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Relais zur Auslösung von Schaltern im Nulldurchgang der Stromkurve
Es ist bekannt, daß für Schalter in Starkstrom- oder Hochspannungsanlagen die Forderung
besteht, diese zur Schonung der Kontakte möglichst im Nulldurchgang der Stromkurve
zu öffnen. Vor .allem besteht diese Forderung in bezug auf solche Schalter, die
zur Fernsteuerung von Gruppen gleichartiger Verbraucher verwendet und zwecks Aussendung
der Schaltbefehle mehrmals in bestimmtem Rhythmus geöffnet werden. Solche Tastschalte.r
haben je nach der Anzahl der Schaltbefehle eine beträchtliche Anzahl von
Schaltungen durchzuführen, und ihre Lebensdauer läßt sich erheblich steigern, wenn
die eingangs erwähnte Vorschrift eingehalten wird. In enem solchen Fall wird nämlich
der Abbrand an den Kontakten theoretisch Null, praktisch aber jedenfalls sehr gering.
Auch bei der Kurzschlußfortsehaltung wird die Schaltung erleichtert, wenn die Unterbrechung
im Nulldurchgang der Stromkurve erfolgt.
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Die Zeit zwischen dem Auslöseimpuls für den als Druckgasschalter ausgebildeten
Tastschalter und der tatsächlichen Unterbrechung läßt sich als ganzes Vielfaches
einer Halbwelle bemessen, sofern der Druck des Gases in verhältnismäßig engen Grenzen
konstant gehalten wird, was durch Einsatz hinreichend großer Druckluftspeicher erreicht
werden kann. Die Aufgabe besteht also darin, den Auslöseimpuls im Zeitpunkt eines
Stromnulldurchganges zu geben.
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Die Erfindung betrifft ein Relais zur Auslösung von mit konstanter
Eigenzeit arbeitenden Schaltern im Nulldurchgang der Stromkurve, insbesondere Tastschaltern,
mit zwei
magnetischen Kreisen, von denen der eine mit dem Netzwechselstrom,
ddr andere mit Gleichstrom erregt wird. Die Anordnung ist @erfindungsgemäß so getroffen,
daß der Gleich--' strom in fester Beziehung zum Wechselstrom steht, so daß der Auslös:eimpuls
unab-hängi@; von der Amplitude des Wechselstromes in einem eindeutig festgelegten
zeitlichen Abstand vor dem nächsten Nulldurchgang g.-geben wird. Zwar ist bereits
ein Relais zur Auslösung von Schaltern bekannt, das zwei magnetische Kreise besitzt,
von denen der eine mit dem Netzwechselstrom, der andere mit Gleichstrom erregt wird.
Zur Gleichstromerregung dient in diesem Fall eine Batterie. Dies bedeutet, daß die
Erregung des Gleichstromkreises stets unveränderlich ist. Diese Tatsache hat aber
zur Folge, daß der Zeitpunkt des Ansprechens des Relais und damit der Zeitpunkt
der Abgabe des Ausl.öseimpulses analen gesteuerten Schalter sehr wesentlich von
der Amplitude desW echs:elstromesabhängt. Die beiden magnetischen Kreise wirken
nämlich auf einen gemeinsamen Anker, der somit eine Bewegung ausführt, wenn der
von der Wechselstromerregung herrührende Fluß kleiner ist als der von der Gleichstromerregung
herrührende Fluß. Der von der Gleichstromerregung herrührende Fluß ist jedoch nach
obigem konstant. Dagegen ändert sich der von der Wechselstromerregung, die durch
einen Stromwandler von dem den Schalter durchfließenden Strom abhängt, sehr wesentlich
finit der Amplitude dieses Stromes. Die Stromamplitude kann bei kleiner W echselstromb.elastung
so gering sein, daß die Amplitude des Wechselst.ro,mflusses sich nur wenig über
die Gleichstromerregung erhöht, was bedeutet, daß der Schnittpunkt beider Kurven
eine ziemlich lange Zeit vor dem nächsten Nulldurchgang liegt. Bei großen Strömen,
wie sie dagegen im Falle eines Kurzschlusses öder einer sofortigen Störung gelegentlich
auftr&en, -überwiegt die Amplitude des Wechselflusses die Gleichstro.m@erregung
um ein Mehrfaches, und damit rückt infolge der zunehmenden Steilheit der Wechselkurve
der Schnittpunkt näher an den darauffolgenden Nulldurrligang heran. Arbeitet nun
der Schalter voraussetzungsgemäß mit konstanter Eigenzeit, so bedeutet dies, daß
je nach der augenblicklichen Strombelastung die Auslösung zu einem verschiedenen
Zeitpunkt erfolgt und in der Mehrzahl der Fälle nicht im Augenblick des Nulldurchganges.
Im Gegensatz. dazu ist das Relais gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß der Gleichstrom
in fester Beziehung zum Wechselstrom steht. Dies wird dadurch erreicht, daß der
Sekundärstrom eines primärseitig von dem zu. tastenden Strom durchflossenen Wandlers
über einen Gleichrichter der Gleichstromspule und anschließend der Wechselstromspule
zugeleitet wird. Der Betrag der Gleichstromerregung liegt demnach im Gegensatz zu
der bekannten Y:inrichtung nicht fest, sondern ändert sich . tnit der Amplitude
des Wechselstromes, so daß tür das Verhältnis der beiden Erregungen zueinander und
damit auch für den Schnittpunkt der beiden Kurven stets die gleichen Verhältnisse
bestehen bleiben. Demgemäß wird auch unabhängig von der Wechselstrombelastung der
Auslöseimpuls in einem eindeutig festgelegten zeitlichen Abstand vor dem nächsten
Nulldurchgang begeben, und damit erfolgt auch die Schalterbetätigung zwangsläufig
unabhängig von der Belastung im Nulldurchgang.
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In Abb. i ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung
dargestellt, das Diagramm (Abb. 2) dient zur Erläuterung der Wirkungsweise. Der
wesentlichste Bestandteil der Anordnung nach Abb. i ist ein Relais mit zwei voneinander
getrennten Kernen, die etwa die gezeichnete Gestalt "besitzen mögen. Der Anker i
bildet das Joch für den magnetischen Kreis der oberen Wicklung 2 und der unteren
Wicklung 3. Mit q. ist die Leitung bezeichnet, die zu unterbrechen ist, und zwar
durch einen nicht dargestellten Tastschalter. In dieser Leitung ist ein Stromwandler
5 vorhanden. Der Anker i steht unter der Wirkung einer Feder 6, die im stromlosen
Zustand der Leitung .l bestrebt ist, den Anker an den oberen Magnetkern ; anzuziehen.
Außerdem ist ein doppelpoliger'I'mschalter 8, eine Gleichrichterschaltung 9 sowie
ein Kondensator io vgrgesehen. Der Anker i arbeitet mit Gegenkontakten i i bzw.
12 zusammen. Die Kontakte 12 bewirken im Falle ihrer Schließung, daß der Auslöseimpu;ls
an die Spule 13 des nicht gezeichneten Tastschalters gegeben wird. Ferner ist eine
Verri:egelu;ngsspule 1.1 vorhanden, die von einer Batterie 15 gespeist wird und
mittels einer Klinke 16 den Anker i sperrt bzw. freigibt.
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Im stromlosen Zustand der Leitung 4. zieht die Feder 6, wie bereits
erwähnt, den Anker i nach oben. Wird die Leitung ¢ dagegen vom Strom durchflossen,
so tritt im Wandler 5 ein entsprechender Sekundärstrom auf, der über den zunächst
in der unteren Stellung l>efindlichen Schalter 8 durch die Wicklung 2 fließt. Der
Wechselstrom der Wicklung 2 zieht den Anker i nach oben.
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Soll ein Ausl:öseimpuls gegeben werden, so wird der Schalter 8 geöffnet,
d. h. in die gezeichnete obere Lage gebracht. Der Strom fließt nun von der Sekundärseite
des Wandlers 5 über den Gleichrichter 9 und daher als Gleichstrom in der Pfeilrichtung
durch die Spule 3 und als Wechselstrom über die
Spule 2. Der Kondensator
io glättet den Gleichstrom so weit, daß durch die Spule 3 ein Strom etwa entsprechend
. der Kurve b in Abb. 2 fließt. Durch die Spule 2 fließt dagegen ein Wechselstrom
gemäß, der Kurve a. Das Windungsverhältnis der beiden Spulen. 2 und 3 ist so bemessen,
daß der Gleichstroin.b mit dem -Wechselfluß ä etwa im Abstand der Geraden I von
der Abszissenachse gleich groß ist. Da der Wechselfluß bis auf den Nullwert absinkt,
überwiegt immer während der Zei-- ten x der Gleichfluß und demgemäß auch seine magnetische
Kraft. Im Nulldurchgang des Wechselflusses bzw. »in dessen nächster Nähe überwiegt
also die magnetische Kraft des Gleichstromes. Wird. zu einer Zeit nach dem Auslöseimpuls
(Umlegen des Schalters 8) dieser Zeitpunkt erreicht, so legt sich der Anker i nach
unten um und schließt dabei die Kontaktpaare i i und 12. Durch das Kontaktpaar i
i wird die Spule 2 kurzgeschlossen, so daß, der Anker i in dieser Stellung bleibt,
bis, nach Verschwinden des Stromes in der Leitung 4 infolge der Testung die Feder
6 den Anker wieder zurückzieht. Über das Kontaktpaar 12 wird unmittelbar oder über
Zwischenrelais die Auslösespule 13 des Testschalters erregt.
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Dadurch, daß sowohl die Spule 2 als auch die Spule 3 von Strömen durchflossen
werden, die meinem festen Verhältnis zueinander stellen, wird der zeitliche Abstandy
zwischen dem Augenblick, in dem der Gleichfluß überwiegt, bis zum Nulldurchgang
des Wechselflusses konstant und von der jeweiligen Höbe des Stromes in der getasteten
Leitung 4 unabhängig. Legt man z. B. die Gerade I in die Hälfte der Stromamplitude,
so bedeutet dies, daß die Gleichstromamperewindungen stets dem halben Wert der maximalen
W echs:edstromamperewindungen -entsprechen. Dann entspricht der Abstand y einem
Winkel von 30°, unabhängig von dem jeweiligen Absolutbetrag des Scheitelwertes des
Wechselstromes.
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Der Anker i des. Relais wird daher immer an einer bestimmten Stelle
der Stromkurve nach unten umgelegt und schließt den Auslösekontakt 12. Da die Ansprechzeit
des Testschalters auf ein ganzes Vielfaches einer Halbwelle -eingestellt werden
kann, :erfolgt die Abschaltung im, Nulldurchgang der Stromkurve.
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Das Diagramm (Abb.2) zeigt den eingeschwungenen Zustand. Um den Einschwingvorgang,
der ein allmähliches Ansteigen des Gleichstromes bedingt, zu überbrücken, kann der
Anker i mechanisch verriegelt werden. Hierzu ist die Spule 14 vorgesehen, die von
der Spannungsquelle 15 gespeist und im Augenblick der Abgabe des Auslöseimpulses,
d. h. bei Umlegen des Schalters 8 nach oben, erregt wird. Die Spule 14 wirkt
auf eine Klinke 16, die den Anker i sperrt, und zieht diese zurück. Dadurch wird
erst die Bewegung des Ankers i freigegeben. Die Spule 14 kann ,eine geringe Anzugverzögerung
besitzen, und man wird zweckmäßig auch die Betätigungsspannung konstant halten,
weil dann eine konstante Verzögerung der Freigabe des Ankers i gewährleistet ist.
Bis zur Freigabe des Ankers i ist in den Spulen 2 und 3 der. stationäre Zustand
erreicht, so daß das Diagramm (Abb.2) Gültigkeit hat und der beschriebene Vorgang
einsetzt.