DE559084C

DE559084C - Schnell wirkender UEberstromschalter

Info

Publication number: DE559084C
Application number: DEM117517D
Authority: DE
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon Buhrle AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1931-10-21
Filing date: 1931-11-05
Publication date: 1932-09-15

Description

Besonders bei Gleichstrommaschinen sind Kurzschlüsse schädlich, da sie oft zu Rundfeuer an den Kollektoren führen. Man hat daher seit jeher versucht, für den Schutz von solchen Maschinen Schalter zu bauen, die den Kurzschlußstrom so rasch abschalten, daß er seinen Höchstwert nicht mehr erreichen kann. Als konstruktiv beste Lösung hat sich diejenige verallgemeinert, bei welcher das bewegliche Schaltglied von einem Haltemagneten entgegen der Wirkung einer Feder in der Schließstellung festgehalten wird. Damit der Schalter sich öffnet, muß daher der magnetische Fluß im ganzen Haltemagneten oder auch nur im Anker zum Verschwinden gebracht werden. Bei den meisten bekannten Ausführungsformen besitzt der Haltemagnet mindestens zwei Spulen, eine Haltespule, die in Nebenschlußschaltung von einem konstanten Strom, und eine Auslösespule, die in Reihenschlußschaltung vom abzuschaltenden Strom durchflossen wird. Letztere Spule kann auch nur aus einer einzigen Windung in Form eines durchgesteckten Stabes bestehen.

Alle diese Unterbrecher haben in mehr oder weniger starkem Maße den Nachteil gemeinsam, daß die Nebenschluß- und Reihenschlußwicklungen stets miteinander verkettet sind, was zu einer unangenehmen \^erzögerung der Abschaltzeit führen muß.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls einen Überstromschalter, dessen Schaltglied vom Anker eines Haltemagneten entgegen der Wirkung einer Feder in Schließstellung gehalten wird. Erfindungsgemäß wird der Haltemagnet über eine Elektronenröhre gespeist, deren Gitterspannung mit zunehmendem Strome im Kreise des Schaltgliedes bzw. bei einer bestimmten Änderungsgeschwindigkeit dieses Stromes so weit abnimmt, daß die 4°· Haltewirkung des Magneten bis zum Abreißen des Ankers und dem Unterbrechen des Stromes durch das Schaltglied abnimmt.

Fig. ι der Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen-Standes. 1 ist das bewegliche Schaltglied, welches vom Anker 3 des Haltemagneten 4 entgegen der Zugkraft der Feder 2 in der Schließstellung festgehalten wird. Der Haltemagnet 4 besitzt nur eine einzige Wicklung 5, die im Nebenschluß, d. h. an die beiden Pole einer Stromquelle angeschlossen ist. In Reihe zur Wicklung 5 ist eine Elektronenröhre 6 geschaltet, die als Ventil zu wirken hat, d. h. die nur so viel Strom durchläßt, als der Spannung an ihrem Gitter 6_g entspricht. Die Heizung der Kathode ist in Fig. 1 zur Vereinfachung des Schemas absichtlich weggelassen worden. Das Gitter 6_V wird von derselben Stromquelle über einen Spannungsteiler 8 ge-

speist. Durch einen Teil 9 der Wicklung des Spannungsteilers 8, die hierfür bemessen ist, wird der abzuschaltende Strom geführt, so daß er eine gegenelektromotorische Kraft erzeugt, die sich der Gitterspannung £_ff subtrahiert. Durch entsprechende Bemessung des Ohmwertes R des Widerstandes zwischen den Punkten P₀ und P₁ in bezug auf den Gesamtwiderstand zwischen P₀ und P₄ kann man erreichen, daß die Gitterspannung vom Wert E_g bei zunehmendem Kurzschlußstrome bis auf einen beliebigen Wert (auch einen negativen) herabsinkt. Der Verlauf der Spannung längs des Spannungsteilers 8 ist in Fig. 2 graphisch angedeutet. Auf der Abszissenachse ist der Widerstand des Spannungsteilers 8 aufgetragen mit den Punkten P₀ bis P₄. Auf der Ordinatenachse erscheinen die Spannungen. E_H ist die konstante Spannung des Haltekreises, E_g die Spannung am Gitter der Röhre, E^_n der Spannungsabfall im Widerstand R zwischen den Punkten P₀ und P₁ beim Normalstrom i_n und E₁^ derselbe Abfall beim Kurzschlußstrome i_K. Zwischen den Punkten P₁ und P₄ wächst die Spannung bei Kurzschluß vom Werte E_n + E_Rn (wobei E^_n sehr klein ist im Verhältnis zu Ejj) auf den Wert E₁J + Εβζ (wobei E_RK die Größenordnung von E_g erreicht). Infolge der linearen Verteilung der Spannung längs des Spannungsteilers zwischen P₁ und P₄ (es sei vorerst angenommen, der Widerstandsteil 10 zwischen P₁ und P₂ sei gleichgewickelt wie der Teil zwischen P₃ und P₄) fällt die Spannung im Punkte P₃ vom Wert E_g auf Null oder darunter. Die Röhre 6 wird entsprechend ihrer Kennlinie gar keine oder nur einen geringen Anodenstrom durchlassen; der magnetische Fluß im Magnet 4 und Anker 3 geht entsprechend zurück, und der Anker wird von der Feder 2 zurückgerissen, womit das bewegliche Schaltglied 1 den Kurzschlußstrom unterbricht. In diesem Moment verschwindet auch der Spannungsabfall im Spannungsteilerstück 9, und die Gitterspannung schnellt hoch auf den Wert£_g. Der Fluß im Eisen will sich wieder aufbauen. Der Anker 3 muß jedoch mechanisch wieder zugestellt werden, bevor die Zugkraft des Magneten die Federkraft übersteigen kann.

Der beschriebene Schnellschalter kann auch

empfindlich auf den Stromanstieg-τ-des Kurzschlußstromes gemacht werden, was in gewissen Fällen zur Erhöhung der Selektivität in Netzen erwünscht sein kann. Es wird dann entsprechend Fig. 1 im Hauptkreis ein' Stromwandler 11 in Serie zum Widerstand 9 geschaltet. Die sekundäre Wicklung dieses Wandlers wird dann über den Widerstandsteil 10 des Spannungsteilers 8 geschlossen.

Dadurch wird in dem Gitterkreis der Röhre eine weitere gegenelektromotorische Kraft

erzeugt, die proportional -~ ist. Der Verlauf der Spannung längs dem Spannungsteiler 8 kann nach den gestrichelten Linien in Fig. 2 erfolgen. Der Ohmwert des Widerstandsteiles 9 kann auf R' reduziert werden. Zum Abfall E_R>_K im Punkt P₁ addiert sich im Punkte P, der Abfall E_SK des Wider-

standsteiles 10, der proportional -y- ist, da der

sekundäre Strom des Wandlers 11 proportional der Fluxänderung, also der Änderung des Primärstromes ist. Statt eines Wandlers könnte auch eine einfache Drosselspule genommen werden. Die gegenelektromotorische Kraft an den Klemmen dieser Drossel wäre

gleich —L A-, wobei L ihre Induktivität ist.

Diese EMK würde durch den Widerstandsteil 10 einen Strom hindurchtreiben, der also ebenfalls proportional der Stromänderungsgeschwindigkeit Aj- ist. Durch entsprechende Bemessung der Widerstandsteile 9 und 10 kann die Verteilung der Spannung längs dem Spannungsteiler 8 zwischen P₂ und P₄ für einen bestimmten Kurzschlußstrom i_k mit einer bestimmten Änderungsgeschwindigkeit wieder so erzwungen werden, daß die Spannung am Gitter der Röhre und mit ihr der Anodenstrom, d. h. der Haltestrom des Magneten 5 so weit sinkt, daß das bewegliche Schaltglied 1 geöffnet wird.

Wie weiter oben erläutert wurde, dient die Elektronenröhre 6 dazu, wie ein Ventil bei einem bestimmten Kurzschlußstrom oder einer bestimmten Änderungsgeschwindigkeit des Kurzschluß stromes den Haltestrom zu reduzieren, eventuell bis auf Null. Bei abnehmendem Strom wird jedoch in der Spule 5 des Haltemagneten 4 eine Gegen-EMK induziert, die proportional der Änderungsgeschwindigkeit des Haltestromes ist. Diese Spannung addiert sich zur konstanten Spannung E_H und erhöht dadurch die Anodenspannung an der Röhre 6. In der Fig. 3 ist für eine Elektronenröhre der charakteristische Verlauf der Kennlinien Anodenstrom in Funktion der Gitterspannung für verschiedene Anodenspannungen dargestellt. Arbeitet man mit einer Anodenspannung von 30 °/₀ der maximalen Spannung und einem Anodenstrom vom Werte a, so muß bei konstanter Anodenspannung die Gitterspannung vom positiven Werte b auf den negativen Wert c abnehmen, bis der Anodenstrom Null wird. Wächst während des Vorganges der Abnahme der Gitterspannung die Anodenspannung auf das Doppelte, so muß nach der Kennlinie für 60 °/₀ Spannung die Gitter-

spannung auf den negativen Wert d abnehmen, bis der Anodenstrom Null wird.

Auf die Anwendung der Röhre 6 würde es bedeuten, daß beim konstanten Ohmwert der Widerstände g und io der xA.nodenstrom nicht bis auf Null, sondern nur auf den Wert e abnimmt. Es könnte daher bei großer Änderungsgeschwindigkeit des Kurzschlußstromes, die auch eine große Änderungsgeschwindigkeit des Anodenstromes mit sich bringt, der Schalter ι nicht auslösen.

Es wird nun dieser Nachteil dadurch aufgehoben, daß im Anodenkreis ein Widerstand 7 geschaltet wird, in welchem eine EMK erzeugt wird, die proportional der Änderungsgeschwindigkeit des Kurzschluß stromes ist und der induktiven EMK der Haltespule 5 entgegengerichtet ist. Zu diesem Zwecke ist im Hauptkreis ein Stromwandler 12 eingebaut, dessen Sekundärwicklung über den Widerstand 7 geschlossen ist.

Wird nun nach der angegebenen Lösung der Strom in der Wicklung 5 des Haltemagneten 4 zum Verschwinden gebracht, so verbleibt während der ganzen Zeit, die der Vorgang braucht, an den Klemmen der Wick-

lung 5 eine EMK = —

r^

Diese Spannung

ladet alle Kapazitäten zwischen den einzelnen Windungen, Spulen usw. auf. Sobald der Strom aufgehört hat abzunehmen, verschwindet die induzierte EMK. Die Spannung, die an den Kapazitäten verblieben ist. entladet sich über die Spuleninduktivität. Es entsteht ein SchwingungsVorgang, der so lange dauert, bis die im Felde des Haltemagneten aufgespeicherte magnetische Energie P — —"-— in den Ohmschen Widerstän-

den der Wicklung, in der Ableitung der Kapazitäten und in der Ummagnetisierungsarbeit des Eisens aufgezehrt ist. Es sind deshalb parallel zur ganzen Wicklung 5 Kondensatoren 14 mit Widerständen 13 in Reihe geschaltet, die so bemessen sind, daß die Eigenfrequenz des abklingenden Wechselstromes, der in diesem Kreise mit Induktivität, Kapazität und Widerstand bei Verschwinden der äußeren Spannung fließt, Null wird und der Strom selbst so rasch abnimmt, daß der Abschaltvorgang durch ihn nicht gestört wird.

Claims

Patentansprüche:

i. Schnell wirkender Überstromschalter, dessen Schaltglied vom Anker eines Haltemagneten entgegen der Wirkung einer Feder in Schließstellung gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltemagnet über eine Elektronenröhre gespeist wird, deren Gitterspannung mit zunehmendem Strome im Kreise des Schaltgliedes bzw. bei einer bestimmten Änderungsgeschwindigkeit dieses Stromes so weit abnimmt, daß die Haltewir- 6g kung des Magneten bis zum Abreißen des Ankers und dem Unterbrechen des Stromes durch das Schaltglied abnimmt.
2. Überstromschal ter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter der Röhre über einen Spannungsteiler gespeist wird, von welchem Teile vom abzuschaltenden Strom bzw. von einem der Änderungsgeschwindigkeit dieses Stromes proportionalen Strome durchflossen sind.
3. Überstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenspannung der Röhre konstant gehalten wird durch das Einfügen einer Gegen-EMK in den Anodenkreis, deren Wert in glei- So eher Weise wie die Selbstinduktionsspannung des Haltemagneten proportional der Änderungsgeschwindigkeit des abzuschaltenden Hauptstromes ist und gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet ist wie diese Spannung.
4. Überstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Haltemagneten gebildete elektrische Schwingungskreis durch Parallelschaltung von Kapazitäten mit Widerständen so abgestimmt wird, daß seine Eigenfrequenz Null ist, und daß der abklingende Wechselstrom derart rasch abnimmt, daß der Abschaltvorgang des Schnellschalters durch ihn nicht gestört wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen