DE740916C - Schaltanordnung mit Vakuumschalter - Google Patents

Description

Für die Ausschaltung kleinerer Ströme bedient man sich häufig der Vakuumschalter, die mit zwei in einem evakuierten Raum untergebrachten Kontakten versehen sind. Der Vakuumschalter erlaubt ein Schalten ohne Lichtbogen, hat jedoch einen Nachteil, der besonders bei der Abschaltung höherer Leistungen ins Gewicht fällt. Durch das augenblickliche Unterbrechen des Stromes entstehen

ίο, nämlich in den Schaltelementen, ζ. Β. Induktivitäten des Stromkreises, hohe Überspannungen, die äußerst schädlich sein können. Man hat sich daher damit zu behelfen gesucht, daß man die Unterbrechung des Stromkreises bei Wechselstromkreisen im Nulldurchgang des Stromes vornimmt. Es ist bekannt, derartige Schaltvorgänge mit Hilfe einer den Schalter betätigenden Feder durchzuführen, welche durch eine Sperrklinke ausgelöst wird. Dadurch wird aber eine gewisse Verzögerung in der Abschaltung unvermeidlich, da das Sperrorgan vor der Freigabe des Ausschaltmechanismus einen endlichen Weg zurücklegen muß. Die Zeit, welche zur Ausschaltung erforderlich ist, ist von verschiedenen mechanischen Verhältnissen, z.B. von der Reibung, abhängig, und es ist sehr schwierig, die Abschaltung mit einiger Genauigkeit gerade im Zeitpunkt des Nulldurchganges des Wechselstromes zu erzielen.

Die Erfindung betrifft nun eine Schaltanordnung mit Vakuumschalter zur Abschaltung von Stromkreisen beim Stromnulldurchgang, bei welcher dieser Nachteil vermieden ist. Erfindungsgemäß ist· zur Betätigung des Vakuumschalters ein um eine Achse drehbarer Hebel vorgesehen, auf den eine vom Hauptstrom durchflossene und eine von einem willkürlich ein- und ausschaltbaren Hilfsstrom durchfloss'enen Relaisspule im Sinne einer Schließung der Schalterkontakte einwirkt. An dem Hebel greift eine Feder an, die den Relaisspulen entgegenwirkt und deren Spannung so gewählt ist, daß sie b.ei geöffnetem Hilfsstromkreis beim Nulldurchgang des Hauptstromes den Schalter öffnet.

Die Anordnung arbeitet sehr exakt, da es ohne weiteres möglich ist, die der Feder entgegenwirkenden Kräfte so zu bemessen, daß. beim Xulldurchgang des Hauptstromes, wenn also die zugehörige Relaisspulc nicht mehr anzieht, die Feder den Hebel unmittelbar in die Ausschaltstellung bewegt. Die Erfindung gibt also einen vorteilhaften Weg zur Abschaltung von Stromkreisen im Stromnulldurchgang an. Bei Wechselstromkreisen ist sie ohne jede zusätzliche Maßnahme anwendbar, während man bei Gleichstromkreisen den Xulldurchgang des Stromes durch Einschalten geeigneter Schaltelemente, ζ. Β. Widerstände oder Widerstandskombinationen oder auch durch entgegengerichtete Spannungen, z. B. mit Hilfe von Kondensatorentladungen, erzwingen kann.

Eine Anordnung nach der Erfindung ist in Fig. ι veranschaulicht. In dieser bedeutet ι und 2 die Zuführung bzw. Ableitung des Hauptstromes, 3 den Vakuumschalter, der hier vereinfacht dargestellt ist. Mit 4 ist eine Feder bezeichnet, die den Vakuumschalter in seiner geschlossenen Lage zu halten sucht. 5 ist ein Hebel, der um die Achse 6 drehbar ist und durch eine Feder 7 niedergezogen wird. Mit S und 9 sind zwei Magnetkerne bezeichnet, welche die Relaiswicklungen ι ο und 11 tragen. Die Wicklung 10 ist vom Hauptstrom durchflossen, während die Wicklung 11 von einem Hilfsstrom durchflossen wird, der durch den Schalter 12 ein- und ausgeschaltet werden kann. Beide Wicklungen mit ihren Magneten wirken im gleichen Sinne auf den Hebel 5 ein und suchen ihn in der Richtung des Pfeiles 13 zu drehen. Es sei nun zunächst angenommen, daß der Schalter 12 geschlossen sei und gleichzeitig der Hauptstrom durch den Haupt-Stromkreis und die Wicklung 10 über den Vakuumschalter von 1 nach 2 fließt, dann wird durch Zusammenwirken der beiden Spulen 10 und i'i der Hebel 5, entgegen der Federkraft der Feder 7, in Richtung des Pfeiles 13 gedreht und wird von den beiden Magneten angezogen, so daß das Ende 14 des Vakuumschalters bzw. eines mit ihm verbundenen Teiles in seiner oberen Endstellung steht, während der Kontakt des Vakuumschalters geschlossen ist. Es fließt also durch den Hauptstromkreis i, 2 der Wechselstrom Z₁, während der Stromkreis der Rclaisspule 11 von dem Wechselstrom, es kann auch Gleichstrom verwendet werden, Z₂ durchflossen wird. Will man nun den Stromkreis 1, 2 öffnen, d.h. also die Kontakte des Vakuumschalters trennen, dann öffnet man den Stromkreis des Stromes Z₂ durch Öffnen des Schalters 12. Die Spulen wirkt dann nicht mehr auf den Hebel 5. Dieser ist vielmehr der Wirkung des Hauptstromes Z, und der Federkraft 7 unterworfen.

Der Einfluß der Feder 7 wird stärker und stärker, da der Strom im Hauptstromkreis nach Überschreitung des Maximums immer kleiner und die Anzugskraft der Spule 10 dem- P5 nach auch immer kleiner wird. Die Kräfte der Federn 4 und 7 müssen nun so aufeinander abgestimmt sein, daß die Feder 7 in dem Augenblick, in welchem der StTOmZ₁ durch XuIl geht, imstande ist, den Hebel 5 gegen die Feder 4 herunterzuziehen und dadurch den Kontakt des Vakuumschalters 3 zu öffnen. Der Stromkreis wird dann mit großer Genauigkeit beim Nulldurchgang des Hauptstromes unterbrochen.

Die Strom- und Kräfteverhältnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Z₁ bedeutet den Hauptstrom, Z₂ den Hilfsstrom, der gegen den Hauptstrom um 90° phasenverschoben ist. Mit ^₁ ist die Kraft bezeichnet, die von der Wicklung 10 geliefert wird, während die Anziehungskraft der Wicklung 11 mit P₂ bezeichnet ist. Die Resultierende aus beiden Kräften ist P. Wie man sieht, schwankt diese resultierende Anziehungskraft. Sie muß bei geschlossenem Stromkreis und auch bei geschlossenem HilfskreisZ₂ immer größer sein als die zum Halten des Schalters in Einschaltstellung erforderliche Mindestkraft. Der Stromkreis ist dann immer eingeschaltet, solange der Schalter 12 des Hilfsstromkreises geschlossen ist. Beim Öffnen dieses Schalters 12 fällt der Vakuumschalter ab, da die resultierende Kraft der beiden Wicklungen nicht mehr ausreicht, um den Hebel 5 in seiner Betriebslage zu halten. Durch Anlegen des Schalters 12 kann der Hauptstromkreis wieder geschlossen werden. Wesentlich für die Verwirklichung der dargestellten Verhältnisse ist es, daß der Hilfsstrom Z₂ gegen den Hauptstrom um etwa 90⁰ in der Phase verschoben ist. Der Hilfsstromkreis kann dazu vom Hauptstromkreis abhängig gemacht werden. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung kann vorteilhaft als Nullstromschalter verwendet werden, wenn der Hilfsstromkreis mit Wechselspannung betrieben wird; denn, wie aus Fig. 2 ersichtlich, reicht der Hilfsstrom S₂ allein auch nicht aus, den Vakuumschalter eingeschaltet zu halten. no

Eine weitere Möglichkeit zur Lösung der vorliegenden Aufgabe zeigt Fig. 3. Auch hier ist der Vakuumschalter wieder mit 3 bezeichnet, während 10 die vom Hauptstrom durchflossene Relaiswicklung ist. Ferner ist ein ns Hilfskreis Z₃ vorhanden, in dem sich eine Relaiswicklung 16 befindet. Die beiden Wicklungen ι ο und 16 wirken auf den linken Hebelarm des Hebels 5. Auf den rechten Hebelarm wirkt die Spule 17, die von einem gegen den Strom Z₃ um 90° (Kondensator 18) in der Phase verschobenen Strom gespeist wird. Der

Strom /3 ist annähernd mit dem. Strom I₁ in Phase, d. h. er ist nicht mehr als ^ 90⁰ in der Phase gegen den Strom Z₁ verschoben. Werden die Schalter 19 und 20 eingelegt. dann schließen sich die Hilfsstromkreise /₂, i_s, was. die Wirkung hat, daß der Hebel 5 von denr Ende 21 des Schaltarmes des Vakuumschalters abgehoben und der Vakuumschalter geschlossen wird. Beim Ausschalten der Schalter 19 und 20 wird durch Federkraft der Hebel 5 auf der linken Seite heruntergezogen, drückt das Ende des Schaltarmes 21 des Vakuumschalters nieder und öffnet den Kontakt. Dieser Vorgang rindet aber erst' in dem Augenblick statt, in welchem der Hauptstrom Z₁ durch Null geht. Dies zeigt das Diagramm in Fig. 4. In dieser bedeutet P die Zugkraft, die von den beiden Spulen 16 und 17, also durch die Hilfäströme /, und /₃, gemeinsam geliefert wird. Diese Kraft muß im Betriebszustande, also bei geschlossenem Vakuumschalter, größer sein als P₀, d. h. die Mindestkraft., die zum Halten des Ankers gegen die Federkräfte erforderlich ist. Fällt nun durch Ausschalten der Schalter 19 und 20 die Haltekraft/³ fort, dann wirkt auf das Relais nurmehr die Kraft P₁, die von der vom Hauptstrom durchflossenen Spule 10 geliefert wird. Sobald nun diese Kraft P₁ die zum Halten des Ankers erforderliche Mindestkraft unterschreitet, fällt das Relais ab. Die Genauigkeit des Abfalles wird um so größer, je größer der gerade durch den Hauptstromkreis fließende Strom ist. Dies läßt sich gleichfalls leicht aus dem Diagramm in Fig. 4 ersehen, in welchem die Abschaltzeit t für einen großen sowie die Abschaltzeit t' für einen kleinen Hauptstrom ersichtlich ist. Die Schaltgenauigkeit ist also bei großen Strömen größer. Das bedeutet, " daß die abzuschaltende Leistung, die von etwa parallel zum Vakuumschalter geschalteten Widerstandskombinationen aufgenommen werden muß, einen bestimmten kleinen Wert nicht überschreitet. Man kann diese Widerstandselemente bedeutend kleiner dimensionieren, als wenn zu einem beliebigen Zeitpunkt der Halbwelle, also auch beim Maximalwert des Wechselstromes, im Hauptstromkreis die Abschaltung vorgenommen würde. Da die beim Abschalten zu vernichtende Leistung quadratisch vom Schaltstrom abhängt, verringert sich z. B. die Schaltleistung schon bei einem Schaltstrom von ι ο 0/0 des Maximalstromes auf io_b der maximalen Schaltleistung.

Wie bereits oben erwähnt, kann die Anordnung auch so getroffen werden., daß das Relais, das den Vakuumschalter betätigt, im Augenblick des Nulldurchganges des Wechselstromes im Hauptstromkreis durch einen plötzlichen starken Stromstoß betätigt wird.

Zur Lieferung dieses Stromstoßes bedient man sich eines hochgesättigten Transforma-. tors, der vom Hauptstrom durchflossen wird. Fig. 5 zeigt eine derartige Anordnung. Der Hauptstrom fließt über den Vakuumschalter 21 und die Primärspule 22 des hochgesättigten Transformators 23. Die Sekundärspule 24 des Transformators speist eine Spule 25, die au£ den Anker 26 des Vakuumschalters einwirkt. Im Stromkreis der Sekundärspule 24 ist ein Ausschalter 27 angebracht. Dieser Stromkreis 4 dient zum Ausschalten des Vakuumschalters beim Nulldurchgang des Hauptstromes. Zum Halten des Relais dient ein Stromkreis I₂, der mit Gleichstrom gespeist wird. In diesem Hilfsstromkreis liegt ein Widerstand 29. Parallel zu diesem · Widerstand liegt ein Kurzschlußschalter 30. Der Hilfsstrom betätigt die Spule 31. Beim Einschalten wird der Schalter 30 geschlossen, und ein starker Stromstoß geht über die Spule 31, der ausreicht, um den Anker 26 plötzlich stark anzuziehen und den Vakuumschalter zu schließen. Der .Kurzschlußschalter, der entsprechend ausgebildet ist, öffnet sich dann automatisch wieder und über den Widerstand 29 und die Spule 31 fließt ein konstanter Haltestrom, der ausreicht, um den Vakuumschalter in seiner geschlossenen Stellung zu halten, aber nicht stark genug ist, um den einmal geöffneten Vakuumschalter wieder zu schließen. Der zeitliche Verlauf des Einschaltstromes i₂ ist in Fig. 6 wiedergegeben. Man erkennt aus dieser Figur, daß der Strom¹ L zuerst einen hohen Wert annimmt und dann bis zu einem durch die Ohmschen Widerstände im Stromkreis bestimmten Dauerwert abnimmt. Soll nun der Vakuumschalter geöffnet werden, dann wird der Schalter 27 eingelegt. Dies hat zur Folge, daß beim Nulldurchgang des Stromes L₂ über den eisengesättigten Transformator die Spule 25 einen starken Stromstoß erhält und den Anker 26 mit Gewalt gegen die Wicklung der Spule 31 anzieht. Der Vakuumschalter wird dadurch geöffnet. In Fig. 7 sind die Stromverhältnisse bei diesem Vorgang veranschaulicht. In Fig. 7 ist mit i_L, wie in Fig. 5, der Hauptstrom bezeichnet, während z₃ den Hilfsstrom 110 bedeutet, der beim Nulldurchgang des Hauptstromes plötzlich hohe Werte annimmt und dadurch die Ausschaltung des Vakuumschalters im Stromnulldurchgang bewirkt.

Bei der Betätigung eines Relais, wie es 1*5 auch im vorliegenden Fall zum Abschalten des Vakuumschalters verwendet wird, ist stets eine gewisse Trägheit der mechanischen Relaisteile zu berücksichtigen. Aus diesem Grunde darf der Ausschaltestromstoß nicht allzu kurzzeitig sein. Dies läßt sich durch eine Schaltung nach Fig. 8 erzielen. Die Schaltung

nach Fig. 8 entspricht im wesentlichen der nach Fig. 5. Ein Unterschied besteht lediglich in der Ausbildung des sekundären Stromkreises des eisengesättigten Transformators, der die Spule 25 (die Ausschaltspule) betätigt. In diesem Kreis liegt wieder der Schalter 27, der zum Abschalten des Hauptetromes eingelegt wird, ferner ein Gleichrichter 32 und, wie bei der Schaltung nach Fig. 5, die Ausschaltspule 25. Parallel zur Ausschaltspule 25 liegt ein Kondensator 3 3, der gegebenenfalls in Reihe mit einem Ohmschen Widerstand 34 geschaltet ist. Es ergibt sich dann ein Relaisstrom, der in Fig. 9 veranschaulicht ist und der langsamer abklingt, so daß das Relais mit Sicherheit den Schaltvorgang ausführt.

Eine· gewisse Abwandlung der Einrichtung nach Fig. 5 ist in Fig. 10 dargestellt. In dieser bedeutet 3 5 die Haltespule, die mit Gleichstrom betätigt wird und die mit einer Kurzschlußwicklung 36 versehen ist, während 37 die Ausschaltspule vorstellt. Der Stoßtransformator ist mit 38 bezeichnet. Liegt der Schalter 39 in seiner oberen Stellung, dann betätigt er die Haltespule 35, d.h. der Vakuumschalter 40 ist eingeschaltet und der Hauptstrom fließt, während der Hilfsstromkreis der Ausschaltespule 37 geöffnet ist. Wird der Schalter 39 nach unten umgelegt, dann öffnet er den Stromkreis der Haltespule 35 und schließt den Stromkreis der Spule 37. In diesen Stromkreis ist eine Ventilröhre 41 eingeschaltet. Diese hat die Wirkung, daß zunächst in dem Kreis der Ausschaltespule 37 kein Strom fließen "kann. Andererseits wird durch das mit der Kurzschlußwicklung 3 6 versehene Relais 3 5 der Anker infolge Verzögerung des Stromabfalles zunächst noch angezogen und der Vakuumschalter geschlossen gehalten. Erst in dem Augenblick, in welchem der Hauptstrom durch Null geht, wird durch einen plötzlichen Stromstoß, den der Stoßtransformator liefert, das zunächst negativ vorgespannte Gitter der Schaltröhre 41 positiv. Es fließt ein kräftiger Strom durch die Spule 37, und der Anker des Relais wird kräftig angezogen. Dadurch wird der Vakuumschalter 40 geöffnet. Man bewirkt also auch mit dieser Anordnung wiederum eine Öffnung des Hauptstromes ziemlich genau in seinem Nulldurchgang. Von dem eingangs geschilderten Grundgedanken ausgehend, lassen sich noch verschiedene Wege finden, um die Öffnung des Stromkreises des zu schaltenden Wechselstromes im Stromnulldurchgang zu erzielen. Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind lediglich vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die deshalb den Vorzug verdienen, weil sie gestatten, den Erfin-

anordnungen zu verwirklichen, die an sich technisch schon gut durchgebildet sind. Bei der praktischen Ausführung der Einrichtung wird man natürlich bestrebt sein, die Eisen- 6 kreise der Relais möglichst miteinander zu vereinigen und das Ganze zu einer kompakten Schaltvorrichtung von einfachem Aufbau zu verbinden. Dies ist um so leichter, als die ganze Vorrichtung ja nur aus ein- 7c zelnen primitiven Schaltelementen zusammengesetzt ist.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   i. Schaltanordnung mit Vakuumschalter 75' zur Abschaltung von Wechselstromkreisen beim Stromnulldurchgang, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betätigung des Vakuumschalters ein um eine Achse (6) drehbarer Hebel (5) vorgesehen ist, auf den eine vom Hauptstrom durchflossene (10) und eine von einem willkürlich ein- und ausschaltbaren Hilfsstrom durchflossene Relaisspule (11) im Sinne einer Schließung der Schalterkontakte einwirkt und daß an dem Hebel eine Feder angreift (7), die den Relaisspulen entgegenwirkt und deren Spannung so gewählt ist, daß sie bei geöffnetem Hilfsstromkreis beim Nulldurchgang des Hauptstromes den Schalter öffnet.
2. 2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Betätigung des Vakuumschalters dienender drehbar gelagerter Hebel (14) durch eine Feder (4) in der Einschaltstellung gehalten wird, während das Ende eines zweiten gleichfalls drehbar gelagerten Hebels (5) auf das freie Ende des ersteren Hebels einen Druck ausübt, der den Schalter gegen die Federkraft zu öffnen strebt, wobei auf den letzteren Hebel eine vom Hauptstrom und eine vom Hilfsstrom durchflossene Relaisspule derart einwirkt, daß beim Öffnen des HilfsStromkreises die auf den zweiten Hebel wirkende Federkraft (7) ausreicht, um beim Nulldurchgang des Hauptstromes den Schaltergegen die auf den ersten Hebel wirkende Federkraft zu öffnen.
3. 3. Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstrom von einer Gleichstromquelle geliefert wird.
4. 4. Schaltanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsstrom ein Wechselstrom dient, der gegenüber dem Hauptstrom in seiner Phase um etwa 90⁰ verschoben ist.
5. 5. Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der

   eine vom Hauptstrom durchflossenc Wicklung (io) sowie eine zweite Wicklung (16) besitzt, die von einem mit dem Hauptstrom etwa phasengleichen Hüfswechselstrom durchflossen ist, während die Wicklung der zweiten Relaisspule (17) von einem Wechselstrom durchflossen wird, der gegen den Hilfswechselstrom der ersten Relaisspule eine Phasenverschiebung von 90⁰ aufweist.
6. 6. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Öffnung des Vakuumschalters dienende Ausschaltspule von dem Sekundärstrom eines Stoßtransformators (23) gespeist wird, dessen Primärspule (22) vom Hauptstrom durchflossen ist, und daß ferner eine Einschaltspule (29) vorgesehen ist, derart, daß durch Schließen des Sekundärkreises des Stoßtransformators der Hauptstrom im Nulldurchgang durch den Vakuumschalter ausgeschaltet wird, während die Einschaltung des Hauptstromes durch Öffnen des Sekundärkreises des Stoßtransformators und Schließen des Stromkreises der Einschaltspule erfolgt.
7. 7. Schaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärkreis des StromtransformatorsWiderstandselemente vorgesehen sind, durch die ein langsames Abklingen des vom Stoßtransformator gelieferten Stromstoßes bewirkt wird.
8. S. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromstoß zum Öffnen des Vakuumschalters von einer aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten steuerbaren Ventilröhre geliefert wird, dessen Gitter an der Sekundärwicklung eines primärseitig vom Hauptstrom durchflossenen Stoßtransformators liegt, derart, daß beim Schließen des Sekundärkreises des Stromtransformators bzw. des Anodenstromkreises des Stromtores im Nulldurchgang des Hauptstromes ein über die Entladungsstrecke und die mit ihr in Reihe geschaltete Ausschaltspule ein starker Ausschaltstrom geliefert wird.
9. 9. Schaltanordnung zum Abschalten von Gleichstromkreisen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einschalten geeigneter Schaltelemente, insbesondere Widerstände oder Widerstandskombinationen, in den Hauptstromkreis ein Nulldurchgang des Hauptstromes erzwungen wird.

   Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren in Betracht gezogen worden:

   deutsche Patentschrift Nr. 212303, 304691, 535 372, 607651, 655 179.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen