Elektrische Schalteinrichtung. Es sind eine Reihe von Vorschlägen be kannt geworden, den Ein- und Ausschaltvor gang in elektrischen Stromkreisen mit ver änderlichem Strom während eines Zeitab schnittes vorzunehmen, in dem die Energie umsetzung im zugehörigen Gerät (Schalter, Stromrichter oder dgl.) möglichst klein wird. Die bisherigen Lösungen erfüllen jedoch diese Forderung entweder nur in sehr unvollkom mener Weise oder benötigen so komplizierte empfindliche Steuereinrichtungen, dass hier durch die Betriebssicherheit gefährdet wird.
Gegenstand der Erfindung ist eine elek trische Schalteinrichtung, insbesondere für Schaltzeiten von weniger als einer Milli sekunde, welche gestattet, die gestellte Auf gabe in einfacher Weise, insbesondere ohne zusätzliche Relais, Steuereinrichtungen und dgl. zu lösen. Sie weist eine derartige Aus bildung auf, dass das Schaltelement minde stens während des Schaltvorganges unter dem Einfluss einer vom zu schaltenden Strom ab hängigen Hauptkraft und einer zeitlich ver änderlichen Hilfskraft steht. Schalteinrichtungen dieser Art können ins besondere in Form von synchron betätigten Geräten bei Wechselstrom Anwendung finden, und zwar in Form von Synchronschaltern, Stromrichtern und dgl. Sie sind auch von Bedeutung in Gleichstromkreisen, wenn der Gleichstrom infolge von Schaltvorgängen irgendwelcher Art sich ändert, z.
B. wenn sich Vorwärtsstrom in Rückstrom verwandelt. Im allgemeinen wird man die Einrichtung so aus bilden, dass die Schalthandlung selbst im Be reich möglichst kleiner Stromwerte vor sich meht, insbesondere in der Umgebung des Stromnulldurchganges. Das zur Anwendung kommende Schaltelement ist mit Vorteil der art auszubilden, dass es seinen Schaltweg auch bei der steilsten Stromänderung des zu schal tenden Stromes in einer Zeit durchläuft, wäh rend der sieh der Strom nur unwesentlich ändert.
Die Hauptkraft kann unmittelbar oder mittelbar vom zu schaltenden Strom abhängig sein. Bei einem dynamometrischen System, welches vom Hauptstrom durchflossen ist, ist die Hauptkraft proportional dem Quadrat des zu schaltenden Stromes. Selbstverständlich ist es möglich, dem System Teilströme, z. B. unter Verwendung eines Shunts oder auch als Sekundärstrom eines Wandlers zuzuführen. Verwendet man eine Anordnung entsprechend einem Drehspulsystem, bei dem also ein stromdurchflossener Leiter sich in einem nicht von diesem Strom erzeugten Magnetfeld be findet, so ist die Hauptkraft proportional dem Strom und ändert sich mit seiner Richtung.
Bei Magnetsystemen hängt, die Kraft insofern nur mittelbar vom Strom ab, als sie durch die magnetische Induktion gegeben ist, unter Umständen sowohl nach Grösse als auch nach Phasenlage vom Strom abweichen kann. Für manche Fälle kann es auch zweckmässig sein, die Hauptkraft von der Spannungsspitze ab zuleiten, welche der zu schaltende Strom in- folge der steilen Flussänderung in der Wick lung eines gesättigten Eisenkernes hervorruft.
Die zeitlich sich ändernde Hilfskraft kann auf mannigfaltige Weise erzeugt werden. In vielen Fällen wird man eine Feder von Hand spannen oder entspannen. Es können hierzu aber auch allgemein übliche Antriebe verwen det werden, in Form von Magnet- oder Druckliütantrieben, In vielen Fällen wird die Hilfskraft vor und nach dem Schaltvorgang bestimmte kon stante Werte, die im nachfolgenden mit An fangs- und Endwert bezeichnet sind, anneh men.
Auch wenn die Hilfskraft periodisch veränderlich ist, wobei die Periodendauer gleich oder auch verschieden von der des zu schaltenden Stromes sein kann, wird man von einem Anfangs- und einem Endwert der Hilfskraft, bezogen auf den auszuführenden Sehaltvorgang, sprechen können. Für viele Anwendungsfälle ist es zweck mässig, wenn sich die Hilfskraft monoton zwi schen Anfangs- und Endwert ändert. Hierbei ist unter monoton im Sinne der mathematischen Ausdrucksweise zu verstehen, dass die Hilfs kraft zwischen Anfangs- und Endwert fort laufend ansteigt oder abfällt, wobei es nicht notwendig ist, dass dieser Vorgang stetig ist. Bekanntlich ergeben z. B.
Federkombinationen gebrochene, das heisst unstetige Charakteristi ken, obwohl die Federkraft ununterbrochen ansteigt. Auch Sprünge sollen zugelassen sein. Der Anfangs- oder der Endwert der Hilfskraft kann Null sein. Von besonderer praktischer Bedeutung ist jedoch der Fall, dass die Richtung des Anfangswertes der Hilfskraft entgegengesetzt der des Endwertes ist, wobei die Änderung wieder monoton ver läuft. Dies hat mir Folge, dass die Hilfskraft zwischen Anfangs- und Endwert den Wert Null durchläuft. Ein praktisches Beispiel ist gegeben durch den Fall, dass eine Feder das Schaltelement zunächst im eingeschalteten Zu stand andrückt, dann Null wird und hinter her infolge der entgegengesetzten Richtung das Schaltelement von den Gegenkontakten abzieht.
Es ist speziell für das Schalten von Wech selstrom wichtig, dass die Zeitdauer, die die Hilfskraft benötigt, um sich vom Werte Null bis zum Endwert zu ändern, grösser ist als die Halbwellendauer des zu schaltenden Wechselstromes. Hierdurch kann nämlich eine Unterbrechung in der unmittelbaren Umge bung des Stromnulldurehganges in einem sehr weiten Stromgebiet erzielt werden. Dies soll an Hand von Fig. 1 kurz erläutert werden. Es bedeuten: K, die vom kleinsten (il) und K, die vom grössten<I>(i,)</I> zu schaltenden Wechselstrom hervorgerufene Hauptkraft.
Im Punkte 4 weist die Hilfskraft P, die der Hauptkraft entgegenwirkt und der Einfach heit halber ebenfalls positiv gezeichnet ist., ihren Nullwert auf und nimmt von da an bis zum Punkte Q beispielsweise linear mit. der Zeit t zu. Die Massstäbe sollen so gewählt sein, dass bei Gleichheit von K und P die resultierende Kraft Null ist, das heisst, bei diesem Zeitpunkt beginnt jeweils die Be schleunigung des Sehaltelementes. Man er kennt dann, dass dies beim Strom il entspre ehend der Kraft K1 schon gegen Ende der ersten Halbwelle der Fall ist, und zwar eine Zeit J t,
vor dem Stromnulldurchgang. Im Prinzip trifft dies auch für den gestrichelten Kraftverlauf K, entsprechend dem grössten Strom i, zu, jedoch ist dann die verbleibende Zeit A t', so klein, dass das Schaltelement. nicht zu öffnen vermag. Erst wenn die Hilfs kraft P gross genug geworden ist., was im Punkte Q der Fall sein soll, ergibt sieh eine Zeit tz, die ausreichend ist, um den Ab sehaltvorgang sicherzustellen. Würde man die Hilfskraft P jedoch konstant, z. B, gleich P" ansetzen, so erkennt man sofort, dass dann Ströme, deren Kraftwirkung kleiner als P, ist, nicht mehr synchron geschaltet werden können.
Unter Umständen kann es Vorteile brin gen, die Kraft. P nicht linear mit der Zeit, sondern beispielsweise quadratisch ansteigen zu lassen. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, die Anordnung so zu treffen, dass die Hilfs kraft mipdestens zeitweise die Hauptkraft unterstützt, und zwar insbesondere während des Einschaltens und im eingeschalteten Zu stand des Schaltelementes.
Um die Abmessungen der Anordnung und insbesondere auch die Erwärmung des gan-. zen Gerätes zu verringern, kann es zweck mässig sein, die Hauptkraft spätestens im Zeitpunkt, cla die Hilfskraft ihren Endwert erreicht, zu schwächen, insbesondere Null zii machen. Dies kann beispielsweise dadurch ge schehen, dass die vom Strom durchflossene Wicklung kurzgeschlossen oder unterbrochen wird. Eine Schwächung kann erreicht wer den beispielsweise durch teilweise ÜTberbrük- kung der Wicklung. Es kann ferner von Vorteil sein, die Hilfskraft von einer elek trischen Grösse abhängig; zu machen.
Ein praktisches Beispiel ergibt sich, wenn die Hilfskraft durch einen Hilfsstrom erzeugt. wird, der beispielsweise durch ein Relais ein geschaltet wird. Von besonderer praktischer Bedeutung sind die Fälle, in denen die Hilfs kraft von einer elektrischen Grösse des zu schaltenden Stromkreises abhängig ist. So kann beispielsweise die Hilfskraft durch den Strom selbst erzeugt werden, insbesondere im Falle des Auftretens eines Überstromes, wobei aber ge mäss der Erfindung die Hilfskraft in allen Fällen zeitlich veränderlich sein muss. Eine wesentliche Verbesserung erhält man dadurch, dass die vom zu schaltenden Strom abhängige Hauptkraft zeitlich vor diesem Strom selbst ihren Nulldurchgang erreicht, z.
B. dadurch, dass die Hauptkraft durch zwei vorn zu schal tenden Strom abhängige Ströme im Zusam- inenwirken mit einem. Magnetfeld erzeugt wird.
In deri Fig. 2 bis -1 sind einige beispiels weise Ausführungsformen des Erfindungs gegenstandes an Hand schematischer Bilder erläutert.
111 Pig. 2 bedeutet 1 chic bewegliche Schalt element, 2 und 3 die magnetischen Gegenpole, 4 eine Haltewicklung, 5 eine Ausschaltfeder, 6 eine Feder, weiche die zeitveränderliche llilfskraft auf das Sehaltelenieut 1 überträgt, 7 das bewegliche ',#;elialtstück eines Überbrük- kungssehalters 8, 9 einen Parallelwiderstand zum Überbrückungsschalter B. P ist die ver- änderliehe Hilfskraft, die an denn Punkt. 10 angreift.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Beim Einschalten wirkt die Kraft P am Punkt 10 zunächst nach links. Es bewegt sich dann das Schaltelement 1 bis zur Berührung mit. den Gegenpolen \?, 3. Von diesem Augenblick an fliesst der Strom, her kommend aus der Leitung; @l, über die Halte wicklung .1 nach B, dann über den Pol 3, das Schaltelement 1 und den Pol 2 zurück nach der Leitung; C. Dieser Zustand dauert so lange, bis die Brücke 7 die Gegenkontakte des Schalters 8 erreicht. Nun fliesst der Strom unmittelbar von A über 7 nach B und von da über 3, 1, 2 zurück nach C.
Durch Schliessen des Schalters 8 wird die Halte wicklung 4- kurzgeschlossen und damit prak tisch stromlos. Beim Ausschalten wird zu nächst durch Bewegung des Punktes 10 nach rechts die Hilfskraft P verringert. Schon bei der ersten Bewegung öffnet sich der Schalter 8, und es fliesst nun der Strom wie der von A über die Haltewicklung 4 nach C. Dadurch wird das Schaltelement 1 magne tisch durch den abzuschaltenden Strom fest gehalten mit Ausnahme des Zeitabschnittes während des Stromnulldurchganges. Die me chanisclie Kraft auf das Element 1 erreicht nun bei einer gewissen Stellung des Punktes 10 den Wert Null, das heisst die Kräfte der Federn 6 und 5 sind gerade iin Gleichgewicht.
Wird der Punkt 10 noch weiter nach rechts bewegt, so entsteht eine mechanische Kraft auf das Schaltelement, die in Aussehaltrieh- tung wirkt. Sowie diese Kraft gross genug geworden ist, tritt eine Kontakttrennung kurz vor dem Stromnulldurehgang und anschlie ssend die Unterbrechung auf. Um eine Fun kenbildung am Schalter 8 zu vermeiden, kann es zweckmässig sein, die Kontakte 8 durch einen Löschkreis, z.
B. in Forin eines Wider standes J, zu überbrücken, wobei der Ohmwert dieses Widerstandes gross sein soll gegenüber der Reaktanz der Haltewicklung -l. Unter Um ständen kann es zweckmässig sein, die Zeit konstante des Stromkreises, in dem die Halte spule 4 liegt, klein gegenüber der Halbwellen dauer des zu schaltenden Wechselstromes zu machen, damit sich der Haltefluss möglichst unverzögert einstellt.
Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Aus- führungsform. Die stark ausgezogenen Strom pfade sollen neben dem elektrischen Strom zu gleich auch den magnetischen Fluss führen. Die Bezeichnungen stimmen mit denen in Fig. 2 überein. Zusätzlich bedeuten: 11 den Anker des Steuerkreises, 12 eine Dämpfungs- einrichtung, die nur in Ausschaltrichtung wirkt, und 13 die Steuerwicklung. Die ge strichelten Linien bedeuten den magnetischen Rückschluss von Steuer- und Schaltkreis.
Die Wirkungsweise ist die folgende: Bei Erregung der Spule 13 entsteht zunächst ein magneti scher Kraftfluss von A nach B', unter dessen Einfluss sich der Anker 11 im Gegenzeiger sinn bewegt. Unter dem Einfluss der Feder 6 wird das bewegliche Schaltelement 1 mit genommen. Sowie es mit dem Pol 2 in Berüh rung kommt, fliesst, wie in Fig. 2, der Strom zunächst von<I>A</I> über die Wicklung 4 nach<I>B</I> und von hier zurück nach C.
Dies dauert so lange, bis der Anker 11 seinen Gegenpol er reicht hat, dann ist die Haltewicklung 4 kurz geschlossen. Der Strom fliesst nun von z1 über<I>B', B</I> zurück nach C. Wird der Strom in der Steuerspule unterbrochen, so bewegt sich der Anker 11 unter dem Einfluss der Feder 5 zunächst im Uhrzeigersinn, die Haltespule 4 wird eingeschaltet, die Feder 6 entspannt sich zunächst, das Schaltelement 1 ist aber magnetisch festgehalten.
Bei der wei teren Bewegung des Ankers 11 im Uhrzeiger- sinn, verwandelt sich 6 in eine Druckfeder, die nun die Öffnung von 1 kurz vor dem Stromnulldurchgang bewirkt. Durch die Dämpfungspumpe 12 ist dafür gesorgt, dass die auf das Schaltelement 1 wirkende Hilfs kraft ihren Endwert erst nach einer Zeit er reicht, die beispielsweise grösser ist als die Halbwellenzeit des abzuschaltenden Stromes.
Fig.4 zeigt eine Einrichtung nach der Erfindung, wie sie speziell für Gleichrichter geeignet ist. Es bedeuten darin 20 eine Wechselstromquelle; 1 wiederum das beweg liche Schaltelement mit der Haltespule 4; 21. ein Ventil, das unmittelbar parallel ztun Schaltelement 1 liegt; 5 ist eine Ausschalt feder; 22 eine Kurbel, die von einem Syn chronmotor 23 angetrieben wird; 24 stellt die Belastung des Gleichrichters dar. Der Motor 23 ist an die Netzspannung, erzeugt durch den Generator 20, angeschlossen.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist nun folgende: Im Augenblick, da der Strom zu fliessen beginnt, z. B. bei Ohmscher Be lastung unmittelbar nach dem Nulldurchgang der Spannung, befindet sich die Kurbel 22 in der gezeichneten Stellung, wodurch die Feder 5 weitgehend entspannt ist. Es kann sich daher das Schaltelement 1 schon bei einem sehr kleinen Strom in der Haltewick lung 4 in die Einschaltstellung bewegen und dadurch die Überbrückung des Ventils 21 be wirken, so dass dieses Ventil nicht für den normalen Belastungsstrom bemessen werden muss.
Für das Ausschalten ist es aber er wünscht, dass die Spannung der Feder 5 relativ gross ist, damit das Schaltelement 1 genügend stark beschleunigt werden kann, um bis zum Nulldurchgang des Stromes den erforderlichen Kontaktabstand zu erreichen. Es soll sich dann die Kurbel 22 in der punk tiert gezeichneten Lage befinden, wodurch die Feder 5 stärker gespannt wird. Man erkennt, dass hier die Hilfskraft periodisch verändert wird, und zwar zwischen einem kleinsten An fangswert bei unterer Stellung der Kurbel 22 und einem Höchstwert bei oberer Stellung der Kurbel 22. Der Synchronmotor 23 läuft synchron mit der Spannung; die Hilfskraft, ist also nicht nur von der Zeit abhängig, son dern auch noch von einer elektrischen Grösse, und zwar der Spannung des zu schaltenden Stromkreises.
Neben den erläuterten Beispielen kann die Einrichtung nach der Erfindung noch für mannigfaltige andere Zwecke verwendet wer den, so für Relais, Lastschalter, Leistungs schalter. Die Anordnung hat gegenüber be kannten Vorschlägen den grossen Vorteil, dass keine empfindlichen Relais und dgl. be nötigt werden, ferner dass die Betätigung auch bei synchron gesteuerten Schaltern von Hand oder vermittels bekannter Antriebe erfolgen kann, wodurch Einfachheit des Aufbaues und grosse Betriebssicherheit erzielt werden.
Schalteinrichtungen nach der Erfindung sind insbesondere sinnvoll für kleine Schalt zeiten, z. B. von wengier als einer Milli sekunde, damit, wie eingangs erwähnt, die Energieumsetzung im zugehörigen Gerät wäh rend des Schaltvorganges möglichst klein wird.