DE1055082B

DE1055082B - Anordnung zur Steuerung elektromagnetischer Wechselstrom-Synchronschalter

Info

Publication number: DE1055082B
Application number: DEK18877A
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Kesselring
Original assignee: FKG AG
Current assignee: FKG AG
Priority date: 1953-04-02
Filing date: 1953-07-21
Publication date: 1959-04-16
Also published as: US2858500A; CH312416A

Description

DEUTSCHES

Zum synchronen Ein- und Ausschalten von Wechselströmen, insbesondere im Gleichrichterbetrieb, sind schnelle elektromagnetische Schalter, sogenannte Schaltpatronen, entwickelt worden. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Magnetsystem mit Anker, der zugleich als Strombrücke dient, wobei der Stromkreis durch elektromagnetische Einwirkung geschlossen und meist durch eine den magnetischen Kräften entgegenwirkende Federkraft geöffnet wird. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Öffnungsbewegung durch magnetische Kräfte allein oder im Zusammenwirken mit einer Feder herbeizuführen. Bei Systemen dieser Art haben sich nun einige typische Schwierigkeiten gezeigt. Mit Rücksicht auf eine ausreichende Spannungsfestigkeit im ausgeschalteten Zustand ist ein relativ großer Schaltweg erwünscht. Dies hat aber, da die Einschaltzeit klein sein soll (einige I(H⁴S), den Nachteil, daß die mittlere Einschaltgeschwindigkeit, insbesondere die Auftreffgeschwindigkeit, auf die feststehenden Kontakte groß sein muß, was zu starkem Prellen und einer Zerstörung der Kontakte Anlaß gibt. Auch beim Ausschalten ist es schwierig, den Anker abzubremsen und ein Rückprellen oder -schwingen zu vermeiden. Der große Schaltweg hat ferner den Nachteil, daß die Anzugsamperewindungen ebenfalls groß sein müssen, was zu ungünstigen Verhältnissen bei kleiner Last führt.

Es ist weiter vorgeschlagen worden, den Anker unmittelbar vor dem Schließen den feststehenden Kontakten anzunähern, indem das Einschaltmagnetsystem durch einen Zusatzimpuls vorerregt wird. Hierdurch können die eingangs erwähnten Nachteile weitgehend beseitigt werden. Die Erfahrung hat aber gezeigt, daß es gewisse Schwierigkeiten macht, diesen Zusatzimpuls so zu dosieren, daß der Anker tatsächlich kurz vor der Kontaktgabe stehenbleibt und nicht etwa. überschwingt; anderseits kann durch den Zusatzimpuls infolge der transformatorischen Kopplung die Sperrspannung, wenn auch nur vorübergehend, wesentlich erhöht werden.

Die Erfindung betrifft nun eine Anordnung zum Steuern elektromagnetischer Wechselstromsynchronschalter, die mindestens einen Anker, eine damit verbundene Strombrücke sowie ein Ein- und ein Ausschaltmagnetsystem zur Betätigung des Ankers aufweisen, wobei die Strombrücke in ihrer Ruhelage in einem vorgegebenen Abstand von weniger als 0,1 mm von den feststehenden Kontakten gehalten wird. Ein System mit so kleinem Kontaktabstand kann ohne weiteres nicht für höhere und hohe Spannungen benutzt werden. Man hat deshalb bekanntlich die Kontakte im Vakuum oder in einem Medium erhöhter Spannungsfestigkeit angeordnet. Dadurch wird aber der Aufbau der Schaltanordnung umständlicher und Anordnung
zur Steuerung elektromagnetischer
Wechselstrom-Synctironschalter

Anmelder:

FKG Fritz Kesselring Gerätebau A. G.,
Bachtobel, Weinfelden (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Barckhaus, Patentanwalt,
Erlangen, Eichenweg 10

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 2. April 1953

Dr. Fritz Kesselring, Zollikon, Zürich (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

bereitet insbesondere bei großen Stromstärken infolge der gasdichten Stromeinführungen und deren Veränderung durch thermische Ausdehnung erhebliche Schwierigkeiten. Nach der vorliegenden Erfindung wird eine ausreichende Spannungsfestigkeit bei Betrieb in gewöhnlicher Luft unter Atmosphärendruck durch eine grundsätzlich andere und neuartige Maßnahme erzielt.

Erfindungsgemäß entsteht spätestens bei Einsetzen der Sperrspannung durch Erregen des Ausschaltmagnetsystems eine auf den Anker in Ausschaltrichtung wirkende Kraft, die bewirkt, daß die Strombrücke ihre Ruhelage in der genannten Richtung überschreitet und ihr Abstand von den feststehenden Kontakten mindestens im gleichen Maße wie die Sperrspannung selbst zunimmt.

Es ist einleuchtend, daß im geschlossenen Zustand zwischen den Kontakten praktisch keine Spannung besteht. Beim Einschalten können die Verhältnisse leicht so getroffen werden, daß das Schließen der Kontakte bei kleiner Spannung erfolgt. Bei Gleichrichtern wird dies nach Möglichkeit angestrebt, insbesondere auch, um die sogenannte Einschaltfeinwanderung, die bei Spannungen über etwa 12 V einsetzt, zu vermeiden. Beim Ausschalten hingegen, tritt

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im allgemeinen sehr bald nach vollzogener Kontakttrennung eine verhältnismäßig hohe Spannung auf, die bei Kontaktabständen von nur 0,1 mm oder weniger in Luft von Atmosphärendruck niemals beherrscht werden könnte. Hier setzt nun die grund-.sätzlich neue Erkenntnis ein, wonach der Abstand der Strombrücke von den feststehenden Kontakten mindestens in gleichem Maße wie die Sperrspannung selbst zunimmt. Da gerade bei kleinen Abständen die Durchschlagsspannung ziemlich genau proportional dem Abstand ist, so kann eine solche Anordnung praktisch beliebig hohen Sperrspannungen standhalten, ohne daß es notwendig wird, den Einschaltweg zu vergrößern.

Da es im allgemeinen zweckmäßig ist, daß bei Auftreten der Sperrspannung'—-oder, wie man bei Schaltern sagt, der wiederkehrenden Spannung —■ schon ein gewisser Kontaktabstand vorhanden ist, so kann es zweckmäßig sein, daß die in Ausschaltrichtung wirkende Kraft schon um eine vorgegebene Zeit vor dem Stromnulldurchgang einsetzt; insbesondere bei Gleichrichtern mit Schaltdrosseln ist es vorteilhaft, λνεηη die in Ausschaltrichtung wirkende Kraft bereits bei Beginn der Ausschaltstufe wirksam wird. Um ein Überschwingen des Ankers in der Ein- bzw. Ausschaltrichtung möglichst zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, dämpfende Mittel zur Anwendung zu bringen, beispielsweise dadurch, daß Wirbelströme im Anker oder in einer Wicklung auf dem Anker erzeugt werden oder daß eine Dämpfungswicklung auf dem Ausschaltmagnetsystem angebracht wird, wobei mit Hilfe eines Ventils dafür gesorgt werden kann, daß die Dämpfung beispielsweise nur in Einschaltrichtung, d. h. bei abnehmendem Magnetfluß wirkt. Im allgemeinen erweist es sich als vorteilhaft, den Abstand zwischen feststehendem und beweglichem Kontakt in der Ruhelage auf Werte unterhalb 0,1 mm, z. B. auf 0,05 mm, einzustellen und die Einschaltkraft so zu dosieren, daß die Auftreffgeschwindigkeit auf den feststehenden Kontakt höchstens 30 cm/s beträgt. Hierdurch können Prellungen und Abrieb weitgehend vermieden und die Geräuschbildung auf ein Minimum eingeschränkt werden. Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, daß der Anker beispielsweise unter der Einwirkung einer Feder zunächst auf den feststehenden Kontakten aufliegt und dann durch die Vormagnetisierung des Ausschaltmagnetsystems in seine Ruhelage gebracht wird. In diesem Falle ist es möglich, das Einschalten durch Schwächung der Ausschaltvormagnetisierung herbeizuführen.

Um die Dauerfestigkeit der Anordnung zu erhöhen, wird das Ausschaltmagnetsystem zweckmäßig so ausgebildet, daß seine Polschuhe vom Anker auch bei der höchsten auftretenden Sperrspannung nicht berührt werden. Auch diese Maßnahme trägt wesentlich zur Verminderung der Geräuschbildung bei.

Unter der Ruhelage wird im folgenden ganz allgemein diejenige Ankerstellung verstanden, die unter dem Einfluß von Federkräften allein oder auch im Zusammenwirken mit konstanten magnetischen Kräften zustande kommt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung noch näher erläutert, in der die

Fig. 1 eine beispielsweise Ausführungsform nach der Erfindung schematisch darstellt, während Fig. 2 den Auf- und

Fig. 3 den Seitenriß dieser Anordnung zeigen.

In Fig. 1 bedeutet 1 einen Drehstromtransformator mit den primär in Dreieck geschalteten Wicklungen 2 und den sekundär in Stern geschalteten Wicklun- 7f

gen 3, 3', 3". Mit 4, 4', 4" sind Schaltdrosseln bezeichnet. Im folgenden wird nur noch die zur Transformatorwicklung3 gehörige Anordnung beschrieben, da sie mit denen der beiden andern Phasen vollkommen übereinstimmt. Die Schaltdrossel 4 besteht aus einem Eisenkern 5 und einer Hauptstromwicklung 6. Allfällige Vormagnetisierungswicklungen, die in keinem Zusammenhang mit der Erfindung stehen, sind weggelassen. 7 ist der Schalter; er besteht aus der Strombrücke S_j die durch die Feder 9 gehalten wird, die ihrerseits an den Isoli er stücken 10 und 11 befestigt ist. 12 und 13 sind die feststehenden Kontakte, 14 die Hauptstromwicklung, 15 die Einschaltwicklung und 16 die Ausschaltwicklung. 17, 18 und 19 sind Ventile, 20 ist eine Verbindungsleitung, 21 ein Überbrückungswiderstand und 22 die Belastung. Mit P, P_v P₂ sind Verbindungspunkte bezeichnet. An Hand von Fig. 1 sollen nun zwei mögliche Schaltungen betrachtet werden, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Zusatzwicklung 16 im einen Fall (Schaltung I) an die Punkte P und P_v im andern Fall (Schaltung II) mittels der Leitung 20 an die Punkte P₁ und P₂ angeschlossen wird, wobei die Verbindung bei P aufgetrennt ist.

Schaltung I. Im stromlosen Zustand, d. h. wenn die Wicklungen 14, 15 und 16 unerregt sind, wird der Anker bzw. die Strombrücke 8 mittels der Feder 9 in ihrem entspannten Zustand unmittelbar vor den feststehenden Kontakten, z. B. in einem Abstand von 0,1... 0,05 mm und weniger, festgehalten. Bei Gleichrichterbetrieb soll dies der Fall sein, unmittelbar bevor die Einschaltspule 15 erregt wird. Dies kann im allgemeinen auch gefahrlos geschehen, da zu dieser Zeit die Spannung zwischen den Kontakten, sofern nicht die Einschaltung aus Gründen der Spannungsregelung verzögert wird, sehr klein ist. Sowie nun die Einschaltwicklung 15 Strom führt, wird der Anker 8 angezogen, und zwar infolge des geringen Abstandesund dementsprechend kleinen magnetischen Luftspaltes schon bei einer sehr kleinen Amperewindungszahl von z. B. nur 100 AW oder weniger. Sobald die feststehenden Kontakte 12 und 13 über die Schaltbrücke 8 miteinander verbunden sind, beginnt die durch die Ummagnetisierung der Schaltdrossel 4 hervorgerufene Stufe abzulaufen. Anschließend setzt der Hauptstrom ein, was infolge der Erregung der Hauptstromwicklung 14 zu einer Vergrößerung des Kontaktdruckes führt. Nähert sich der Hauptstrom wieder seinem Nullwert, so fällt der Anker 8 zunächst unter dem alleinigen Einfluß der Feder 9 während der Ausschaltstufe der Schaltdrossel 4 ab, wobei eine allfällige Funkenbildung durch das Ventil 18 unterdrückt wird. Nach Ablauf der Ausschaltstufe erscheint nun an den Kontakten 12 und 13 und damit auch zwischen den Punkten P und P₁ die Sperrspannung. Dies hat zur Folge, daß die Wicklung 16 erregt und daher der Anker 8 entgegen der Federkraft um so weiter von den feststehenden Kontakten 12, 13 entfernt wird, je höher die Sperrspannung ist. Mit andern Worten, der Kontaktabstand und damit die elektrische Festigkeit des Schalters passen sich automatisch der Sperrspannung an; der Abstand ist groß bei hoher und klein bei niedriger Sperrspannung. Ein besonderer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß zur Speisung der Wicklung 16, die im allgemeinen hochohmig auszuführen ist, keine zusätzliche Stromquelle notwendig ist. Aus dem geschilderten Ablauf des Schaltvorganges geht hervor, daß bei der Schaltung I die Beschleunigung der Strombrücke 8 während der Ausschaltstufe lediglich durch die Feder 9

Claims

1 bewirkt wird. Dieser Nachteil ist nun vermieden in der Schaltung II. Schaltung II. Sie entsteht, wie bereits erwähnt, aus der Schaltung I dadurch, daß die Verbindung bei P gelöst und die Zusatzspule 16 über einen Gleichrichter 19 und die Leitung 20 an den Punkt P2 angeschlossen wird. Im Prinzip spielt sich der Einschaltrargang genauso1 ab, wie er für die Schaltung I beschrieben wurde. Beim Ausschalten wird nun aber die Spule 16 bereits beim Einsetzen der Ausschaltstufe erregt. Dies hat zur Folge, daß der Anker 8 neben der Feder 9 nun auch noch durch die von der Wicklung 16 hervorgerufene magnetische Kraft in der Ausschaltrichtung beschleunigt wird, so daß nach Ablauf der Ausschaltstufe bereits ein großer Kontaktabstand erreicht ist und somit eine entsprechend hohe Sicherheit gegenüber Rückzündungen besteht. In den Fig. 2 und 3 ist eine Ausführungsform eines derartigen Schalters in Auf- und Seitenriß dargestellt. Darin bedeuten 30 und 31 die feststehenden Kontakte, 32 den Anker mit der Strombrücke 33 (s. Fig. 3) und der Kurzschlußwindung 34. 35 ist eine Blattfeder, an der der Anker 32 befestigt ist. Sie ist ihrerseits an den Isolierstücken 36 und 37 festgeschraubt. 38 und 39 sind Magnetjoche, die durch eine Isolation 40 voneinander getrennt sind. Sie münden oben in die Polschuhe 41, 41a und 42, 42 a, die mit Hilfe der Niete 43 und 44 an den feststehenden Kontakten 30 und 31 befestigt sind. 45 ist die Hauptstromwicklung, 46 die Einschaltwicklung, 47 und 48 die Anschlüsse. Oberhalb des Ankers 32 befindet sich ein Ausschaltmagnetsystem, bestehend aus dem U-förmigen Joch 49 mit den Polschuhen 50 und 51, der Ausschaltwicklung 52 und der Zusatzwicklung 53. 54 ist ein Ventil, 55 ein permanenter Magnet, womit eine konstante Vorerregung des Einschaltmagnetsystems 38, 39 erzeugt werden kann. Man erkennt, daß bei Erregung der Wicklungen 45 und 46 der Anker 32 nach unten bewegt wird, wobei die feststehenden Kontakte 30 und 31 über die Strombrücke 33 miteinander verbunden werden. Bei unerregter Ausschaltwicklung 52 soll zweckmäßig der Abstand zwischen der Strombrücke 33 und den feststehenden Kontakten 30 und 31 höchstens 0,1 mm betragen, so daß mit kleiner mittlerer Einschaltgeschwindigkeit von beispielsweise nur 30 cm/s trotzdem in Zeiten eingeschaltet werden kann, die wesentlich kleiner als 1 Millisekunde sind. Wird nun aber die Spule 52, die, wie an Hand von Fig. 1 gezeigt wurde, an die Sperrspannung gelegt, so wird der Anker 32 entgegen der Feder 35 nach oben gezogen, wodurch sich der Abstand zwischen der Strombrücke 33 und den feststehenden Kontakten 30, 31 um so mehr erhöht, je größer die Sperrspannung ist. Im allgemeinen wird es zweckmäßig sein, auch bei der höchsten Sperrspannung den Anker 32 noch nicht gegen die Polschuhe 50, 51 anschlagen zu lassen, damit ein Rückprellen und ein zusätzlicher Abrieb mit Sicherheit vermieden werden. Der Anker schwebt vielmehr im Rhythmus der Sperrspannung hin und her, wobei durch passende Wahl der Federcharakteristik und gegebenenfalls einer Wirbelstromdämpfung in der Kurzschlußwindung 34 erreicht wird, daß ein Überschwingen in der Einschaltrichtung nicht auftritt. Man kann aber auch die Enden der Zusatzwicklung 53 über ein Ventil 54 derart miteinander verbinden, daß die Dämpfung dieser Wicklung nur während des Einschaltvorganges wirksam ist. Genügt die Dämpfung der Kurzschlußwindung 34, so kann die Zusatzwicklung 53 auch zur Vormagnetisierung des Ausschaltmagnetsystems dienen, insbesondere 082 dann, wenn die Feder 35 so eingestellt wird, daß die Strombrücke 33 unter ihrem alleinigen Einfluß auf den feststehenden Kontakten 30, 31 aufliegt. Liegt der Einschaltzeitpunkt, wie dies bei Gleichrichtern mit Spannungsregelung durch Verschiebung des Zündeinsatzes der Fall ist, im Gebiet höherer Spannung, so kann dem auf zwei Arten Rechnung getragen werden. Entweder wird der Kontaktabstand im Ruhezustand etwas größer gewählt oder der Gleichrichter 19 (s. Fig. 1) wird durch einen passend gewählten Widerstand 21 überbrückt derart, daß vor dem Einschalten eine so starke Erregung der Spule zustande kommt, daß sich die Strombrücke jeweils auf einen ausreichend großen Abstand einstellt. Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung elektromagnetischer Wechselstrom-Synchronschalter, die mindestens einen Anker, eine damit verbundene Strombrücke sowie ein Ein- und ein Ausschaltmagnetsystem zur Betätigung des Ankers aufweisen, wobei die Strombrücke in ihrer Ruhelage in einem vorgegebenen Abstand von weniger als 0,1 mm von den feststehenden Kontakten gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß spätestens bei Einsetzen der Sperrspannung durch Erregen des Ausschal tmagnetsystems eine auf den Anker in Ausschaltrichtung wirkende Kraft entsteht, die bewirkt, daß die Strombrücke ihre Ruhelage in der genannten Richtung überschreitet und ihr Abstand von den feststehenden Kontakten mindestens in gleichem Maße wie die Sperrspannung selbst zunimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Ausschaltmagnetsystems an der Sperrspannung selbst oder an einer von dieser abgeleiteten Spannung liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, die bewirken, daß die in Ausschaltrichtung wirkende Kraft um eine vorgegebene Zeit vor dem Stromnulldurchgang einsetzt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Ausschaltmagnetsystems an eine nur bei abnehmendem Hauptstrom an einer Induktivität wirksam werdende Spannung gelegt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität eine gesättigte Drossel ist, wobei die auf das Ausschaltmagnetsystem wirkende Spannung durch die Ausschaltummagnetisierung erzeugt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gesättigte Drossel als Schaltdrossel ausgebildet ist und eine stromschwache Stufe erzeugt, während der die Kontakttrennung herbeigeführt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Dämpfung der Bewegung des Ankers.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung vornehmlich durch Wirbelstrombildung im Anker hervorgerufen wird.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung durch eine Dämpfungswicklung auf dem Ausschaltmagnetsystem bewirkt wird, die nur bei abnehmendem Magnetfluß im Ausschaltmagnetsystem Strom führt.