DE1415980A1

DE1415980A1 - Verfahren zum Schalten von Wechselstrom- oder Drehstromstarkstromkreisen

Info

Publication number: DE1415980A1
Application number: DE19611415980
Authority: DE
Inventors: Koppelmann Dr-Ing Floris
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1961-10-26
Filing date: 1961-10-26
Publication date: 1969-01-30
Also published as: CH419282A; DE1415980B2

Description

Verfahren zum Schalten von 4chselstrom- oder Drehstromstark-

stromkreisen.

Es sind elektronische steuerbare Elemente bekannt geworden,

mit denen Starkstromkreise ein- und ausgeschaltet werden können,

beispielsweise Silizium-Vierschichtentr44.oden. Diese elektroni-

sIhen Elemente haben jedoch gegenüber metalli Baien Schaltkontakten

den Nachteil,daß sie im geschlossenen Zustand einen Spannungs-

abfall von bei npielsweise 'f V aufweisen und daß sie im offenen

Zustand bei weitem nicht den hohen und sicheren. Isolationswert

besitzen wie eine metallische Kontaktstrecke in hott oder Öl.

Um diese Nachteile zu beseitigen, hat man vorgeschlagen, in

Kombination mit den elektronischen Schaltelementen mechanische

Schaltkontakte als Trennschalter in Reihe und,loder als Über-

brückungsschalter parallel zu den ei.ektronis(lien Elementen anzu-

ordnen. Dabei werden die mechanischen Uberbrüokziagsschalter kurz

nach dem Einschalten der elektronischen E? emexite geschlossen und

kurz vor ihrem Ausschalten geöffnet, so d.a2 ,sie '.m tvesentlichen

lichtbogenfrei arbeiten können. In ähnlicher :Meise werdan die in

Reihe geschalteten mechanischen Trenutscha lter ver den elektro-

nischen Elementen eingeschaltet und nach Sperrung der elektroni-

schen Elemente ausgeschaltet, so daß sie ebenfalls im wesentlichen

lichtbogenfrei arbeiten.

Diese

Anordnung hat in manchen praktischen Fällen,

nämlich danz",wenn der Starkstromkreis sehr häufig geschaltet wird,

den Nachtei2@daß die Lebensdauer mechanischer Schaltelemente nur

begrenzt zst@bk: pie@.»@weise nur etwa eine Million möglicher

Ochalthandlungen umfaßt,während in prektischfen Fällen zeih Milli-

onen mögliche Schal t@...spiele oder mehr verlangt werden.

tZach der Eifinr'ung @7erden bei einer derartigen Kombination

van elekt:rctii - ^ t::-iz tznd ltelementer nicht bei je-

dem ichalt,tiorG:i*ng die mechanischen :@chaltalemente betätigt. Ins-

besondere bleiben bei schnell aufeinander folgender. Ein® und Aus-

scaat;uzg=i@ U:; :tarkstromkrei.ses die: mechanischen i;berbrückungs-

schaltez :;f A"en und -die mechanischen Trennschalter geschlossen,

o daß die eieküz@onischen Öchaltelemente die gesamten Schaltfunk-

tionen allein Übernehmen, d.h. wihrenc? der Einschaltzeiten allein

den Strom führen und -ehrend der Ausscha? tzeiten allein die Span-

nung sperren" Treten dajegcn zwischen den Ein- und Aussahalt-

konmandos 'ür den "tarkstromkreis längere Zeitintervalle auf,so

werden nach der -#,-,'rfindung die mechanirchen Gchaltelemente betätigt

s

um die elei:üranisrhen Elemente von und ":,pannurizu ent-

lasten. Dei einem Spannungsabfall von 1 Y entwickelt ein

elektronisches Z--"c:ialtelement bei 500 .a eine Vezlustleistung von

500 N. Diese iezstung ist bei kloinen.nsra.tde.uern unbedenk-

lich,bei großen Einschaltdauern ist sie dagegen unerwünscht

groß und kann durch EinleGen des rechanischen i:berbrückungsschal-

ters eingespart :.erden, so daß auf diese :eise auch die Einrich-

tung für die Abfährung der Verlustwärme eingespart und gegebenen-

kleinere Type für das elektronische Schslte @mpnt

Verwendung finden kann. In ähnlicher zieise ist bei kleinen Ausschaltuauern die Spannungsbeanspruchung der eloktronischen Schaltelemente unbedenklich, bei großen Ausschaltdauern dagegen kann durch Öffnen des in Reihe liegenden mechanischen Trennschalters die Spannungsbeanspruchung von den elektronischen Elementen fortgenommen werden, Dies hat nicht nur den Vorteil, daß die Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung in den. elektronischen Elementen vermindert -wird,sondern es bewirkt auch eine sichere galvanische Abtrennung des Verbrauchers von der Spannungsquelle,was in manchen praktischen Fällen, beispielsweise mit Rücksicht auf Berührungsgefahr, erforderlich ist. Zur Verwirklichung der Erfindung kann man derart vorgehen, daß die mechanischen Trennschalter bei einem Einschaltkommando umverzögert eingeschaltet werden, bei einem Ausschaltkommando dagegen nur mit Zeitverzögerung ausgeschaltet werden. In entsprechender Weise können die mechanischen Lberbrückungsschalter bei einem Ausschaltkommando umverzögert ausgeschaltet, bei einem Einschaltkommando dagegen nur mit Zeitverzögerung eingeschaltet werden. Die Verzögerungen können dabei mit bekannten VerzögerunGseinrichtungen, beispielsweise Zeitrelais oder R/C-Gliedern verwirklicht werden. Man kann die Verzögerungszeiten je nach den Eigenarten des Stromkreises fest einstellen, Man kann sie nach einem weiteren Erfindungsgedanken jedoch such abhängig machen von der Belastung der elektronischen Schaltelemente, in dem Sinne, daß die mechanischen Trennschalter abhängig von der Rückstromerwärmung der elektronischen Schaltelemente, d.h. vom- Spannungszeitintegral an den elektronischen Elementen, gesteuert werden, die mechanischen Überbrückungsschalter dägegen von der Vorwärtsstromerwärmung der elektronischen Schaltelemente, d.h. vom Arbeitsstromzeitintegral. Zur Erfassung der Erwärmung können dabei beispielsweise Bi-Metallauslöser benutzt werden. In manchen praktischen Fällen werden Ein- und Ausschaltkommandos sehr kurz hintereinander gegeben, beispielsweise in Abständen von 1 bis 10 s. Ein solcher.Fall liegt vor beim "Tippen" oder auch beim Reversieren von Asynchronmotoren. Es können aber auch Schaltspiellauern unterhalb von 1 s und oberhalb von 10 s mit einer gewissen Regelmässißkeit auftreten. Man wird in solchen Fällen die Zeitverzögerung der Betätigung der mechanischen Schalter entsprechend den Anforderungen des Stromkreises wählen. Oft wird es sich dabei ergeben, daß die mechanischen Trennschalter seltener betätigt werden als die mechanischen überbrückungsschalter, vor allen Dingen-in ,Anlagen großer Stromstärke, bei denen durch die Uberbrüekungssehalter große VerlusterwUrmungen eingespart werden. In manchen praktischen Fällen wird man die Verzögerungszeiten der mechanischen Schalter so groß wählen können,daß die Schaltspielzahl der mechanischen Schalter gegenüber den elektronischen Schaltelementen beispielsweise um eine Größenordnung oder mehr verringert wird. Dies kann zur Folge haben,daß die Lebensdauer der mechanischen Schaltelemente, die beispielsweise eine Million Schaltspiele beträgt,-über die ganze Zeit so stark erhöht wird, daß sie der Lebensdauer der elektronischen Schaltelemente gleich kommt oder.sie übertrifft. Bekanntlich sind beim heutigen Stand der Schalttechnik oft die mechanischen Schalter die schwächsten Teile einer Anlage, die am meisten gewartet und am häufigsten ausgewechselt werden müssen. Dieser Nachteil läßt sich durch die Erfindung bnseitigen,ohne daß die oben genannten Nachteile der elektronischen Schaltelemente, nämlich ihre Verlustwärme im eingeschalteten Zustand und ihre mangelnde Isolationssicherheit Im ausgeschalteten Zustand, sich praktisch ungünstig auswirken" In der Zeichnung ist ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Fig. 1 ist eine Schaltanordnung zur Verbindung der beiden Drehstromnetze RST und tJYt,J angedeutet;, 1 bis 6 sind antiparallele elektronische Schaltelemente, beispielsweise Vierschichtentrioden, oder eine Kombination von drei Vierschichtentrioden'mit drei antiparallelen Dioden. Parallel zu diesen elektronischen Schaltelementen liegt ein dreipoliger mechanischer Überbrückungsschalter 7, in Reihe mit ihnen liegt ein dreipoliger Trennschal-.

ter B. Zum Einschalten des Netzes UYW wird. zunächst bei gesperrten elektronischen Elementen der Schalter 8 eingelegt, daraufhin werden die Steuergitter der elektronischen. Schaltelemente geöffnet, so daß der Drehstrom fließen kann. Der Überbrückungsschalter 7 wird nach der Erfindung nicht sofort nach dem Schließer der elektronischen Schaltelemente, sondern. erst nach einer Zeitspanne von etwa 'i bis 10 e eingeschaltet. Kommt vor dieser Zeitspanne bereits das Ausschaltkommando, so werden die elektroni-schen Schaltelemente durch Gitterbeeinflussung gesperrt, bevor der Schalter 7 in Funktion getreten ist; bleibt jedoch das Ein- Schaltkommando längere geit bestehen, so schließt der mechanische Schalter 7 und nimmt den elektronischen Schaltelementen den Strom ab. Erfolgt jetzt das A»schaltkommando, so wird' zunächst der Überbrückungsschalter unverzögert geöffnet und"unmi.ttelbar hinterher werden die elektronischen Schaltelemente gesperrt. Damit ist der Strom unterbrochen. Bleibt das Ausschaltkommando während einer längeren Zeitspanne,@beispielsweine länger als 1 bis 10 s, bestehen, so öffnet der Trennschalter B. Andernfalls bleibt er geschlossen, so daß die Spannung an den elektronischen Schaltelementen liegen bleibt und der Stromkreis beim Eintreffen eines neuerlichen Einachaltäcomandos ohne Betätigung des neehani- sehen Schalters wieder eingeschaltet werden kann.

Fig. 2 aeiZ,t eine der Fig. 'd entsprechende Anor@änung,jedoch '

sind hier nur in zwei Phasen elektronische Schaltelemente mit

Uberbrückungsachaltern angeordnet,, die drtte Phase hat nur

einen mech&nischen Trennschalter, der unter Umständen such ein.

gespart werden kann. :Qärend in der Anordnung der Fig.1 nur

drei der sechs elektronischen Gchaltelemente steuerbar zu sein

brauchen, müssen in der Anordnung der Fig. 2 sämtliche vier elektronischen Schaltelemente mit einem Steuergitter versehen werden. Hei der Art der Erfindung ist es nicht erforderlich, daß die Kommandos auf die elektronischen und mechanischen Schaltelemente synchron zur »echselspannwag besw: s= Wechsel- strom gegeben werden, sie m.lediglieh seitlich in der angegebenen Weise gegeneinander gestaffelt werden, wobei man diese Staffelung dann mit sehr engen Zeitabständen ausfMarenwird,wenn große Schalthäufigkeiten verlangt werden.

Fig. 3 zeigt eine lnordarmg zum Reversieren eines Asynchron-

Motors M. Durch wahlreisee Einlegen der :Schalter 12 und 13 bezw: ihrer parallel geschalteten elektronischen Schaltelemente 14 bis 17 bezw. 18 bis 21 kann die Phasenfolge der Motorspannung von RST auf SRT umgestellt werden, so das sich die Drehrichtung des Asynchronmotors X umdreht. Bei gewünschter positiver Umärehungs-

zahl wird zunächst der zwei- oder dreipolige mechanische Trenn-

schalter 11 eingelegt, darauf die elektronischen Behaltelemente

14 bis 17 geöffnet, so daß der Motor M Spannung bekommt,- Bleibt das Einschaltkommando für Rechtslauf längere Zeit bestehen,wird der mechanische überbrückuag®schalter 12 geschlossen. Soll der Motor X abgeschaltet, abgebremst oder reversiert werden, so wird zunächst der mechanische Schalter 12 geöffnet und unverzögert die elektronischen Schaltelemente 14 bis 17 gesperrt. Bleibt das Stillstandkommando für den Motor X längere Zeit bestehen, so wird der mechanische Sehalter 11 geöffnet; erfolgt dagegen unmittelbar nach dem öffnen das Kommando für Linkslauf des Mo- tors M, so bleibt der mechanische Schalter 11 geschlossen und die elektronischen Schaltelemente 18 bis 21 werden geöffnet, so daß an den Motor N die Phasenfolge SRT angelegt wird. Nur in des Fa1Z,daß diese Phasenfolge lingere Zeit, beispielsweise länger

als 't bis 10 o gewäaeoht wird,mird der mechanische Schalter 13

mit entsprechender Zeitversögernag eingelegt. Gtrade bei der-

artigen Reversieraehatungen mit Tippbetrieb, wie sie beispiels-

weise beim elektrischen Antrieb von Hebezeugen und Pördernaschi-

nen vorkomen,erxeist sich die Anordnung nach der Erfindung

als vorteilhaft.

Die Fig. 4 zeigt in einem zur Last 54 führenden Leitungszug 55 ein Ausführungsbeispiel für antiparallele Vierschichtentrioden 51 und 52 mit einem parallelgeschalteten ttberbrückungsschalter 53. Letzterer kann durch einen Zeitschalter 56 verzögert geschaltet werden. Über dux einen Druckknopfkontart 61 werden die Vierschichtentrioden 51 und 52 unverzögert ein-,und so lange der Schalter 53 offen bleibt, unverzögert ausgeschaltet. Der Kontakt 62 setzt den Zeitschalter 56 in Betrieb. Liegt ein. längeres "Ein"-Kommando vor, wird der Schalter 53 durch den Kontakt 62 ebenfalls eingeschaltet. Die Vierschichtentrioden 51 und 52 sind dann entlastet. Mit öffnen des Kontaktes 62, d.h. bei einem "Aus"-Kommando,wird der Schalter 53 unverzögert geöffnet. Über den Kontakt 63 werden die Vierschichtentrioden 51 und 52 gezündet gehalten, wenn bei geschlossenem Schalter 53 ein "Aus"-Kommando gegeben wird,jedoch gesperrt,nachdem der Schalter 53 geöffnet hat, Über den Kontakt 64 entlädt sieh der RQ-Kreis des Zeitschalters 56. Die Steuerspannung für die Vierschichtentrioden 51 und 52 liefert das Element 5?. ' Die mechanischen Schalter könnenyda sie im allgemeinen lichtbogenfrei oder lichtbogenarm schalten, gegenüber Schaltern, die Lichtbögen ziehen, wesentlich vereinfacht werden, beispielsweise können sie mit kleinerem Schalthub ausgeführt werden,was ihrer Lebensdauer zugute kommt. Außerdem können die Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung fortfallen oder jedenfalls derart eingeschränkt werden,daß sie noch gelegentlich,d.h.bei Versa-en der Steuerung oder der elektronischen Schaltelemente Lichtbogen

löschen können; dies trifft insbesondere für der in Reiher lie-

genden Trennschalter su.Da die mechanischen Schalter im wesentli-

che*ichtbogentrei arbeiten, können sie mit Vorteil gekapselt

worden und in einem anderen Medium als Luft, beispielsweise in

Waeserstoff,Sticksto.f£,öl oder einer anderen synthetischen

Schaltflüssigkeit arbeiten. Man gewinnt dadurch den Vorteil,daß

die elektrische Schalteinrichtung explosiorssicher und unabhän-

gig von der äußeren Atmosphäre ist. Zweckmäßigerweise iai; baut

man in solchen Fällen die elektronischen Schaltelemente in den gekapselten Raum der mechanischen Schaltelemente m..t ein. Man kann die mechanischen Trennschalter auch so ausbilden, daB sie in Kurzschlußtällen die Abschaltung des Starkstromkreises übernehmen.Ebenso können die mechanischen Überbrückungsschalter dazu benutzt werden, in Kurzschlußfällen .1e elektronischen Schaltelemente vor Überströmen zu schützen. Die dazu ertorderli-

ehe Schutzschaltung wird man in bekanater,nieht näher darge-

stellter ,leise mit logischen Schaltelementen a11fbaauena Man kann

zur Beherrschung von Kurzschlußströmen urd zum Schutz bei Versa-gen der elektronischen oder mechanischen 2ohaltelemente auch, in bekannter Weise Schmelzsicherungen vor den elektronischen oder mechanischen Schaltelementen anordnen. Unter Umatänden ist es auch möglich' den mechanischen Trennschaltsr emusparen und die Schaltoperstionen nur mit elektronischen Schaltelementen und parallel geschalteten mechanischen Schaltern durchzuführen. Als Trenaaehalter kann in solchen Fällen unter Umständen ein übergeordneter,für mehrere Verbraucher gleichzeitig vorgesehe- ner Trennschalter oder Schutzschalter dienen.

Claims

Paten t a n s p r ü-c h e a 1.) Verfahren zum Schalten von Wechsele trom- oder Dreh etromatarketromkreisen, bei dem zum hin- und/oder Auacchalten eine Kombination elektronischer und mechanischer chaltelemente benutzt wird, derart, daß die mechanischen Schalt- ®lemente als metallische lIberbrückungaschßlter parallel zu

den elßxtronicchen Schaltelementen und/oder als Trennschal-ter in Reihe mit ihnen liegen, MM die Steuerimpulse auf die elektronischen und mechanischen Schalteleme"te derart seitlich aufeinander abgestimmt sind, daß dis mechanl achen Schaltelemente lichtbogentrei oder lichtbogenarm arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließung der parallel liegenden mechanischen Uberbrückungs0chaltcr und/oder die Öffnung der in Reihe liegenden mechanischen Trennschalter durch automatisch wirkende zeitabhängige Steuereinrichtungen verhindert wird, wenn der Gtarketromkreis in schneller Folge, inebeaondere schneller als ß bis 1(3 o, hintereinander ein-und ausgeschaltet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mocharechen Tr ennachalt er bei einem Schaltkommando unta. zögert oinschnlten, jedoch nur mit Zeitverzügeruug aus- schalten und/oder die: Überbrüekungaechalter mit Zeitverzöge- rung einschalten. dagegen umverzögert ausschalten.

5. Verfahren rasch Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, da13 die Ausschaltverzögerung der Trennschalter von der RUckatromerwärmung der elektronischen Schaltelemente, d.h. von der Spannung an dienen Elementen, bestimmt wird und/ oder die Ausschaltverzögerung der UberbrUckungeschalter von der Vörwö,rtastromerwürmung der elektronischen Schaltelemente, d.h. von dem Strom durch diese Blemente, bestimmt wird.. 4.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Trennschalter seltener betätigt werden als die mechanischen Uberbrückungsochalter. 5.) Verfahren nach Anspruch 1 bin 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzßgerungazeiten der Betätigung der mechanischen Schaltstrecken so groß gewählt werden, daß die Sehalthäutigkeit der mechanischen Schaltelemente um eine oder mehrere Größenordnungen kleiner ist als die der elektronischen Schaltelemente, co daß die lebensdaue°der mechanischer Schaltelemente ebenso groß wird wie die Lebensdauer der übri-gen Teile der Anordnung. 6.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Verwendung gesteuerter und nicht gesteuerter Halbleiter.