AT236499B - Von einer Welle betätigter synchroner Ein- oder Mehrphasenstrom-Leistungsschalter - Google Patents

Description

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  Von einer Welle betätigter synchroner Ein- oder
Mehrphas enstrom- Leistungs schalter 
Ein alter Wunsch der Elektrotechnik besteht darin, Wechselstrom-oder Drehstrom-Leistungskreise nach Möglichkeit lichtbogenfrei zu unterbrechen und einzuschalten. Die praktische Verwirklichung dieses Wunsches stösst auf die Schwierigkeit, dass die Vermeidung von Schaltlichtbögen in mechanischen Wechselstrom-bzw. Drehstromschaltern grösserer Leistung nur möglich ist, wenn die Schaltzeitpunkte bestimmte, sehr genau einzuhaltende Phasenlagen zum Wechselstrom bzw. zur Wechselspannung haben. 



   Einrichtungen zum synchronen Betätigen von Kontakten sind bekannt. Bei ihnen sind auch schon die mechanischen Schaltstrecken durch von einer synchron umlaufenden Welle angetriebenen Nocken gesteuert. Bei derartigen Einrichtungen wurden weiterhin Schaltstrecken durch Ventile überbrückt. Diese Ventile dienten jedoch lediglich dazu, kurzzeitig einen Bruchteil des Laststromes in einer dem Laststrom entgegengesetzten Richtung zu führen. Ihre Durchlassrichtung stimmt also nicht mit der Richtung des Energieflusses zum Verbraucher hin überein. 



   Weiterhin ist auch bereits eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der mechanische Schaltstrecken durch Ventile überbrückt werden, die für den Zeitraum einer Halbwelle den Energiefluss in Richtung zum Verbraucher übernehmen können. Eine Lehre, eine derartige Einrichtung mit einer Nockensteuerung für die mechanischen Schaltstrecken zu versehen, wie dies insbesondere für Mehrphasenschalter vorteilhaft 
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 undb) Die mechanischen Schaltstrecken werden durch eine synchron umlaufende Welle mit Hilfe von
Nocken betätigt. c) Die Welle wirkt jeweils nur zur Auslösung des gewünschten einzelnen Schaltvorganges auf die mechanischen Schaltstrecken ein. 



   Bei der Erfindung wirkt die synchron umlaufende Welle nicht kontinuierlich, sondern jeweils nur zur
Auslösung des gewünschten einzelnen Schaltvorganges auf die mechanischen Schaltstrecken ein. Dies kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden. 



   Beispielsweise kann man einen schnell anlaufenden Synchronmotor verwenden und diesen mit Hilfe eines Schalters bei jedem gewünschten Schaltvorgang vorübergehend in Betrieb setzen. Zweckmässigerweise wird dann die Wiederstillsetzung des Motors durch Hilfskontakte auf der Welle selbsttätig vorgenommen, derart, dass die Drehbewegung der Welle zum Stillstand, kommt, nachdem der Schaltvorgang beendet ist. 



   Statt des schnell anlaufenden und nur intermittierend arbeitenden Synchronmotor kann auch ein ständig laufender Motor verwendet werden, wenn zwischen dem Motor und der Welle eine Kupplung vorgesehen ist, die nur während der jeweilig gewünschten   Schaltvorgänge   kurzzeitig, beispielsweise elektromagnetisch, eingeschaltet wird,   u. zw.   derart, dass die Welle eine definierte Phasenlage zum Anker des Synchronmotor erhält. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass das Konstruktionsglied zwischen der Welle und den Kontakten, das letztere betätigt, teleskopartig derart ausgebildet wird, dass bei ständig umlaufender Welle die Kontakte sowohl im offenen als auch im geschlossenen Zustand gehalten werden können. 



   In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In Fig. l ist 1 ein Synchronmotor, 2 ein Verbraucher, 3 die umlaufende Welle mit Exzentern 4, 5, 6. Diese Exzenter betätigten Kontakte 7, 8, 9. Parallel zu den Kontakten liegen je zwei in Reihe geschaltete Dioden 10, 11, 12, welche durch Sicherungen 13,14, 15 vor Überlastung geschützt sein können. 



   Auf der Welle laufen zwei weitere Exzenter 16,17 um, welche   Hilfskontakte   18,19 betätigen. Der Synchronmotor 1 wird mit Hilfe eines Drehstromschalters 20 ein-und ausgeschaltet, indem die Erregerspule dieses Schalters über die Leitung 21 beschickt wird. Die zu den Hilfskontakten 18,19 führenden Leitungen 22,23 können dabei mit 21 derart zusammengeschaltet werden, dass der Synchronmotor sich jeweils selbsttätig wieder abschaltet, wenn die Hauptkontakte 7,8, 9 in gewünschter Weise betätigt wurden. 



   Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung, bei der der Synchronmotor 1 ständig umläuft, die Welle jedoch mit Hilfe einer magnetischen Kupplung 24 nur vorübergehend an dieser Drehbewegung teilnimmt. Auch hier können die Leitungen 22,23 zu den Hilfskontakten 18,19 derart mit der Steuerleitung für die magnetische Kupplung zusammenarbeiten, dass nach erfolgtem Schaltvorgang im Hauptstromkreis die Kupplung sich selbsttätig wieder löst. 



   Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung. 30 ist eine umlaufende Welle, die Exzenter 31 bewegt. Auf dem Exzenter 31 arbeitet ein Stössel 32, der mit Hilfe der Feder 33 teleskopartig mit dem Rohr 34, das in einer Führungsbuchse 35 gleitet, verbunden ist. Die obere Stirnfläche des Rohres 34 schlägt gegen eine Kontaktbrücke 36, die sich durch eine Feder 37 gegen feste Kontaktstücke 38,39 legt und dadurch den Arbeitskontakt schliesst. 



   Bewegt sich der Stössel 32 bzw. 34 nach oben, so wird die Brücke 36 von den Kontakten 38,39 abgehoben, so dass der Arbeitsstromkreis unterbrochen ist. Die Bewegung des Rohres 34 kann durch Sperrstifte arretiert werden, u. zw. durch den Stift 41 in der Nähe der unteren Totlage, so dass der Arbeitskontakt 36 ständig geschlossen ist ; durch den Stift 40 in der Nähe der oberen Totlage, so dass der Arbeitskontakt 36 ständig geöffnet ist. Die Stifte 40,41 tragen Anker 42,43, welche durch Spulen 44,45 seitlich betätigt werden, so dass die Stifte das Rohr 34 freigeben.

   Bei ständig umlaufender Welle 30 und ständig arbeitendem Stössel 32 kann durch Beschickung der Spulen 44,45 erreicht werden, dass der aus den festen Stücken 38, 39 und der bewegten Brücke 36 gebildete Doppelkontakt ständig geschlossen, ständig offen und auchin einem bestimmten, durch den Erregerstrom der Spulen 44,45 gegebenen Rhythmus abwechselnd geschlossen und geöffnet ist. 



   Da durch die Paralleldioden und die synchrone Betätigung der Arbeitskontakte die Lichtbogenbildung an letzteren praktisch vermieden werden kann, genügt es, besonders bei Doppelunterbrechung, wenn der Trennhub der mechanischen Schaltstrecken nur von der Grössenordnung 1 mm ist. Dies hat zur Folge, dass der Aufwand für den synchronen Antrieb der Kontakte verringert wird. Man kann auch die sonst bei Leistungsschaltern   üblichen Löschkammern   entbehren, da durch die Wirkung der parallelgeschalteten Dioden die Löschwirkung der Schalter ausserordentlich erhöht wird. 

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   Im Gegensatz zu den bekannten mechanischen Gleichrichtern ist es nicht erforderlich, dass die Welle mit voller Tourenzahl läuft, vielmehr kann sie-zur Schonung der mechanischen Beanspruchungen-im untersetzten Synchronismus arbeiten, beispielsweise bei 50 Hz mit 1-10 Umdr/sec. Die Geschwindigkeit der Welle wird man soweit verringern, dass gerade noch die genügende Genauigkeit der Schaltzeitpunkte im Verhältnis zur elektrischen Phase sichergestellt ist. Anderseits wird man aber auch darauf Rücksicht nehmen müssen, in welchem zeitlichen Rhythmus das Ein- und Ausschalten des Lastkreises aufeinander folgen soll. 



   Will man beispielsweise einen Wechselstrom in jeder zweiten Periode ein-und ausschalten, so muss die Welle bei 50 Hz mit mindestens 25 Umdr/sec umlaufen. Im allgemeinen werden   Ein-und Ausschalt-   zeitpunkte nicht so nahe beieinander liegen, so dass man mit langsam laufender Welle auskommt. Den Synchronmotor stattet man vorteilhafterweise mit einem Permanent-Magnetanker aus, damit von den beiden um 1800 versetzten Synchronlagen nur eine zur Wirkung kommt, nämlich diejenige, die mit der Richtung der zu den Schaltstrecken parallelliegenden Dioden zur Ermöglichung lichtbogenfreien Schaltens übereinstimmt. Wenn man Anordnungen wie in Fig. l benutzt, sollte der Synchronmotor in möglichst kurzer Zeit hochlaufen, denn die Betätigung der Arbeitskontakte 7-9 darf erst dann erfolgen, wenn der 
Synchronmotor 1 im ordnungsgemässen Synchronismus läuft.

   Man kann dies dadurch erreichen, dass man durch ein Schnecken- oder Zahnradgetriebe die Welle 3 gegenüber dem Motor 1 genügend untersetzt, so dass auf den Nockenscheiben genügend Anlaufstrecken zur Verfügung stehen. Auf alle Fälle ist es vorteilhaft, einen möglichst schnell   anlaufenden Synchronmotor, beispielsweise einen Schrittmotor, zu verwen-   den. Man kann vorteilhafterweise Vielpolmotoren benutzen, da diese schnell im Synchronismus fallen und ausserdem keine so grosse Untersetzung der Nockenwelle verlangen. 



   Da normalerweise bei der beschriebenen Anordnung keine Schaltentladungen auftreten, kann man die ganze Anordnung hermetisch von der Aussenatmosphäre abschliessen, so dass sie nicht durch Feuchtigkeit. Staub oder Aggressivgase, wie sie in Industriebetrieben auftreten, gefährdet werden. Man kann auch zur schnellen Löschung eventuell noch auftretender Schaltentladungen das Innere des Schaltgerätes   mit einem lichtbogenl5chenden Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Schwefel-Hexa-Fluorid SF füllen. 



  Unter Umständen kommt auch Füllung mit Überdruck, mit Flüssigkeiten oder auch Vakuum in Frage.   



   Zweckmässigerweise macht man die Nocken auf der Welle einzeln einstellbar, damit man für jede
Phase den günstigsten Schaltzeitpunkt einstellen kann. Für Ein- und Ausschalten kann man zwei verschiedene Nocken benutzen, die getrennt voneinander eingestellt werden können. Bei Drehstrom werden die drei Phasen nicht gleichzeitig öffnen müssen, vielmehr kann man zwei Phasen gleichzeitig betätigen und die dritte etwa eine Halbwelle, je nach der Phasenlage, früher oder später. Durch Verstellung der Nocken auf der gemeinsamen Welle lassen sich die erforderlichen Versetzungen der Schaltzeiten gegeneinander auf einfache Weise erzielen. 



   Wenn die Phasenverschiebung des Verbrauchers festliegt, wie beispielsweise beim Antrieb eines einzelnen Induktionsmotors, kann man die Welle synchron mit der Spannung des Drehstromnetzes umlaufen lassen und die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung durch entsprechende Einstellung der Nokken auf der Welle berücksichtigen. 



   Wenn die Phasenverschiebung veränderlich ist und wenn man ausser stromlosem Ausschalten auch spannungsloses Einschalten wünscht, so kann man dem Synchronmotor eine Erregung geben, die teils synchron mit der Spannung, teils synchron mit dem Laststrom - beispielsweise über Stromwandler - ist. 



   Die beschriebene Anordnung eignet sich für mittlere und grosse Wechselstrom- und Drehstromleistungen. Insbesondere ist sie dann lohnend, wenn grössere Leistungen sehr oft geschaltet werden. In solchen Fällen ist oft der Abbrand üblicher, nichtsynchroner Schalter und Schütze unerwünscht gross. Die Anord-   nungnachderErfindung   ermöglicht es, diesen Abbrand praktisch ganz zu vermeiden. Damit wird es möglich, mit der beschriebenen Anordnung Schaltaufgaben zu lösen, bei denen die Schalthäufigkeit noch grösser ist als das heute praktisch Verlangte. Beispielsweise kann man mit der beschriebenen Anordnung einen Asynchronmotor durch periodisches Ein- und Ausschalten seines   Ständer- oder Läuferstromes   in der Tourenzahl regeln, indem das Tastverhältnis dieses Zweipunktreglers entsprechend geändert wird.

   Man kann die beschriebene Anordnung mit Vorteil auch benutzen, um das Anfahren und Abbremsen von Wechselstrombahnen lichtbogenfrei zu gestalten. Die Anordnung eignet sich auch für Stelltransformatoren, die sehr oft geschaltet werden, um einen Strom oder eine Spannung konstant oder in gewünschtem Rhythmus zu regeln.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Von einer Welle betätigtersynchroner Ein-oder Mehrphasenstrom-Leistungsschalter, gekennzeich- net durch die Kombination folgender Merkmale : a) Die mechanischen Schaltstrecken sind durch Starkstromdioden zur Vermeidung oder zur Verminderung von Schaltentladungen überbrückt. b) Die mechanischen Schaltstrecken werden durch eine synchron umlaufende Welle mit Hilfe von Nocken betätigt. c) Die Welle wirkt jeweils nur zur Auslösung des gewünschten einzelnen Schaltvorganges auf die me- chanischen Schaltstrecken ein.

   2. SchalternachAnspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle, vorzugsweise unter Zwischen- schaltung einer Schnecke oder eines Untersetzungsgetriebes, von einem schnell anlaufenden Synchronmo- tor angetrieben ist, der jeweils nur zur Auslösung der gewünschten Schaltvorgänge in Umlauf gesetzt wird.

   3. SchalternachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle über eine Kupplung mit einem ständig laufenden Synchronmotor verbindbar ist, wobei die Kupplung jeweils nur zur Auslösung der ge- wünschten Schaltvorgänge eingelegt wird.

   4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine ständig synchron umlaufende Welle die mechanischen Schaltstrecken betätigt, wobei die von den Nocken gesteuerten Stössel teleskopartig ausgebildetund miteiner Sperre versehen sind, die es ermöglicht, die Schaltstrecken sowohl im geschlossenen als auch im offenen Zustand verharren zu lassen, während die Welle ständig synchron umläuft.

   5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakthub der Schaltstrecken bei lichtbogenfreiem bzw. lichtbogenarmem Arbeiten nur von der Grössenordnung 1 mm ist.

   6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle in untersetztem Synchronismus läuft, bei 50 Hz beispielsweise mit 1-10 Umdr/sec.

   7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronmotor mit einem Permanent-Magnetanker ausgerüstet ist.

   8. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb ein Vielpolankermotor mit einer Anlaufzeit von der Grössenordnung 0, 1 s oder darunter dient.

   9. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstrecken ein- schliesslich ihres Antriebes von der Aussenatmosphäre hermetisch abgeschlossen und unter ein für die Schaltvorgänge vorteilhaftes gasförmiges oder flüssiges Medium oder unter Vakuum gesetzt sind.

   10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass von der Welle gleichzeitig Hilfskontakte betätigt sind, welche zur selbsttätigen Steuerung und Verriegelung der Schaltstrekkenbetätigung dienen.

   11. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für Verbraucher mit wechselnder Phasenverschiebung, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage des Synchronmotors beim Ausschalten von der Phasenlage des Stromes, beim Einschalten von der Phasenlage der Spannung abhängig gemacht ist.

   12. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Stoffwanderung bei der Kommutierung des Laststromes aus den Schaltstrecken in die parallelliegenden Dioden vor die Dioden Sättigungsdrosseln geschaltet sind.