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Verfahren zum Betrieb eines Drehstromschalters
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Drehstromschalters in Netzen ohne
Nulleiter, bei dem die Schaltstrecken der einzelnen Phasen durch Ventile mit für alle Phasen gleicher Durchlassrichtung überbrückt sind. Es ist bereits bekannt, bei mehrphasigen Kontaktumformsrn Lösch- gleichrichter parallel zu den-mechanischen Kontakten vorzusehen. Weiterhin sind Gleichrichteranlagen bekanntgeworden, bei denen ebenfalls parallel zu den mechanischen Kontakten Ventile liegen. Dieselben führen jedoch nur in Störungsfällen der Anlage Rückstrom.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, durch Parallelschalten von elektrischen Ventilen zu den Schalt- kontakten die Lichtbogenbildung in Drehstromschaltern herabzusetzen. Diese Wirkung beruht darauf, dass stets mindestens eine der drei Schaltstrecken zu einem Zeitpunkt öffnet, in dem der Strom die Richtung der Durchlässigkeit des parallelen Ventils aufweist, so dass in dieser Phase keine Schaltfeuer entstehen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Drehstrormchalters in Netzen ohne Nulleiter, bei dem die Schaltstrecken der einzelnen Phasen durch Ventile mit für alle Phasen gleicher Durchlass- richtung überbrückt sind und mindestens zwei mechanische Schaltstrecken gleichzeitig öffnen.
Erfindungsgemäss werden die Schaltstrecken von zwei Phasen in dem Zeitintervall geöffnet, in dem ihre beiden Ströme die Richtung der Durchlässigkeit der parallelgeschalteten Ventile haben, und die
Schaltstrecke der dritten Phase wird eine halbe bis eine Halbwelle später als die beiden ersten Phasen ge- öffnet.
Ein derartiges Verfahren bietet den Vorteil, ein Drehstromnetz lichtbogenfrei abschalten zu können.
Dies kann deshalb erfolgen, weil die eigentliche Schaltfunktion den elektronischen Elementen überlassen wird. Dieselben sind deshalb bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Übernahme des vollen Laststromes geeignet. Im Gegensatzdazu sind die zu Schaltt ontaktcn parallelen Ventile bereits bekannter Anordnungen lediglich zur Übernahme von Restsiromen oder Rückströmen geeigner. darüber unaus handelt es sich jedoch bei den bekannten Anordnungen nicht im eigentlichen Sinne um Drehstromschalter, weil in keinem Fall zwei mechanische Schaltstrecken in zwei verschiedenen Phasen gleichzeitig öffnen.
Die Erfindung geht also von der Erkenntnis aus, dass sich das Schaltfeuer beseitigen lässt, wenn der Öffnungszeitpunkt des Schalters synchron zum Strom in vorbestimmter Weise gesteuert wird. Es soll die Öffnung erfindungsgemäss in einem Zeitintervall erfolgen, in dem der Strom in zwei Phasen die Richtung der Durchlässigkeit der parallelgeschalteten Zellen hat.
Wie aus Fig. 1 der Zeichnung zu erkennen ist, reicht dieses Zeitintervall von tl bis t2, also über 600. Im Laufe einer Periode wiederholt sich ein derartiges Intervall noch zweimal. Öffnet man beispielsweise die Phasen 1 und 2 in Fig. 1 innerhalb des Zeitintervalls zwischen t, und t, beispielsweise gerade in der MItte t3, so entsteht an den Schaltstrecken SI und S der Phasen 1 und 2 beim Öffnen kein Lichtbogen, weil der Strom durch die parallelgeschalteten Ventile V, und Vu'four die man zweckmässigerweise GErmanium- oder Siliciumstarkstromdioden verwendet, praktisch ohne Spannungsabfall wei- terfliessen kann.
Vom Zeitpunkt t2 an, in dem der Strom 11 seinen Nulldurchgang erreicht, aber in der entgegengesetzten Richtung infolge der Sperrwirkung des Ventils der Phase 1 nicht fliessen kann, nehmen die Ströme der Phasen 2 und 3 den in Fig. 1 gestrichelten Verlauf 12'und 13 " d. h., sie werden nach etwa einer Halbwelle im Zeitpunkt t4 beide gleichzeitig Null. Nach dem Zeitpunkt t4 kann sich der Strom I'zu-
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nächstnichtindernegativen Halbwelle fortsetzen, da das Ventil dieser Phase negative Ströme nicht durch- lässt. fnfolgedessen muss auch der Strom 13'zunächst Null bleiben.
Wenn also die Trennstrecke der Phase 3 eine gewisse Zeit nach dem Zeitpunkt t4 öffnet, so öffnet sie stromlos, d. h. lichtbogenfrei. Damit ist der Strom in allen drei Phasen unterbrochen. Wie man sieht, ist es zur lichtbogenfreien Abschaltung nach der Erfindung nicht erforderlich, dass die Schaltzeitpunkte tg und t5 genau eingehalten werden, vielmehr kann der Zeitpunkt ta um : l : 300, der Zeitpunkt t5 noch mehr schwanken. Dies hat zur Folge, dass an den synchronen Auslösemechanismus des Schalters sehr viel geringere Anforderungen gestellt werden, als wenn ohne parallelgeschaltete Ventile oder mit den bekannten Schaltdrosseln gearbeitet werden würde. Zur synchronen Auslösung können daher verhältnismässig einfache Anordnungen verwendet werden.
Beispielsweise kann man die Schalterauslösung statt synchron mit dem Strom synchron mit der Spannung vorneh-
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nicht erforderlich, Spezialschalter mit genau definierter kleiner Eigenzeit, beispielsweise 10-3 oder gar 10-4S, zu verwenden, sondern man kann normale Schalter mit Eigenzeiten von der Grössenordnung 10-20
Halbwellen verwenden, wenn nur die Streuung dieser Eigenzeit einigermassen gering ist, beispielsweise nur einige Millisekunden beträgt. Es ist dann nur erforderlich, das Auslösekommando um die mittlere Eigenzeit der Schalter früher zu geben, als die Öffnung gewünscht wird. Bei manchen normalen Drehstromschaltern lässt es sich durch Einstellen der Kontakte erreichen, dass einer der Kontakte eine halbe bis eine ganze Halbwelle später öffnet als die beiden andern.
In diesem Fall kann die lichtbogenfreie Abschaltung des Drehstromes mit einem einzigen normalen Schalter erfolgen. In andern Fällen muss die letzte Phase mit einem gesonderten Schalter abgeschaltet werden. Beispielsweise kann man zur dritten Phase einen getrennten Schalter parallelschalten und diesen eine halbe bis eine Halbwelle später öffnen. Als parallelgeschalteter Schalter kann wieder ein normaler Drehstromschalter verwendet werden, wobei die Stromtragfähigkeit dieses Schalters durch Parallelschalten seiner Phasen so stark erhöht werden kann, dass die Verwendung einer kleineren Type möglich wird.
Da bei der Einrichtung nach der Erfindung durch die parallelgeschalteten Zellen die Schaltstrecken stets eine Halbwelle spannungslos sind, steht für die Löschung eines eventuell vorangegangenen Lichtbogens eine Zeit von der Grössenordnung einer Halbwelle zur Verfügung. Man kann daher, selbst wenn man berücksichtigt, dass bei gelegentlichemversagen der synchronen Auslösung mehr oder weniger grosse Schaltentladungen auftreten, Schalter verwenden, die keinen oder nur geringen Aufwand für die Lichtbogenlöschung, beispielsweise Löschkammern, haben, wodurch die Schalter, vor allen Dingen bei grossen Leistungen, vereinfacht, verkleinert und verbilligt werden.
Man kann auch Brückenkontakte mit Doppelunterbrechung oder auch mehrere in Reihe geschaltete Brückenkontakte in jeder Phase vorsehen, um die Löschwirkung von Schaltentladungen die bei Störungen der synchronen Ausschaltung auftreten, zu erhöhen.
Die Erfindung lässt sich auch mit Spezialschaltern verwirklichen, beispielsweise mit den bekannten Synchrontrennern mit Sperrmagnetauslösung. In diesem Fall werden diese Geräte wegen der geringen Anforderung an die Genauigkeit der Synchronabschaltung vereinfacht und verbilligt. Eine andere Möglichkeit, die Synchronauslösung zu verwirklichen, besteht darin, dass man die Auslösung der Schalter von einem bei eingeschaltetem Schalter stets laufenden Synchronmotor her bewirkt. Dabei kann dieser Synchronmotorinseiner Phasenlage vom Strom gesteuert werden, beispielsweise dadurch, dass man ihn allein oder zusätzlich von den drei Phasenströmen direkt oder über Wandler erregt. Man kann den Synchronmotor auch von der Drehspannung erregen und die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bei der Einstellung des Auslösekommandos berücksichtigen.
Die Synchronauslösung lässt sich auch mit Hilfe von Sättigungsdrosseln, Transistoren u. ähnl. modernen Hilfsmitteln bewerkstelligen.
Nicht nur beim Ausschalten, sondern auch beim Einschalten treten Schaltentladungen auf, besonders wenn die Kontaktebeim Einschalten prellen. Bei dem Schalter nach der Erfindung lässt sich auch das Einschaltenlichtbogenfrei machen. In Fig. 2 ist der Verlauf der drei an den offenen Schalterstrecken auftretenden Spannungen angedeutet, wenn zu jeder Schaltstrecke ein Ventil parallel liegt. Man sieht, dass in jeder der Phasen eine spannungslose Zeit von 600 je Periode auftritt, in der Phase 1 beispielsweise von tg bis ty. Schliesst man die Schaltstrecke der Phase 1 in dem Zeitintervall zwischen tg und t., so schaltet sie spannungsfrei und damit nur mit verschwindendem Stromanstieg, so dass keine Schaltentladungen an ihr auftreten.
Nach dem Schliessen der ersten Phase ändern sich die Spannungsverläufe in den beiden andern Phasen. Je nach der Phasenverschiebung treten an diesen beiden Phasen spannungsfreie Zeiten von der Grössenordnung einer Halbwelle auf, die sich zeitlich um etwa eine halbe Halbwelle überdecken.
Schliesst man die beiden letzten Phasen, in Fig. 2 die Phasen 2 und 3, zu einem späteren Zeitpunkt, in dem sich die spannungslosen Zeiten der Phasen 2 und 3 überdecken, so sind sämtliche drei Phasen span-
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nungslos geschlossen worden, und damit sind auch die Schaltentladungen beim Einschalten beseitigt.
Zweckmässigerweise verwendet man beim Einschalten als zuerst schliessende Phase diejenige, die beim
Ausschalten als letzte geöffnet hat.
Die Erfindung lässt sich sinngemäss auch bei höherphasigen Wechselströmen, beispielsweise sechsphasigen, zwölfphasigen usw. anwenden. Bei einphasigem Wechselstrom muss jede der beiden Schaltstecken in einem Zeitintervall öffnen, in dem die parallele Diode gerade durchlässig ist.
Die Erfindung ist von Bedeutung bei kleinen und grossen Leistungen, bei kleinen Leistungen besonders dann, wenn sehr grosse Schalthäufigkeiten verlangt werden. Bei grossen Leistungen, beispielsweise bei
Walzwerksantrieben, verwendet man heute vornehmlich Gleichstromî1otoren, die über Stromrichter ge- speist werden. Statt dessen kann man auch grosse Drehstrommotoren verwenden und diese nach der Lehre der
Erfindung lichtbogenfrei ein-und ausschalten. Mit Hilte der Einschaltdauer lasst sich dabei auch die mittlere Drehzahl des Drehstrommotors regeln, insbesondere wenn dabei die Erfindung auch zur lichtbogenfreien Polumschaltung verwendet wird.
Nach diesem Vorschlag werden ausser dem Schalter Ventile, insbesondere Germanium- und Siliciumdioden, gebraucht, aber, wie man leicht erkennt, werden diese Ventile nur während des Schaltvorganges kurzzeitig mit Strom beansprucht ; sowohl bei geöffnetem als auch bei geschlossenem Schaltersindsiestromlos. Man kommt daher mit kleinen Ventilen aus. Verwendet man nicht Halbleiterdioden, sondern Gasentladungsgefässe, beispielsweise Quecksilberdampfentladungsstrecken, so ist es zur lichtbogenfreien Abschaltung erforderlich, ihre Brennspannung so weit zu kompensieren, dass die Differenzspannung kleiner als etwa 10 - 20 V je Trennstrecke wird. Bekanntlich sind die modernen Halbleiterstarkstromdioden kurzzeitig, d. h. etwa eine Halbwelle lang, mit dem Mehrfachen ihres Nennstromes belastbar.
Beispielsweise können Siliciumdioden Stromhalbwellen von 1000 A Scheitelwert und Sperrspannungen von 1000 Vertragen, so dass mit wenigen Zellen bereits beträchtliche Leistungen beherrscht werden. Durch Parallel- und Reihenschaltung von Zellen lässt sich diese Leistung steigern.
Von besonderem Interesse ist die Erfindung auch für den sogenannten"Tippbetrieb"von Drehstrommotoren, da bei dieser Betriebsart häufig kurzschlussartige Ströme geschaltet werden müsser. Bei Einbzw. Zweiphasenstrom kann die Erfindung mit Erfolg angewendet werden für die Schaltaufgaben bei Wechselstrombahnen.