each other, so that they have a common vacuum.
  • the fixed electrode may be connected in a vacuum-tight manner to an electrical insulation with respect to the movable first and second electrodes at their peripheral end faces to the respective vacuum interrupter chamber, respectively, with an annular insulating ring, in particular made of ceramic.
  • a further embodiment of the invention relates to a hybrid switching device having a first and a second power connection, a double-contact switch according to the invention and as described herein, a switching drive with an electromechanical drive for moving switching contacts in the direction of the axis of the vacuum switching chambers of the double-contact switch , and a power semiconductor switch having a first and a second terminal, wherein the first terminal of the power semiconductor switch and one of the movable electrodes of the double-contact switch are connected to the first power terminal of the hybrid switching device, wherein the fixed electrode of the double-contact switch is connected to the second terminal of the power semiconductor switch, wherein the other of the movable electrodes of the double-contact switch is electrically connected to a movable part of the switching drive.
  • FIG. 1 is a perspective view of a sectional view of an embodiment of a double-contact switch with vacuum interrupters according to the invention
  • Fig. 3-5 is a sectional view of another embodiment of a double contact switch with vacuum interrupters according to the invention.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through a double-contact switch with a vacuum interrupter, which has a rotationally symmetrical, cylindrical shape with two separate Operaschalthuntn 1, 3, in particular of similar or identical construction, for mechanical contacts 10, 30 of the switch.
  • Both sub-switching chambers 1, 3 can either be designed as completely separate vacuum chambers or partially connected to each other so that they have a common vacuum.
  • both sub-switching chambers 1 and 3 are separated in the middle of the vacuum interrupter by a partition wall 4, which consists of an electrically conductive material and two centrally arranged, fixed switching contacts 41, 42 of the mechanical contacts 10 and 30th carries, whose end faces each face the interior of one of the switching chambers.
  • the partition can be designed in a geometry that it itself serves as a double contact arrangement.
  • the contact surface of the partition can be designed so that it consists of a low-burning material with good resistance to welding.
  • a low-wear contact material is not mandatory; In this case, a material of good electrical conductivity and adequate resistance to welding is appropriate.
  • Each metal bellows 13, 33 is in particular soldered over two circumferential, vacuum-tight solder joints on the one hand to the respective electrode 11 and 31, on the other hand with a respective cover 14 and 34, which closes the respective part switching chamber 1, 3.
  • the fixed electrode 4 has a correspondingly sized, sufficient wall thickness.
  • the fixed electrode 4 is connected at its peripheral end faces 43 in the direction of their respective switching chamber 1, 3 with an annular insulating ring 15, 35, for example made of ceramic, vacuum-tight.
  • this double-contact switch with vacuum interrupters - as shown in Fig. 2 - be involved in such a way that one of the two movable electrodes, such as the electrode 11 is rigidly connected via a flat power connection to a power connector of the hybrid switching device.
  • the fixed electrode 4 of the vacuum interrupter is also connected via a flat power connection to the hybrid switching device, in such a way that the so-connected mechanical contacts 10 of the first part switching chamber 1 are arranged electrically parallel to a power semiconductor switch 20 of the hybrid switching device.
  • the second movable electrode 31 is connected to the movable part of the hybrid-electric hybrid drive via another surface current connection.
  • the mechanical contacts 30 of the second part of the switching chamber 3 are in series with the Parallel arrangement of the power semiconductor switch 20 and the mechanical contacts 10 of the first part switching chamber 1 connected.
  • the electromechanical drive 40 of the hybrid switching device ensures a movement of the movable contacts in the direction of the interrupter axis.
  • the power semiconductor switch 20 is controlled by a switching electronics 50, which in turn exchanges signals with the electromechanical drive 40.
  • the switching electronics 50 are configured to control the timing of switching on and off of the power semiconductor switch 20 depending on the switching states of the double-contact switch depending on respective signals of the electromechanical actuator 40.
  • FIG. 3 shows the double-contact switch when carrying a load current.
  • the power semiconductor switch 20 is not controlled by the switching electronics 50, so that it is completely blocked and the entire load current flows exclusively through the fully closed switch contacts 10, 30 of the double-contact switch.
  • Fig. 4 the state of the double-contact switch is shown in the first phase of the mechanical switching operation when switching off the load current.
  • a movement process is initiated in which on the movable electrode 31, a force is transmitted to the vacuum interrupter, which leads to the opening of the contact pair 12, 41, while the pair of contacts 32, 42 first still closed remains.
  • the spring force Fl transmitted by the contact pressure spring 51 is smaller than in the case of the spring force F2 acting on the contact pair 32, 42 by the contact pressure spring 52.
  • the switching off the power supply of the solenoid drive coil was signaled by the electromechanical drive 40, ahead of time already fully controlled by the mechanical switching operation, so that immediately with the Opening the contact pair 12, 41, the commutation of the entire load current to the power semiconductor switch 20 takes place and thereby no vacuum bow can form more between these mechanical contacts.
  • the mechanical opening process in this case proceeds in such a way that due to the higher spring force F2 of the contact pressure spring 52, the entire vacuum interrupter is moved in the direction of the Operaschalthunt 3, while the movable electrode 1 1, which is rigidly connected to the housing of the double-contact switch, at rest remains.
  • the phase of the galvanic separation process is shown in FIG.
  • the present invention is particularly suitable for almost arc-free switching high DC and low-frequency currents. Switching operations can be performed virtually free of burn-off, which leads to an extended life of the switch.
  • Double-contact switch according to the invention can be used in contactors, circuit breakers, motor protection switches in particular for switching direct currents and low-frequency currents.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Doppelkontakt-Schalter mit einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer (1, 3), einer feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten Elektrode (4) mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer (1) hineinragenden Festkontakt (41) und einem zweiten, in die zweite Vakuumschaltkammer (3) hineinragenden Festkontakt (42), einer in der ersten Vakuumschaltkammer (1) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode (11) mit einem, einen Kontakt (12) tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer (1) gasdicht abgesperrt ist, einer in der zweiten Vakuumschaltkammer (3) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode (31), mit einem, einen Kontakt (32) tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der zweiten Vakuumschaltkammer (3) gasdicht abgesperrt ist, einer ersten Kontaktdruckfeder (51) zum Beaufschlagen der ersten beweglichen Elektrode (11) mit einer ersten Federkraft derart, dass der Kontakt (12) der ersten Elektrode (11) auf den in die erste Vakuumschaltkammer (1) hineinragenden Festkontakt (41) gepresst wird, einer zweiten Kontaktdruckfeder (52) zum Beaufschlagen der zweiten beweglichen Elektrode (31) mit einer zweiten Federkraft derart, dass der Kontakt (32) der zweiten Elektrode (31) auf den in die zweite Vakuumschaltkammer (3) hineinragenden Festkontakt (42) gepresst wird, wobei die erste Federkraft geringer als die zweite Federkraft bemessen ist.

Description

DOPPELKONTAKT-SCHALTER MIT VAKUUMSCHALTKAMMERN
Die Erfindung betrifft einen Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern und ein Hybrid- Schaltgerät mit einem derartigen Doppelkontakt-Schalter.
Das gängige Schaltprinzip zum Schalten und Löschen höherer Ströme in Schaltgeräten besteht meist aus einer doppelt-unterbrechenden Kontaktanordnung, welche die dort entstehenden Schaltlichtbögen über Lichtbogenlaufschienen in einer Stapelanordnung aus Löschblechen in Form sog. Deion- Kammern führen. In diesen Kammern werden die Lichtbögen gekühlt und in mehrere Teillichtbögen aufgeteilt, was mit einer entsprechenden Vervielfachung der Lichtbogenspannung verbunden ist. Beim Erreichen der treibenden Spannung erlischt der Lichtbogen und der Stromkreis wird dadurch unterbrochen. Beim Schalten hoher Wechselströme wird die Lichtbogenlöschung meist durch dynamische magnetische Blasfelder unterstützt, welche durch geeignete Formgebung der Stromleiter innerhalb des Schaltgeräts gebildet werden. Zum Löschen von Gleichströmen werden dagegen meist magnetische Blasfelder eingesetzt, die in der Regel von einer Anordnung von Permanentmagneten erzeugt werden. Anders als bei den gängigen seit langem im Markt befindlichen Wechselstrom-Schaltgeräten werden vergleichbar große Schaltgeräte zum Trennen von niederfrequenten Strömen z.B. bei 16 2/3 Hz sowie von Gleichströmen durch die geringere bzw. fehlende Periodizität des Strom-Nulldurchgangs entsprechend stärker belastet. Die hierdurch auftretende längere Lichtbogenbrenndauer sorgt für einen im Vergleich zu Wechselstrom-Schaltgeräten höheren Energiegehalt der Schaltlichtbögen. Dies führt zum einen zu einem stärkeren Abbrand an Kontaktmaterial, zum anderen zu einer entsprechend hohen thermischen Belastung innerhalb der Schaltkammer. Eine solche thermische Belastung kann das Isolationsvermögen innerhalb einer Schaltkammer reduzieren. Im Ergebnis kann dadurch die elektrische Lebensdauer des Schaltgeräts verringert werden. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der von Schaltlichtbögen ausgehenden Belastung eines Schaltgeräts bieten sog. Hybrid- Schalter, welche aus einer Parallelschaltung einer elektromechanisch betätigten mechanischen Kontaktanordnung und einem Leistungshalbleiter-Schalter z.B. auf Basis eines leistungsstarken IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) bestehen, wie z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10315982 AI beschrieben. Im eingeschalteten Zustand ist dieser hochohmig, so dass der Laststrom ausschließlich über die geschlossenen mechanischen Kontakte fließt. Beim Ausschaltvorgang wird der Leistungshalbleiter in der Weise angesteuert, dass er für kurze Zeit niederohmig wird, so dass der durch den mechanischen Schalter fließende Lichtbogenstrom für kurze Zeit auf den parallel angeordneten Leistungshalbleiter-Schalter kommutiert; anschließend wird dieser wieder stromsperrend angesteuert, wodurch der auf den Halbleiter kommutierte Strom dort lichtbogenfrei rasch zu null geführt wird. Mit einer solchen Hybrid- Anordnung lässt sich die effektive Lichtbogenzeit und damit die Belastung des Schalters stark reduzieren.
Zur Erzielung einer hohen elektrischen Lebensdauer sowie einer für hohe Ströme vertretbaren Dimensionierung der Leistungshalbleiter-Schalter ist es zweckmäßig, die Stromflusszeit während des Ausschaltvorgangs zeitlich zu begrenzen. Bei an Luft betriebenen Schaltanordnungen v.a. für hohe Ströme ist hierbei von Nachteil, dass beim Schaltvorgang mit einer typischen mechanischen Brückenschaltanordnung zeitliche Schwankungen in einer Größenordnung auftreten, die ein völlig lichtbogenfreies Schalten mit nur kurzzeitiger Strombelastung des Leistungshalbleiter-Schalters in der Praxis nur schwer realisierbar machen.
Dieser Nachteil lässt sich bei Verwendung einer Vakuumschaltkammer vermeiden. Anders als beim Schalten an Luft, wo während des Schaltvorgangs die Luft im Bereich des Schaltlichtbogens teilweise ionisiert ist, bildet sich in einer Vakuumschaltkammer beim Trennen der Kontakte unter Last ein Metalldampfbogen aus verdampfendem Kontaktmaterial, welcher im Strom-Null-Fall innerhalb weniger Mikrosekunden im Innern der Vakuumkammer auskondensiert, wodurch es mangels ionisierbarer Gasatmosphäre zu einer nahezu schlagartigen Wiederverfestigung der Schaltstrecke kommt.
Vakuumschaltkammern, wie z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift DE 19902498 AI beschrieben, bestehen üblicherweise aus einer mit dem Schaltkammergehäuse starr verbundenen Anschlusselektrode mit einem sog. Festkontakt an deren innerem Ende sowie einer gegenüberliegenden Elektrode mit sog. Hubkontakt, welche vakuumdicht über einen flexiblen Metallfaltenbalg in axialer Richtung gegen die feste Elektrode beweglich ist. Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern sind beispielsweise aus den deutschen Offenlegungsschriften DE 38 11 833 AI und DE 101 57 140 AI sowie der US-Patentschrift US 8,471,166 Bl bekannt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern vorzuschlagen, der vor allem zum Einsatz in einem Hybrid- Schalter geeignet ist, d.h. einen Schalter mit einer Parallelschaltung einer elektromechanisch betätigten mechanischen Kontaktanordnung und einem Leistungshalbleiter-Schalter.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Gedanke besteht darin, einen Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern vorzuschlagen, der derart ausgebildet ist, dass beim Abschalten eines über den Schalter fließenden Laststroms die beiden Kontaktpaare zeitlich zueinander versetzt geöffnet werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zwei bewegliche Elektroden des Schalters jeweils mit Kontaktdruckfedern mit unterschiedlichen Federkräften auf Festkontakte in den Vakuumschaltkammern gepresst werden. Beim Öffnen der Kontakte wird ein erstes Kontaktpaar aufgrund der unterschiedlichen Federkräfte zeitlich vor einem zweiten Kontaktpaar geöffnet. Hierdurch ist der erfindungsgemäße Doppelkontakt-Schalter vor allem für den Einsatz in einem Hybrid- Schalter geeignet, bei dem ein Leistungshalbleiter-Schalter parallel zu dem sich zeitlich zuerst öffnenden ersten Kontaktpaar geschaltet ist. Beim Öffnen des ersten Kontaktpaars kann durch Durchschalten des Leistungshalbleiter-Schalters verhindert werden, dass sich zwischen dem zeitlich zuerst öffnenden Kontaktpaar ein Lichtbogen ausbildet. Durch Sperren des Leistungshalbleiter-Schalters während des Öffnens des ersten Kontaktpaares kann der auf den Leistungshalbleiter-Schalter kommutierte Laststrom zu Null geführt werden, insbesondere bevor das zweite Kontaktpaar geöffnet wird. Dadurch kann der Laststrom nahezu ohne Ausbildung eines Lichtbogens abgeschaltet werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun eine Doppelkontakt-Schalter mit einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer, einer feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten Elektrode mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer hineinragenden Festkontakt und einem zweiten, in die zweite Vakuumschaltkammer hineinragenden Festkontakt, einer in der ersten Vakuumschaltkammer angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist, einer in der zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode, mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der zweiten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist, einer ersten Kontaktdruckfeder zum Beaufschlagen der ersten beweglichen Elektrode mit einer ersten Federkraft derart, dass der Kontakt der ersten Elektrode auf den in die erste Vakuumschaltkammer hineinragenden Festkontakt gepresst wird, einer zweiten Kontaktdruckfeder zum Beaufschlagen der zweiten beweglichen Elektrode mit einer zweiten Federkraft derart, dass der Kontakt der zweiten Elektrode auf den in die zweite Vakuumschaltkammer hineinragenden Festkontakt gepresst wird, wobei die erste Federkraft geringer als die zweite Federkraft bemessen ist. Die Vakuumschaltkammern können als Teilschaltkammern einer Schaltröhre von insbesondere rotationssymmetrischer, zylindrischer Gestalt ausgebildet sein, wobei die Teilschaltkammern insbesondere ähnlich oder identisch ausgestaltet sind. Eine solche Schaltröhre besitzt den Vorteil, dass die Vakuumschaltkammern mit relativ geringem technischem Aufwand implementiert werden können. Die Schaltröhre kann etwa in ihrer Mitte eine aus einem leitfähigen Material bestehende Trennwand zum Trennen der beiden Vakuumschaltkammern aufweisen, die auf ihren beiden Seiten jeweils den ersten Festkontakt bzw. den zweiten Festkontakt so trägt, dass die Stirnflächen der Festkontakte dem Inneren der jeweiligen Vakuumschaltkammer und dem den Kontakt tragenden Bereich der beweglichen ersten bzw. zweiten Elektrode zugewandt sind. Alternativ kann die Schaltröhre etwa in ihrer Mitte eine Trennwand zum Trennen der beiden Vakuumschaltkammern aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass sie als Doppelkontaktanordnung dient und ihre Kontaktfläche aus einem elektrisch leitfähigen und verschweißresistenten Werkstoff besteht.
Die Kontakte tragenden Bereiche der ersten und zweiten Elektrode können jeweils mittels eines flexiblen Metallfaltenbalgs gasdicht abgesperrt sein. Die Schaltröhre kann an ihren beiden Enden jeweils mit einem Deckel versehen sein und jeder Metallfaltenbalg kann einerseits mit jeweils einem der Deckel und andererseits mit jeweils einer der beweglichen Elektroden jeweils über eine umlaufende, vakuumdichte Lötverbindung stirnflächig verlötet sein. Die Vakuumschaltkammern können als gasdicht getrennte Kammern ausgebildet oder partiell miteinander verbunden sein, so dass sie über ein gemeinsames Vakuum verfügen.
Die feststehende Elektrode kann zur elektrischen Isolation gegenüber der beweglichen ersten und zweiten Elektrode an ihren umfangseitigen Stirnflächen zur jeweiligen Vakuumschaltkammer jeweils mit einem ringförmigen, insbesondere aus Keramik bestehenden Isolierstoffring vakuumdicht verbunden sein.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Hybrid-Schaltgerät mit einem ersten und einem zweiten Stromanschluss, einem Doppelkontakt-Schalter nach der Erfindung und wie hierin beschrieben, einem Schaltantrieb mit einem elektromechanischen Antrieb zum Bewegen von Schaltkontakten in Richtung der Achse der Vakuumschaltkammern des Doppelkontakt-Schalters, und einem Leistungshalbleiter-Schalter mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss des Leistungshalbleiter- Schalters und eine der beweglichen Elektroden des Doppelkontakt-Schalters mit dem ersten Stromanschluss des Hybrid- Schaltgeräts verbunden sind, wobei die feststehende Elektrode des Doppelkontakt- Schalters mit dem zweiten Anschluss des Leistungshalbleiter-Schalters verbunden ist, wobei die andere der beweglichen Elektroden des Doppelkontakt-Schalters mit einem beweglichen Teil des Schaltantriebs elektrisch verbunden ist.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnungen zeig Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung eines Ausfuhrungsbeispiels eines Doppelkontakt-Schalters mit Vakuumschaltkammern gemäß der Erfindung;
Fig. 2 das Blockschaltbild eines Ausfuhrungsbeispiels eines Hybrid- Schaltgeräts gemäß der Erfindung; und Fig. 3-5 eine Schnittansicht eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels eines Doppelkontakt- Schalters mit Vakuumschaltkammern gemäß der Erfindung.
In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Doppelkontakt-Schalter mit einer Vakuumschaltröhre, die eine rotationssymmetrische, zylindrische Gestalt mit zwei separaten Teilschaltkammern 1, 3, insbesondere von ähnlichem oder identischem Aufbau, für mechanische Kontakte 10, 30 des Schalters besitzt. Beide Teilschaltkammern 1, 3 können dabei entweder als völlig getrennte Vakuumkammern ausgeführt sein oder auch partiell miteinander verbunden sein, so dass sie über ein gemeinsames Vakuum verfügen.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind beide Teilschaltkammern 1 und 3 in der Mitte der Vakuumschaltröhre durch eine Trennwand 4 getrennt, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und zwei mittig angeordnete, fest stehende Schaltkontakte 41, 42 der mechanischen Kontakte 10 bzw. 30 trägt, deren Stirnflächen jeweils dem Innern einer der Schaltkammern zugewandt sind.
Ebenso kann die Trennwand in einer Geometrie ausgeführt sein, dass sie selbst als Doppelkontaktanordnung dient. Die Kontaktfläche der Trennwand kann dabei so ausgeführt sein, dass sie aus einem abbrandarmen Werkstoff mit gleichzeitig guter Verschweißresistenz besteht. Bei Verwendung in einem völlig lichtbogenfrei arbeitenden Hybridschütz ist der Einsatz eines abbrandarmen Kontaktwerkstoffs nicht zwingend erforderlich; in diesem Fall ist ein Werkstoff von guter elektrischer Leitfähigkeit und hinreichender Verschweißresistenz zweckmäßig. Das Öffnen und Schließen der Schaltkontakte erfolgt über axial bewegliche Kupferelektroden 11, 31, an deren inneren Stirnseiten Schaltkontakte 12, 32 der mechanischen Kontakte 10 bzw. 30 aus einem geeigneten Werkstoff, v.a. von hinreichender Verschweißresistenz und guter elektrischer Leitfähigkeit, angebracht sind. Die die Schaltkontakte tragenden Bereiche der beiden beweglichen Elektroden 11, 31 sind gegenüber dem Äußeren der jeweiligen Schaltkammer jeweils über einen flexiblen Metallfaltenbalg 13, 33 versiegelt. Jeder Metallfaltenbalg 13, 33 ist insbesondere über zwei umlaufende, vakuumdichte Lotverbindungen zum einen mit der jeweiligen Elektrode 11 bzw. 31, zum anderen mit einem jeweiligen Deckel 14 bzw. 34 stirnflächig verlötet, der die jeweilige Teilschaltkammer 1, 3 verschließt.
Den beiden beweglichen Elektroden 11, 31 gegenüber steht eine gemeinsame feststehende Elektrode in Form der erwähnten scheibenförmigen Schaltkammer-Trennwand 4, welche entlang ihrer gesamten Umfangseite mit der Wand der jeweiligen Teilschaltkammer 1, 3 entweder als separates Teil verbunden ist oder vorzugsweise im Umfangsbereich selber einen Teil der Schaltkammerwand 43 darstellt.
Zur Führung des Laststroms besitzt die feststehende Elektrode 4 eine entsprechend bemessene, ausreichende Wandstärke. Zur elektrischen Isolation gegenüber den beiden beweglichen Elektroden 11, 31 ist die feststehende Elektrode 4 an ihren umfangseitigen Stirnflächen 43 in Richtung ihrer jeweiligen Schaltkammer 1, 3 mit einem ringförmigen Isolierstoffring 15, 35, beispielsweise aus Keramik, vakuumdicht verbunden.
In einem Hybridschaltgerät kann dieser Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern - wie in Fig. 2 gezeigt - in der Weise eingebunden sein, dass die eine der beiden beweglichen Elektroden, beispielsweise die Elektrode 11 über eine flächige Stromverbindung mit einem Stromanschluss des Hybridschaltgeräts starr verbunden ist. Die feststehende Elektrode 4 der Vakuumschaltröhre ist ebenfalls über eine flächige Stromverbindung mit dem Hybridschaltgerät verbunden, in der Weise dass die so angeschlossenen mechanischen Kontakte 10 der ersten Teilschaltkammer 1 elektrisch parallel zu einem Leistungshalbleiter- Schalter 20 des Hybridschaltgeräts angeordnet sind. Die zweite bewegliche Elektrode 31 ist über eine weitere flächige Stromverbindung mit dem beweglichen Teil des elektromechanischen Hybridschaltgerät-Antriebs verbunden. Elektrisch sind die mechanischen Kontakte 30 der zweiten Teilschaltkammer 3 dabei in Serie mit der Parallelanordnung aus dem Leistungshalbleiter-Schalter 20 und den mechanischen Kontakten 10 der ersten Teilschaltkammer 1 geschaltet. Bei Schalthandlungen sorgt der elektromechanische Antrieb 40 des Hybridschaltgeräts für eine Bewegung der beweglichen Kontakte in Richtung der Schaltröhrenachse. Der Leistungshalbleiter-Schalter 20 wird über eine Schaltelektronik 50 gesteuert, die wiederum Signale mit dem elektromechanischen Antrieb 40 austauscht. Die Schaltelektronik 50 ist derart konfiguriert, dass sie die zeitlichen Abläufe des Durchschaltens und des Sperrens der Leistungshalbleiter-Schalters 20 abhängig von den Schaltzuständen des Doppelkontakt-Schalters abhängig von entsprechenden Signalen des elektromechanischen Antriebs 40 regelt. Die Funktion des Doppelkontakt-Schalters mit Vakuumschaltkammern innerhalb eines Hybridschaltgeräts wird nun anhand der in den Fig. 3 bis 5 veranschaulichten unterschiedlichen Schaltzuständen eines erfindungsgemäßen Doppelkontakt-Schalters mit Vakuumschaltkammern beschrieben. Hierbei wird auch auf das in Fig. 2 gezeigte Blockschaltbild Bezug genommen, das die Funktion des Hybridschaltgeräts darstellt. Fig. 3 zeigt den Doppelkontakt-Schalter beim Führen eines Laststroms. In diesem Fall wird der Leistungshalbleiter- Schalter 20 von der Schaltelektronik 50 nicht angesteuert, so dass er vollkommen gesperrt ist und der komplette Laststrom ausschließlich durch die vollständig geschlossenen Schaltkontakte 10, 30 des Doppelkontakt-Schalters fließt. Der Magnetantrieb
40 des Hybridschaltgeräts sorgt hierbei für eine flächige Anpressung der beweglichen Schaltröhrenkontakte 12, 32, auf die ihnen gegenüberstehenden feststehenden Kontakte 41,
42 in der Röhrenmitte. Die wirkende Kontaktkraft Fl, F2 ist dabei für jedes Kontaktpaar 12,
41 und 32, 42 jeweils die Summe aus dem auf der entsprechenden Vakuumkammer 1 bzw. 3 lastenden Atmosphärendruck plus dem zusätzlichen Druck, der durch die mit der entsprechenden beweglichen Elektrode 11, 31 verbundenen Kontaktdruckfeder 51 bzw. 52 auf die beweglichen Schaltkontakte 12 bzw. 32 übertragen wird.
In Fig. 4 wird der Zustand des Doppelkontakt-Schalters in der ersten Phase des mechanischen Schaltvorgangs beim Abschalten des Laststroms dargestellt. Mit dem Abschalten der Spannungsversorgung der Magnetantriebsspule des elektromechanischen Antriebs 40 des Hybridschaltgeräts wird ein Bewegungsvorgang eingeleitet, bei dem über die bewegliche Elektrode 31 eine Kraft auf die Vakuumschaltröhre übertragen wird, welche zum Öffnen des Kontaktpaares 12, 41 führt, während das Kontaktpaar 32, 42 zunächst noch geschlossen bleibt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die von der Kontaktdruckfeder 51 übertragene Federkraft Fl geringer ist als im Fall der durch die Kontaktdruckfeder 52 auf das Kontaktpaar 32, 42 wirkenden Federkraft F2. Bei Beginn des mechanischen Öffnungsvorgangs ist der mit der Teilschaltkammer 1 parallel geschaltete Leistungshalbleiter-Schalter 20 von der Schaltelektronik 50, der das Abschalten der Spannungsversorgung der Magnetantriebsspule vom elektromechanischen Antrieb 40 signalisiert wurde, zeitlich dem mechanischen Schaltvorgang vorauseilend bereits vollständig durchgesteuert, so dass sofort mit dem Öffnen des Kontaktpaares 12, 41 die Kommutierung des gesamten Laststroms auf den Leistungshalbleiter-Schalter 20 erfolgt und sich dadurch zwischen diesen mechanischen Kontakten kein Vakuumbogen mehr ausbilden kann. Der mechanische Öffnungsprozess verläuft hierbei in der Weise, dass aufgrund der höheren Federkraft F2 der Kontaktdruckfeder 52 die gesamte Vakuumschaltröhre in Richtung der Teilschaltkammer 3 bewegt wird, während die bewegliche Elektrode 1 1, welche mit dem Gehäuse des Doppelkontakt-Schalters starr verbunden ist, in Ruhe bleibt. Die vollständige Öffnung des unteren 12, 41 Kontaktpaares ist in dem Moment erzielt, in dem die Stirnfläche der Teilschaltkammer 3 einen mechanischen Anschlag 55 erreicht, welcher mit dem Doppelkontakt-Schalter-Gehäuse 56 fest verbunden ist. Innerhalb dieses Zeitraums ist der auf den Leistungshalbleiter-Schalter 20 kommutierte Laststrom gesteuert durch die Schaltelektronik 50 in diesem bereits zu Null geführt, so dass zum Erreichen einer sicheren galvanischen Trennung im Doppelkontakt- Schalter schließlich das zweite Kontaktpaar 32, 42 der Vakuumschaltröhre ebenfalls vakuumbogenfrei geöffnet wird. In dieser Phase ist der Leistungshalbleiter-Schalter 20 bereits wieder völlig gesperrt.
Die Phase des galvanischen Trennvorgangs ist in Fig. 5 dargestellt. Mit dem Erreichen des mechanischen Anschlags 55 ist keine weitere Bewegung des Schaltröhrenkörpers relativ zur beweglichen Elektrode 11 der Teilschaltkammer 1 mehr möglich, so dass die auf die bewegliche Elektrode 31 weiterhin wirkende Zugkraft des Magnetantriebs des elektromechanischen Antriebs 40 des Hybridschaltgeräts nur noch eine Öffnung des Kontaktpaares 32, 42 gestattet. Die vollständige Öffnung dieser Trennkontakte ist erfolgt, sobald der Magnetantrieb seine Endposition nach dem Abschaltvorgang erreicht hat. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum nahezu Lichtbogen- freien Schalten hoher Gleich- und niederfrequenter Ströme. Schalt Vorgänge können nahezu abbrandfrei durchgeführt werden, was zu einer verlängerten Lebensdauer des Schalters führt. Der erfindungsgemäße Doppelkontakt-Schalter kann in Schützen, Leistungsschaltern, Motorschutzschaltern insbesondere zum Schalten von Gleichströmen und niederfrequenten Strömen eingesetzt werden.
Bezugszeichen
1 erste Teilschaltkammer
10 mechanische Kontakte (Trennkontakte) erste Teilschaltkammer
11 bewegliche Elektrode erste Teilschaltkammer
12 beweglicher Kontakt erste Teilschaltkammer
13 Faltenbalg erste Teilschaltkammer
14 Deckel erste Teilschaltkammer
15 Isolierstoffring erste Teilschaltkammer
20 Leistungshalbleiter-Schalter
3 zweite Teilschaltkammer
30 mechanische Kontakte (Trennkontakte) zweite Teilschaltkammer
31 bewegliche Elektrode zweite Teilschaltkammer
32 beweglicher Kontakt zweite Teilschaltkammer
33 Faltenbalg zweite Teilschaltkammer
34 Deckel zweite Teilschaltkammer
35 Isolierstoffring zweite Teilschaltkammer
4 Trennwand / feststehende Elektrode
40 elektromechanischer Antrieb
41 Festkontakt erste Teilschaltkammer
42 Festkontakt zweite Teilschaltkammer
43 Schaltkammerwand feststehende Elektrode
50 S chaltelektronik
51 Kontaktdruckfeder erste Teilschaltkammer
52 Kontaktdruckfeder zweite Teilschaltkammer
55 mechanischer Anschlag
56 Doppelkontakt-Schalter-Gehäuse

Claims

Ansprüche
1. Doppelkontakt-Schalter mit einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer 0, 3), einer feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten Elektrode (4) mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer (1) hineinragenden Festkontakt (41) und einem zweiten, in die zweite
Vakuumschaltkammer (3) hineinragenden Festkontakt (42), einer in der ersten Vakuumschaltkammer (1) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode (11) mit einem, einen Kontakt (12) tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer (1) gasdicht abgesperrt ist, einer in der zweiten Vakuumschaltkammer (3) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode (31), mit einem, einen Kontakt (32) tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der zweiten
Vakuumschaltkammer (3) gasdicht abgesperrt ist, einer ersten Kontaktdruckfeder (51) zum Beaufschlagen der ersten beweglichen Elektrode (11) mit einer ersten Federkraft derart, dass der Kontakt (12) der ersten Elektrode (11) auf den in die erste Vakuumschaltkammer (1) hineinragenden Festkontakt (41) gepresst wird, einer zweiten Kontaktdruckfeder (52) zum Beaufschlagen der zweiten
beweglichen Elektrode (31) mit einer zweiten Federkraft derart, dass der Kontakt (32) der zweiten Elektrode (31) auf den in die zweite Vakuumschaltkammer (3) hineinragenden Festkontakt (42) gepresst wird, wobei die erste Federkraft geringer als die zweite Federkraft bemessen ist.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltkammern (1, 3) als Teilschaltkammern einer Schaltröhre von insbesondere
rotationssymmetrischer, zylindrischer Gestalt ausgebildet sind, wobei die
Teilschaltkammern insbesondere ähnlich oder identisch ausgestaltet sind.
3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltröhre etwa in ihrer Mitte eine aus einem leitfähigen Material bestehende Trennwand (4) zum Trennen der beiden Vakuumschaltkammern (1, 3) aufweist, die auf ihren beiden Seitenjeweils den ersten Festkontakt (41) bzw. den zweiten Festkontakt (42) so trägt, dass die
Stirnflächen der Festkontakte (41, 42) dem Inneren der jeweiligen
Vakuumschaltkammer (1, 3) und dem den Kontakt (12, 32) tragenden Bereich der beweglichen ersten bzw. zweiten Elektrode (11, 31) zugewandt sind.
4. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltröhre etwa in ihrer Mitte eine Trennwand zum Trennen der beiden Vakuumschaltkammern (1 , 3) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie als Doppelkontaktanordnung dient und ihre Kontaktfiäche aus einem elektrisch leitfähigen und verschweißresistenten Werkstoff besteht.
5. Schalter nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (12, 32) tragenden Bereiche der ersten und zweiten Elektrode (11, 31) jeweils mittels eines flexiblen Metallfaltenbalgs (13, 33) gasdicht abgesperrt sind.
6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltröhre an ihren beiden Enden jeweils mit einem Deckel (14, 34) versehen ist und jeder
Metallfaltenbalg einerseits mit jeweils einem der Deckel und andererseits mit jeweils einer beweglichen Elektroden (11, 31) jeweils über eine umlaufende, vakuumdichte Lötverbindung stirnflächig verlötet ist. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltkammern (1, 3) als gasdicht getrennte Kammern ausgebildet sind oder partiell miteinander verbunden sind, so dass sie über ein gemeinsames Vakuum verfügen.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende Elektrode (4) zur elektrischen Isolation gegenüber der beweglichen ersten und zweiten Elektrode (11, 31) an ihren umfangseitigen Stirnflächen (43) zur jeweiligen Vakuumschaltkammer (1, 3) jeweils mit einem ringförmigen, insbesondere aus Keramik bestehenden Isolierstoffring (15, 35) vakuumdicht verbunden ist.
Hybrid- Schaltgerät mit einem ersten und einem zweiten Stromanschluss, einem Doppelkontakt-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einem Schaltantrieb mit einem elektromechanischen Antrieb (40) zum Bewegen von Schaltkontakten in Richtung der Achse der Vakuumschaltkammern (1, 3) des Doppelkontakt-Schalters, und einem Leistungshalbleiter-Schalter (20) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss,
- wobei der erste Anschluss des Leistungshalbleiter-Schalters (20) und eine der beweglichen Elektroden (11, 31) des Doppelkontakt-Schalters mit dem ersten Stromanschluss des Hybrid-Schaltgeräts verbunden sind,
- wobei die feststehende Elektrode (4) des Doppelkontakt-Schalters mit dem
zweiten Anschluss des Leistungshalbleiter-Schalters (20) verbunden ist, wobei die andere der beweglichen Elektroden (11, 31) des Doppelkontakt- Schalters mit einem beweglichen Teil des Schaltantriebs elektrisch verbunden ist.
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