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Durch Halbleiter unterstützter ultra-schneller Schalter. - Dokument DE3688469T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3688469T2 28.10.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0272349
Titel Durch Halbleiter unterstützter ultra-schneller Schalter.
Anmelder Société Anomyme Acec Transport, Charleroi, BE
Erfinder Bonhomme, Henri, B-4431 Ans, BE
Vertreter Katscher, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 64293 Darmstadt
DE-Aktenzeichen 3688469
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 22.12.1986
EP-Aktenzeichen 862023603
EP-Offenlegungsdatum 29.06.1988
EP date of grant 19.05.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.1993
IPC-Hauptklasse H01H 9/54
IPC-Nebenklasse H01H 33/59   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft einen ultra-schnellen, bei Mittelspannungen einsetzbaren Schalter zur Strombegrenzung, der zwar speziell für die Erfordernisse bei elektrischen Gleichstromantrieben in rollendem Material und in stationären Anlagen ausgelegt ist, aber ebenso bei Wechselstrom zum Einsatz kommen kann.

Es ist bekannt, daß Gleichstromnetze für Antriebe ebenso wie Gleichstromnetze in der Industrie immer komplexer und leistungsfähiger werden. Die Schaltvorrichtungen müssen daher in ihren Konzepten weiterentwickelt werden, um immer größere Ströme schalten zu können und um die Wartungskosten zu verringern. Eine Schaltvorrichtung der neuen Generation muß schnell sein, damit der Strom begrenzt und die mechanischen und thermischen Anforderungen in einer Installation sowie die Abnutzung ihrer Kontakte und ihrer Funkenlöschkammer verringert werden. Zur Zeit bestehen Schaltvorrichtungen in Antriebsnetzen aus ultra-schnellen Mechanismen zum Öffnen der Kontakte und einer Funkenlöschkammer, in der der erzeugte Lichtbogen eingeschlossen und abgekühlt wird. Diese Vorrichtungen verursachen erhebliche Kosten, die durch Wartungseingriffe und Ersatz von verschleißteilen bedingt sind.

Im Dokument EP-A-0 184 566 wird eine Kombination aus einem elektromagnetisch unterstützen ultra-schnellen Mechanismus beschrieben, bei dem ein und dasselbe Bestandteil gleichzeitig als Schaltstück und als bewegliche Kontaktbrücke dient, und der mit einem durch Halbleiter gesteuerten Schwingkreis ausgestattet ist, dessen Drosselspule als Erregerspule in der Schaltvorrichtung verwendet wird. Die beschriebene, an den Klemmen des Mechanismus angeschlossene Hilfsschaltung umfaßt einen Kondensator, eine Drosselspule (Erregerspule) und einen Thyristor, die in Reihe geschaltet sind, sowie eine zu den in Reihe geschalteten Bauteilen antiparallel geschaltete Diode. Die mit einer derartigen Hilfsschaltung ausgestattete Schaltvorrichtung eignet sich jedoch nur für das Schalten von Strömen, die diese Vorrichtung in der angegebenen Richtung durchfließen. Abbildung 6 des Dokuments EP-A-0 184 566 stellt eine ähnliche Hilfsschaltung dar, die für eine bidirektionale Schaltvorrichtung bestimmt ist, mit der ein Strom in beiden Richtungen geschaltet werden kann. Es scheint jedoch, daß die Schaltwirkung in der einen Stromflußrichtung deutlich besser ist als die in der Gegenrichtung. Dies ist dadurch bedingt, daß die Schaltung unsymmetrisch ist, was zur Folge hat, daß der zweite vom Kondensator erzeugte und wegen der bereits erfolgten teilweisen Dämpfung schwächere Strom mit bogenförmiger Amplitude einen Kurzschlußstrom unterbrechen muß, der über einen längeren Zeitraum hat ansteigen können.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen im folgenden beschriebenen ultra-schnellen, von Halbleitern unterstützten Schalter zu liefern, der nicht die Nachteile der Vorrichtungen aufweist, die dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen ultraschnellen Schalter zu liefern, mit dem ein Gleichstrom in beiden Richtungen mit gleicher Effizienz geschaltet werden kann.

Ein ergänzendes Ziel dieser Erfindung ist es, einen ultra-schnellen, besonders leistungsfähigen, wenig aufwendigen und keine hohen Wartungskosten verursachenden Schalter zu liefern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt der Schalter einen mit beweglicher Kontaktbrücke und feststehenden Kontakten ausgestatteten ultra-schnellen Schaltmechanismus, an dessen Klemmen eine Hilfsschaltung angeschlossen ist. Die Hilfsschaltung umfaßt mindestens zwei parallele Zweige: Einen ersten Zweig, der zwei entgegengesetzt gepolte und in Reihe geschaltete Dioden umfaßt, die für den in die Schaltung fließenden Strom jeweils in Sperrichtung geschaltet sind, einen zweiten, der zwei entgegengesetzt gepolte Thyristoren umfaßt, die für den in die Schaltung fließenden Strom jeweils in Sperrichtung geschaltet sind, und einen LC-Schwingkreis, der den gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Dioden mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Thyristoren verbindet, wobei die Thyristoren ferngesteuert oder über einen eingebauten Stromsensor gesteuert werden, der das Überschreiten einer vorher festgelegten und in der Steuerelektronik einstellbaren Schaltschwelle feststellt.

Es ist festzustellen, daß die Kombination eines ultraschnellen Schaltmechanismus mit einer Hilfsschaltung der zuvor beschriebenen Art, die auf eine Leistungselektronik zugreift, die eine beträchtliche Leistungsfähigkeit im Übergangsbereich aufweist, es ermöglicht, das Auftreten und das Entstehen eines Lichtbogens zwischen den Kontaktklemmen des Schalters dadurch zu vermeiden, daß, unabhängig von der jeweiligen Richtung des zu unterbrechenden Stroms, eine berechenbare Gegenspannung sehr schnell entgegengesetzt wird.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen klar:

- Abb. 1 enthält das Prinzipschaltbild der Hilfsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.

- Abb. 2 erläutert die Funktion des Schalters.

- Abb. 3 und Abb. 4 stellen besonders vorteilhafte Ausführungsvarianten der Hilfsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

In den Abbildungen werden zur Kennzeichnung identischer oder gleichartiger Bauteile dieselben Nummern verwendet. In diesen Abbildungen werden der Eingangsanschluß 1 und der Ausgangsanschluß 3 des Schalters 5 dargestellt, der folgendes umfaßt: Einen schnellen Schaltmechanismus, der allein durch die bewegliche Kontaktbrücke 7, 7' und die feststehenden Kontakte 9, 9' repräsentiert wird, sowie eine parallel zu den Anschlüssen 1 und 3 geschaltete Hilfsschaltung 10.

Die Hilfsschaltung 10 in Abbildung 1 umfaßt zwei parallelgeschaltete Zweige CD und EF. Der Schaltungszweig CD umfaßt zwei entgegengesetzt gepolte und für den in die Schaltung fließenden Strom I in Sperrichtung geschaltete Dioden 13 und 15. Der Schaltungszweig EF umfaßt zwei entgegengesetzt gepolte und für den in die Schaltung fließenden Strom I in Durchlaßrichtung geschaltete Thyristoren. Die beiden Schaltungszweige CD und EF sind miteinander über einen LC-Schwingkreis verbunden, der einen Kondensator 21 und eine Spule 23 umfaßt, die auch als Erregerspule für das (nicht dargestellte) Schaltstück dient, das die Brücke mit den beweglichen Kontakten 7, 7' trägt.

Angenommen, die Vorrichtung ist derart an ein Netz angeschlossen, daß der Gleichstrom von A nach B fließt und daß der Strom seinem Nennwert entspricht, wenn ein Fehler auftritt.

Der Strom steigt an und erreicht in t=t0 den Wert der Triggerschwelle Isd des Schalters.

Nach einer der Elektronik inhärenten Verzögerungszeit von einigen Mikrosekunden, d. h. nach t=t1, gibt im Anschluß an die vom Sensor 20 gelieferte Information die Elektronik einen Zündbefehl an den Thyristor 17.

In der Schaltung mit dem Thyristor 17, dem Kondensator 21 und der Spule 23 entsteht daraufhin ein Strom mit einem bogenförmigen Amplitudenverlauf, der sich verteilt und in die Diode 13 (Schaltungsteil HC) und den Schaltungsteil H-D-3-8 fließt, wo er vom Hauptstrom subtrahiert wird, um diesen schnell zu Null werden zu lassen. Es ist offensichtlich, daß das Anwachsen der bogenförmigen Stromamplitude in einer Größenordnung erfolgt, die mindestens über der des maximalen Fehlerstroms liegt, um schnell die Aufhebung des Stromes im Hauptkontakt 8 zu erreichen.

Da die Spule 23 auch die Erregerspule des ultraschnellen Mechanismus ist, bewirkt sie das Öffnen des Kontakts 8 ein hundertstel Mikrosekunden nach Abgabe der bogenförmigen Stromamplitude in der Zeit t=t2.

Sobald der Kontakt 8 geöffnet ist, findet der Fehlerstrom einen Ersatzweg über 1-C-E-G-H-D, während der Strom mit der bogenförmigen Amplitude den Weg über den Schaltungsteil E-G-H-C nimmt.

Ab dann ist die zwischen den Anschlüssen A und B vorhandene Spannungsdifferenz gleich der Differenz der Spannungsabfälle in Flußrichtung an den Dioden 13 und 15, folglich sehr viel niedriger als die zur Erzeugung eines Lichtbogens über den Anschlüssen des Kontakts 8 erforderliche Minimalspannung.

Solange der Strom mit der bogenförmigen Amplitude größer bleibt als der Fehlerstrom, besteht somit folgende Situation:

- Der Kontakt 8 ist geöffnet und setzt seinen Weg so fort, daß er eine bedeutende Spannung vertragen kann. Der Strom im Kontakt 8 geht in t=t3 auf Null und die Spannung an seinen Anschlüssen ist gleichsam Null. Da es an den Anschlüssen des Kontakts 8 keinen Lichtbogen gegeben hat, ist der Zwischenraum zwischen den Kontakten nicht ionisiert und es hat keine Gelegenheit zur Kontaktabnutzung gegeben.

- Der Strom in der Diode 13 ist gleich der Differenz zwischen dem Strom in der externen Schaltung und dem Strom mit der bogenförmigen Amplitude.

- Der Fehlerstrom steigt weiter an, jedoch ist er vom Kontakt 8 zur Hilfselektronik übergeleitet worden.

- Der Strom vor und der Strom hinter dem Schalter, d. h. der von der Stromquelle abgegebene und der durch den Fehler aufgenommene Strom sind identisch.

Diese Situation bleibt bis zum Zeitpunkt t=t4 bestehen; dies ist der Moment, in dem der Strom mit der bogenförmigen Amplitude zum zweiten Mal gleich dem Fehlerstrom wird. In diesem Augenblick ändert sich die Schaltungsanordnung; die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 21 hat ihre Polarität gewechselt und der Kondensator ist jetzt in Reihe mit dem Netz geschaltet.

Der Fehlerstrom nimmt daher angesichts dieser Gegenspannung ab.

Aufgrund der Tatsache, daß die Hilfsschaltung gemäß dieser Erfindung im wesentlichen symmetrisch ist, kann ähnliches gefolgert werden, wenn der Strom von B nach A fließt.

Abbildung 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Schaltung nach Abbildung 1, bei der eine Freilaufdiode 24 und ein nichtlinearer Widerstand 25 hinzugefügt worden sind. Sobald nämlich der Fehlerstrom abzunehmen beginnt (Zeitpunkt t=t4), werden die Funktionsweisen der Schaltungen vor und hinter der Schaltvorrichtung voneinander getrennt.

Sobald der Strom in der dahinterliegenden Schaltung abnimmt, werden die Dioden 24 und 15 durch die Induktivität der dahinterliegenden Schaltung in den Leitzustand versetzt, so daß sie im Freilauffunktionieren kann und mit einer der Schaltung eigenen Zeitkonstante bedämpft wird.

Der Strom in der Schaltung vor dem Schalter nimmt in dem Maße ab, wie die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 21 zunimmt. Um die an den Anschlüssen der Vorrichtung auftretende Spannung auf einen vernünftigen Wert zu begrenzen, wenn die in den Induktivitäten der vorgeschalteten Schaltung gespeicherte Energie groß ist, wurde ein nichtlinearer Widerstand 25 vorgesehen, um diese Energie in Wärme umzusetzen und so jegliche Überspannung abzuschneiden, die die angegebenen Werte übersteigt.

Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, daß dieser nichtlineare Widerstand 25 auch parallel zum Kondensator 21 geschaltet werden kann. In diesem Fall steht er jedoch ständig unter Spannung, was seine Lebensdauer verändern kann.

Zum Zeitpunkt t=t5 wird der Strom vor dem Schalter Null und die Spannung an den Anschlüssen der Vorrichtung erreicht wieder die Spannung des Netzes gemäß einem Schwingverhalten, das von den in der Schaltung vorhandenen Kapazitäten und Induktivitäten abhängt.

Man kann auch noch ein Mittel vorsehen, das eine galvanische Trennung zwischen der Schaltung vor und hinter dem Schalter ermöglicht und das aktiviert wird, sowie der Stromsensor 20 einen Strom von Null feststellt. Ein solches Mittel kann z. B. in die Schaltungszweige 1-C und 3-D eingefügt werden.

In der Beschreibung zu den Abbildungen wurde davon ausgegangen, daß die Elektronik einen Thyristor triggert, d. h. den, der das Schließen des Schwingkreises ermöglicht und der für den Hauptstrom in Durchlaßrichtung liegt. Man kann jedoch auch beide Thyristoren 17 und 19 gleichzeitig ansteuern. In diesem Fall wird jedoch der Kondensator anders dimensioniert, weil in diesem Fall die zweiteilige bogenförmige Stromamplitude immer größer werden können muß als der Anstieg des Fehlerstroms.

In dem zuvor beschriebenen Fall kann es vorteilhaft sein, die beiden Thyristoren 17, 19 durch zwei Dioden 27, 29 und durch einen Thyristor 31 zu ersetzen, der, wie in Abbildung 5 dargestellt, in den Schaltungszweig G-H eingefügt ist.

Hier ist zu beachten, daß der Schalter zum Zeitpunkt t4 dem Kurzschluß entgegenzuwirken beginnt, d. h. weniger als eine Millisekunde nach dem Ansteigen des Stromes auf seinen Auslösewert. Der maximal vom Fehlerstrom erreichte Wert ist also selbst im Fall von stoßartigen Kurzschlüssen in derselben Größenordnung wie der Auslösestrom.

Außerdem tritt zum Zeitpunkt t4 eine Spannung an den Anschlüssen des Kontakts 8 auf, jedoch erreicht diese Spannung ihren Maximalwert erst später, d. h. wenn der Abstand zwischen den Elektroden noch größer geworden ist.

Im übrigen bewirken der durch den Strom erreichte Maximalwert und die Schnelligkeit, mit der die Abschaltung erfolgt, daß I²t bei stoßartigen Kurzschlüssen um mehrere Größenordnungen kleiner ist als der betreffende Wert bei herkömmlichen Vorrichtungen.

Da keine Lichtbogenbildung erfolgt, werden weder glühende Teilchen abgesondert noch gibt es eine starke Entwicklung von ionisiertem Gas. Das hat zur Folge, daß die Isolationsabstände kleiner gemacht werden können. Der Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung kann jeden Strom nach demselben Prinzip abschalten. Er ist also dadurch gekennzeichnet, daß es für ihn keinen kritischen Strom gibt.

Es ist völlig klar, daß der zuvor beschriebene Schalter auch zum Abschalten eines Nennstromes dienen kann, indem er ferngesteuert wird, anstatt von einem Fehlerstrom gesteuert zu werden, der eine Triggerschwelle erreicht. Der Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders zur Strombegrenzung bei Mittelspannung und kann, obwohl er spezieller für die Erfordernisse bei elektrischen Gleichstromantrieben in rollendem Material und in stationären Anlagen ausgelegt ist, aber auch bei Wechselstrom verwendet werden.


Anspruch[de]

1. ultra-schneller Schalter, der folgendes umfaßt:

Einen ultra-schnellen Unterbrechungsmechanismus mit einem Schaltstück, das mit beweglichen Kontakten (7, 7') versehen ist, wobei dieser Mechanismus außerdem feststehende Kontakte (9, 9') enthält, und an dessen Eingangs- und Ausgangsklemmen (1, 3) eine Hilfsschaltung (10) angeschlossen ist, die aus einem Kondensator (21) und einer Spule (23) sowie einer Gruppe von Halbleitern (13, 15, 17, 19) besteht, wobei die Spule (23) ganz oder teilweise die Erregerspule zur Betätigung des ultraschnellen Mechanismus bildet;

und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er mindestens zwei parallele Schaltungszweige (CD, EF) enthält, und zwar einen ersten Zweig (CD), der zwei entgegengesetzt gepolte, in Reihe und für den in die Schaltung fließenden Strom jeweils in Sperrichtung geschaltete Dioden (13, 15) enthält, und einen zweiten Zweig, der zwei entgegengesetzt gepolte, in Reihe und jeweils für den in die Schaltung fließenden Strom in Durchlaßrichtung geschaltete Thyristoren (17, 19) enthält, und einen LC- Schwingkreis (21, 23), der den gemeinsamen Anschluß der beiden Dioden (13, 15) und den gemeinsamen Anschluß der beiden Thyristoren (17, 19) miteinander verbindet, die ferngesteuert oder über einen eingebauten Strommeßfühler (20) gesteuert werden, der die Überschreitung einer vorher festgelegten und in der Steuerelektronik einstellbaren Auslöseschwelle feststellt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Freilaufdiode (24) zwischen den gemeinsamen Anschlußpunkt der entgegengesetzt gepolten Dioden (13, 15) und Masse geschaltet ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Widerstand, und zwar vorzugsweise einen nichtlinearen Widerstand, (25) umfaßt, der parallel zur Hilfsschaltung (10) geschaltet ist.

4. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Widerstand, und zwar vorzugsweise einen nichtlinearen Widerstand, (25') umfaßt, der parallel zum Kondensator (23) geschaltet ist.

5 Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßfühler oder die Fernsteuerung den Thyristor (17, 19) triggert, der für den in die Schaltung fließenden Strom in Durchlaßrichtung geschaltet ist.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßfühler oder die Fernsteuerung die beiden Thyristoren (17, 19) gleichzeitigt triggert.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Thyristoren (17, 19) durch zwei gleich gepolte Dioden (27, 29) und einen Thyristor ersetzt sind, der in den Schaltungszweig mit dem Schwingkreis geschaltet ist, der die beiden parallelen Schaltungszweige (CD, EF) miteinander verbindet.

8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Mittel umfaßt, das eine galvanische Trennung zwischen den dem Schalter vor- und nachgeschalteten Stromkreisen ermöglicht, wobei dieses Mittel getriggert wird, sobald der Strommeßfühler (20) einen Strom von Null feststellt, und wobei dieses Mittel vorzugsweise in die beiden Schaltungszweige geschaltet ist, die die Hilfsschaltung (10) mit den Eingangs- und Ausgangsklemmen (1, 3) des ultra-schnellen Mechanismus verbinden.







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