EP0556652A2 - Electromechanical protection device - Google Patents

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Publication number
EP0556652A2
EP0556652A2 EP93101726A EP93101726A EP0556652A2 EP 0556652 A2 EP0556652 A2 EP 0556652A2 EP 93101726 A EP93101726 A EP 93101726A EP 93101726 A EP93101726 A EP 93101726A EP 0556652 A2 EP0556652 A2 EP 0556652A2
Authority
EP
European Patent Office
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switch
semiconductor switch
protective device
magnetic
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP93101726A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0556652A3 (en
Inventor
Fritz Pohl
Wilfried Jaehner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0556652A2 publication Critical patent/EP0556652A2/en
Publication of EP0556652A3 publication Critical patent/EP0556652A3/xx
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H89/00—Combinations of two or more different basic types of electric switches, relays, selectors and emergency protective devices, not covered by any single one of the other main groups of this subclass
    • H01H89/06—Combination of a manual reset circuit with a contactor, i.e. the same circuit controlled by both a protective and a remote control device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means

Definitions

  • the invention relates to an electromechanical protective device for a semiconductor switch to which a commutation switch is assigned.
  • Combinations of semiconductor switches and mechanical switches are known as hybrid switches.
  • the mechanical switch carries the continuous current when it is switched on, while the semiconductor switch enables the current branch to be switched on and off without arcing. Since semiconductor switches are not short-circuit proof, they require special protective devices against excessive current loads.
  • a known embodiment of a switching device for a consumer contains a series connection of a mechanical switch with a semiconductor switch, which takes over the arc-free switching on and off of the consumer in nominal operation.
  • a commutation contact which is provided with a drive, is connected in parallel with the semiconductor switch.
  • the mechanical switch In the event of a short circuit, the mechanical switch is triggered by its n-release.
  • the switching arc commutates from the contact point to a running rail and is finally separated and switched off in a quenching chamber by quenching plates.
  • the semiconductor current branch to the fixed contact of the mechanical switch is de-energized and the I2t heat load of the semiconductor only reaches about 1/10 to 1/20 of the forward I2t value.
  • the semiconductor switch can be subjected to current changes with a steep rise due to arcing backfire between the running rail and the fixed contact (US Pat. No. 4,725,911).
  • the invention is based on the object of improving and further developing this known embodiment of an electromechanical protective device for the semiconductor switch, in particular the commutation switch is also intended to carry the current in rated operation and to relieve the semiconductor switch quickly in the event of a short circuit.
  • the commutation switch is switched on in nominal operation by the second magnet coil of the magnetic drive after the first semiconductor switch and switched off before the first semiconductor switch, so that the first semiconductor switch takes over the switching function in the nominal operation of the consumer, however is relieved of the nominal current. In rated operation, an electrical power loss of the first semiconductor switch is thus largely avoided by the switched-on commutation switch.
  • the second magnetic coil is excited with a control current for the operational switching on and off of the first semiconductor switch. Both solenoids work in the same magnetic release and are supplied from the same phase, so that no opposite magnetizations can occur.
  • the commutation switch is switched on without delay by the first magnetic coil through which the short-circuit current flows, preferably within 1 ms, and the first semiconductor switch is immediately relieved.
  • FIG. 1 schematically illustrates an exemplary embodiment of an electromechanical protective device according to the invention.
  • Figures 2 and 3 each show a further embodiment of this device.
  • Figure 4 an embodiment of the protective device as a hybrid switch is shown in section. This device is illustrated in a top view in FIG.
  • a consumer 2 is connected via a semiconductor switch 4, for example two antiparallel thyristors, to which a commutation switch 7 with a parallel connection of an undelayed switch contact 8 and a delayed switch contact 9, and a power switch 6 are connected to a power supply line , which is designated L and N in the figure.
  • the semiconductor switch 4 is bridged by the commutation switch 7.
  • the commutation switch 7 is assigned a magnetic drive 10 with two magnetic coils 11 and 12, of which the first magnetic coil 11 is arranged in series with the first semiconductor switch 4.
  • the second magnetic coil 12 is connected in parallel with a second semiconductor switch 5 of the series circuit comprising the magnetic coil 11 and the consumer 2.
  • a control voltage source 14 and a control contact 16 are provided, which can be actuated by a control set 18.
  • the commutation switch 7 is actuated by the second solenoid 12 of the magnetic drive 10 so that it is after the time in nominal operation of the consumer 2 Semiconductor switch 4 is turned on and timed off before the semiconductor switch 4.
  • the control unit 18 sends a switch-on signal to the two semiconductor switches 4 and 5 via the control switch 16, which switches on the semiconductor switches 4 and 5 without delay.
  • the magnetic coil 12 receives a control current via the semiconductor switches 4 and 5, which actuates the magnetic drive 10 and switches on the commutation switch 7.
  • a switch-off signal reaches the semiconductor switch 5 without delay and switches the commutation switch 7 off with the magnetic coil 12. With the predetermined time delay, the semiconductor switch 4 and thus the consumer 2 are also switched off in the nominal operation of the consumer 2.
  • This electromechanical protective device for the semiconductor switch 4 is provided for remote-controlled, relatively frequent switching of the consumer 2, the electrical losses of the semiconductor switch 4 being small during the switching processes and a heat sink not being required.
  • the neutral connection can be used to reduce the number of conductor connections between the solenoid 12 and the N-rail supplied through a control connection and connected internally.
  • the line protection is taken over by the upstream circuit breaker 6, which can then preferably be a line circuit breaker.
  • the commutation switch 7 remains in the switched-on state as long as the consumer 2 is to remain switched on. If a short circuit occurs while the commutation switch 7 is closed, the short circuit current flows through the circuit breaker 6 and the switch contact 8. The electrical components connected in parallel with the switch contact, in particular the semiconductor switch 4, are therefore not loaded by the short circuit current. Since the second solenoid 12 only switches on the switching contact 8 after a predetermined delay, for example after a few milliseconds, the semiconductor switch 4 needs to be protected against short-circuit when the short-circuit is switched on by actuating the commutation switch 7 by the first solenoid 11 within a short time, which generally does not significantly exceed 1 ms and is preferably between 0.5 ms and 1 ms.
  • the two magnetic coils 11 and 12 generate a rectified magnetic field and therefore do not interfere with simultaneous operation.
  • the semiconductor switch 4 is thus already protected against short-circuit consequences.
  • the protection is provided by the very fast switching on of the switching contact 8 by means of the first magnet coil 11.
  • the commutation switch 7 is given such a strong contact force by the magnet drive 10 with the magnet coils 11 and 12 that it can carry the short circuit current without Open electricity forces.
  • the commutation switch 7 connects the semiconductor switch in series 4 bridged with the solenoid 11. In the event of a short circuit, the solenoid 11 thus switches the switch 4 and turns itself off.
  • a circuit breaker is provided as the upstream switch 6 and takes over the short-circuit protection of the consumer 2.
  • a trigger in particular a thermal trigger 28, can be arranged in series with the consumer 2, for example between the consumer 2 and the semiconductor switch 4, which acts in the event of an overcurrent on the control switch 16 and the semiconductor switches 4 and 5 and so that the commutation switch 7 is actuated.
  • a magnetic core 30 is concentrically surrounded by the first magnetic coil 11 and the second magnetic coil 12.
  • the magnetic core 30 is firmly connected to a plunger 32 made of insulating material.
  • An armature 34 which forms the common movable part of the commutation switch 7 with its two switching contacts 8 and 9, is movably mounted on this plunger 32 in the axial direction.
  • a movable contact ring 36 and a fixed contact ring 37 form the switch contact 8, while the armature 34 forms the delayed switch contact 9 as a movable contact with the fixed magnetic core 30.
  • the armature 34 is arranged in an insulating sleeve 38 so as to be movable in the axial direction.
  • This insulating sleeve 38 serves as a guide body for the armature 34 and thus for the switching contact 9 and insulates the yoke 40 of the magnetic drive 10 relative to the armature 34.
  • the insulating sleeve 38 can in particular at least partially consist of ferritic material.
  • the lower end of the magnetic coil 11, which is designed for the short-circuit current, can for example be electrically conductively connected to the yoke 40.
  • a motor provided as a consumer 2 is also connected to this end.
  • the upper end of the coil 11 is connected to the two semiconductor switches 4 and 5.
  • the second magnetic coil 12 provided for the nominal operation is connected between the semiconductor switch 5 and the neutral pole N of the power supply.
  • the circuit breaker 6, for example a circuit breaker, and also the first semiconductor switch 4 are connected to the connection terminal of the commutation switch 7, which is not described in any more detail.
  • the magnetic core 30 can be provided with a short-circuiting ring, not shown in the figure, which encloses part of the pole face, preferably about 50% of the pole face.
  • the main magnetic flux between the armature 34 and the magnetic core 30 induces an electric current in the short-circuit ring. This generates two partial magnetic fluxes with opposite signs in the pole faces of the armature 34 and the magnetic core 30.
  • the total magnetic flux results from the superposition of the main magnetic flux with the partial magnetic fluxes.
  • the induction distribution over the air gap cross-section which is part of the total flow, is distinguished by the fact that the induction when the coils 11 or 12 (50 Hz) are switched on at no time becomes zero in the entire air gap and therefore the magnetic force always remains greater than zero. This avoids contact uncertainties on the contact devices.
  • the connecting conductor 42 is connected to the circuit breaker 6 and the semiconductor switch 4.
  • a device in the event of a short-circuit at the consumer 2, can be activated which interrupts the signal line of the magnetic release 10 and actuates a restart lock.
  • the embodiments according to the exemplary embodiments in FIGS. 1 to 4 can also be used in a three-pole device with three mains connections L1, L2, L3 and one connection of the neutral conductor N, or in a four-pole device with mains connections L1, L2, L3 and N. , be integrated.
  • the control signals of the control contact 16 then act on all three phases and the switching on or off always takes place with three or four poles.

Landscapes

  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)

Abstract

To switch a load (2), a hybrid switch is provided which contains a first semiconductor switch (4) with a commutation switch (7). According to the invention, the commutation switch (7), which bypasses at least the first semiconductor switch (4), is associated with a magnetic drive (10) with a first magnetic coil (11) through which the short-circuit current flows, and a second semiconductor switch (5) which is connected, in series with a second magnetic coil (12), in parallel with the series circuit of the first magnetic coil (11) and the load (2). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Schutzeinrichtung für einen Halbleiterschalter, dem ein Kommutierungsschalter zugeordnet ist.The invention relates to an electromechanical protective device for a semiconductor switch to which a commutation switch is assigned.

Kombinationen aus Halbleiterschaltern und mechanischen Schaltern bezeichnet man als Hybridschalter. Der mechanische Schalter trägt im Einschaltzustand den Dauerstrom, während der Halbleiterschalter ein lichtbogenfreies Ein- und Ausschalten des Stromzweiges ermöglicht. Da Halbleiterschalter nicht kurzschlußfest sind, benötigen sie besondere Schutzeinrichtungen gegen zu hohe Strombelastung.Combinations of semiconductor switches and mechanical switches are known as hybrid switches. The mechanical switch carries the continuous current when it is switched on, while the semiconductor switch enables the current branch to be switched on and off without arcing. Since semiconductor switches are not short-circuit proof, they require special protective devices against excessive current loads.

Eine bekannte Ausführungsform einer Schalteinrichtung für einen Verbraucher enthält eine Reihenschaltung eines mechanischen Schalters mit einem Halbleiterschalter, der das lichtbogenfreie Ein- und Ausschalten des Verbrauchers im Nennbetrieb übernimmt. Dem Halbleiterschalter ist ein Kommutierungskontakt parallelgeschaltet, der mit einem Antrieb versehen ist. Im Kurzschlußfall wird der mechanische Schalter durch seinen n-Auslöser ausgelöst. Der Schaltlichtbogen kommutiert von der Kontaktstelle auf eine Laufschiene und wird schließlich in einer Löschkammer durch Löschbleche aufgetrennt und abgeschaltet. Durch die Kommutierung des Lichtbogens von der Kontaktstelle auf die Laufschiene wird der Halbleiterstromzweig zum Festkontakt des mechanischen Schalters stromlosgeschaltet und die I²t-Wärmebelastung des Halbleiters erreicht nur etwa 1/10 bis 1/20 des Durchlaß-I²t-Wertes. Durch Lichtbogenrückzündungen zwischen Laufschiene und Festkontakt kann der Halbleiterschalter jedoch Stromänderungen mit steilem Anstieg ausgesetzt sein (US-Patent 4 725 911).A known embodiment of a switching device for a consumer contains a series connection of a mechanical switch with a semiconductor switch, which takes over the arc-free switching on and off of the consumer in nominal operation. A commutation contact, which is provided with a drive, is connected in parallel with the semiconductor switch. In the event of a short circuit, the mechanical switch is triggered by its n-release. The switching arc commutates from the contact point to a running rail and is finally separated and switched off in a quenching chamber by quenching plates. By commutating the arc from the contact point to the running rail, the semiconductor current branch to the fixed contact of the mechanical switch is de-energized and the I²t heat load of the semiconductor only reaches about 1/10 to 1/20 of the forward I²t value. However, the semiconductor switch can be subjected to current changes with a steep rise due to arcing backfire between the running rail and the fixed contact (US Pat. No. 4,725,911).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Ausführungsform einer elektromechanischen Schutzeinrichtung für den Halbleiterschalter zu verbessern und weiter auszugestalten, insbesondere soll der Kommutierungsschalter zugleich im Nennbetrieb den Strom führen und im Kurzschlußfall den Halbleiterschalter schnell entlasten.The invention is based on the object of improving and further developing this known embodiment of an electromechanical protective device for the semiconductor switch, in particular the commutation switch is also intended to carry the current in rated operation and to relieve the semiconductor switch quickly in the event of a short circuit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Der Kommutierungsschalter wird im Nennbetrieb von der zweiten Magnetspule des Magnetantriebs nach dem ersten Halbleiterschalter eingeschaltet und vor dem ersten Halbleiterschalter ausgeschaltet, so daß der erste Halbleiterschalter im Nennbetrieb des Verbrauchers die Schaltfunktion übernimmt, jedoch vom Nennstrom entlastet ist. Im Nennbetrieb wird somit durch den eingeschalteten Kommutierungsschalter eine elektrische Verlustleistung des ersten Halbleiterschalters weitgehend vermieden. Die zweite Magnetspule wird mit einem Steuerstrom zum betriebsmäßigen Ein- und Ausschalten des ersten Halbleiterschalters erregt. Beide Magnetspulen arbeiten im gleichen Magnetauslöser und werden von der gleichen Phase versorgt, so daß keine gegenläufigen Magnetisierungen auftreten können.This object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1. The commutation switch is switched on in nominal operation by the second magnet coil of the magnetic drive after the first semiconductor switch and switched off before the first semiconductor switch, so that the first semiconductor switch takes over the switching function in the nominal operation of the consumer, however is relieved of the nominal current. In rated operation, an electrical power loss of the first semiconductor switch is thus largely avoided by the switched-on commutation switch. The second magnetic coil is excited with a control current for the operational switching on and off of the first semiconductor switch. Both solenoids work in the same magnetic release and are supplied from the same phase, so that no opposite magnetizations can occur.

Wird der erste Halbleiterschalter auf einen Kurzschluß eingeschaltet, so wird der Kommutierungsschalter durch die vom Kurzschlußstrom durchflossene erste Magnetspule unverzögert eingeschaltet, vorzugsweise innerhalb 1 ms, und der erste Halbleiterschalter sofort entlastet.If the first semiconductor switch is switched on for a short circuit, the commutation switch is switched on without delay by the first magnetic coil through which the short-circuit current flows, preferably within 1 ms, and the first semiconductor switch is immediately relieved.

In einer Ausführungsform der Stromversorgung des Verbrauchers mit einem vorgeschalteten Leistungsschalter, der den Kurzschlußschutz übernimmt, kann mit dem Halbleiterschalter auch ein thermischer Auslöser in Reihe geschaltet sein, der mit einer Steuereinrichtung für die beiden Halbleiterschalter in Wirkverbindung steht und im falle eines Überstromes diesem ein Auslösesignal erteilt.In one embodiment of the power supply to the consumer with an upstream circuit breaker, which takes over the short-circuit protection, a thermal release can also be connected in series with the semiconductor switch, which is connected to a control device for the two semiconductor switches in There is an active connection and, in the event of an overcurrent, issues a trigger signal.

Mit dem Einschalten des Kommutierungsschalters im Nennbetrieb wird auch die erste Magnetspule entlastet.When the commutation switch is switched on in nominal operation, the first solenoid coil is also relieved.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils eine weitere Ausführungsform dieser Einrichtung. In Figur 4 ist eine Ausführungsform der Schutzeinrichtung als Hybridschalter im Schnitt dargestellt. In Figur 5 ist diese Einrichtung in einer Draufsicht veranschaulicht.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which FIG. 1 schematically illustrates an exemplary embodiment of an electromechanical protective device according to the invention. Figures 2 and 3 each show a further embodiment of this device. In Figure 4, an embodiment of the protective device as a hybrid switch is shown in section. This device is illustrated in a top view in FIG.

In der Ausführungsform einer elektromechanischen Schutzeinrichtung gemäß Figur 1 ist ein Verbraucher 2 über einen Halbleiterschalter 4, beispielsweise zwei antiparallele Thyristoren, dem ein Kommutierungsschalter 7 mit einer Parallelschaltung eines unverzögerten Schalterkontaktes 8 und eines verzögerten Schaltkontaktes 9 zugeordnet ist, sowie einen Leistungsschalter 6 an eine Stromversorgungsleitung angeschlossen, die in der Figur mit L und N bezeichnet ist. Der Halbleiterschalter 4 wird vom Kommutierungsschalter 7 überbrückt. Dem Kommutierungsschalter 7 ist ein Magnetantrieb 10 mit zwei Magnetspulen 11 und 12 zugeordnet, von denen die erste Magnetspule 11 in Reihe mit dem ersten Halbleiterschalter 4 angeordnet ist. Die zweite Magnetspule 12 ist in Reihe mit einem zweiten Halbleiterschalter 5 der Reihenschaltung aus der Magnetspule 11 und dem Verbraucher 2 parallelgeschaltet. Für die Halbleiterschalter 4 und 5 ist eine Steuerspannungsquelle 14 und ein Steuerkontakt 16 vorgesehen, der von einem Steuersatz 18 betätigt werden kann. Der Kommutierungsschalter 7 wird von der zweiten Magnetspule 12 des Magnetantriebs 10 so betätigt, daß er im Nennbetrieb des Verbrauchers 2 zeitlich nach dem Halbleiterschalter 4 eingeschaltet und zeitlich vor dem Halbleiterschalter 4 ausgeschaltet wird.In the embodiment of an electromechanical protective device according to FIG. 1, a consumer 2 is connected via a semiconductor switch 4, for example two antiparallel thyristors, to which a commutation switch 7 with a parallel connection of an undelayed switch contact 8 and a delayed switch contact 9, and a power switch 6 are connected to a power supply line , which is designated L and N in the figure. The semiconductor switch 4 is bridged by the commutation switch 7. The commutation switch 7 is assigned a magnetic drive 10 with two magnetic coils 11 and 12, of which the first magnetic coil 11 is arranged in series with the first semiconductor switch 4. The second magnetic coil 12 is connected in parallel with a second semiconductor switch 5 of the series circuit comprising the magnetic coil 11 and the consumer 2. For the semiconductor switches 4 and 5, a control voltage source 14 and a control contact 16 are provided, which can be actuated by a control set 18. The commutation switch 7 is actuated by the second solenoid 12 of the magnetic drive 10 so that it is after the time in nominal operation of the consumer 2 Semiconductor switch 4 is turned on and timed off before the semiconductor switch 4.

Der Halbleiterschalter 4 kann deshalb vorzugsweise mit einer Ausschaltverzögerung 20 versehen sein, die in bekannter Weise aufgebaut sein kann und beispielsweise eine Diode 21 und eine Reihenschaltung von Widerständen 22 und 23 sowie eine Kapazität 24 enthalten kann. Das RC-Glied aus dem Widerstand 22 und der Kapazität 24 bestimmt die Ausschaltverzögerung des Halbleiterschalters 4.The semiconductor switch 4 can therefore preferably be provided with a switch-off delay 20, which can be constructed in a known manner and can contain, for example, a diode 21 and a series connection of resistors 22 and 23 and a capacitor 24. The RC element comprising the resistor 22 and the capacitor 24 determines the switch-off delay of the semiconductor switch 4.

Zum Einschalten des Verbrauchers 2 wird vom Steuersatz 18 über den Steuerschalter 16 ein Einschaltsignal an die beiden Halbleiterschalter 4 und 5 gegeben, das die Halbleiterschalter 4 und 5 unverzögert einschaltet. Die Magnetspule 12 erhält über die Halbleiterschalter 4 und 5 einen Steuerstrom, der den Magnetantrieb 10 betätigt und den Kommutierungsschalter 7 einschaltet. Ein Ausschaltsignal erreicht den Halbleiterschalter 5 unverzögert und schaltet mit der Magnetspule 12 den Kommutierungsschalter 7 aus. Mit der vorbestimmten Zeitverzögerung wird im Nennbetrieb des Verbrauchers 2 auch der Halbleiterschalter 4 und damit der Verbraucher 2 ausgeschaltet. Während das Einschalten des Kommutierungsschalters 7 durch seine Ansprechzeit zwangsläufig unmittelbar nach dem Einschalten der Halbleiterschalter 4 und 5 erfolgt, wird das Ausschalten des Halbleiterschalters 4 durch die Ausschaltverzögerung 20 soweit verzögert, daß der Kommutierungsschalter 7 lichtbogenfrei öffnen kann.To switch on the consumer 2, the control unit 18 sends a switch-on signal to the two semiconductor switches 4 and 5 via the control switch 16, which switches on the semiconductor switches 4 and 5 without delay. The magnetic coil 12 receives a control current via the semiconductor switches 4 and 5, which actuates the magnetic drive 10 and switches on the commutation switch 7. A switch-off signal reaches the semiconductor switch 5 without delay and switches the commutation switch 7 off with the magnetic coil 12. With the predetermined time delay, the semiconductor switch 4 and thus the consumer 2 are also switched off in the nominal operation of the consumer 2. While switching on the commutation switch 7 inevitably takes place immediately after switching on the semiconductor switches 4 and 5 due to its response time, the switching off of the semiconductor switch 4 is delayed by the switch-off delay 20 to such an extent that the commutation switch 7 can open without arcing.

Diese elektromechanische Schutzeinrichtung für den Halbleiterschalter 4 ist zum ferngesteuerten, verhältnismäßig häufigen Schalten des Verbrauchers 2 vorgesehen, wobei die elektrischen Verluste des Halbleiterschalters 4 während der Schaltvorgänge klein sind und ein Kühlkörper nicht benötigt wird. Zur Reduzierung der Zahl der Leiteranschlüsse kann der Nulleiteranschluß zwischen der Magnetspule 12 und der N-Schiene durch einen Steueranschluß zugeführt und intern verbunden werden. Der Leitungsschutz wird in dieser Ausführungsform von dem vorgeordneten Leistungsschalter 6 übernommen, der dann vorzugsweise ein Leitungsschutzschalter sein kann.This electromechanical protective device for the semiconductor switch 4 is provided for remote-controlled, relatively frequent switching of the consumer 2, the electrical losses of the semiconductor switch 4 being small during the switching processes and a heat sink not being required. The neutral connection can be used to reduce the number of conductor connections between the solenoid 12 and the N-rail supplied through a control connection and connected internally. In this embodiment, the line protection is taken over by the upstream circuit breaker 6, which can then preferably be a line circuit breaker.

Der Kommutierungsschalter 7 bleibt im eingeschalteten Zustand, solange der Verbraucher 2 eingeschaltet bleiben soll. Tritt ein Kurzschluß ein, während der Kommutierungsschalter 7 geschlossen ist, so fließt der Kurzschlußstrom über den Leistungsschalter 6 und den Schaltkontakt 8. Die zum Schaltkontakt parallelgeschalteten elektrischen Bauteile, insbesondere der Halbleiterschalter 4, werden somit nicht vom Kurzschlußstrom belastet. Da beim Einschaltvorgang die zweite Magnetspule 12 den Schaltkontakt 8 erst nach einer vorbestimmten Verzögerung, beispielsweise erst nach einigen Millisekunden, einschaltet, benötigt man zum Kurzschlußschutz des Halbleiterschalters 4 beim Draufschalten auf einen Kurzschluß die Betätigung des Kommutierungsschalters 7 durch die erste Magnetspule 11 innerhalb kurzer Zeit, die im allgemeinen 1 ms nicht wesentlich überschreitet und vorzugsweise zwischen 0,5 ms und 1 ms liegt. Die beiden Magnetspulen 11 und 12 erzeugen ein gleichgerichtetes Magnetfeld und stören sich deshalb im gleichzeitigen Betrieb nicht. Im geschlossenen Zustand des Schaltkontaktes 8 ist somit der Halbleiterschalter 4 bereits gegen Kurzschlußfolgen geschützt. Beim Einschalten auf einen Kurzschluß erfolgt der Schutz durch das sehr schnelle Einschalten des Schaltkontaktes 8 mittels der ersten Magnetspule 11. Der Kommutierungsschalter 7 erhält durch den Magnetantrieb 10 mit den Magnetspulen 11 und 12 eine so starke Kontaktkraft, daß er den Kurzschlußstrom führen kann, ohne durch Stromkräfte zu öffnen.The commutation switch 7 remains in the switched-on state as long as the consumer 2 is to remain switched on. If a short circuit occurs while the commutation switch 7 is closed, the short circuit current flows through the circuit breaker 6 and the switch contact 8. The electrical components connected in parallel with the switch contact, in particular the semiconductor switch 4, are therefore not loaded by the short circuit current. Since the second solenoid 12 only switches on the switching contact 8 after a predetermined delay, for example after a few milliseconds, the semiconductor switch 4 needs to be protected against short-circuit when the short-circuit is switched on by actuating the commutation switch 7 by the first solenoid 11 within a short time, which generally does not significantly exceed 1 ms and is preferably between 0.5 ms and 1 ms. The two magnetic coils 11 and 12 generate a rectified magnetic field and therefore do not interfere with simultaneous operation. In the closed state of the switch contact 8, the semiconductor switch 4 is thus already protected against short-circuit consequences. When switching on for a short circuit, the protection is provided by the very fast switching on of the switching contact 8 by means of the first magnet coil 11. The commutation switch 7 is given such a strong contact force by the magnet drive 10 with the magnet coils 11 and 12 that it can carry the short circuit current without Open electricity forces.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, daß gemäß Figur 2 der Kommutierungsschalter 7 die Reihenschaltung des Halbleiterschalters 4 mit der Magnetspule 11 überbrückt. Im Kurzschlußfall schaltet somit die Magnetspule 11 den Schalter 4 und sich selbst aus.Under certain circumstances, it may be expedient that, according to FIG. 2, the commutation switch 7 connects the semiconductor switch in series 4 bridged with the solenoid 11. In the event of a short circuit, the solenoid 11 thus switches the switch 4 and turns itself off.

In einer Ausführungsform der Einrichtung gemäß Figur 3 mit vorzugsweise noch mehreren Abzweigen 26 ist als vorgeordneter Schalter 6 ein Leistungsschalter vorgesehen, der den Kurzschlußschutz des Verbrauchers 2 übernimmt. In dieser Ausführungsform kann in Reihe mit dem Verbraucher 2, beispielsweise zwischen dem Verbraucher 2 und dem Halbleiterschalter 4, ein Auslöser, insbesondere ein thermischer Auslöser 28, angeordnet sein, der im Falle eines Überstromes auf den Steuerschalter 16 einwirkt und die Halbleiterschalter 4 und 5 und damit auch den Kommutierungsschalter 7 betätigt.In one embodiment of the device according to FIG. 3, preferably with a plurality of branches 26, a circuit breaker is provided as the upstream switch 6 and takes over the short-circuit protection of the consumer 2. In this embodiment, a trigger, in particular a thermal trigger 28, can be arranged in series with the consumer 2, for example between the consumer 2 and the semiconductor switch 4, which acts in the event of an overcurrent on the control switch 16 and the semiconductor switches 4 and 5 and so that the commutation switch 7 is actuated.

In der bevorzugten Ausführungsform eines Magnetantriebs 10 mit seinen beiden Magnetspulen 11 und 12 und dem Kommutierungsschalter 7 als Hybridschalter gemäß Figur 4 ist ein Magnetkern 30 von der ersten Magnetspule 11 und der zweiten Magnetspule 12 konzentrisch umgeben. Der Magnetkern 30 ist mit einem Stößel 32 aus Isoliermaterial fest verbunden. Auf diesem Stößel 32 ist ein Anker 34 in Achsrichtung beweglich gelagert, der den gemeinsamen beweglichen Teil des Kommutierungsschalters 7 mit seinen beiden Schaltkontakten 8 und 9 bildet. Ein beweglicher Kontaktkranz 36 und ein fester Kontaktring 37 bilden den Schaltkontakt 8, während der Anker 34 als beweglicher Kontakt mit dem festen Magnetkern 30 den verzögerten Schaltkontakt 9 bildet. Der Schaltkontakt 8 arbeitet mit einem kleineren Kontaktstand, beispielsweise S₁ = 2 mm, als der Schaltkontakt 9, beispielsweise S₂ = 3 mm, als vorlaufender Kontakt, so daß der verzögerte Schaltkontakt 9 in jedem Fall lichtbogenfrei schließt und öffnet. Der Anker 34 ist in einer Isolierhülse 38 in Achsrichtung beweglich angeordnet. Diese Isolierhülse 38 dient als Führungskörper für den Anker 34 und somit für den Schaltkontakt 9 und isoliert das Joch 40 des Magnetantriebs 10 gegenüber dem Anker 34. Zur Erhöhung des magnetischen Flusses im Magnetantrieb 10 kann die Isolierhülse 38 insbesondere wenigstens teilweise aus ferritischem Material bestehen. Das untere Ende der Magnetspule 11, die für den Kurzschlußstrom ausgelegt ist, kann beispielsweise mit dem Joch 40 elektrisch leitend verbunden sein. An dieses Ende wird auch ein als Verbraucher 2 vorgesehener Motor angeschlossen. Das obere Ende der Spule 11 ist mit den beiden Halbleiterschaltern 4 und 5 verbunden. Die für den Nennbetrieb vorgesehene zweite Magnetspule 12 ist zwischen dem Halbleiterschalter 5 und dem neutralen Pol N der Stromversorgung angeschlossen. Mit der nicht näher bezeichneten Anschlußklemme des Kommutierungsschalters 7 sind der Leistungsschalter 6, beispielsweise ein Leitungsschutzschalter, und auch der erste Halbleiterschalter 4 verbunden.In the preferred embodiment of a magnetic drive 10 with its two magnetic coils 11 and 12 and the commutation switch 7 as a hybrid switch according to FIG. 4, a magnetic core 30 is concentrically surrounded by the first magnetic coil 11 and the second magnetic coil 12. The magnetic core 30 is firmly connected to a plunger 32 made of insulating material. An armature 34, which forms the common movable part of the commutation switch 7 with its two switching contacts 8 and 9, is movably mounted on this plunger 32 in the axial direction. A movable contact ring 36 and a fixed contact ring 37 form the switch contact 8, while the armature 34 forms the delayed switch contact 9 as a movable contact with the fixed magnetic core 30. The switch contact 8 works with a smaller contact level, for example S₁ = 2 mm, than the switch contact 9, for example S₂ = 3 mm, as a leading contact, so that the delayed switch contact 9 closes and opens in any case without arcing. The armature 34 is arranged in an insulating sleeve 38 so as to be movable in the axial direction. This insulating sleeve 38 serves as a guide body for the armature 34 and thus for the switching contact 9 and insulates the yoke 40 of the magnetic drive 10 relative to the armature 34. In order to increase the magnetic flux in the magnetic drive 10, the insulating sleeve 38 can in particular at least partially consist of ferritic material. The lower end of the magnetic coil 11, which is designed for the short-circuit current, can for example be electrically conductively connected to the yoke 40. A motor provided as a consumer 2 is also connected to this end. The upper end of the coil 11 is connected to the two semiconductor switches 4 and 5. The second magnetic coil 12 provided for the nominal operation is connected between the semiconductor switch 5 and the neutral pole N of the power supply. The circuit breaker 6, for example a circuit breaker, and also the first semiconductor switch 4 are connected to the connection terminal of the commutation switch 7, which is not described in any more detail.

Der Magnetkern 30 kann in seiner dem Schaltkontakt 9 zugewandten Polfläche mit einem in der Figur nicht dargestellten Kurzschlußring versehen sein, der einen Teil der Polflache, vorzugsweise etwa 50 % der Polfläche, umschließt. Der magnetische Hauptfluß zwischen dem Anker 34 und dem Magnetkern 30 induziert im Kurzschlußring einen elektrischen Strom. Dieser erzeugt in den Polflächen des Ankers 34 und Magnetkerns 30 zwei magnetische Teilflüsse mit entgegengesetztem Vorzeichen. Der magnetische Gesamtfluß ergibt sich aus der Überlagerung des magnetischen Hauptflusses mit den magnetischen Teilflüssen. Die zum Gesamtfluß gehörende Induktionsverteilung über den Luftspaltquerschnitt zeichnet sich dadurch aus, daß die Induktion bei eingeschalteten Spulen 11 oder 12 (50 Hz) zu keinem Zeitpunkt im gesamten Luftspalt zu Null wird und daher auch die Magnetkraft immer größer als Null bleibt. Dadurch werden Kontaktunsicherheiten an den Kontakteinrichtungen vermieden.In its pole face facing the switch contact 9, the magnetic core 30 can be provided with a short-circuiting ring, not shown in the figure, which encloses part of the pole face, preferably about 50% of the pole face. The main magnetic flux between the armature 34 and the magnetic core 30 induces an electric current in the short-circuit ring. This generates two partial magnetic fluxes with opposite signs in the pole faces of the armature 34 and the magnetic core 30. The total magnetic flux results from the superposition of the main magnetic flux with the partial magnetic fluxes. The induction distribution over the air gap cross-section, which is part of the total flow, is distinguished by the fact that the induction when the coils 11 or 12 (50 Hz) are switched on at no time becomes zero in the entire air gap and therefore the magnetic force always remains greater than zero. This avoids contact uncertainties on the contact devices.

In der Draufsicht gemäß Figur 5 ist eine Ausführungsform der Kontakte 36 des Kommutierungsschalters 7 als Kontaktkranz dargestellt, der oberhalb des Joches 40 mit dem Anker 34 beweglich angeordnet ist. Der Anschlußleiter 42 ist mit dem Leistungsschalter 6 und dem Halbleiterschalter 4 verbunden.5 is an embodiment of the Contacts 36 of the commutation switch 7 shown as a contact ring, which is arranged above the yoke 40 with the armature 34 movably. The connecting conductor 42 is connected to the circuit breaker 6 and the semiconductor switch 4.

Abweichend von der Ausführungsform gemäß Figur 3 kann im Falle eines Kurzschlusses am Verbraucher 2 eine in der Figur nicht dargestellte Einrichtung angesteuert werden, welche die Signalleitung des Magnetauslösers 10 unterbricht und eine Wiedereinschaltsperre betätigt.In a departure from the embodiment according to FIG. 3, in the event of a short-circuit at the consumer 2, a device (not shown in the figure) can be activated which interrupts the signal line of the magnetic release 10 and actuates a restart lock.

Für eine dreipolige Schutzeinrichtung können die Ausführungsformen gemäß den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 4 auch in einem dreipoligen Gerät mit drei Netzanschlüssen L1, L2, L3 und einem Anschluß des Nulleiters N, bzw. in einem vierpoligen Gerät mit Netzanschlüssen L1, L2, L3 und N, integriert sein. Die Steuersignale des Steuerkontakts 16 wirken dann auf alle drei Phasen und die Ein- oder Ausschaltungen erfolgen immer dreipolig bzw. vierpolig.For a three-pole protective device, the embodiments according to the exemplary embodiments in FIGS. 1 to 4 can also be used in a three-pole device with three mains connections L1, L2, L3 and one connection of the neutral conductor N, or in a four-pole device with mains connections L1, L2, L3 and N. , be integrated. The control signals of the control contact 16 then act on all three phases and the switching on or off always takes place with three or four poles.

Claims (8)

Elektromechanische Schutzeinrichtung für einen Hybridschalter, der einen ersten Halbleiterschalter mit einem Kommutierungsschalter enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kommutierungsschalter (7), welcher den ersten Halbleiterschalter (4) überbrückt, ein Magnetantrieb (10) zugeordnet ist, der eine vom Kurzschlußstrom durchflossene erste Magnetspule (11) und einen zweiten Halbleiterschalter (5) enthält, der in Reihe mit einer zweiten Magnetspule (12) der Reihenschaltung der ersten Magnetspule (11) mit dem Verbraucher (2) parallelgeschaltet ist (Figur 1).Electromechanical protective device for a hybrid switch which contains a first semiconductor switch with a commutation switch, characterized in that the commutation switch (7), which bridges the first semiconductor switch (4), is assigned a magnetic drive (10) which has a first magnetic coil through which the short-circuit current flows ( 11) and a second semiconductor switch (5), which is connected in parallel with the consumer (2) in series with a second magnetic coil (12) of the series connection of the first magnetic coil (11) (Figure 1). Elektromechanische Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterschalter (4) mit einer Ausschaltverzögerung (20) versehen ist (Figur 1).Electromechanical protective device according to claim 1, characterized in that the first semiconductor switch (4) is provided with a switch-off delay (20) (Figure 1). Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungsschalter (7) eine Parallelschaltung eines unverzögerten Schaltkontaktes (8) und eines verzögerten Schaltkontaktes (9) enthält (Figur 2).Protective device according to Claim 1, characterized in that the commutation switch (7) contains a parallel connection of an undelayed switching contact (8) and a delayed switching contact (9) (Figure 2). Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Kommutierungsschalter (7) enthaltender Brückenstrompfad die Reihenschaltung des ersten Halbleiterschalters (4) mit der ersten Magnetspule (11) überbrückt (Figur 2).Protective device according to Claim 1, characterized in that a bridge current path containing the commutation switch (7) bridges the series circuit of the first semiconductor switch (4) with the first magnet coil (11) (Figure 2). Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis des ersten Halbleiterschalters (4) einen Steuerkontakt (16) enthält, der in Wirkverbindung steht mit einem thermischen Auslöser (28), der mit dem Verbraucher (2) in Reihe geschaltet ist (Figur 3).Protective device according to Claim 4, characterized in that the control circuit of the first semiconductor switch (4) contains a control contact (16) which is operatively connected to a thermal release (28) which is connected in series with the consumer (2) (Figure 3 ). Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetantrieb (10) einen Magnetkern (30) enthält, der von einem Joch (40) umgeben ist, und daß zwischen dem Magnetkern (30) und dem Joch (40) eine Isolierhülse (38) angeordnet ist, die als Führungskörper für den Anker (34) vorgesehen ist.Protective device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the magnetic drive (10) contains a magnetic core (30) which is surrounded by a yoke (40) and that between the magnetic core (30) and the yoke (40) Insulating sleeve (38) is arranged, which is provided as a guide body for the armature (34). Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierhülse (38) wenigstens teilweise aus ferritischem Material besteht und den Luftspalt eines der Schaltkontakte (9) überbrückt.Protective device according to claim 6, characterized in that the insulating sleeve (38) consists at least partially of ferritic material and bridges the air gap of one of the switch contacts (9). Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine mehrpolige Ausführung.Protective device according to one of claims 1 to 7, characterized by a multi-pole version.
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