DE1114225B - Elektrische Wechselstromschaltanordnung fuer grosse Leistungen - Google Patents

Description

Die in der Elektrotechnik heute vorwiegend benutzten mechanischen Schalter zeichnen sich vor allem durch zwei hervorstechende Eigenschaften aus: 1. verschwindend geringer Übergangswiderstand im geschlossenen Zustand, 2. extrem hoher und sicherer Isolationswiderstand im offenen Zustand. Dagegen haben sie den Nachteil — zumindest bei größeren Leistungen —, daß das Schalten nur unter Lichtbogenbildung möglich ist und daß daher bei häufigem Schalten die Lebensdauer der mechanischen Schalter durch Elektrodenabbrand beeinträchtigt wird.

Die modernen Halbleiterdioden, -transistoren und trioden (Vierschicht-Halbleiter) vermögen schon heute nennenswerte Ströme und Spannungen zu schalten, und zwar ohne daß bei hoher Schalthäufigkeit blei- *5 bende Veränderungen an den Halbleiterelementen auftreten. Dagegen haben diese Elemente den Nachteil, daß die Spannung an ihnen im durchlässigen Zustand bei weitem nicht so gering wird wie bei einem geschlossenen Schalter und daß andererseits der Isolationswiderstand und die Isolationssicherheit im gesperrten Zustand nicht die günstigen Werte der Lufttrennstrecken von mechanischen Schaltern erreichen.

Auf diesen unterschiedlichen Eigenschaften beruht die Erfindung. Sie geht von dem Gedanken aus, daß in manchen praktischen Fällen, in denen sehr oft geschaltet werden muß, eine Erhöhung der Lebensdauer der mechanischen Schalter bzw. eine Verkleinerung der Abmessungen dieser Schalter dadurch möglich wird, daß der eigentliche Schaltvorgang dem mechanischen Schalter abgenommen und Halbleiterelementen übertragen wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Wechselstromschalter, bestehend aus einer Kombination von mechanischen Schaltern und elektronischen Schaltelementen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schaltelemente im Durchlaßzustand durch einen mechanischen Schalter überbrückt werden und im gesperrten Zustand durch einen in Reihe liegenden Schalter von Spannung entlastet sind. Die mechanischen Schalter arbeiten dabei nur als Trennschalter bzw. Überbrückungsschalter. Die Halbleiterelemente haben dabei nur so kurzzeitig Strom und Spannung zu tragen, daß sie während dieser kurzen Zeiten wesentlich höher belastet werden können als bei Dauerbeanspruchung. Aus diesen Gründen ergibt die nach der Erfindung vorgeschlagene Kombination mechanischer Schalter mit Halbleiterelementen eine Anordnung, die in häufig zu schaltenden Stromkreisen technische und wirtschaftliche Vorteile bietet.

In Fig. 1 der Zeichnung ist die Erfindung an einem Beispiel dargestellt; die Fig. 2 und 3 zeigen das Ar-Elektrische Wechselstromschaltanordnung
für große Leistungen

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs -G. m. b. H., Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dr.-Ing. Floris Koppelmann, Berlin-Siemensstadt,
und Dipl.-Ing. Klemens Heumann,

Berlin-Reinickendorf,
sind als Erfinder genannt worden

beiten der Schaltung nach Fig. 1 beim Ein- und Ausschalten von Wechselstrom.

Zu einem Schalter 1 liegen gegensinnig parallel die Halbleitertrioden 5 und 6. In Reihe mit dieser Parallelschaltung liegt der Schalter 4. Die Halbleitertrioden 5 und 6 werden durch Schalter 2 und 3 im Gitterkreis (Steuerkreis) derart gesteuert, daß sie bei geschlossenen Schaltern 2 und 3 durchlässig sind, bei geöffneten Schaltern 2 und 3 dagegen gesperrt. Das Einschalten eines Stromkreises mit der Anordnung der Fig. 1 erfolgt, wie in Fig. 2 dargestellt. Zunächst wird der Schalter 4 geschlossen. Es fließt noch kein Strom, da die Schalter 1, 2 und 3 offen sind. Kurz nach dem Schließen von 4 werden die Gitterschalter 2 und 3 geschlossen. In diesem Zeitpunkt übernehmen die Halbleitertrioden 5 und 6 jeweils die positiven und negativen Halbwellen des Wechselstromes i. Kurz nach dem Schließen von 2 und 3 wird der Überbrückungsschalter 1 geschlossen. In diesem Zeitpunkt werden die Halbleitertrioden 5 und 6 stromlos, und der ganze Strom geht über den niederohmigen Schalter 1. Fig. 3 zeigt den Vorgang bei der Abschaltung. Der Strom i geht zunächst über den geschlossenen Schalter 1. Nach Öffnen dieses Schalters fließen die positiven bzw. negativen Stromhalbwellen über die Halbleitertrioden 5 und 6. Werden kurz nach dem Öffnen von 1 die Gitterschalter 2 und 3 geöffnet, so wird die in diesem Augenblick fließende Stromhalbwelle noch bis zum Ende durchgeleitet, worauf beide Trioden gesperrt sind, so daß der Stromkreis unterbrochen ist. Kurz darauf wird der Schalter 4 geöffnet, so daß die Trioden 5 und 6 span-

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nungslos werden. Im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 2 und 3 kann der Abstand der Schaltkommandos 1, 2 und 3 und 4 sehr kurz sein, nämlich so kurz, daß gerade noch die richtige zeitliche Reihenfolge dieser Schaltkommandos sichergestellt bleibt. Je kürzer der Abstand der Schaltkommandos ist, um so mehr werden die Halbleitertrioden von Strom und Spannung entlastet. Lediglich der zeitliche Abstand zwischen der Öffnung von 2 und 3 und der Öffnung von 4 beim Ausschalten muß mindestens eine Halbwelle sein, damit der Schalter 4 stromlos öffnet. Der Schalter 1 muß ebenso wie der Schalter 4 für den vollen Dauerstrom ausgelegt werden, der Schalter 1 braucht jedoch die Sperrspannung nur kurzzeitig aushalten zu können. Man kann den Schalter 1 auch als Überbrückungsschalter über die ganze Anordnung, d.h. einschließlich des Schalters 4, anordnen. In diesem Fall braucht nur der Schalter 1 für den vollen Strom ausgelegt zu werden.

Infolge der gegenwärtig noch begrenzten Strombelastbarkeit der Halbleiterelemente kann es zweckmäßig sein, für das Abschalten und Zuschalten von Kurzschlüssen die Halbleiterelemente von diesen großen Strömen zu entlasten, beispielsweise dadurch, daß Sicherungen 7 und 8 oder 9 vorgesehen sind, welche die seltene Abschaltung übermäßig großer Ströme übernehmen. Statt der Sicherungen kann man auch in diesen seltenen Fällen das Abschalten mit einem der Schalter 1 oder 4 unter Zulassung von Lichtbogen und Lichtbogenlöschung vornehmen, indem in diesen Fällen die Sperrung der Halbleiterelemente 5 und 6 während des ganzen Ausschalt- bzw. Einschaltvorganges aufrechterhalten wird.

Wenn die Schaltfolge zeitlich sehr eng ist, beispielsweise bei periodischen Schaltvorgängen, kann man darauf verzichten, zwischen je zwei Schaltungen den Schalter 4 zu betätigen. Die Schaltspiele erfolgen dann durch wechselseitiges Öffnen und Schließen des mechanischen Schalters 1 und der gegensinnig parallelen elektronischen Elemente 5 und 6. Nur bei größeren Pausen wird auch der vorgeschaltete Schalter 4 geöffnet, um 5 und 6 zu entlasten und absolut sichere Isolation zu schaffen.

Da manche Halbleiterelemente gegen Überspannungen empfindlich sind, können in bekannter Weise Dämpfungskondensatoren und Widerstände vorgesehen werden, welche Überspannungen beseitigen oder vermindern. Die notwendige Kopplung der verschieden zeitlich gestaffelten Schaltvorgänge kann durch eine Steuerwalze, durch Hilfskontakte an den Schaltern 1 und 4 oder auch durch automatische, z.B. elektromagnetische Steuerung von Strom bzw. Spannung in den betreffenden Stromzweigen erfolgen. Da die mechanischen Schalter 1 und 4 normalerweise lichtbogenfrei schalten, können sie kleiner gehalten werden als übliche Wechselstrom-Lichtbogenschalter, insbesondere kann der Öffnungsweg kleiner gehalten und damit die mechanischen Beanspruchungen kleiner gehalten werden. Unter Umständen ist es empfehlenswert, für Kurzschlußabschaltungen außer dem Schalter 4 statt der Sicherung 9 einen gesonderten normalen Lichtbogenschalter, beispielsweise einen Selbstschalter oder Schnellschalter, oder auch eine Sprengsicherung vorzusehen. Da Halbleitertrioden heute bereits für kurzzeitige Strombelastungen von tausend oder mehr Ampere herstellbar sind, eignet sich die Anordnung nach der Erfindung auch für Stromkreise größerer Leistung, wo das häufige Abschalten mit mechanischen Schaltern unter Lichtbogenbildung besonders schwierig ist. Sie kann jedoch ebenso, falls erforderlich, bei Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit für kleine und mittlere Leistungen verwendet werden.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrische Wechselstromschaltanordnung für große Leistungen, bestehend aus einer Kombination von mechanischen Schaltern und elektronischen Schaltelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schaltelemente (5, 6) im Durchlaßzustand durch einen mechanischen Schalter (1) überbrückt werden und im gesperrten Zustand durch einen in Reihe liegenden mechanischen Schalter (4) von Spannung entlastet sind und daß die Reihenfolge der Betätigung der einzelnen Schaltelemente derart festgelegt ist, daß die elektronischen Schaltelemente den eigentlichen Schaltvorgang durchführen, während die mechanischen Schalter als Überbrückungs- bzw. Trennschalter arbeiten und die elektronischen Schaltelemente im Dauerbetrieb entlasten.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronische Schaltelemente Halbleitertrioden (Vierschicht-Halbleiter) vorgesehen sind.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegensinnig parallel geschalteten Halbleiterelemente (5, 6) induktivitätsarm und widerstandsarm zum Schalter (1) parallel liegen und daß gegebenenfalls in diesen Parallelschaltkreis eine Zusatzspannung zur Aufhebung der Restspannung der Halbleiter bzw. zur Beschleunigung des Schaltvorganges eingefügt wird.

4. Schalter nach Anspruch 1 oder folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeitpunkte der beiden mechanischen Schalter zwangsweise mit den Sperr- und Öffnungsimpulsen für die Halbleiterelemente gekoppelt sind, derart, daß die Halbleiterelemente beim Einschalten und beim Ausschalten jeweüs nur einen Bruchteil einer Halbwelle bzw. eine oder wenige Halbwellen Strom und Spannung führen.

5. Schalter nach Anspruch 1 oder folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei rasch aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der in Reihe liegende mechanische Schalter geschlossen bleibt und nur bei längeren stromlosen Pausen geöffnet wird.

6. Schalter nach Anspruch 1 oder folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei kurzschlußartigen Strömen, welche die Halbleiterelemente überlasten würden, letztere durch den Gitterkreis gesperrt bleiben, so daß das Ein- und Ausschalten in diesen Sonderfällen nur mit mechanischen Schaltern erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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