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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.
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Method for operating a three-phase switch
The invention relates to a method for operating a three-phase switch in networks without
Neutral conductor in which the switching paths of the individual phases are bridged by valves with the same flow direction for all phases. It is already known to provide quenching rectifiers parallel to the mechanical contacts in multiphase contact forming. Furthermore, rectifier systems have become known in which valves are also located parallel to the mechanical contacts. However, they only carry reverse current in the event of a fault in the system.
It has already been proposed to reduce arcing in three-phase switches by connecting electrical valves in parallel with the switching contacts. This effect is based on the fact that at least one of the three switching paths always opens at a point in time when the current is in the direction of permeability of the parallel valve, so that no switching lights occur in this phase.
The invention relates to a method for operating a three-phase switch in networks without a neutral conductor, in which the switching paths of the individual phases are bridged by valves with the same forward direction for all phases and at least two mechanical switching paths open simultaneously.
According to the invention, the switching paths of two phases are opened in the time interval in which their two currents have the direction of permeability of the valves connected in parallel, and the
Switching path of the third phase is opened half a wave to a half wave later than the first two phases.
Such a method offers the advantage of being able to switch off a three-phase network without arcing.
This can be done because the actual switching function is left to the electronic elements. They are therefore suitable for taking over the full load current in the method according to the invention. In contrast to this, the valves of already known arrangements that are parallel to switching ontaktcn are only suitable for taking over residual currents or backflows. beyond that, however, the known arrangements are not actually three-phase switches, because in no case do two mechanical switching paths open simultaneously in two different phases.
The invention is therefore based on the knowledge that the switching beacon can be eliminated if the opening time of the switch is controlled in a predetermined manner synchronously with the current. According to the invention, the opening should take place in a time interval in which the current in two phases has the direction of permeability of the cells connected in parallel.
As can be seen from FIG. 1 of the drawing, this time interval extends from t1 to t2, that is to say over 600. Such an interval is repeated twice over the course of a period. If, for example, phases 1 and 2 in Fig. 1 are opened within the time interval between t and t, for example in the middle t3, no arcing occurs at the switching paths SI and S of phases 1 and 2 when opening because the current flows through the parallel-connected valves V, and Vu'four, which are expediently used with GErmanium or silicon high-current diodes, can continue to flow with practically no voltage drop.
From the point in time t2, at which the current 11 reaches its zero crossing but cannot flow in the opposite direction due to the blocking action of the valve of phase 1, the currents of phases 2 and 3 take the course 12 ′ and 13 in FIG "That is to say, after about a half-wave at time t4, they both become zero at the same time. After time t4, the current I'to-
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Continue the next non-negative half-wave, since the valve does not allow negative currents in this phase. As a result, the current 13 'must also initially remain zero.
If the isolating gap of phase 3 opens a certain time after time t4, it opens without current, i.e. H. arc free. This interrupts the current in all three phases. As can be seen, for arc-free shutdown according to the invention it is not necessary for the switching times tg and t5 to be precisely adhered to, rather the time ta can fluctuate even more by: l: 300, the time t5. This has the consequence that the synchronous triggering mechanism of the switch is subject to much lower demands than if work were carried out without parallel-connected valves or with the known switching throttles. Relatively simple arrangements can therefore be used for synchronous triggering.
For example, the switch can be triggered synchronously with the voltage instead of synchronously with the current.
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It is not necessary to use special switches with a precisely defined short operating time, for example 10-3 or even 10-4S, but normal switches with operating times of the order of 10-20
Use half waves if the spread of this proper time is reasonably small, for example only a few milliseconds. It is then only necessary to give the trip command by the mean operating time of the switches earlier than the opening is desired. With some normal three-phase switches, by setting the contacts, one of the contacts opens a half to a full half-wave later than the other two.
In this case, the three-phase current can be switched off without arcing with a single normal switch. In other cases, the last phase must be switched off with a separate switch. For example, you can connect a separate switch in parallel to the third phase and open it a half to a half cycle later. A normal three-phase switch can again be used as a switch connected in parallel, whereby the current-carrying capacity of this switch can be increased so much by connecting its phases in parallel that a smaller type can be used.
Since, in the device according to the invention, the switching paths are always de-energized for a half-wave due to the cells connected in parallel, a time of the order of magnitude of a half-wave is available for extinguishing any preceding arc. Therefore, even if one takes into account that more or less large switching discharges occur in the event of an occasional failure of the synchronous triggering, switches can be used that have little or no effort for arc extinguishing, for example arcing chambers, whereby the switches, especially with high powers , simplified, downsized and cheaper.
Bridge contacts with double interruption or several bridge contacts connected in series can also be provided in each phase in order to increase the extinguishing effect of switching discharges that occur in the event of faults in the synchronous switch-off.
The invention can also be implemented with special switches, for example with the known synchronous isolators with blocking magnet release. In this case, these devices are simplified and made cheaper because of the low demands on the accuracy of the synchronous switch-off. Another possibility of realizing the synchronous tripping is that the tripping of the switches is effected by a synchronous motor always running when the switch is switched on. This synchronous motor can be controlled by the current in its phase position, for example by being excited by the three phase currents alone or in addition, either directly or via a converter. The synchronous motor can also be excited by the three-phase voltage and the phase shift between voltage and current can be taken into account when setting the trip command.
Synchronous tripping can also be achieved with the help of saturation chokes, transistors and the like. similar manage modern aids.
Switching discharges occur not only when switching off, but also when switching on, especially if the contacts bounce when switching on. With the switch according to the invention, switching on can also be made arc-free. In Fig. 2, the course of the three voltages occurring at the open switch paths is indicated when a valve is parallel to each switching path. It can be seen that in each of the phases there is a dead time of 600 per period, in phase 1, for example, from tg to ty. If the switching path of phase 1 is closed in the time interval between tg and t., It switches to zero voltage and thus only with a negligible current increase, so that no switching discharges occur on it.
After closing the first phase, the voltage curves change in the other two phases. Depending on the phase shift, stress-free times of the order of magnitude of a half-wave occur on these two phases, which overlap in time by about half a half-wave.
If the last two phases, phases 2 and 3 in FIG. 2, are closed at a later point in time at which the dead times of phases 2 and 3 overlap, then all three phases are
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has been closed without notice, and thus the switching discharges when switching on are also eliminated.
Appropriately, when switching on, the phase that closes first is used when
Power off was the last one open.
The invention can also be used analogously with higher-phase alternating currents, for example six-phase, twelve-phase, etc. With single-phase alternating current, each of the two switching pins must open in a time interval in which the parallel diode is just permeable.
The invention is important in the case of small and large powers, in the case of small powers especially when very high switching frequencies are required. With great achievements, for example with
Rolling mill drives are mainly used today with direct current motors that are fed by converters. Instead, you can also use large three-phase motors and these according to the teaching of
Switching the invention on and off without arcing. With the help of the duty cycle, the mean speed of the three-phase motor can also be regulated, especially when the invention is also used for arc-free pole switching.
According to this proposal, valves, in particular germanium and silicon diodes, are used in addition to the switch, but, as can easily be seen, these valves are only briefly subjected to current during the switching process; both when the switch is open and when it is closed there is no current. You can therefore get by with small valves. If you do not use semiconductor diodes but gas discharge vessels, for example mercury vapor discharge paths, for arc-free disconnection it is necessary to compensate their operating voltage to such an extent that the differential voltage is less than about 10-20 V per isolating distance. As is well known, the modern semiconductor high-current diodes are short-term, i. H. about a half-wave long, can be loaded with a multiple of its rated current.
For example, silicon diodes can withstand current half-waves of 1000 A peak value and blocking voltages of 1000, so that considerable power can be mastered with just a few cells. This performance can be increased by connecting cells in parallel and in series.
The invention is also of particular interest for the so-called "inching operation" of three-phase motors, since short-circuit currents often have to be switched in this operating mode. When entering or Two-phase current, the invention can be used successfully for switching tasks in AC railways.