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GEBIET DER
ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung
für Wechselstrom,
die mindestens zwei Kontaktelemente, welche in einem Strompfad durch
die Schaltvorrichtung angeordnet sind, und eine Halbleitervorrichtung,
welche in der Lage ist, einen durch sie hindurchgehenden Strom in mindestens
einer ersten Sperrrichtung zu sperren, und eine Einheitumfasst,
welche geeignet ist, um ein Öffnen
eines Strompfads durch die Schaltvorrichtung zu steuern, indem sie
ein erstes der Kontaktelemente zum Öffnen für eine Übertragung des Stroms durch die
Schaltvorrichtung an die Halbleitervorrichtung, wenn sich diese
in dem leitenden Zustand befindet oder in diesen übergeht,
und dann das zweite Kontaktelement zum Öffnen steuert, wenn sich die
Halbleitervorrichtung in einem Zustand des Sperrens eines durch
sie hindurchgehenden Stroms befindet, um den Strom durch die Schaltvorrichtung
zu unterbrechen.
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Derartige
elektrische Schaltvorrichtungen werden gewöhnlich Hybridunterbrecher genannt,
und es ist für
diese charakteristisch, dass sie in der Lage sind, ein lichtbogenfreies
Unterbrechen des Strompfads durch die Schaltvorrichtung zu erreichen,
da dies stattfindet, wenn sich die Halbleitervorrichtung in einem
Sperrzustand befindet und kein Strom durch die Schaltvorrichtung
fließt.
Bei Schaltvorrichtungen mit Kontaktelementen, die den durch sie
hindurchgehenden Strom unterbrechen, und bei denen entsprechend
ein Lichtbogen erzeugt wird, muss der Gasdruck im Inneren des verwendeten
Unterbrechers hoch sein, um eine ausreichende Isolierung und Unterbrechungsleistung
zu erzielen, oder im Inneren des Unterbrechers muss aus demselben
Grund ein Vakuum geschaffen werden. In dem ersten Fall wird eine
beträchtliche
Energiemenge benötigt,
um den Lichtbogen auszublasen, während
in dem zweiten Fall ein vergleichsweise hoher Kontaktdruck für einen
guten Kontakt erforderlich ist, was eine nicht zu vernachlässigende
Energiemenge verbraucht. Bei einer Schaltvorrichtung gemäß der Einleitung
mit einem in der erwähnten
Weise lichtbogenfreien Unterbrechen kann die entsprechende Energiemenge stattdessen
verwendet werden, um das Unterbrechen schneller zu machen, um dadurch
verschiedene Typen von elektrischen Geräten, die mit dem Strompfad
verbunden sind, bei einem Auftreten von Fehlern besser zu schützen und
den Materialverschleiß von
Kontakten zu verringern, welche in dem zweiten Kontaktelement umfasst
sind.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf irgendeinen speziellen Arbeitsstrombereich
durch eine derartige elektrische Schaltvorrichtung in dem geschlossenen
Zustand beschränkt
und auch nicht auf irgendwelche speziellen Spannungspegel, die in dem
Strompfad existieren, aber es soll trotzdem erwähnt werden, dass sie für Mittelspannung,
d.h. entsprechend 1–52
kV Systemspannung, bei welcher der in Frage kommende Arbeitsstrom
typischerweise 1 kA sein kann, besonders nützlich ist, aber sowohl niedrigere
als auch höhere
Spannungen und Ströme als
diese sind vorstellbar.
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Eine
derartige elektrische Schaltvorrichtung wird allgemein verwendet,
um ein Unterbrechen eines Strompfads zu erzielen, wenn ein beliebiger
Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss, entlang des Strompfads auftritt.
Der Fehler kann beispielsweise durch ein Durchtrennen eines Wechselstromverteilungsnetzwerkkabels
durch eine Grabmaschine verursacht werden. Dann ist es wichtig,
den Strom schnell zu unterbrechen, um einen Schaden an Personen
und Material zu minimieren. Es ist nicht notwendig, aber gut möglich, dass
das zweite Kontaktelement einer derartigen Schaltvor richtung ein
für das Auge
sichtbares Unterbrechen ausführt,
d.h. als ein Unterbrecher wirkt, was erforderlich ist, wenn das Unterbrechen
des Stroms durchgeführt
wird, um einen beliebigen Typ von Wartungsarbeiten entlang des Strompfads
auszuführen,
beispielsweise nachdem ein Baum auf eine Übertragungsleitung gefallen ist.
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Eine
Schaltvorrichtung dieses Typs ist besonders gut dafür geeignet,
in einem Schaltgerät
zur Elektrizitätsversorgung
in der Industrie oder in Verteilungs- oder Übertragungsnetzwerken angeordnet
zu werden. Es soll auch erwähnt
werden, dass sie vorteilhaft verwendet werden kann, um zu einem
schnellen Trennen eines Generators und anderer Vorrichtungen von
einem Wechselspannungsnetzwerk in der Lage zu sein, um diese gegen
verschiedene Typen von Störungen
oder Fehlern an dem Wechselspannungsnetzwerk zu schützen.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass der voranstehend erwähnte "leitende Zustand" weit ausgelegt werden
muss und es nicht erforderlich ist, dass eine Komponente, die in
den leitenden Zustand wechselt oder sich in diesem befindet, tatsächlich leitet,
aber es ist beabsichtigt, auch das abzudecken, dass sie in diesem
Augenblick zum Leiten gebracht werden kann, wenn das gewünscht sein
sollte, was bei einer Halbleitervorrichtung vom Einschalttyp, beispielsweise
einem Thyristor, der Fall sein könnte,
während stattdessen
eine passive Halbleitervorrichtung in der Form einer Diode in dem
leitenden Zustand, wie er hier definiert ist, immer leiten wird.
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Darüber hinaus
wird darauf hingewiesen, dass das "Kontaktelement" alle Typen von Elementen zum Öffnen und
Schließen
eines elektrischen Kreises umfasst, bei welchen beispielsweise,
obwohl nicht notwendigerweise, beim Öffnen des Kontaktelements eine
physikalische Trennung von zwei Teilen stattfinden kann, während ein
Spalt zwischen diesen ausgebildet wird, und dies kann beispielsweise
stattfinden, indem ein beweglicher Kontakt bewegt wird, welcher
zwei gegenseitig beabstandete Kontakte verbindet, so dass diese
nicht länger
miteinander in Verbindung stehen, oder durch die Tatsache, dass ein
beweglicher Kontakt gegen einen festen Kontakt drückt und
davon wegbewegt wird. Es sind auch Kontaktelemente ohne eine physikalische
Trennung von Kontakten beim Öffnen
vorstellbar.
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Bereits
bekannte elektrische Schaltvorrichtungen des in der Einleitung erwähnten Typs,
wie zum Beispiel diejenige, die durch
US
4 459 629 bekannt ist, weisen eine vergleichsweise teure
Steuerungselektronik auf, um ein Öffnen der zwei Kontaktelemente,
wenn ein Wunsch besteht, den Strompfad zu unterbrechen, oder ein
Schließen
der Kontaktelemente, wenn der Strompfad wiederhergestellt werden
soll, auf eine wohldefinierte Weise durch eine exakte Koordination
auszuführen,
welche von der Steuerung der zwei Kontaktelemente gefordert ist.
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Ein
anderer Nachteil von bereits bekannten sogenannten Hybridunterbrechern
besteht darin, dass sie Wünsche
bezüglich
der Geschwindigkeit offen lassen, mit der das Unterbrechen stattfinden kann,
da auf eine gewisse Stellung der Wechselspannung für den Strompfad
gewartet werden muss, bevor der Unterbrechungsvorgang gestartet
werden kann. Es wurde versucht, dieses Problem durch ein Anordnen
von Halbleitervorrichtungen in verschiedenen Schaltkreisen einer
derartigen elektrischen Schaltvorrichtung zu lösen, um separate Halbleitervorrichtungen
bei verschiedenen Stellungen des augenblicklichen Wechselstroms
in dem Strompfad zu verwenden, um die Zeitspanne zwischen einem
Entdecken eines Unterbrechungsbedarfs und einem abgeschlossenen Öffnen des
Strompfads durch die Schaltvorrichtung zu verkürzen. Die Halbleitervorrichtungen
machen jedoch einen beträchtlichen
Teil der Gesamtkosten einer derartigen Schaltvorrichtung aus, was
bedeutet, dass eine solche Lösung
teuer wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische
Schaltvorrichtung des in der Einleitung definierten Typs zu schaffen,
welche eine Möglichkeit
zu einer schnellen Öffnung
des Strompfads unabhängig
von der augenblicklichen Stellung des Wechselstroms zeigt, wenn
ein Bedarf dafür
auftritt, ohne die Schaltvorrichtung übertrieben teuer zu machen,
und welche gleichzeitig nur eine niedrige Steuerungsenergie benötigt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Tatsache gelöst,
dass die Gesamtanzahl der Kontaktelemente der Schaltvorrichtung
mindestens vier beträgt,
wobei in jedem von zwei Zweigen, die in dem Strompfad parallel geschaltet
sind, zwei in Reihe geschaltet sind, dass die Halbleitervorrichtung
zu einem miteinander Verbinden der Mittelpunkte zwischen den zwei
Kontaktelementen eines jeden Zweigs angeordnet ist, dass die Schaltvorrichtung
mindestens ein Element umfasst, welches geeignet ist, um die Richtung
des Stroms durch die Schaltvorrichtung zu detektieren, dass die
Steuerungseinheit geeignet ist, um ein Öffnen des Strompfads durch
ein Steuern des ersten Kontaktelements, welches bezüglich der
vorherrschen Stromrichtung vor dem Mittelpunkt eines ersten Zweiges
gelegen ist, zum Öffnen
und eines zweiten Kontaktelements des zweiten Zweigs, welches bezüglich der
Stromrichtung nach dem Mittelpunkt gelegen ist, zum Öffnen zu
steuern, um den Strom an einen temporären Strompfad durch die Halbleitervorrichtung
zu transferieren, wenn diese sich in dem leitenden Zustand befindet
oder in diesen übergeht,
und dann den Strompfad durch die Schaltvorrichtung zu unterbrechen,
wenn sich die Halbleitervorrichtung in einem Zustand des Sperrens
des durch sie hindurchgehenden Stroms befindet, indem mindestens
ein Kontaktelement der Schaltvorrich tung, welches in dem temporären Strompfad
durch die Halbleitervorrichtung angeordnet ist, geöffnet wird,
und dass die Steuerungseinheit geeignet ist, um auf der Grundlage
von Informationen von dem Detektierelement zu wählen, welcher Zweig der erste
sein soll.
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Durch
diesen Entwurf der Schaltvorrichtung kann eine vorbestimmte Unterbrechungssequenz
gestartet werden, sobald ein Bedarf dafür detektiert wird, obwohl die
Schaltvorrichtung eine einzige Halbleitervorrichtung aufweisen kann,
da die Kontaktelemente immer so gesteuert werden können, dass
ein temporärer
Strompfad in ein und dieselbe Richtung durch die Halbleitervorrichtung
unabhängig
von der Richtung des Wechselstroms durch die Schaltvorrichtung bewerkstelligt
werden kann. Die Kosten für Halbleitervorrichtungen
können
auf diese Weise mindestens halb so hoch mit Bezug auf andere bekannte Hybridunterbrecher
mit ähnlicher
Geschwindigkeit sein, welche zwei in entgegengesetzte Richtungen gerichtete
Halbleitervorrichtungen anstelle von einer aufweisen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Steuerungseinheit geeignet, um nach dem Transfer
an den temporären
Strompfad a) das zweite Kontaktelement des ersten Zweiges und/oder
b) das erste Kontaktelement des zweiten Zweiges zu öffnen, um
den Strompfad durch die Schaltvorrichtung zu unterbrechen. Durch
eine Verwendung eines dieser Kontaktelemente zum Unterbrechen des
temporären
Strompfads ist es möglich, die
Anzahl der Kontakte der Schaltvorrichtung und dadurch die Kosten
dafür niedrig
zu halten.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Schaltvorrichtung mindestens ein bewegliches
Kontaktteil, welches angeordnet ist, um eine galvanische Verbindung
zwischen zwei festen Kontakten des jeweiligen Kontaktelements herzustellen
und diese Verbin dung zum Schließen
bzw. Öffnen
des Kontaktelements zu unterbrechen. Dies begründet eine einfache und zuverlässige Weise
zum Betätigen
der Kontaktelemente.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Weiterentwicklung der zuletzt erwähnten Ausführungsform
der Erfindung weist die Schaltvorrichtung ein einziges bewegliches
Teil für
alle Kontaktelemente auf, welche entlang ein und desselben der parallel geschalteten
Zweige angeordnet sind, wobei das bewegliche Teil geeignet ist,
um in dem geschlossenen Zustand der Schaltvorrichtung alle Kontaktelemente des
in Frage kommenden Zweiges zu schließen, und dass die Einheit geeignet
ist, um dieses bewegliche Teil zu steuern, so dass es eine einzige
mechanische Bewegung zum Öffnen
oder Schließen
der Kontaktelemente des jeweiligen Zweiges ausführt. Dies führt zu der Möglichkeit
einer sehr einfachen Steuerung der separaten Kontaktelemente, so
dass keine komplizierte Steuerungselektronik dafür erforderlich ist. Dann ist
es besonders vorteilhaft, wenn die zwei beweglichen Teile zum Öffnen bzw.
Schließen
des Strompfads durch die Schaltvorrichtung durch eine einzige mechanische
Bewegung einer Einheit miteinander verbunden sind, von welcher die
zwei beweglichen Teile umfasst sind. Dadurch kann das Öffnen und
das Schließen
des Strompfads durch die Schaltvorrichtung stattfinden, während das Öffnen bzw.
das Schließen
der verschiedenen Kontaktelemente durch sehr einfache Mittel perfekt
synchronisiert wird. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass eine
einzige Antriebsanordnung zum Erzielen aller Öffnungen verwendet werden kann,
indem die Einheit und dadurch beide beweglichen Teile angetrieben
werden, um eine Bewegung ausführen.
Es wird in diesem Kontext darauf hingewiesen, dass die zwei beweglichen
Teile auf eine solche Weise verbunden sein können, dass sie in der Praxis
durch ein und dasselbe Teil gebildet sind, aber es ist dann erforderlich,
dass die Abschnitte dieses Teils, welche eines der beweglichen Teile bilden,
jeweils mit Bezug zueinander elek trisch isoliert sind. Durch die
Tatsache, dass das Öffnen
oder Schließen
der elektrischen Schaltvorrichtung durch eine einzige mechanische
Bewegung stattfindet, werden verbesserte Möglichkeiten zur Beschleunigung
der Arbeitsweise erlangt, da nur eine Beschleunigung eines beweglichen
Teils erforderlich ist.
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Gemäß einer
sehr bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Schaltvorrichtung ein Antriebselement,
welches elektrisch gesteuert ist und geeignet ist, um eine Bewegung
des beweglichen Teils der Schaltvorrichtung zum Öffnen oder Schließen von
davon umfassten Kontaktelementen auszuführen, und es ist besonders
vorteilhaft, wenn dieses Antriebselement eine elektromagnetische
Maschine in der Form eines Elektromotors ist. Durch Verwenden eines
solchen Antriebselements wird es möglich, die Bewegung des beweglichen
Teils zum Unterbrechen und Schließen sehr genau zu steuern und
beispielsweise sicherzustellen, dass eine Trennung von zwei Kontakten
bei einer speziellen Phasenstellung des Wechselstroms stattfindet.
Durch ein Anordnen einer Steuerungseinheit in der Form einer elektronischen
Einheit, welche geeignet ist, um das Antriebselement zu steuern,
ist es dann auch möglich,
die Bewegung des beweglichen Teils auch dann zu beeinflussen, wenn
diese bereits gestartet wurde, um Anpassungen an neue Parametermesswerte,
wie zum Beispiel Strom oder Spannung, durchzuführen und den gesamten Vorgang möglicherweise
zu unterbrechen, wenn entdeckt wird, dass dafür nicht länger irgendein Bedarf besteht oder
dass die Bewegung beispielsweise eher in die entgegengesetzte Richtung
stattfinden soll. Darüber hinaus
ist diese Ausführungsform
für eine
Koordination mit einer Vorhersage der künftigen Entwicklung des Stroms
durch die Schaltvorrichtung, wie zum Beispiel eines künftigen
Nulldurchgangs des Stroms, geeignet, um ein Unterbrechen des Stroms
durch die Schaltvorrichtung mit einer solchen Vorhersage zu koordinieren,
um beispielsweise sicherzustellen, dass die Komponente mit der Fähigkeit
zum Sperren von Strom nur während
einer sogenannten kurzen Halbwelle Strom leiten wird. Durch die
Möglichkeit auf
diese Weise sicherzustellen, dass die Halbleitervorrichtung, beispielsweise
eine Diode, nur während einer
sehr kurzen Zeitspanne in der Größenordnung einer
halben Stromperiode Strom leiten muss, muss diese Komponente nicht
dafür ausgelegt
werden, dass sie fähig
ist, Arbeitsströme
während
einer langen Zeitspanne auszuhalten, aber es kann stattdessen erlaubt
sein, sie wesentlich zu überlasten,
wenn sie leiten muss, da dies nur während einer sehr kurzen Zeitspanne
stattfindet. Das bedeutet, dass weniger solche Halbleitervorrichtungen
verwendet werden können
als andernfalls der Fall wäre,
wenn sie die in Frage kommenden Ströme für eine lange Zeitspanne aushalten
müssten.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Kontaktelemente, welche zu ein und demselben
der zwei Zweige gehören,
entlang eines Kreisbogens angeordnet. Dies ermöglicht ein Schließen oder Öffnen des
Strompfads durch die Schaltvorrichtung durch eine Drehung des beweglichen
Teils, was sowohl die Flexibilität
als auch die Möglichkeit
verbessert, das bewegliche Teil nach einer gewissen Bewegung desselben
schnell an eine andere Stellung zu bewegen, als es zuvor aufwies.
Nach einem Öffnen
des Strompfads durch ein Drehen des beweglichen Teils in eine Richtung
ist es beispielsweise möglich,
den Strompfad entweder durch ein Drehen des beweglichen Teils zurück in die geschlossene
Stellung in die entgegengesetzte Drehrichtung oder durch ein Fortführen der
Drehung des beweglichen Teils, bis die geschlossene Stellung erreicht
ist, wieder zu schließen.
Es wird auch einfacher, die Schaltvorrichtung beispielsweise durch
einen Elektromotor zu betreiben.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Kontaktelemente, welche zu ein und demselben
der zwei Zweige gehö ren,
entlang einer geraden Linie angeordnet, und die Kontaktelemente
sind geeignet, um durch das bewegliche Teil durch eine Relativbewegung
eines männlichen
und eines weiblichen Mittels für
einen Eingriff miteinander geschlossen zu werden. Dies ermöglicht es,
dass die Kontakte eines solchen Kontaktelements in der geschlossenen
Stellung einen kontinuierlich umgebenden elektrischen Kontakt miteinander
ohne irgendeine Unterbrechung erhalten, so dass Probleme aufgrund
unsymmetrischer Kontakt- und Stromkräfte vermieden werden. Es hat
sich dann als vorteilhaft herausgestellt, das bewegliche Teil als das
männliche
Mittel zu entwerfen und Anordnungen so zu treffen, dass ein weibliches
Kontaktmittel geeignet ist, um um das bewegliche Teil herum bei
einer Bewegung desselben in das weibliche Mittel zum Tragen zu kommen.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Schaltvorrichtung Elemente, die geeignet
sind, um die Richtung und die Stärke
des Stroms durch die Schaltvorrichtung im Wesentlichen kontinuierlich
zu detektieren und Informationen darüber an die Steuerungseinheit zu
senden, wodurch es der Steuerungseinheit ermöglicht wird, augenblicklich
auf Unregelmäßigkeiten
des Stroms zu reagieren, was ein Unterbrechen des in Frage kommenden
Strompfades begründen könnte.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Schaltvorrichtung eine Strombegrenzungsvorrichtung,
die parallel zu der Halbleitervorrichtung geschaltet ist, und die Strombegrenzungsvorrichtung
ist geeignet, um bei einer daran anliegenden Spannung leitend zu
werden, die nahe bei der Maximalspannung liegt, welche von der Halbleitervorrichtung
ausgehalten wird. Aufgrund der Tatsache, dass in dem geschlossenen
und dem geöffneten
Zustand der Schaltvorrichtung keine Spannung an die Halbleitervorrichtung
und damit auch nicht an die Strombegrenzungsvorrichtung angelegt
wird, ist dies möglich,
so dass diese nicht durch irgendwelche durch sie hindurchgehenden Leckströme erwärmt wird.
Durch die Spannungsbegrenzungsvorrichtung, die ein Varistor sein
kann, kann die erste Spannungsspitze begrenzt werden, welche an
der Halbleitervorrichtung durch die zurückkehrende Spannung nach einem Öffnen des
ersten Kontaktelements auftritt, was es in dem Fall einer einzigen
Halbleitervorrichtung ermöglicht,
sie so auszulegen, dass sie in der Lage ist, eine niedrigere wiederkehrende
Spannung in ihrer Sperrrichtung auszuhalten und dadurch weniger
teuer als andernfalls ist, aber insbesondere in dem Fall, dass mehrere
Halbleitervorrichtungen in Reihe geschaltet sind, kann die Anzahl
solcher in Reihe geschalteter Halbleitervorrichtungen mit einer
vorbestimmten Spannungswiderstandsfähigkeit durch eine Anordnung
eines solchen Varistors parallel zu jeder Halbleitervorrichtung verringert
werden. Hierdurch wird vermieden, dass an irgendeiner einzelnen
Halbleitervorrichtung eine höhere
Spannung anliegt, als sie aushalten kann, während an anderen Halbleitervorrichtungen
eine niedrigere Spannung anliegt.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Schaltvorrichtung ein Mittel, das geeignet
ist, um die Spannung zum Ansteigen zu beeinflussen, wenn zwei Kontakte in
Verbindung mit einem Öffnen
des ersten Kontaktelements getrennt werden. Die Spannung liegt bei
der Kontakttrennung normalerweise in der Größenordnung von 12–15 V, und
sie treibt den Transfer des Stroms an die Halbleitervorrichtung,
die parallel damit verbunden ist. Je höher diese Spannung ist, desto
schneller kann der Strom in die Halbleitervorrichtung eingespeist
werden. Durch die Anordnung dieses Mittels wird weniger Materialverschleiß erreicht, und
auch die Kontaktstellung wird bezüglich der Isolierung stabiler
sein.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Mittel mehrere erste Kontaktelemente,
die in Reihe geschaltet und geeignet sind, um im Wesentlichen gleichzeitig
geöffnet
zu werden, um den Strom an die Halbleitervorrichtung zu transferieren.
Die Spannung zum Antreiben der Leitung der Halbleitervorrichtung
kann durch eine solche Reihenschaltung mehrerer Kontaktelemente
erhöht
werden, da diese Spannung durch eine Addition der Spannungen der
in Reihe geschalteten Kontaktelemente gebildet wird, mit genau dem
vorteilhaften. Ergebnis als einer Konsequenz.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Mittel durch die Tatsache gebildet, dass
die von dem ersten Kontaktelement umfassten Kontakte zumindest einen
Teil an verdampfendem Material aufweisen, welches geeignet ist,
um erwärmt
und zu Gasen verdampft zu werden für ein Gas, welches auf einem
Bogen strömt, wenn
die zwei Kontakte beim Öffnen
des ersten Kontaktelements getrennt werden, was auch eine höhere Bogenspannung
und eine schnellere Kommutierung des Stroms an die Halbleitervorrichtung
verursacht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Halbleitervorrichtung eine Diode, welche oft bevorzugt
werden wird, da eine solche Lösung
mit Bezug auf andere steuerbare Halbleitervorrichtungen kostengünstig und
auch sehr zuverlässig
ist. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Halbleitervorrichtung
steuerbar ist, wie zum Beispiel ein Thyristor, und sie kann auch
von einem Abschalttyp sein, wie zum Beispiel ein GTO oder ein IGBT,
um einen schnelleren Unterbrechungsvorgang zu ermöglichen.
Es könnte
auch in einigen Situationen von Vorteil sein, eine bidirektionale
Halbleitervorrichtung anzuordnen, d.h. eine Halbleitervorrichtung,
die in beide Richtungen sperren und leiten kann, wie zum Beispiel
ein BCT (bi-directionally controlled thyristor).
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Wenn
eine Halbleitervorrichtung aus einem Material mit einer breiten
Bandlücke
zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband verwendet wird, d.h.
einer Bandlücke,
die 2,5 eV überschreitet,
wie zum Beispiel SiC und Diamant, kann die Schaltvorrichtung mit
vergleichsweise hohen Spannungen umgehen, während sie eine geringe Anzahl
von Halbleitervorrichtungen verwendet.
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Die
Erfindung betrifft auch vorteilhafte Verwendungen einer wie voranstehend
beschriebenen Schaltvorrichtung gemäß den beigefügten Ansprüchen, und
aus der voranstehenden Erörterung
werden deren Vorteile ohne jeden Zweifel offenbar.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Schaltgerät zur Elektrizitätsversorgung
in der Industrie oder in Verteilungs- und Übertragungsnetzwerken, das
mit einer erfindungsgemäßen elektrischen
Schaltvorrichtung versehen ist.
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Weitere
Vorteile sowie vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung und den anderen abhängigen Ansprüchen offenbar.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Mit
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen folgt nachfolgend eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung, die als Beispiele aufgeführt sind.
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In
den Zeichnungen:
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1–3 sind vereinfachte Schaltpläne, die eine
elektrische Schaltvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung in einer geschlossenen, temporär geschlossenen bzw. geöffneten
Stellung darstellen;
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4–6 sind
vereinfachte Ansichten, die eine elektrische Schaltvorrichtung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung in den Stellungen gemäß 1–3 darstellen;
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7–9 sind
vereinfachte Ansichten, die eine elektrische Schaltvorrichtung gemäß einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in den Stellungen gemäß 1–3 darstellen;
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10–12 sind
vereinfachte Ansichten, die eine elektrische Schaltvorrichtung gemäß einer dritten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in den Stellungen gemäß 1–3 darstellen;
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13–15 sind
vereinfachte Ansichten, die eine elektrische Schaltvorrichtung gemäß einer vierten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in den Stellungen gemäß 1–3 darstellen;
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16 stellt
eine mögliche
Modifikation einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung
sehr schematisch dar;
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17 stellt
dar, wie sich der Strom I durch und eine an den Halbleitervorrichtungen
der Ausführungsform
gemäß 16 anliegende
Spannung U über
die Zeit im Vergleich mit der Ausführungsform gemäß einer
der 4–15 entwickeln;
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18 ist
ein vereinfachter Schaltplan, der eine mögliche Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen
Schaltvorrichtung zum Einschalten und Ausschalten von Kondensatoren
an einem Wechselspannungsnetzwerk zur Blindleistungsregelung darstellt;
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19 stellt
eine zusätzliche
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sehr schematisch dar;
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20 stellt
noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sehr
schematisch dar;
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21 und 22 stellen
einen Teil einer Schaltvorrichtung in zwei verschiedenen Stellungen dar,
wenn der durch sie hindurchgehende Strom unterbrochen wird;
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23 und 24 sind
schematische Schaltpläne,
die zwei mögliche
Wege zur Anordnung von erfindungsgemäßen elektrischen Schaltvorrichtungen
zum Starten eines Elektromotors darstellen; und
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25 ist
eine Ansicht entsprechend 4, die darstellt,
wie zwei erfindungsgemäße elektrische Schaltvorrichtungen
in Reihe geschaltet werden können.
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GENAUE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Der
allgemeine Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltvorrichtung
für Wechselstrom
ist in 1 schematisch dargestellt, und diese ist in einen
Strompfad 1 geschaltet, um in der Lage zu sein, diesen
Pfad schnell zu öffnen
und zu schließen. Pro
Phase ist eine solche Schaltvorrichtung angeordnet, so dass ein
Dreiphasennetzwerk drei solche Schaltvorrichtungen an ein und derselben
Stelle aufweist. Die Schaltvorrichtung umfasst zwei in dem Strompfad
parallel geschaltete Zweige 2, 3, und jeder weist
mindestens zwei in Reihe geschaltete mechanische Kontaktelemente 4–7 auf.
Eine Halbleitervorrichtung 8 in der Form einer Diode ist
geeignet, um die Mittelpunkte 9, 10 zwischen den
zwei Kontaktelementen eines jeden Zweigs miteinander zu verbinden.
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Die
Schaltvorrichtung umfasst auch ein Detektierelement 11,
das schematisch dargestellt ist und geeignet ist, um die Richtung
und die Stärke
des Stroms in dem Strompfad zu detektieren und Informationen darüber an eine
Einheit 12 zu senden, welche geeignet ist, die Kontaktelemente 4–7 auf
eine Weise zu steuern, die nachfolgend weiter beschrieben wird.
Die Steuerungseinheit weiß auf
diese Weise jederzeit, wie der Strom augenblicklich aussieht und
ist augenblicklich in der Lage, die Kontaktelemente in der gewünschten
Weise zu steuern.
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Die
Funktion dieser elektrischen Schaltvorrichtung ist wie folgt: wenn
ein Wunsch zur Unterbrechung des Strompfads 1 auftritt,
beispielsweise durch die Detektion eines sehr hohen Stroms in dem Strompfad 1 durch
das Detektierelement 11, welcher durch einen Kurzschluss
in dessen Verlauf verursacht sein kann, entscheidet die Steuerungseinheit 12 zuerst,
welche zwei Kontaktelemente, hier die Kontaktelemente 5 und 6 (siehe 2),
geöffnet
werden müssen,
um einen temporären
Strompfad durch die Halbleitervorrichtung 8 zu bilden.
Daher hängt diese
Entscheidung davon ab, in welcher Stellung sich der Strom in dem
Strompfad dann befindet. In der Stellung gemäß 1 fließt der gesamte
Strom durch die Schaltvorrichtung durch die zwei Zweige 2, 3 und
nichts durch die Diode. Wenn nun das Unterbrechen stattfinden soll,
muss der Strom so schnell wie möglich
transferiert werden, um stattdessen durch die Diode zu fließen. Der
Strom kann aus einer gewissen Richtung in die Diode während des
Teils einer Wechselstromperiode geschaltet werden, der zwischen
dem Zeitpunkt kurz bevor die Diode vorwärts vorgespannt wird, bis die
Diode das nächste Mal
rückwärts vorgespannt
wird, liegt. Das bedeutet, wenn in der Praxis eine ganze Periode 20 ms
beträgt, dass
ein Öffnen
der Kontaktelemente gemäß 2 beispielsweise
etwa 2 ms vor einem Nulldurchgang in Richtung der Vorwärtsvorspannung
bis zu dem nächsten
Nulldurchgang stattfinden kann. Wenn die falsche Halbperiode der
Wechselspannung zum Öffnen
der Kontaktelemente 5 und 6 gemäß diesen
Bedingungen vorherrscht, können
dann stattdessen die Kontaktelemente 4 und 7 unmittelbar
geöffnet
werden, um stattdessen diesen temporären Strompfad zu bilden. Dementsprechend
kann dieser temporäre Strompfad
unmittelbar nach einem Detektieren des Bedarfs für ein Öffnen der Schaltvorrichtung
gebildet werden. Durch eine Verwendung eines elektrisch gesteuerten
Antriebselements, einer elektronischen Einheit zu dessen Steuerung
und einer Vorhersage eines zukünftigen
Nulldurchgangs des Stroms kann das Öffnen dieses ersten Kontaktelements
gesteuert werden, so dass es im Wesentlichen bei einem solchen Nulldurchgang
stattfindet, was bedeutet innerhalb von etwa 0,5 ms vor und etwa
0,5 ms nach einem solchen Nulldurchgang. Dies bedeutet, dass der Strom,
der umkommutiert werden muss, um durch die Diode zu fließen, klein
ist und die Kommutierung daher schnell stattfinden kann, ohne irgendwelche hohen
Anforde rungen an Mittel zur Erhöhung
der an diesem Kontaktelement anliegenden Spannung.
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Wenn
die in 2 dargestellte temporäre geschlossene Stellung durch
ein Öffnen
der Kontaktelemente 5, 6 erreicht ist, wird in
dem Spalt zwischen den Kontakten des jeweiligen Kontaktelements
ein kleiner Funke erzeugt, der zu einer Spannung von üblicherweise
12–15
V führt,
welche den Transfer des Stroms durch die Diode 8 antreibt.
Mit Bezug auf 4–6 und 21 und 22 werden
mögliche
Wege zur Beschleunigung des Stromtransfers nachfolgend weiter beschrieben.
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Wenn
dann die an der Schaltvorrichtung anliegende Spannung die Richtung
wechselt, wird kein Strom dort hindurchfließen, aber an der Diode 8,
die dann rückwärts vorgespannt
ist, wird eine Spannung aufgebaut, und mindestens eines der zwei
anderen Kontaktelemente 4, 7 wird nun geöffnet, so
dass der temporäre
Strompfad unterbrochen ist, wobei diese Unterbrechung lichtbogenfrei
stattfinden kann, da zum Zeitpunkt der Unterbrechung kein Strom
durch den Kontaktort fließt.
Dadurch wird die vollständig
geöffnete
Stellung gemäß 3 erhalten. Bei dieser Unterbrechung ist
es wichtig, dass sie so schnell stattfindet, dass die an der Diode 8 anliegende
Spannung nicht wieder die Richtung wechselt und diese zu leiten
beginnt. Durch die Tatsache, dass die Frequenz des Öffnens der
Kontaktelemente in Abhängigkeit
von der Stellung des Wechselstroms gesteuert werden kann, wenn ein
Bedarf zum Öffnen
der Schaltvorrichtung auftritt, kann die Schaltvorrichtung zwischen
die geschlossene Stellung und die vollständig geöffnete Stellung gemäß 3 innerhalb einer Zeitspanne gebracht
werden, die wesentlich kürzer als
eine Periode ist, üblicherweise
immer innerhalb von 15 ms bei einer Frequenz von 50 Hz der Wechselspannung.
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Aufgrund
der Tatsache, dass in der geschlossenen Stellung der Schaltvorrichtung
der Strom niemals durch die Diode 8 fließt, müssen die
Kontaktelemente 4–7 nur
für den
Arbeitsstrom ausgelegt werden, der beispielsweise 1000 A betragen
kann, während
die Diode für
einen möglichen
Kurzschlussstrom ausgelegt wird, welcher in einem solchen Fall 25
kA betragen kann. Sie muss diesen Strom jedoch nur während einer
sehr kurzen Zeitspanne aushalten, und die Auslegung der Diode kann
durchgeführt werden,
ohne dass irgendwelche Überlegungen
zu irgendeinem kontinuierlichen Arbeitsstrom durch die Schaltvorrichtung
angestellt werden müssen.
Darüber
hinaus muss die Diode für
eine zurückkehrende Spannung
ausgelegt werden, die während
einer kurzen Zeitspanne nach einem Öffnen der zwei zuerst geöffneten
Kontaktelemente daran anliegt. Diese kann in dem Fall einer Netzwerkspannung
von 12 kV beispielsweise etwa 20 kV betragen. Die Kontaktelemente
der Schaltvorrichtung müssen
selbst jedoch in der geöffneten
Stellung gemäß 3 in der Lage sein, eine wesentlich höhere sogenannte
Impulsspannung auszuhalten, welche in diesem Fall 75 kV betragen
kann.
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Die
Schaltvorrichtung kann vorteilhafterweise auf eine solche Weise
angeordnet werden, dass die Unterbrechungsstelle in der Stellung
gemäß 3 sichtbar ist, d.h. als Unterbrecher,
so dass in dieser Stellung Arbeiten entlang des Strompfads ausgeführt werden
können.
Die Verwendung der gleichen Halbleitervorrichtung in dem temporären Strompfad
unabhängig
davon, welche Richtung dieser durch die Schaltvorrichtung nimmt,
ermöglicht
durch eine wesentliche Verringerung der Anzahl an Halbleitervorrichtungen
große
Kosteneinsparungen mit Bezug auf bereits bekannte Schaltvorrichtungen
dieses Typs.
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In 4–6 ist
schematisch dargestellt, wie eine elektrische Schaltvorrichtung
für Wechselstrom
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung mit der in 1–3 dargestellten Funktion
aufgebaut ist. Diese weist zwei bewegliche Kontaktteile 13, 14 auf,
welche geeignet sind, um eine galvanische Verbindung mit zwei festen
Kontakten des jeweiligen Kontaktelements zum Schließen des
Kontaktelements herzustellen. Das jeweilige bewegliche Teil ist
so angeordnet, um alle Kontaktelemente eines Zweiges jedes der Zweige 2, 3 in
dem geschlossenen Zustand der Schaltvorrichtung zu schließen. Zwei
zusätzliche
feste Kontakte 9', 10' sind hier auch
zwischen den zwei Kontaktelementen des jeweiligen Zweiges und einem
Zweig 15 zwischen den zwei anderen Zweigen, in welchem
die Halbleitervorrichtung angeordnet ist, angeordnet, und diese
festen Kontakte sind auch geeignet, um durch das jeweilige bewegliche
Teil 13, 14 galvanisch miteinander verbunden zu
werden. Die zwei beweglichen Teile 13, 14 sind
starr miteinander verbunden, indem sie auf ein und derselben Scheibe 16 angeordnet
sind, welche so angeordnet ist, dass sie in der Lage ist, frei um
eine Mittelachse 17 zu rotieren. Aus der voranstehenden
Beschreibung ist ersichtlich, wie die elektrische Schaltvorrichtung
gemäß 4–6 von
der geschlossenen Stellung gemäß 4 in
die vollständig
geöffnete
Stellung gemäß 6 überführt wird,
und es ist dementsprechend der Zustand des Stroms durch die Schaltvorrichtung, der
zu dem Zeitpunkt vorherrscht, an dem ein Bedarf zum Öffnen detektiert
wird, der entscheidet, in welche Richtung die beweglichen Teile 13, 14 zu
der schnellstmöglichen Öffnung der
Schaltvorrichtung rotieren sollen. Ein elektrisch gesteuertes Antriebselement 52 in
der Form eines Elektromotors ist geeignet, um die Bewegung der beweglichen
Teile 13, 14 anzutreiben. Die Steuerungseinheit 12 ist
eine elektronische Einheit, so dass die Bewegung der beweglichen Teile 13, 14 sehr
genau gesteuert werden und nachgestellt oder unterbrochen werden
kann, solange sie andauert.
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Zwei
Alternativen zur schnellen Kommutierung des Stroms, der durch die
Diode fließen
soll, wenn das Öffnen
eines ersten Kontaktelements stattge funden hat, sind auch in 4–6 gezeigt. Eine
Alternative ist in der Form von widerstandserhöhenden Komponenten 53 gezeigt,
die zwischen der Verbindung des jeweiligen Kontakts mit dem Strompfad 1 und
dem Kontakt angeordnet sind. Diese widerstandserhöhende Komponente
soll durch die elektronische Einheit 12 gesteuert werden,
um entweder einen vernachlässigbaren
Widerstand in dem geschlossenen Zustand der Schaltvorrichtung gemäß 4 aufzuweisen
oder einen vergleichsweise hohen Widerstand zu erhalten, um eine
daran anliegende Spannung aufzunehmen. Die widerstandserhöhende Komponente
kann ein Widerstand mit einem steuerbaren Widerstandswert sein,
beispielsweise ein Pulver mit einem sehr geringen Widerstandswert,
wenn ein äußerer Druck
darauf ausgeübt wird,
welches aber einen hohen Widerstandswert erhält, wenn der Druck entfernt
wird, oder eine steuerbare Halbleitervorrichtung, welche eine niedrige Spannung
im eingeschalteten Zustand aufweist, aber welche abgeschaltet werden
kann, um dann den Widerstand dadurch beträchtlich zu erhöhen.
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Es
ist hier auch dargestellt, wie es ein spannungserhöhendes Mittel 54 gibt,
das den widerstandserhöhenden
Komponenten 53 entspricht, welches hier einen Ladekondensator
umfasst, der geeignet ist, um zwischen benachbarte Kontakte des
ersten Kontaktelements der Schaltvorrichtung eingeschaltet zu werden,
wenn dieses geöffnet
werden soll, um den Strom schnell durch die Diode 8 zu
transferieren. Dies ist nur für
die Kontaktelemente 4 und 5 gezeigt, aber die
entsprechende Anordnung besteht vorzugsweise auch für die Kontaktelemente 6 und 7.
Durch ein Koordinieren der Trennung der Kontakte des ersten Kontaktelements
mit der Steuerung der widerstandserhöhenden Komponente 53 zur
Erhöhung deren
Widerstandswerts oder des spannungserhöhenden Mittels 54 zur
Erhöhung
der Spannung durch die Steuerungseinheit 12 kann eine an
der Diode 8 an liegende Spannung sehr schnell aufgebaut
werden, und der Transfer des Stroms, der durch die Diode fließen soll,
wird dadurch schnell stattfinden.
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In 7–9 ist
schematisch dargestellt, wie eine Schaltvorrichtung gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zwischen einer geschlossenen Stellung (7),
einer temporär
geschlossenen Stellung (8) und einer geöffneten
Stellung (9) bewegt wird. Auch diese Schaltvorrichtung
weist zwei bewegliche Kontaktteile 18, 19 auf,
welche hier einen stangenartigen Entwurf aufweisen und geeignet
sind, um als männliche
Mittel zu funktionieren, welche geeignet sind, um in weiblichen
Mitteln in der Form von Kontaktringen 20 für einen
umgebenden elektrischen Kontakt damit aufgenommen zu werden. Die
zwei Kontaktelemente 18 und 19 sind starr miteinander
zu einer einzigen Einheit verbunden und sie sind geeignet, um parallel
zueinander in ein und dieselbe Richtung zum Öffnen oder Schließen der
Schaltvorrichtung bewegt zu werden. Die augenblickliche Richtung
des Stroms durch die Schaltvorrichtung entscheidet, in welche Richtung,
in 7 nach oben oder nach unten, sich die stangenartigen
Komponenten bewegen werden, um ausgehend von der Stellung gemäß 7 ein Öffnen der
Schaltvorrichtung auszuführen.
Wenn die Stromrichtung die in 7 gezeigte
ist, wird eine Entscheidung getroffen, die beweglichen Teile 18, 19 nach
unten zu bewegen, um einen temporären Strompfad durch die Diode 8 so
schnell wie möglich
zu bilden.
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Eine
Schaltvorrichtung gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist in 10–12 dargestellt,
und diese unterscheidet sich von derjenigen gemäß 7–9 durch die
Tatsache, dass die zwei beweglichen Teile 18, 19 hier
durch eine Kipphebelanordnung 21 wechselseitig verbunden
sind und sie sich im Wesentlichen parallel zueinander aber in entgegengesetzte
Richtungen bewegen. Die augenblickliche Stellung des Stroms durch
die Schaltvorrichtung entscheidet, wenn ein Be darf für ein Öffnen detektiert
wird, welches der zwei beweglichen Kontaktteile 18, 19 ausgehend
von der Stellung gemäß 10 nach
oben bewegt werden soll und welches nach unten bewegt werden soll,
um den temporären
Strompfad durch die Diode 8 so schnell wie möglich zu
bilden.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 13–15 wurden
die zwei beweglichen Kontaktteile 18, 19 mechanisch
miteinander verbunden, um zusammen in ein und dieselbe Richtung
entlang einer im Wesentlichen geraden Linie bewegt zu werden. Die
Teile sind dort mit Bezug zueinander elektrisch isoliert. In welche
Richtung sich die beweglichen Teile aus der geschlossenen Stellung
gemäß 13 bewegen
sollen, um die temporär
geschlossene Stellung so schnell wie möglich zu erhalten, hängt von
der Stellung des Wechselstroms ab, die zu dem Zeitpunkt der Detektion
des Bedarfs für
eine Unterbrechung vorherrscht.
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Zwei
zusätzliche
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in 16 dargestellt,
wobei der eine auf einer Reihenschaltung mehrerer Halbleitervorrichtungen 22–25 basiert,
um in der Lage zu sein, nach einem Unterbrechen des Strompfads gemeinsam
eine gewisse zurückkehrende
Spannung aufzunehmen. Daher kann bei allen voranstehend gezeigten
Ausführungsformen
jedes Diodensymbol durch eine Anzahl von in Reihe geschalteten Dioden
auf diese Weise ersetzt werden. Es ist hier auch möglich, ein
Material mit einer breiten Bandlücke
zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband zu wählen, wie
zum Beispiel SiC oder Diamant, um eine geringere Anzahl der für eine gegebene
Spannung erforderlichen Halbleitervorrichtungen zu erhalten.
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Der
andere Aspekt besteht in einer Parallelschaltung eines Varistors 26–29,
vorzugsweise aus ZnO, mit jeder Halbleitervorrichtung, wobei der
Varistor geeignet ist, bei einer daran anliegenden Spannung, die
nahe bei der Maximalspannung liegt, welche die Halbleitervorrichtung
aushalten kann, das Leiten anzufangen. Dies kann durch die Tatsache
erreicht werden, dass die Varistoren normalerweise überhaupt
keinen Strom leiten, da keine Spannung daran angelegt wird, aber
sie werden eine daran anliegende Spannung nur in Verbindung mit
dem Übergang
zwischen der temporär
geschlossenen und der vollständig
geöffneten
Stellung empfangen. In 17 ist dargestellt, wie sich
die Spannung U, die an den Halbleitervorrichtungen 22–25 in
einer umgekehrten Richtung dazu anliegt, über die Zeit t entwickelt,
wenn die daran anliegende Spannung in der temporär geschlossenen Stellung zum
Zeitpunkt Null ansteigt. Die gestrichelte Linie zeigt, wie sich
die an den Dioden anliegende Spannung in der Abwesenheit von Varistoren
entwickelt und die durchgezogene Linie mit Varistoren. Es zeigt
sich daher, dass die Varistoren die erste Spannungsspitze abschneiden. Wenn
beispielsweise vier 5 kV-Dioden in einem System mit einer Netzwerkspannung
von 12 kV und einer normalen zurückkehrenden
Spannung von 22 kV in Reihe geschaltet sind, können auf diese Weise die Varistoren
anfangen, einen kleinen Strom während der
kurzen Zeitspanne (etwa 10 μs),
welche die Spitze der zurückkehrenden
Spannung dauert, zu leiten, so dass diese Spannungsspitze auf 18
kV heruntergebracht werden kann. Das bedeutet, dass nicht fünf in Reihe
geschaltete Dioden erforderlich sind, sondern nur vier, um in der
Lage zu sein, sich um die zurückkehrende
Spannung zu kümmern.
Die Änderung des
Stroms I ist auf der linken Seite (vor) der Zeit Null dargestellt.
Durch ein derartiges Parallelschalten eines separaten Varistors
mit jeder Halbleitervorrichtung wird es vermieden, dass irgendeine
einzelne Halbleitervorrichtung eine höhere daran anliegende Spannung
erhält,
als sie aushalten kann, während andere
Halbleitervorrichtungen eine niedrigere daran anliegende Spannung
erhalten. Es ist auch möglich, zu
den Halbleitervorrichtungen parallel geschaltete Widerstandswerte
oder Kapazitäten
anzuordnen, um die Span nung im Wesentlichen gleichmäßig über die Halbleitervorrichtungen
zu verteilen.
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Eine
mögliche
Anwendung einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung
zum Einschalten von Kondensatoren 30 an ein Dreiphasenwechselspannungsnetzwerk 31 zur
Blindleistungsregelung ist in 18 dargestellt.
Eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung
kann dann zwei Unterbrecher 32, 33, wie in 18 dargestellt
ist, ersetzen. Wenn der Kondensator 30 mit der in Frage
kommenden Phase des Wechselspannungsnetzwerks verbunden wird, kann zuerst
ein Unterbrecher 32 geschlossen werden. Dann werden Thyristoren 51,
die den Unterbrecher 32 mit der in Frage kommenden Phase
verbinden, eingeschaltet, so dass der Kondensator 30 zu
einem gewünschten
Zeitpunkt zugeschaltet wird. Dann wird der Unterbrecher 33 geschlossen.
Dann wird der Unterbrecher 32 geöffnet, so dass die Thyristoren
nicht länger
leiten müssen,
aber der Unterbrecher 33 ist geschlossen und die Zuschaltung
des Kondensators ist abgeschlossen. Durch ein Zuschalten zunächst der
Diode auf diese Weise, wenn der in Frage kommende Kondensator zu
dem Netzwerk zugeschaltet werden soll, können transiente Spannungen
an dem Netzwerk begrenzt werden, die aus einer gewissen Restspannung
des Kondensators entspringen.
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In 20 ist
dargestellt, wie es möglich
ist, Halbleitervorrichtungen 38, 39 parallel zu
schalten, um in der Lage zu sein, einen gewissen Kurzschlussstrom
aufzunehmen oder nur aus Redundanzgründen, so dass eine Schaltvorrichtung
auf eine gewünschte
Weise funktionieren kann, sogar wenn eine beliebige Diode in einer
sogenannten Packung von in Reihe geschalteten Dioden ausfällt.
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In 21 ist
schematisch dargestellt, wie es möglich sein kann, ein bewegliches
Teil 43, 44, das die Kontaktelemente 4 und 7 sowie 5 und 6 kreuzweise
verbindet, anzuordnen, so dass jedes bewegliche Teil geeignet ist,
um alle ihm zugeordneten Kontaktelemente in der geschlossenen Stellung
der Schaltvorrichtung zu schließen
(für das
Teil 43 die Kontaktelemente 4 und 7),
wobei jedes bewegliche Teil geeignet ist, um eine einzige mechanische
Bewegung zum Öffnen
und Schließen
der ihm zugeordneten Kontaktelemente auszuführen.
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In 22 ist
dargestellt, wie ein Mittel aussehen kann, das geeignet ist, um
die Spannung zum Ansteigen bei einem Trennen von zwei Kontakten
in Verbindung mit einem Öffnen
des ersten Kontaktelements zu beeinflussen. Wir nehmen nun an, dass
das erste Kontaktelement zwei feste Kontakte 40, 41 aufweist,
welche geeignet sind, um in dem geschlossenen Zustand durch ein
bewegliches Teil 45 galvanisch verbunden zu werden. Das
bewegliche Teil 45 ist an seinem einen Ende mit einem Abschnitt 42 eines
Materials mit einem vergleichsweise hohen spezifischen Widerstand
versehen, so dass der Widerstandswert zwischen dem beweglichen Teil 45 und dem
Kontakt 40 und dadurch zwischen den zwei Kontakten 40 und 41 zu
Beginn der Trennung (der Stellung entsprechend 23)
erhöht
wird, während ein
zwischen diesen Kontakten hindurchgehender Strom ermöglicht wird,
so dass eine Spannung, welche den Transfer des Stroms durch die
Halbleitervorrichtung antreibt, erhöht wird. Der Abschnitt 42 kann beispielsweise
aus Graphit bestehen.
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Ein
anderer Vorteil einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltvorrichtung
wird dank der Tatsache erreicht, dass in dem Fall einer Dreiphasenspannung,
welche am häufigsten
vorkommt, die drei elektrischen Schaltvorrichtungen für jede Phase
vollständig
unabhängig
voneinander steuerbar angeordnet sind, was bei derartigen bereits
bekannten Schaltvorrichtungen nicht der Fall ist, welche miteinander
mechanisch verbunden sind, so dass sie alle gleichzeitig geöffnet oder
geschlossen werden müssen.
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Wenn
ein Fehler in der Nähe
eines Generators auftritt, der mit einem Wechselstromnetzwerk verbunden
ist, ist es möglich,
dass eine Spannungsasymmetrie in einer beliebigen Phase existieren kann
und es mehrere Perioden dauert, bevor sie Null wird, was bedeutet,
dass für
die bereits bekannten elektrischen Schaltvorrichtungen eine Notwendigkeit bestand,
mit dem Unterbrechen zu warten, bis sichergestellt ist, dass ein
Nulldurchgang für
alle Phasen erreicht wurde, was eine Verzögerung in der Größenordnung
von 100 ms bedeuten kann. Dank der erfindungsgemäßen Anordnung von elektrischen
Schaltvorrichtungen, die unabhängig
steuerbar sind, kann ein Unterbrechen der Phasen, bei denen Symmetrie herrscht,
früher
stattfinden, als für
die Phase mit der Asymmetrie, so dass die schädlichen Folgen der durch einen
Fehler erzeugten Ströme
beträchtlich verringert
werden können.
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Eine
mögliche
Anwendung eines erfindungsgemäßen Unterbrechers
für Motorstarts
ist in 23 und 24 dargestellt.
Es ist hier gezeigt, wie die Schaltvorrichtungen 46, 47 gemäß beispielsweise 4 angeordnet
sind, und diese können
ein bewegliches Teil 13, 14 gemeinsam haben. Eine
der Schaltvorrichtungen wird dann durch eine Drosselspule 49 mit
dem Motor 48 verbunden, während die andere mit dem Motor
direkt verbunden ist. Die meisten Energienetzwerke sind nicht steif
genug, um einen Start von direkt damit verbundenen großen Motoren
zu erlauben, da diese so viel Energie ziehen, dass die Spannung
auf dem Netzwerk viel zu stark verringert wird. Dieses Problem kann
durch ein Starten des Motors gemäß verschiedener
Startmethoden gelöst
werden, zum Beispiel durch einen Drosselspulenstart, einen Kondensatorstart
oder einen Transformatorstart, wobei ein Drosselspulenstart hier
dargestellt ist. Wenn der Motor gestartet werden soll, muss die
in 23 links zu sehende Schaltvorrichtung in eine
geschlossene Stellung gebracht werden, so dass der Motor 48 eine
Einspeisung durch die Drosselspule 49 empfängt. Wenn
es nun aus irgendei nem Grund gewünscht
ist, den Start zu unterbrechen, können die Kontakte dieser Schaltvorrichtung
geöffnet
werden. Wenn der Motor dann eine synchrone Drehzahl erreicht hat,
kann die Drosselspule 49 dadurch abgeschaltet werden, dass
die Schaltvorrichtung in eine geöffnete
Stellung gebracht wird, während
die Schaltvorrichtung 47 in eine geschlossene Stellung gebracht
wird.
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Wenn
ein Kurzschluss in einem beliebigen mit dem Strompfad 1 verbundenen
Gerät auftritt,
wird der Motor 48 dann anfangen, als ein Generator zu laufen
und der Fehlerstelle Energie zuführen,
bevor der Fehler abgeschaltet wird. Es besteht hier eine Möglichkeit,
diesen Effekt zu begrenzen, indem in einem solchen Fall die Schaltvorrichtung 46 geschlossen
und die Schaltvorrichtung 47 geöffnet wird, so dass der Kurzschlussbeitrag
des Motors an die Fehlerstelle begrenzt wird und gleichzeitig das
Abbremsen des Motors verringert wird. Wenn in dem Motor ein Kurzschluss
auftritt oder ein geplanter Stopp durchgeführt werden soll, wird dann
die Schaltvorrichtung 47 geöffnet.
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Die
zwei Schaltvorrichtungen 46 und 47 sind in 24 durch
ein Kästchen 50 zusammengefasst, und
es ist hier gezeigt, dass die Schaltvorrichtungen genauso gut in
einer direkten Verbindung mit dem Motor angeordnet werden können, wobei
eine Drosselspule zwischen den Schaltvorrichtungen und dem Wechselspannungsnetzwerk 1 angeordnet
ist.
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In 25 ist
dargestellt, wie zwei elektrische Schaltvorrichtungen 55 von
dem in 4 gezeigten Typ Mittel 56 aufweisen,
um in Reihe geschaltet zu werden, so dass sie zusammen eine höhere daran anliegende
Spannung in dem unterbrochenen Zustand aushalten, als wenn nur eine
Schaltvorrichtung angeordnet wäre.
Es ist natürlich
möglich,
mehr als zwei solche Schaltvorrichtungen in Reihe anzuordnen. Die
Schaltvorrichtungen kön nen
dann mechanisch starr miteinander verbunden und durch ein einziges
Antriebselement gleichzeitig gesteuert werden, aber die Bereitstellung
einer Möglichkeit
zur individuellen Steuerung der Schaltvorrichtungen ist ebenso denkbar.
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Bevorzugte
Anwendungen einer erfindungsgemäßen elektrischen
Schaltvorrichtung bestehen in einem Strombegrenzer oder in Reihenschaltung
mit einem Strombegrenzer oder als ein Unterbrecher, als ein Schutz
zum Erzielen einer Stromunterbrechung und/oder einem Abtrennen von
Teilen in einem elektrischen Kreis, die an beiden Seiten davon gelegen sind,
beim Auftreten von Fehlern, beispielsweise Kurzschlüssen, zum
Einschalten und/oder Ausschalten von normalen Arbeitsströmen in einem
elektrischen Kreis, als Trennungsvorrichtung, als Erdungsvorrichtung
zum Erden eines elektrischen Kreises, zum Zuschalten und Wegschalten
eines Generators mit Bezug auf ein Wechselspannungsnetzwerk, zum Zuschalten
und Wegschalten einer resistiven Last mit Bezug auf ein Wechselspannungsnetzwerk,
zum Zuschalten und Wegschalten einer resistiven, kapazitiven oder
induktiven Last mit Bezug auf ein Wechselspannungsnetzwerk, zum
Unterbrechen von Strompfaden in Schaltgeräten zur Elektrizitätsversorgung in
der Industrie oder in Verteilungs- oder Übertragungsnetzwerken und zum
Drosselspulenstart eines Elektromotors, der mit einem Wechselspannungsnetzwerk
verbunden ist.
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Bevorzugt
ist auch eine Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, die Strommesselemente,
eine zur Ausführung
eines Stromvorhersagealgorithmus geeignete elektronische Einheit
und ein elektrisch gesteuertes Antriebselement, beispielsweise einen
Motor, umfasst, um ein Öffnen
des ersten Kontaktelements im Wesentlichen bei einem Nulldurchgang
des Stroms durch die Schaltvorrichtung zu erreichen.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung keineswegs auf die voranstehend beschriebenen bevorzugten
Ausführungsformen
begrenzt, sondern für
einen Fachmann sind viele Möglichkeiten
zu Modifikationen davon offensichtlich, ohne von der Grundidee der
Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
definiert ist, abzuweichen.
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Es
ist zum Beispiel möglich,
die Spannung von mindestens einem Funken zu erhöhen, der erzeugt wird, wenn
zwei Kontakte in Verbindung mit einem Öffnen von Kontaktelementen
zum Bilden des temporären
Strompfads einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung
getrennt werden, d.h. die Spannung, welche dann an der Halbleitervorrichtung
resultieren wird und den Transfer des dort hindurchgehenden Stroms
antreiben wird. Es ist möglich,
dies durch ein Ersetzen jedes Kontaktelements durch eine Reihenschaltung
mehrerer Kontaktelemente zu erreichen. Die Spannung, die den Strom
durch die Halbleitervorrichtung treibt, wird um eine gegebene Spannung,
beispielsweise 12–15
V, für
jedes derartige in Reihe geschaltete Kontaktelement erhöht. Es ist
auch möglich,
zumindest einige der in den Kontaktelementen umfassten Kontakte
aus einem verdampfenden Material, wie zum Beispiel Teflon, herzustellen,
welches geeignet ist, um erwärmt
und zu Gasen verdampft zu werden für ein Gas, welches auf dem Funken
strömt,
wenn zwei Kontakte beim Öffnen
des in Frage kommenden Kontaktelements getrennt werden, was eine
höhere
Spannung bedeutet. Ein solches verdampfendes Material ist ein Material,
das in der Lage ist, zu Gasen verdampft zu werden.
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Es
ist auch möglich,
die voranstehend gezeigten Dioden gegen andere Halbleitervorrichtungen
auszutauschen, welche die Fähigkeit
zum Sperren in mindestens eine Richtung gemäß der voranstehenden Erörterung
aufweisen.
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Es
ist nicht absolut notwendig, dass das Schließen und das Öffnen der
Kontaktelemente einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung durch
eine Bewegung von zwei in derselben Einheit umfassten beweglichen
Kontaktelementen stattfindet, und es ist nicht einmal notwendig,
dass es durch eine Bewegung eines beweglichen Kontaktteils, das
mehreren Kontaktelementen gemeinsam ist, stattfindet. Stattdessen
kann jedes der Kontaktelemente vollständig getrennt steuerbar sein
und beispielsweise aus sogenannten Thomson-Spulen bestehen, welche
dann gemäß derselben
Zeitenfolge geschaltet werden, wie sie beispielsweise in 1–3 dargestellt ist.