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Wechselstromeinschalteinrichtung Es ist vorgeschlagen worden, mit
Hilfe von Schaltstrecken, die durch Starkstromdioden überbrückt sind, Wechsel- und
Drehstromkreise lichtbogenfrei zu unterbrechen und zu schließen. Gegenstand der
Erfindung ist eine Wechselstromeinschalteinrichtung, die ebenfalls lichtbogenfrei
schaltet. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß die mechanischen Schaltstrecken
jeweils in den Zeitabschnitten geschlossen werden, in denen die parallel liegende
Diode stromdurchlässig ist. Verwendet man Halbleiterdioden, wie Germanium- oder
Siliziumdioden, so beträgt deren Durchlaßspannung nur etwa 1 V je Diode, so daß
die mechanische Schaltstrecke nur diese Spannung einzuschalten hat und infolgedessen
beim Einschalten keine Entladungen auftreten können, welche, besonders wenn die
Schaltstrecken prellen, Kontaktabbrand und Zusammenschweißen der Schaltstrecken
zur Folge haben können.
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Bei Anordnungen, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, hat
der Spannungsverlauf an den Schaltstrecken vor ihrem Schließen den in den Figuren
gezeichneten Verlauf, d. h. die Spannung an den Schaltstrecken ist jeweils während
einer Zeit von einer drittel Periode Null. Dabei sind diese Nullzeiten in den drei
Phasen des Drehstromsystems um je 120° gegeneinander versetzt. Die Spannungen U1,
U2, U2 an den Schaltstrecken entsprechen dem Sperrspannungsverlauf eines dreiphasigen
Gleichrichters in Sternschaltung. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei nichtsynchronem
Einschalten jeweils eine der drei Schaltstrecken spannungslos einschaltet. Steuert
man dagegen den Einschaltzeitpunkt der drei Schaltstrecken 4, 5, 6 genau auf den
Zeitpunkt t., in dem gerade zwei Schaltstrecken spannungslos sind, so gewinnt man
gegenüber normalen Drehstromanordnungen, bei denen alle drei Phasen unter Spannung
einschalten, den Vorteil, daß nur eine der drei Phasen Spannung einzuschalten hat.
Steuert man die Einschaltzeitpunkte der drei Schaltstrecken derart, daß sie im Sinne
des Drehstromsystems je um 120° gegeneinander versetzt schalten, und wählt man die
Phase der Schaltzeitpunkte entsprechend, so läßt sich erreichen, daß alle drei Phasen
spannungslos einschalten. In den Fig. 1 und 2 ist der Verlauf der drei Ströme h,
12 und 13 nach dem Einschalten eingezeichnet. Schließt man die Phase 3 im Zeitpunkt
t1, wo die Spannung U3 Null ist, so muß die Phase 1 120° später, d. h. etwa im Zeitpunkt
t2, einschalten. Die Phase 2 sollte dann erfindungsgemäß wiederum um 120'° später
geschlossen werden, d. h. zu einem ; Zeitpunkt, der in Fig. 1 zwischen t3 und t4
liegt. In diesem Zeitpunkt ist der Strom der Phase 2 noch positiv, d. h. für die
Paralleldiode durchlässig, so daß die Spannung U2 noch Null ist. Fig. 1 bezieht
sich auf induktive Phasenverschiebung. Im Fall der Fig. 2, das sich auf einen ohmschen
Stromkreis bezieht, wird die erste Halbwelle des Stromes Il verkürzt, die erste
Halbwelle des Stromes 13 dementsprechend verlängert. Im Fall der Fig. 1, d. h. bei
induktivem Verbraucher, tritt ein den Wechselströmen überlagertes Gleichstromglied
auf. Dieses Gleichstromglied läßt sich bei dem lichtbogenfreien Einschalten nach
der Erfindung nicht vermeiden, da jeweils zu Zeiten eingeschaltet wird, in denen
die Spannung Null ist.
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Bekanntlich neigen mechanische Schaltstrecken dazu, nach dem ersten
Einschalten zu prellen. Wenn während des Prellens schon Ströme fließen, so besteht
die Gefahr, daß die Kontakte durch den beim Prellen entstehenden Lichtbogen abbrennen
oder zusammenschweißen. Aus diesem Grunde wird nach der weiteren Erfindung das Schaltverfahren
mit Schaltstrecken verwirklicht, deren Prellzeit kleiner ist als etwa eine oder
eine halbe Halbwelle des Arbeitsstromes. Es ist zwar schwierig, das Prellen bei
mechanischen Schaltstrecken ganz zu unterdrücken, es ist aber verhältnismäßig leicht,
es bei technischem Wechselstrom von 50 Hz auf die Zeit von etwa einer oder einer
halben Halbwelle oder auch noch weiter zu beschränken.
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Damit während des Prellens möglichst noch kein Strom in den Schaltstrecken
fließt, müssen die Einschaltzeitpunkte innerhalb der spannungslosen Zeitabschnitte
möglichst frühzeitig gewählt werden. Beispielsweise kann in den Fig. 1 und 2 der
Zeitpunkt t1 kurz nach dem Nullwerden der Spannung U3 liegen, so daß bis zum Einsetzen
des Stromes 1s noch eine Zeit zur Verfügung steht, die größer ist als die Prellzeit.
Ebenso können die Zeitpunkte t2 und ts gewählt
werden. Man sieht
aus den Fig. 1 und 2, in denen die aufgenommenen Oszillogramme mit induktiver und
ohmscher Last nachgezeichnet sind, daß man zu besonders vorteilhaften Ergebnissen
kommt, wenn man die erste Phase, d. h. die Phase 3, im Zeitpunkt t1 kurz nach dem
Nullwerden der Spannung U3 einschaltet, die beiden anderen Phasen dagegen gleichzeitig
im Zeitpunkt t3, etwa eine Halbwelle später als t1. Man sieht, daß dann im Fall
induktiver Last in der Phase 1 noch die Zeit von t3 bis t4 zur Verfügung steht,
während der die Schaltstrecke der Phase 2 prellen kann, ohne daß die Schaltstrecke
Strom führt, da bis zum Zeitpunkt t4 die Diode 7 der Phase 1 stromdurchlässig ist.
Im Fall ohmscher Belastung ist die erste Halbwelle des Stromes Il verkürzt, so daß
nur eine Zeit von t3 bis t4, die kleiner ist als eine halbe Halbwelle, zur Verfügung
steht. Aus diesem Grunde würde es noch vorteilhafter sein, den Einschaltzeitpunkt
der Phase 1 von t3 nach t2 vorzurücken, so daß also alle drei Phasen kurz nach dem
Nullwerden der Spannungen Ui, U2, U3 einschalten. Dabei liegt dann t2 etwa 120'°
hinter t1, t. dagegen weniger als 120°, nämlich etwa 90°, hinter t2, da der Spannungsverlauf
U2 nach dem Einschalten von t1 und t2 im Sinne einer Vorverlegung des Nulldurchganges
der Spannung U, verzerrt wird. In Fig. 2 ist t' der Zeitpunkt, in dem der Strom
der Phase 2 einsetzt. In diesem Zeitpunkt weisen die Ströme 1i und 1.., den aus
der Figur erkennbaren Knick auf, der die Halbwelle verkürzt bzw. verlängert. Bei
einphasigem Wechselstrom mit zwei in Reihe liegenden Schaltstrecken, die gegensinnig
durch Dioden überbrückt sind, übernimmt bei offenen Schaltstrecken abwechselnd die
eine und die andere Diode die Spannung, so daß jede Schaltstrecke etwa eine Halbwelle
lang spannungslos ist. Das Einschalten nach der Erfindung erfolgt dann für jede
Schaltstrecke innerhalb der spannungslosen Halbwelle, beispielsweise in der Mitte
der Halbwelle oder - um eine größere Sicherheit bezüglich Prellen zu erzielen -
bereits nach Ablauf von
der spannungslosen Halbwelle, so daß die Prellzeit der Schaltstrecken so groß wie
der Rest der Halbwelle, d. h.
Bruchteile einer Halbwelle, sein kann.
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In den Schaltbildern der Fig. 1 und 2 sind außer den Schaltstrecken
4, 5 und 6 und den Dioden 7, 8 und 9 noch weitere Schaltstrecken 10, 11 und 12 gezeichnet,
welche in Reihe mit den Dioden liegen. Diese Schaltstrecken haben den Vorteil, daß
mit ihrer Hilfe die Dioden 7, 8 und 9 im offenen Zustand des Stromkreises spannungslos
gemacht werden können. Wenn der Stromkreis mit dem Verbraucher 13' bzw. 13" eingeschaltet
werden soll, müssen in einem bestimmten Rhythmus die sechs Schaltstrecken 4, 5,
6 und 10, 11, 12 geschlossen werden, und zwar jeweils derart, daß zuerst 10, 11,
12 in denjenigen Zeitabschnitten schließen, in denen die zugehörigen Dioden sperren,
denn dann liegt keine Spannung an den Schaltstrecken 10, 11, 12. Im Gegensatz dazu
werden, wie vorstehend geschildert, die Schaltstrecken 4, 5, 6 jeweils zu Zeiten
geschlossen, während derer die Paralleldioden 7, 8, 9 durchlässig sind, denn dann
schließen die parallelen Schaltstrecken 4, 5, 6 spannungslos. Es ist bekannt, daß
man bei Verwendung von Reihenschaltstrecken 11 und 12 in einer der Drehstromphasen
die Paralleldiode, beispielsweise 7, beim Ausschalten einsparen kann. Das gleiche
gilt für das Einschalten, indem lediglich die Schaltstrecken 11 und 12 und die Schaltstrecken
5 und 6 derart in ihren gegeneinander versetzten Schaltzeitpunkten gewählt werden,
daß jede von ihnen spannungslos einschaltet.
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Besondere Bedeutung hat die Erfindung für das Einschalten von kapazitiven
Stromkreisen, da hierbei normalerweise hohe Einschaltstromspitzen auftreten. Wählt
man die Schaltzeitpunkte nach der Erfindung so, daß jeweils während der spannungslosen
Zeitabschnitte eingeschaltet wird, so kann man die Schaltstrecken von den hohen
Stromspitzen der Kondensatoren vollständig entlasten, wenn man dafür Sorge trägt,
daß die Prellzeit der Schaltstrecken nicht größer ist als die Durchlaßzeit der zu
den Schaltstrecken parallel liegenden Dioden.
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Die Erfindung eignet sich auch zum Einschalten höherer Spannungen,
bei denen mehrere Dioden in Reihe geschaltet werden müssen. Erst wenn die Zahl der
Germanium- oder Siliziumdioden größer wird als etwa zehn, kommt die Durchlaßspannung
an ihnen in Reihenschaltung in die Größenordnung von 10 bis 20 V, so daß in den
Schaltstrecken auch bei günstiger Wahl der Einschaltzeitpunkte kleine Entladungen
auftreten können. Man kann dies dadurch verhindern, daß man mehrere Schaltstrecken
in Reihe benutzt und in bekannter Weise die Potentialverteilung über die Parallelschaltung
mit Widerständen oder dergleichen steuert.
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Das bei induktiven Stromkreisen auftretende Gleichstromglied, das
sich bei Anwendung der Erfindung nicht vermeiden läßt, würde sich unterdrücken lassen,
wenn man statt der Dioden parallel zu den Schaltstrecken Trioden anwenden -würde,
deren Durchlaßzeit mit einem Steuergitter derart gewählt werden könnte, daß kein
Gleichstromglied auftritt. Diese Möglichkeit scheitert aber praktisch daran, daß
bis heute keine für Starkstromzwecke geeignete Trioden zur Verfügung stehen.
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In dem praktisch häufig vorliegenden Fall, daß der Verbraucher ein
Asynchronmotor ist, kann das Gleichstromglied, das ja auch bei normalem, nichtsynchronem
Schalten in statistisch verteilter Größe auftritt, ohne schwerwiegende Nachteile
in Kauf genommen werden.
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Die im vorstehenden geforderte synchrone Betätigung der Schaltstrecken
und ihre zeitliche Staffelung läßt sich praktisch z. B. mit synchron angetriebenen
Schrittschaltwerken verwirklichen. Dabei kann entweder der Antrieb; z. B. in bekannter
Weise ein Synehronmotor, schnell anlaufend sein, oder man kann eine Kupplung zwischen
Schrittschaltwerk und Antriebsorgan verwenden, wobei diese Kupplung nicht synchron
betätigt wird, aber phasengerechte Verbindung des Antriebs mit dem Schrittschaltwerk
sicherstellt und sich jeweils nach dem Schaltvorgang selbsttätig wieder löst.