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Anordnung zur Unterbrechung von Wechselstrom Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Unterbrechung von Wechselstrom (Starkstrom) mit synchron zur
Wechselspannung gesteuerten Unterbrechungskontakten und vorzugsweise mit in Reihe
mit diesen angeordneter hochgesättigter Schaltdrossel, durch deren sprunghafte Entsättigung
in der Nähe eines Stromnullwertes jedesmal eine die Stromunterbrechung erleichternde
stromschwache Pause hervorgerufen wird, und mit parallel zur Unterbrechungsstelle
angeordnetem Nebenstrompfad mit veränderlichem und synchron zur Wechselspannung
gesteuertem Widerstandswert. Bei gegebener betriebsmäßiger gegenseitiger Phasenlage
des Stromes gegenüber der Spannung können damit Wechselströme von hohem Effektivwert
ohne schädliches Schaltfeuer an den Kontakten unterbrochen werden, indem die synchrone
Steuerung der Kontakte so eingestellt wird, daß diese sich während einer stromschwachen
Pause öffnen. Der Parallelpfad, dessen Synchronsteuerung so eingestellt ist, daß
sein Widerstandswert zu Beginn des Öffnungsvorganges nur einen sehr geringen Bruchteil
von beispielsweise 1/looo des Widerstandiswertes der ungesättigten Schaltdrossel
hat, übernimmt zunächst mindestens einen Teil des zu unterbrechenden Stromes und
trägt dazu bei, den Anstieg der wiederkehrenden Spannung an den Unterbrechungskontakten
zu verzögern; denn die in dem zu öffnenden Stromkreis vorhandene Spannung verteilt
sich auf die Stromkreiswiderstände im Verhältnis der Widerstandswerte, so daß ihr
Hauptanteil an der gerade ungesättigten und daher einen hohen induktiven Widerstandswert
aufweisenden Schaltdrossel liegt, während auf den Parallelpfad und somit auch auf
die Unterbrechungsstrecke nur ein verschwindender Bruchteil der Gesamtspannung entfällt.
Unmittelbar nach der Öffnung der Hauptkontakte wird der veränderliche Widerstandswert
des Parallelpfads durch die Synchronsteuerung auf einen sehr hohen Betrag, beispielsweise
bis zum Wert oo,
d. h. bis zur völligen Unterbrechung, erhöht. Der
Parallelpfad braucht hierbei nur für den sehr kleinen Stromwert bemessen zu sein,
der während der stromschwachen Pause fließen kann, also höchstens für den Sättigungswert
der Schaltdrossel. Durch äußere Störungen oder Ausgleichsvorgänge kann nun aber
der Phasenunterschied zwischen Strom und Spannung gegenüber dem normalen Betriebszustand
wesentlich verändert werden. Es kann infolgedessen geschehen, daß die Kontakte zur
unrechten Zeit, nämlich außerhalb der stromschwachen Pause, geöffnet werden, so
daß ein Lichtbogen entstehen kann, wodurch insbesondere bei häufiger Betätigung
der Unterbrechungseinrichtung eine Beschädigung der Kontakte bis zum Unbrauchbarwerden
innerhalb verhältnismäßig kurzer Betriebszeit hervorgerufen werden könnte.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird erfindungsgemäß der Parallelpfad
so ausgebildet, daß er mindestens vorübergehend den Betriebsstrom führen und gegebenenfalls
ohne schädliches Schaltfeuer unterbrechen kann.
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Es ist bekannt, zu einem mit besonderen Löscheinrichtungen ausgerüsteten
Leistungsschalter einen Hochstromschaiter parallel zu schalten, über den im geschlossenen
Zustand der größte Teil des Stromes fließt. Hier sind die Aufgaben so verteilt,
daß der Hochstromschalter während des normalen Betriebes den Hauptanteil des Stromes
führt, jedoch beim Öffnungsvorgang zuerst ausgeschaltet wird, während der mit Löscheinrichtungen
ausgerüstete Schalter während des normalen Betriebes entlastet ist und lediglich
kurz vor dem Öffnungsvorgang den vollen Strom übernimmt und diesen alsdann unterbricht.
Im Gegensatz dazu wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Betriebsstrom überwiegend
über die Hauptkontakte geführt und auch von ihnen unterbrochen, während der Parallelpfad
nur ausnahmsweise, z. B. im Störungsfall, für die vorübergehende Führung und Unterbrechung
des Betriebsstromes in Anspruch genommen wird. Natürlich kann auch für die erfindungsgemäße
Anordnung ein Hochstromschalter zusätzlich vorgesehen sein, mit denn dann vorteilhaft
die ganze Anordnung einschließlich der in Reihe liegenden Schaltdrossel überbrückt
und diese Überbrückung jedesmal kurz vor einem öffnungsvorgang in einem beliebig
wählbaren Augenblick aufgehoben wird. Der Überbrückungsschalter nimmt infolge der
im Überbrückungszweig unvermeidlich enthaltenen Widerstände, z. B. Übergangswiderstand,
nicht den gesamten Strom von dem überbrückten Zweig weg. In diesem fließt vielmehr
auch bei geschlossenem Überbrückungsschalter ein Bruchteil des Gesamtstromes, der
ausreicht, die Drossel zu sättigen, so daß sie der Stromübernahme bei ö-ftnung des
Überbrückungsschalters keinen Widerstand entgegensetzt und dieser öffnungsvorgang
somit ohne Strom- und Spannungsbeanspruchung vor.sich geht.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar in Fig. i eine Anordnung, mit der der Strom fallweise durch eine einmalige
Schalthandlung unterbrochen werden kann, und in Fig. 2 eine mehrphasige Umformungsanordnung
mit periodisch angetriebenen Kontakten zum Energieaustausch zwischen verschiedenen
Stromsystemen.
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Gemäß Fig. i ist in einer Wechselstromleitung i i ein Schalter 12
vorgesehen. In Reihe mit diesem liegt eine Schaltdrossel 13 mit einem Magnetkern
1q.. Der Magnetkern besteht vorteilhaft aus einer magnetisch hochwertigen Eisensorte
in Form eines oder mehrerer spiralig aufgewickelter Flachbänder von geringer Stärke.
Die magnetische Kennlinie dieses Kernes soll im ungesättigten Gebiet möglichst wenig
gegen die Flußachse geneigt sein, an den Übergangsstellen in die gesättigten Gebiete
möglichst scharfe Knicke aufweisen und in den gesättigten Gebieten möglichst parallel
zur Erregerachse verlaufen. Die Windungszahl der Schaltdrossel ist so bemessen,
daß sie sich bereits bei einem sehr kleinen Bruchteil, beispielsweise von 171ooo,
d-es Effektivwertes ,des'Betriebsstrom-es sättigt. Durch eine geeignete, in der
Zeichnung nicht dargestellte Vormagnetisierung mit Gleich- oder Wechselstrom kann
der Magnetisierungsverlauf der Schaltdrossel mit Rücksicht auf den Unterbrechungs-
oder auch Schließungsvorgang zusätzlich gesteuert werden, beispielsweise derart,
daß im Normalbetrieb auch beim Schließvorgang eine die Widerstandsanordnung entlastende
stromschwache Pause entsteht. Parallel zum Schalter 12 ist ein Nebenpfad 15 vorgesehen,
in welchem eine Widerstandsanordnung 1ö mit veränderlichem Widerstandswert eingeschaltet
ist. Zur synchronen Steuerung des Schalters 12 und der Widerstandsanordnung 16 dient
eine Welle 21, die z. B. mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten, von der
Wechselspannung gespeisten Synchronmotor durch eine geeignete Kupplungsvorrichtung
für die Zeit einer Wechselstromhalbwelle gekuppelt werden kann. Hierdurch wird ein
auf der Welle 21 angeordneter Nocken 22 gegen einen doppelarmigen Verklinkungshebel
23 geführt und so die Sperrung des Schalters 12 aufgehoben, der infolgedessen durch
die Rückzugsfeder 24 geöffnet wird. Die Antriebsvorrichtung ist so einzustellen,
daß die Schalteröffnung möglichst am Anfang einer stromschwachen Pause beginnt.
Gleichzeitig wird der bewegliche Teil der Widerstandsanordnung 16 in Pfeilrichtung
gedreht derart, daß ihr Widerstandswert unmittelbar nach dem Beginn der Kontaktöffnung
rasch bis zur völligen Unterbrechung erhöht wird. In dieser Stellung kommt die Antriebsvorrichtung
beispielsweise durch Entkupplung von dem Synchronmotor zum Stillstand. Beginnt die
Schalteröffnung z. B. infolge einer Störung nicht während einer stromschwachen Pause,
so übernimmt in diesem Augenblick der Parallelpfad 15 den gesamten Strom, so daß
am Schalter 12 kein schädliches Schaltfeuer auftreten kann. Durch die Erhöhung des
Widerstandes der Anordnung 16 wird dann der Strom zunächst auf einen sehr kleinen
Wert herabgedrückt, der ebenfalls ohne schädliches Schaltfeuer unterbrochen werden
kann. Die Widerstandsanordnung kann mit einer zusätzlichen Steuervorrichtung versehen
sein,
die bewirkt, daß sie während des Normalbetriebes in geöffneter Stellung steht, bei
normalen Abschaltungen in Ruhe bleibt und nur unter anomalen Umständen selbsttätig
in Wirksamkeit tritt.
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Gemäß Fig.2 sind an drei Wechselstromzuleitungen u, v, w, die
beispielsweise unmittelbar von einem Drehstromgenerator oder von einem Drehstromnetz
oder von der Sekundärseite eines Transformators kommen mögen, über Schaltdrosseln
13
und gegebenenfalls zusätzlich vormagnetisierte 1Vlagnetkerne 1d. Kontakteinrichtungen
i bis 6 paarweise angeschlossen, die in der Reihenfolge ihrer Bezifferung durch
eine gemeinsame Welle 21, die in der Zeichnung strichpunktiert dargestellt ist,
über Exzenter 25 und Zwischenstößel 26 mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten
und beispielsweise an die Leitungen u, v, w angeschlossenen Synchronmotors
angetrieben werden können. Parallel zu den Kontaktanordnungen sind Nebenpfade 15
und 17
mit Widerstandsanordnungen 16 und 18 vorgesehen, deren bewegte Teile
ebenfalls mit der gemeinsamen Antriebswelle 21 gekuppelt sein mögen. Gleichstromseitig
sind die beiden Kontakteinrichtungen jeder Phase an verschiedene Pole des Gleichstromnetzes
2o angeschlossen, wie es der bekannten Graetzschaltung entspricht. Ferner ist eine
Glättungsdrossel i9 vorgesehen. Die Kontaktantriebsvorrichtung ist so eingestellt,
daß sich die Schließungszeiten zweier einander ablösender Phasen überlappen. So
ist beispielsweise in dem dargestellten Augenblick die Kontakteinrichtung 6 der
Phase v im Begriff sich zu öffnen, während die Kontakteinrichtung 2 der Phase w
sich soeben geschlossen hat. Die an dem anderen Gleichstrompol angeschlossene Kontakteinrichtung
i der Phase u befindet sich unterdes gerade in der Mitte ihrer Schließungszeit.
Die Phasenlage der Kontaktzeitpunkte ist beispielsweise durch Ständerdrehung des
synchronen Antriebstnotors oder mittels eines dem Antriebsmotor vorgeschalteten
Drehtransformators so einzustellen, daß die Kontaktöffnung im Normalbetrieb möglichst
jedesmal am Anfang einer stromschwachen Pause beginnt. Während die stromschwachen
Pausen im Normalbetrieb infolge der Symmetrie der Dreiphasenspannungen in regelmäßigem
Wechsel eintreten, kann diese Regelmäßigkeit durch Störung der Phasensymmetrie beispielsweise
infolge irgendwo im Netz stattfindenden Kurzschlusses gestört werden. Es können
auch mechanische Störungen an den Kontakten auftreten. In beiden Fällen würde ohne
die erfindungsgemäße Ausbildung der Parallelpfade schädliches Schaltfeuer an den
Kontakten auftreten, durch das diese schon nach wenigen Stromwechseln völlig zerstört
werden können. Durch die Widerstandsanordnungen 16 und 18 werden jedoch solche Schäden
verhütet, da mit ihrer Hilfe im Störungsfalle die Phasenablösung in Form einer reinen
Widerstandskommutierung vor sich geht, durch die die Stromübernahme von einer abgebenden
Phase auf die Folgephase unabhängig von der im Kommutierungskreis auftretenden Kommutierungsspannung
zwangsläufig herbeigeführt wird. Der Energieaustausch zwischen dem Drehstromsystem
und dem Gleichstromsystem geht infolgedessen bei einer derartigen Umformungsanordnung
störungssicher vor sich. Dies gilt auch für betriebsmäßig vorübergehend auftretende
Übergangszustände, z. B. für den Übergang vom Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb
und umgekehrt oder für plötzliche Überlastungen, vorübergehenden Rückstrom od. dgl.
mehr.
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Die veränderlichen Parallelwiderstände der beschriebenen Unterbrechungsanordnungen
können beispielsweise nach Art der bekannten Elektrolytgleichrichter oder als Drahtwiderstände
mit Kohleschleifbürsten ausgebildet sein. Elektrolytwiderstände sind gegen Störungen
wenig empfindlich und daher für den Notbetrieb in Störungsfällen besonders gut geeignet.
Es können auch Kohlewiderstände verwendet werden, die einen längs der Schleifbahn
stetig anwachsenden Widerstandswert, gegebenenfalls anwachsenden spezifischen Widerstandswert
aufweisen. Derartige Widerstände können hinsichtlich des Verlaufs der Widerstandsänderung
in einfacher Weise durch ihren Aufbau und ihre werkstoffmäßige Zusammensetzung verschieden
abgestimmt werden, wie es mit Rücksicht auf die Vorgänge beim Notbetrieb jeweils
im Einzelfalle gerade erwünscht ist. Endlich kommen auch Kohledruckwiderstände mit
veränderlicher Drucksteuerung in Betracht, die sich wegen des kurzen Hubweges ihres
beweglichen Organs mit besonders einfachen Mitteln so steuern lassen, wie es ihre
erfindungsgemäße Zusammenarbeit mit den Hauptkontakten erfordert. Die Widerstandsanordnungen
sind so auszulegen; daß sie die im Störungsfalle bzw. Übergangszustand in ihnen
entstehende Verlustwärme vorübergehend ohne Beschädigung ertragen können. Für länger
andauernde Störungsfälle bzw. Übergangszustände kann ein selbsttätiger Schalter
vorgesehen werden, durch den die ganze Umformungsanordnung einseitig oder zweiseitig
abgeschaltet wird, bevor die durch die Verlustwärme hervorgerufene Übertemperatur
an den Widerständen einen gefährlich hohen Wert erreicht. Im störungsfreien Normalbetrieb
wird in den Widerstandsanordnungen praktisch keine Verlustwärme erzeugt, da der
Strom in ihnen durch die im ungesättigten Zustand befindlichen Schaltdrosseln auf
'deren Sättigungswert, also auf einen praktisch verschwindend kleinen Betrag, begrenzt
ist. Die Stromübertragung an den vorzugsweise rein metallisch aufgeführten Hauptkontakten
i bis 6 erfolgt ebenfalls praktisch verlustlos, so daß eine derartige Umformungsanordnung
mit einem sehr hohen Wirkungsgrad von etwa gol/o arbeitet. Die einzigen merklichen
Verluste, die während des Normalbetriebes auftreten, sind die Kupferverluste in
den Schaltdrosselwicklungen. Auch diese können bei der beschriebenen Umformungsanordnung
besonders klein gehalten werden, weil die Länge der stromschwachen Pause und die
von ihnen abhängige Größe der Schaltdrosseln wegen der durch die Widerstandsanordnungen
erzielten Störungssicherheit kleiner gewählt «erden kann als ohne die
Widerstandsanordnungen,
weil ohne diese nämlich ein erheblicher Sicherheitszuschlag bei der Auslegung der
Schaltdrosseln berücksichtigt werden müßte. Die Widerstände können ferner so bemessen
werden, daß die bei Widerstandskommutierung auftretenden Verluste auf ein unvermeidliches
Kleinstmaß herabgedrückt werden. Die Um-
formungsanordnung vereinigt daher
alle Vorteile des Schaltdrosselumformers mit denen des Widerstandsumformers unter
Vermeidung der Nachteile der beiden Einzeleinrichtungen. Statt eines Schaltdrosselumformers
kann auch eine beliebige andere Umformungsanordnung, bei der die Phasenablösung
durch die natürliche im Kommutierungskreis herrschende Spannung herbeigeführt und
infolgedessen ein Normalbetrieb mit verhältnismäßig geringen Verlusten ermöglicht
wird, in Verbindung mit einer im Notfall den Betrieb übernehmenden. auf Widerstandskommutation
beruhenden Umformungsanordnung verwendet werden. Letztere kann gegebenenfalls durch
eine andere Umformungsanordnung mit erzwungener Kommutation, z. B. mittels überlagerter
Spannung, die durch eine besondere Spannungsquelle oder durch aufgeladene Kondensatoren
bereitgestellt wird, ersetzt werden. Sie kann so eingerichtet sein, daß sie während
des normalen Betriebes in Ruhe bleibt und sich im gegebenen Notfalle von selbst
in Tätigkeit setzt. Zur Verzögerung des Anstieges der wiederkehrenden Spannung im
Normalbetrieb kann dann ein besonderer, vorzugsweise kapazitiver Parallelpfad vorgesehen
sein.
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Der bewegliche Kontaktteil der Widerstandsanordnung, z. B. die Stromabnahmebürste,
kann insbesondere durch den in der Widerstandsanordnung fließenden Strom derart
gesteuert werden, daß er während des normalen Betriebes mit v erringertem und zur
Durchführung außergewöhnlicher Unterbrechungsvorgänge mit selbsttätig verstärktem
Auflagedruck über den ruhenden Teil der Widerstandsanordnung gleitet. Hierdurch
werden die Verluste im Normalbetrieb durch Verminderung der Gleitreibung herabgesetzt.