DE1119376B - Elektrischer Schnellumschalter fuer hohe Stroeme und Schalthaeufigkeit - Google Patents

Description

Die Änderung der Drehrichtung von Gleichstrommotoren für den Antrieb schwerer Waken oder Fördereinrichtungen wird bekanntlich dadurch eingeleitet, daß die Gleichstrommotoren umgepolt werden. Dabei sind große Ströme zu unterbrechen bzw. zu schließen und außerdem muß der Umschaltvorgang aus regeltechnischen Gründen innerhalb einer gegebenen kurzen Zeit, z. B. 50 ms, ablaufen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, einen sogenannten Schnellumschalter zu verwenden, der im wesentlichen aus einem mittels einer Welle drehbar gelagerten Schwinghebel besteht, auf den die Betätigungskräfte einwirken und an dessen dadurch um entsprechende Winkelbeträge gedrehter Welle weitere Hebel, die Kontakte zur Herstellung der gewünschten Schaltverbindungen tragen, befestigt sind.

Bisher hat man die Betätigungskräfte für den Schwinghebel des Schnellumschalters durch entsprechend große elektrische Magnete erzeugt, die einen großein Leistungsbedarf haben, weil die erforderlichen Drehmomente in Anbetracht der großen zu beschleunigenden Massen groß sind. Der Erregerstrom dieser Elektromagnete mußte über besondere Zwischenschütze geschaltet werden. Ein derartiger Magnetantrieb für Schnellumschalter weist jedoch einen grundsätzlichen, schwerwiegenden Nachteil auf. Zwischen dem Beginn der Kommandogabe (durch Einschalten des Zwischenschützes) und dem Beginn des Abhebens der Kontakte liegt eine verhältnismäßig große Totzeit. Damit die Gesamtschaltzeit, die sich aus der Schaltzeit eines Zwischenschützes, der Zeit, die erforderlich ist, um das Magnetfeld des Schnellumschalters auf den erforderlichen Wert ansteigen zu lassen, und der reinen Flugzeit der Kontakte zusammensetzt, einen aus regeltechnischen Gründen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, muß bei diesen bekannten Schnellumschaltern die Flugzeit sehr kurz bemessen werden. Dies wiederum bedingt einerseits große Beschleunigungskräfte und andererseits harte Schläge beim Aufeinanderprallen der Kontakte. Infolge dieser harten Schläge wurden die Lager der beweglichen Schalterteile sowie das Kontaktmaterial und die Verriegelungsteile nach verhältnismäßig kurzer Betriebszeit zerstört.

Es wurde bereits angedeutet, daß die Umschaltzeiten eines derartigen Schnellumschalters aus regelungstechnischen Gründen zwar sehr kurz sein müssen, aber es ist dabei andererseits erwünscht, den Anteil der Flugzeit der Kontakte an der Gesamtschaltzeit so groß wie möglich zu halten und den Anteil der Totzeit an der Gesamtschaltzeit dagegen so gering

Elektrischer Schnellumschalter
für hohe Ströme und Schalthäufigkeit

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs -G. m. b. H., Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dr.-Ing. Otto Grebe, Berlin-Lichterfelde West,

und Dr.-Ing. Karl Bopp, Berlin-Nikolassee,

sind als Erfinder genannt worden

wie möglich; denn je länger die Flugzeit der Kontakte dauert, d. h. je länger der Motorstromkreis des umzuschaltenden Motors geöffnet bleibt, um so vollständiger können Restströme in den vorgeschalteten Stromrichtern abklingen.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt an Hand eines Diagramms (s = f(t)) die Auf teilung der Gesamtschaltzeit eines elektromagnetisch betätigten Schnellumschalters in Totzeiten und Flugzeit. Im Zeitpunkt t₀ wird nach Fig. 1 das Umschaltkommando gegeben. Dann ist im Zeitpunkt t_± die Schaltzeit des Zwischenschützes,

mittels dessen die Magneterregung für den Schnellumschalter eingeschaltet wird, beendet, und die Magnetspule des Schnellumschalters wird an Spannung gelegt. Infolgedessen steigt der Strom in der Magnetspule nach dem Diagramm i = /(i) nach Fig. 1 an, und erst im Zeitpunkt t₂ ist das damit erzeugte Magnetfeld stark genug, um die beweglichen Schalterteile zu beschleunigen. In diesem Zeitpunkt t₂ beginnt daher erst die Flugzeit der Kontakte, die im Zeitpunkt t_z beendet ist. Während dieser Flug-

zeit haben die beweglichen Kontakte den Schaltweg S₀ zurückgelegt. Das Zeitintervall t₂-t₀ wird hier als Totzeit t_t und das Zeitintervall t₃-t₂ als Flugzeit t_f bezeichnet, während das Zeitintervall t_s-t₀ die Gesamtschaltzeit t_g darstellt. Man erkennt aus dem Diagramm nach Fig. 1, daß der Anteil der Totzeit t_t an des Gesamtschaltzeit t_g bedeutend größer ist als derjenige der reinen Flugzeit t_f. Zur Vervollständigung wurden in das Diagramm nach Fig. 1 Erregerspannung und -strom eingetragen, die vom Zeitpunkt i₀

ab in voller Größe vorhanden sein müssen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Schnellumschalter für hohe Ströme und Schalthäufigkeit, der erfindungs-

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gemäß durch einen elektromagnetisch gesteuerten, derjenigen elektromagnetisch betätigter Schnellhydraulischen Antrieb mit einer in Abhängigkeit vom umschalter verringert wird. Der Vollständigkeit

Betriebsdruck des Druckmittels wirksamen hydrau- halber wurden auch in dieses Diagramm Steuerstrom

lisch-mechanischen Verriegelung des Schaltarmes und Steuerspannung in Abhängigkeit von der Zeit

und durch Druckspeicher, die bei Betätigung des 5 eingetragen.

Schnellumschalters den größten Teil des benötigten Weitere Vorteile bringt eine erfindungsgemäß an Druckmittels liefern, während dann die Druckmittel- dem Schnellumschalter vorgesehene hydraulischpumpe des hydraulischen Antriebes nur einen ge- mechanisch wirkende Verriegelung des drehbar geringen Teil des zur Betätigung benötigten Druck- lagerten Schwinghebels, auf dessen beide Arme die mittels unmittelbar liefert, gekennzeichnet ist. Der io hydraulisch betätigten Druckkolben einwirken, mit erfindungsgemäße Schnellumschalter besitzt dabei sich. Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Verzwei selbständig gesteuerte Kolben, mittels deren ein riegelung sei auf Fig. 3 der Zeichnung verwiesen, relativ schwerer Schwinghebel in außerordentlich Dort ist der hydraulische Antrieb sowie der Schnellkurzen Zeiten von einer Endlage in die andere bewegt umschalter mit den wichtigsten Teilen schematisch wird. Den weitaus größten Teil der zur Betätigung 15 dargestellt.

des Schnellumschalters benötigten Ölmenge liefern Der hydraulische Antrieb besteht aus dem Elektrodabei die erwähnten Druckspeicher, so daß man mit motor 1, der eine Ölpumpe 2 treibt. Diese Ölpumpe 2 einer kleinen Ölpumpe auskommt und ein wirtschaft- drückt das als Kraftübertragungsmittel benutzte Öl Hcher, kontinuierlicher Betrieb derselben möglich ist, in Richtung des Pfeiles 3 durch das Rohrsystem 4. obwohl der Druckölbedarf zur Beaufschlagung der 20 Kurz nach dem Austritt des Drucköls aus der Öl-Kolben zeitlich schwankt. Die erwähnten Druck- pumpe 2 ist eine Rohrabzweigung 5 angeordnet, die speicher erfüllen jedoch im Zusammenwirken mit der zu einem Überdruckventil 6 führt, womit der betriebshydraulisch-mechanischen Verriegelungseinrichtung mäßig vorgesehene Höchstdruck für die Anlage genoch eine weitere wichtige Funktion, weil durch diese geben ist. Ferner ist ein Druckwächter 7 eingebaut, Druckspeicher gleichzeitig dafür gesorgt wird, daß 25 mittels dessen über die Kontakte 8 und 9 ein Alarmdie Verriegelungseinrichtung ständig außer Eingriff Stromkreis geschlossen wird, falls der Öldruck einen mit dem Schaltarm gehalten wird, solange sie aus- bestimmten Höchstwert überschreitet. Ein Rückreichend aufgeladen sind. Die Betriebssicherheit des Schlagventil 10 verhindert das Entleeren des Rohrerfindungsgemäßen Schnellumschalters ist deshalb systems 4 bei zeitweilig stillgesetzter Ölpumpe 2. Vor besonders groß. 30 jedem der beiden Steuerkolben 11 bzw. 12 ist ein

Da weiterhin die Ansprechzeit des Steuer-Elektro- Druckspeicher 13 bzw. 14 angeordnet, der einen zeitmagnets, der innerhalb des erfindungsgemäßen weilig erhöhten Druckölbedarf decken kann. Dies er-Schnellumschalters nur sehr klein ist und beispiels- laubt die Verwendung einer ständig laufenden Ölweise eine Leistung von ungefähr 1W zu haben pumpe 2, deren Föderleistung erheblich niedriger braucht, sehr gering ist und der damit gesteuerte 35 liegt, als es dem Druckölbedarf bei Betätigung eines hydraulische Antrieb praktisch eine vernachlässigbar der Steuerkolben 11 bzw. 12 entspräche. Die gerinkleine Eigenzeit besitzt, ergibt sich für den erfindungs- gere Größe der Ölpumpe 2 bringt jedoch neben dem gemäß angetriebenen Schnellumschalter eine Auf- Vorteil der niedrigeren Anschaffungs- und Betriebsteilung der Gesamtschaltzeit gemäß Fig. 2. kosten noch den weiteren Vorteil einer bedeutend

Von der Gesamtschaltzeit t_g geht bei dem erfin- 40 erhöhten Lebensdauer des Öls mit sich, denn indungsgemäßen Schnellumschalter lediglich das kleine folge der kleineren Leistung der ständig laufenden Zeitintervall t_o-t₀ als Totzeit t_t ab, bedingt durch An- Ölpumpe 2 wird auch nur eine geringere Schaufelsprechzeit des kleinen Steuermagneten und Eigenzeit arbeit auf das Öl übertragen, daraus wiederum folgt des hydraulischen Antriebes. Diese Eigenzeit des eine geringere Erwärmung des Öls und schließlich hydraulischen Antriebes ist jedoch vernachlässigbar 45 eine bedeutend gesteigerte Lebensdauer desselben, klein und wurde deshalb nicht besonders in dem wenn man bedenkt, daß eine Herabsetzung der mitt-Diagramm gekennzeichnet. Man erkennt an dem leren Betriebstemperatur des Öls um 8^fl/o bereits eine Diagramm nach Fig. 2, daß nunmehr für die Flug- Steigerung der Lebensdauer um 50°/» mit sich bringt, zeit tf der Kontakte, selbst bei kleinerer Gesamt- Eine Sicherung gegen mangelhafte Schaltungen des schaltzeit t_g als im Beispiel nach Fig. 1, ein bedeutend 50 Schnellumschalters bei zu geringem Öldruck bietet größeres Zeitintervall t_s-t₂ zur Verfügung steht. Dar- die hydraulisch-mechanische Verriegelungseinrichaus folgt wiederum, daß bei gleichem Hub 5₀ wie nach tungl5, die folgendermaßen arbeitet: Solange der Fig. 1 eine bedeutend geringere Fluggeschwindigkeit volle, betriebsmäßige Öldruck in dem Rohrsystem 4 der beweglichen Kontakte benötigt wird, und aus vorhanden ist, wird der Kolben 16 entgegen der dieser geringeren Fluggeschwindigkeit folgt eine stark 55 Kraft der Feder 17 in Richtung des Pfeiles 18 geverringerte kinetische Energie der bewegten Schalter- drückt, so daß er die gezeichnete Lage beibehält und teile im Augenblick des Aufeinanderprallens der der Ölzufluß zu den beiden Steuerkolben 11 und 12 Kontakte. An einem erfindungsgemäß aufgebauten geöffnet ist. Sinkt der Öldruck aus irgendeinem Schnellumschalter betrug die Fluggeschwindigkeit Grund ab und ist somit das einwandfreie Arbeiten des nur 30% derjenigen elektromagnetisch betätigter 60 hydraulischen Antriebes nicht mehr gesichert, so verKontakte, d. h., die kinetische Energie der hydrau- schiebt die Feder 17 den Kolben 16 entgegengesetzt lisch angetriebenen Kontakte ist auf rund 1(Wo der- zur Pfeilrichtung 18, und der Sperriegel 19 wird in jenigen elektromagnetisch angetriebener Kontakte ab- die Bahn des Hebels 20 gedrückt. Damit ist jede gesunken. Lagerungen und Kontakte des erfindungs- weitere Schaltung des Schnellumschalters gesperrt, gemäß angetriebenen Schnellumschalters werden 65 Die EntSperrung erfolgt erst dann, wenn wieder der mithin mehr geschont als bei den üblichen, elektro- volle Öldruck zur Verfügung steht, also der Kolben magnetisch angetriebenen Schnellumschaltern, ob- 16 mitsamt dem Sperriegel 19 in die dargestellte Lage wohl die Gesamtschaltzeit t_g auf rund ein Drittel gedruckt worden ist.

Es kann zweckmäßig sein, mit dem Sperriegel 19 eine Kontaktbrücke 21 zu verbinden, mittels derer ein oder mehrere Alarmstromkreise 22 geschlossen werden, falls der Sperriegel 19 in der Sperrstellung steht.

Weil der Sperriegel 19, wie erläutert, nur im Notfalle eingerückt wird, während im Normalfalle eine Verriegelung des Schalters nicht notwendig ist, wirkt sich der Verschleiß dieser Verriegelungseinrichtung auf die Lebensdauer des gesamten Schnellumschalters praktisch überhaupt nicht aus. Im Gegensatz dazu ist die Lebensdauer der Verriegelungseinrichtung eines elektromagnetisch betätigten Schnellumschalters mitbestimmend für die Lebensdauer des gesamten Schalters; denn dieser muß nach jeder Schaltung verriegelt werden, weil die großen Zugmagnete nur für eine kurze Einschaltdauer (1 % ED) bemessen werden können, will man ihre Abmessungen halbwegs wirtschaftlich gestalten. Auch daraus ergibt sich ein beachtlicher Vorteil des erfindungsgemäß angetriebenen SchneHumschalters gegenüber dem erwähnten elektromagnetisch betätigten.

Die Betätigung der Hauptkontakte 23, 24 und 25 des erfindungsgemäßen SchneHumschalters erfolgt in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerschalters 26. Wird beispielsweise der Kontakthebel 27 in die eingezeichnete Lage gebracht und dadurch das elektromagnetisch betätigte Ventil 28 geöffnet, so wird der ölzufluß zum Zylinder 29 freigegeben, der Steuerkolben 12 geht nach oben und stellt den Schwinghebel 30 schräg. Der Schaltarm 31 wird dabei in die gezeichnete Lage gebracht, in der sich die Hauptkontakte 23 und 24 berühren. Der Hauptstrom fließt dann von der Klemme 32 über den festen Hauptkontakt23, den beweglichen Hauptkontakt 24 und die flexible Zuleitung 33 zur Klemme 34.

Wird der Kontakthebel 27 in die gestrichelt eingezeichnete Lage gebracht, so fällt das elektromagnetisch betätigte Ventil 28 ab, und dadurch wird das elektromagnetisch betätigte Ventil 35 geöffnet, der Druckölzufluß zum Zylinder 36 freigegeben, der Steuerkolben 11 angehoben und der Schwinghebel 30 in die entgegengesetzte Schrägstellung gebracht, in

der die Hauptkontakte 24 und 25 einander berühren. Der Hauptstrom fließt dann von der Klemme 37 über den festen Hauptkontakt 25, den beweglichen Hauptkontakt 24, die flexible Zuleitung 33 zur Klemme 34. Eine besondere Ölrückleitung braucht nicht vorgesehen zu werden, weil das beispielsweise in dem Zylinder 29 verbliebene Öl, das nach dem Schließen des elektromagnetisch betätigten Ventils 28 nicht mehr unter Druck steht, durch den niedergehenden Steuerkolben 12 verdrängt wird und durch den Ringspalt zwischen Steuerkolben 12 und Zylinder 29 entweicht. Dieses Lecköl wird in einem nicht dargestellten Behälter gesammelt und in die Ölwanne 39 zurückgeführt.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrischer Schnellumschalter für hohe Ströme und Schalthäufigkeit, gekennzeichnet durch einen elektromagnetisch gesteuerten, hydraulischen Antrieb mit einer in Abhängigkeit vom Betriebsdruck des Druckmittels wirksamen hydraulischmechanischen Verriegelung des Schaltarmes und durch Druckspeicher, die bei Betätigung des Schnellumschalters den größten Teil des benötigten Druckmittels liefern, während dann die Druckmittelpumpe des hydraulischen Antriebes nur einen geringen Teil des zur Betätigung benötigten Druckmittels unmittelbar liefert.

2. SchneHumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulisch-mechanische Verriegelung des Schaltarmes (31) aus einem federbelasteten Sperriegel (19) besteht, der an einem Kolben (16) befestigt ist und durch den Betriebsdruck des Druckmittels außer Eingriff mit einem an dem Schaltarm (31) befestigten Hebel (20) gehalten wird.

3. Schnellumschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Sperriegel (19) ein oder mehrere Kontakte (21, 22) verbunden sind, die einen oder mehrere Alarmstromkreise schließen, falls der Sperriegel (19) in Sperrstellung steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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