Verfahren zur Zündung eines steuerbaren Halbleiterventiles für ein Wechselstromschaltgerät und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Es wird ein Verfahren zur Zündung eines steuerbaren Halbleiterventiles (4) angegeben, das einer bei einer Schalthandlung einen Schaltlichtbogen ziehenden Kontaktstelle (3) eines Wechselstromschaltgerätes zur Löschung des Schaltlichtbogens parallelgeschaltet ist und auf das der über die Kontaktstelle fließende Strom zur Löschung des Schaltlichtbogens kommutiert und durch das er in seinem Nulldurchgang abgeschaltet wird. Um Hilfsschalter zu vermeiden, wird die Zuschaltung des Steuerstromes zu dem steuerbaren Halbleiterventil (4) zu dessen Zündung durch ein von dem Stromfluß über die Kontaktstelle erzeugten Meßsignal gesteuert. Dieses Verfahren wird bei einer Schaltungsanordnung durchgeführt, bei der das steuerbare Halbleiterventil (4) parallel zur Kontaktstelle (3) geschaltet ist. Ferner ist in Reihe zu der Kontaktstelle eine Meßeinrichtung (5) geschaltet, deren Meßsignal einer Schalteinrichtung (7) zuführbar ist, die den Steuerstrom zu dem steuerbaren Halbleiterventil (4) durchschaltet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Der Verschleiß am Kontakt- und Löschsystem von Wechselstrom-Schaltgeräten hoher Schalthäufigkeit im Schwerlastbetrieb kann durch die Anwendung sogenannter Hybridschalter wesentlich verringert werden. Hierbei wird der Laststrom nach Öffnen der Hauptkontakte auf einen Nebenweg kommutiert und dort durch eingebaute Halbleiterventile in seinem Nulldurchgang abgeschaltet. Bei Verwendung steuerbarer Ventile im Nebenweg der mechanischen Schaltstelle besteht das Erfordernis einer Zündung dieser Ventile unmittelbar nach Beginn der Kontaktstück- öffnung, um den Laststrom zu ühernehmen und die Auswirkungen der sich ausbildenden Schaltlichtbögen auf ein Mindestmaß zu verringern.

[0003] In einem bisher bekannten Verfahren DE-OS 31 32 338 wird für den Zündvorgang die elektrische Wirkung des Schaltlichtbogens verwendet, die beim Auftreten eines Spannungsabfalls zwischen den beteiligten Kontaktstücken entsteht. Nach der erfolgten Abschaltung des Laststromes muß eine weitere Ansteuerung des Halbleiterventiles unterbunden werden, um den Laststromkreis weiterhin unterbrochen zu halten. Bei der Verwendung eines Doppelunterbrechungssystems kann dies nach dem in der DE-OS 31 32 338 angegebenen Verfahren dadurch erfolgen, daß der Steuerstrom der die beiden Kontaktstellen verbindenden Kontaktbrücke entnommen wird, die nach erfolgter Abschaltung potentialfrei ist.

[0004] Soll dagegen das Hybridschaltkonzept an einer Einfachunterbrechungsstelle Verwendung finden, beispielsweise, um die zweite Unterbrechungsstelle eines DoDpelunterbrechungssystems, wie in der DE-OS 31 37 321, bereits zur Herstellung der galvanischen Trennung des Stromkreises zu verwenden, muß der Steuerstromkreis des steuerbaren Halbleiterventiles zur Vermeidung einer neuerlichen Zündung durch die am Unterbrechungssvstem wiederkehrende Spannung zusätzlich elektrisch unterbrochen werden.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine Beeinflussung des Steuerstromes in möglichst einfacher Weise ohne die Verwendung zusätzlicher Hilfssehalter bewirkt wird.

[0006] Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zuschaltung des Steuerstromes zu dem steuerbaren Halbleiterventil zu dessen Zündung durch ein von dem Stromfluß über die Kontaktstelle erzeugten Meßsignal gesteuert wird.

[0008] Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens, bei der das steuerbare Halbleiterventil parallel zur Kontaktstelle geschaltet ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Kontaktstelle eine Meßeinrichtung geschaltet ist, deren Meßsignal einer Schalteinrichtung zuführbar ist, die den Steuerstrom zu dem steuerbaren Halbleiterventil durchschaltet.

[0009] Dabei besteht die Möglichkeit, den Laststrom, d. h. den über die Kontaktstelle fließenden Strom zur Ansteuerung der Schalteinrichtung zur Durchschaltung des Steuerstromes für das steuerbare Halbleiterventil zu dessen Zündung zu verwenden, oder externe Impulse zu benutzen, mit denen die Schalteinrichtung ansteuerbar ist. Derartige "externe" Impulse können beispielsweise durch elektronisch betätigbare Schalter erzeugt werden, beispielsweise sogenannte Tippschalter. Dabei müßten allerdings außer der Kontaktstelle alle weiteren, evtl. im Laststromkreis befindlichen Schaltkontakte geschlossen sein.

[0010] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

[0011] Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung und weitere vorteilhafte Verbesserungen sowie weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.

[0012] Es zeigt:

Figur 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridschalters,

Figur 2 eine weitere Version eines erfindungsgemäßen Hybridschalters ähnlich dem der Figur 1 und

Figur 3 eine konkrete Schaltungsanordnung zur Realisierung des in Figur 2 dargestellten Prinzips.

[0013] Der Hauptstromkreis eines erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridschalters liegt zwischen zwei Anschlußklemmen 1 und 2. Zwischen beiden Anschlußklemmen 1 und 2 befindet sich eine Kontaktstelle 3, die in üblicher Weise betätigbar ist, d. h. aus einer Ausschaltstellung in eine Einschaltstellung und umgekehrt verbringbar ist.

[0014] Der bei der Öffnung der Kontaktstelle 3 unter Strom entstehende Schaltlichtbogen wird durch Kommutierung des Laststromes I auf ein parallel zur Kontaktstelle 3 geschaltetes steuerbares Halbleiterventil 4, das als Triac ausgebildet ist, kommutiert und im Nulldurchgang gelöscht. Anstatt eines Triac könnte auch ein antiparalleles Thyristorpaar verwendet werden. In den Hauptstromkreis ist ferner eine Strommeßstelle 5 derart eingefügt, daß zwar der über die Kontaktstelle 3 fließende Strom, nicht aber der über das steuerbare Halbleiterventil 4 fließende Strom erfaßt wird. Die Strommeßstelle oder Strommeßeinrichtung 5 ist mit einer Schalteinrichtung 7 verbunden, die in dem Steuerstromkreis für das steuerbare Halbleiterventil geschaltet ist. In dem Steuerstromkreis befindet sich eine Steuerstromquelle 6. Mittels des von der Strommeßeinrichtung 5 erzeugten Meßsignales bei Fließen eines Stromes über die Kontaktstelle 3 wird die Schalteinrichtung in Durchlaßrichtung gesteuert, so daß ein von der Steuerstromquelle 6 erzeugter Steuerstrom für das steuerbare Halbleiterventil 4 auf dieses durchgeschaltet wird. Wenn über die Strommeßeinrichtung 5 ein Laststrom fließt, erzeugt dieser Laststrom das Meßsignal, das die Schalteinrichtung ansteuert, so daß das steuerbare Halbleiterventil gezündet wird. Wenn ein Schaltlichtbogen an der Kontaktstelle entsteht, dann wird aufgrund des höheren Widerstandes an der Kontaktstelle der Laststrom auf das steuerbare Halbleiterventil kommutiert und dort in seinem nächsten Nulldurchgang unterbrochen. Ein neuerlicher Stromfluß in folgenden Halbwellen kann nicht mehr einsetzen, da die Schalteinrichtung aufgrund des fehlenden Meßsignals gesperrt ist. Damit ist die Anordnung gemäß der Figur 1 im Prinzip sowohl zur Löschung von Ausschalt- als auch von Einschaltlichtbögen geeignet.

[0015] In der Figur 2 ist der Hybridschalter gemäß der Figur 1 insoweit modifiziert, als als Spannungsquelle zur Erzeugung des Steuerstromes für das steuerbare Halbleiterventil der Spannungsabfall am Schaltlichtbogen an der Kontaktstelle 3 selbst verwendet wird. Zu diesem Zweck ist der Steuerstromkreis für das steuerbare Halbleiterventil 4 zur Kontaktstelle parallelgeschaltet. In diesem Parallelzweig befindet sich vor der Schalteinrichtung 7 ein Strombegrenzer 8, der beispielsweise als ein linearer oder nichtlinearer Widerstand ausgebildet sein kann. Der Steuerstrom für das steuerbare Halbleiterventil 4 wird hier also über den Strombegrenzer 8 aus dem Laststromkreis entnommen, sobald ein Spannungsabfall an der Kontaktstelle 3 aufgrund eines Schaltlichtbogens auftritt und gleichzeitig das Meßsignal, das durch die Strommeßeinrichtung 5 erzeugt wird, das das Vorhandensein des Laststromes I signalisiert und die Schalteinrichtung 7 durchschaltet. Dann, wenn die Schalteinrichtung 7 durch - bzw. eingeschaltet wird, wird das steuerbare Halbleiterventil 4 wiederum gezündet.

[0016] Bei beiden Anordnungen besteht die Möglichkeit, die elektronische Schalteinrichtung neben der Steuerung durch die Strommeßeinrichtung 5 auch extern zu beeinflussen, so daß unter Beibehaltung der Hybridschalterausführung des Gesamtsystems auch ein rein elektronisches Ein- und Ausschalten beispielsweise im Tippbetrieb ermöglicht wird. Hierfür müssen allerdings außer der Kontaktstelle 3 alle weiteren evtl. im Laststromkreis befindliche Schaltkontaktstellen geschlossen sein.

[0017] Die Übertragungsfunktion der Strommeßeinrichtung 5 kann je nach dem gewünschten Effekt binär (Strom-kein Strom) oder analog (Abhängigkeit der Zündung von der Höhe des Stromes) sein. Als Strombegrenzer 8 eignen sich insbesondere Schaltungen oder Bauelemente mit hohem differentiellen Innenwiderstand, um eine dem steuerbaren Halbleiterventil 4 zuträgliche Höhe des Steuerstromes sowohl bei Anliegen der treibenden Spannung des Laststromkreises als auch bei Anliegen der um rund eine Größenordnung niedrigeren Lichtbogenspannung der Kontaktstelle 3 zu gewährleisten.

[0018] Die Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäß ausgestalteten, realisierten Hybridschalter, bei dem das in der Figur 2 dargestellte Prinzip Verwendung findet. Parallel zu der Kontaktstelle 3 sind zwei Thyristoren 9 und 10 antiparallel geschaltet, welche Thyristoren 9 und 10 mit den Anschlußklemmen 1 und 2 verbunden sind. Parallel zu den beiden Thyristoren 9 und 10 ist ein RC-Glied 11, 12 geschaltet, mit dem auftretende Überspannungen gedämpft werden. Zusätzlich ist vor die beiden Thyristoren eine Sicherung 13 geschaltet, die die Thyristoren 9 und 10 vor zu hohen Lastströmen sichert bzw. schützt. Parallel zu den Gate-Kathodenstrecken der Thyristoren 9 und 10 sind Dioden 14 bzw.-15 geschaltet, die in an sich bekannter Weise eine zu hohe Sperrspannungsbelastung dieser Gate-Kathoden-Strecken der Thyristoren verhindern. Die Anschlußklemmen 1 und 2 sind zusätzlich über die Kontaktstelle 3 verbunden, die in nicht dargestellter Weise beispielsweise gebildet sein kann durch die zuerst öffnende Hälfte eines Doppelunterbrechungssystemes entsprechend der Schaltungsanordnung gemäß der
DE-OS 31 37 321 mit der als Stromwandler ausgebildeten Strommeßeinrichtung 5. Dieser Stromwandler, im folgenden auch'mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet, befindet sich unmittelbar vor der Kontaktstelle und die beiden Thyristoren liegen parallel zu der Serienschaltung aus Kontaktstelle und Strommeßeinrichtung. Die Sekundärseite des Stromwandlers 5 ist auf einen Brückengleichrichter 16 geschaltet, wobei parallel zu dem Gleichstromausgang des Brückengleichrichters 16 eine Zenerdiode 17 und parallel zu der Zenerdiode 17 ein Widerstand 18 geschaltet ist. Durch diese Belastung der Sekundärseite des Stromwandlers 5 mit der Zenerdiode stellt sich an dem Widerstand 18 die entsprechende Zenerspannung ein, die in an sich bekannter Weise praktisch unabhängig vom Augenblickswert des Primärstromes im Wandler 5 ist, sobald sich dieser Strom überhaupt von Null unterscheidet.

[0019] Diese Spannung liegt an der Gate-Source-Steuerstrecke eines als variabler Widerstand dienenden Vertikal-MOS-Feldeffekttransistors 19, der bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Stromflusses im Stromwandler 5 und eines Spannnungsabfalles an der Kontaktstelle 3 bei Source-Drain-Spannungen oberhalb einiger Volt einen von der Gate-Source-Spannung abhängigen Konstantstrom in die Steuerelektrode des für die jeweilige Laststrompolarität zuständigen Thyristors 9 oder 10 treibt und diesen damit zündet. Da der Feldeffekttransisotor 19 nur für Ströme einer Polarität als steuerbarer Widerstand arbeitet, wird diese Polarität durch einen Brückengleichrichter 20 in an sich bekannter Weise bereitgestellt. Der Widerstand 18 gewährleistet unter anderem, daß die Gate-Source-Spannung des Transistors 19 nach Beendigung des Stromflusses in der Primärseite des Stromwandlers 5 durch Entladen der Gate-Source-Kapazität schnell unter einen vom Transistor 19 abhängigen Mindestwert fällt, wodurch der Transistor 19 sicher sperrt. Für den Vertikal-MOS-Transistor 19 sind Typen auszuwählen, deren zulässige Drain-Source-Spannung mit Sicherheit über den im Laststromkreis auftretenden Spannungsspitzen liegt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Zündung eines einer bei einer Schalthandlung einen Schaltlichtbogen ziehenden Kontaktstelle eines Wechselstromschaltgerätes zur Löschung des Schaltlichtbogens parallelgeschalteten steuerbaren Halbleiterventiles, auf das der über die Kontaktstelle fließende Strom zur Löschung des Schaltlichtbogens kommutiert und durch das er in seinem Nulldurchgang abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung des Steuerstromes zu dem steuerbaren Halbleiterventil zu dessen Zündung durch ein von dem Stromfluß über die Kontaktstelle erzeugtes Meßsignal gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsquelle zur Erzeugung des Steuerstromes bzw. der Steuerspannung für das Halbleiterventil der Spannungsabfall des an der Kontaktstelle gezogenen Schaltlichtbogens verwendet wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bei der das steuerbare Halbleiterventil parallel zur Kontaktstelle geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Kontaktstelle eine Meßeinrichtung (5)_'geschaltet ist, deren Meßsignal einer Schalteinrichtung (7) zuführbar ist, die den Steuerstrom zu dem steuerbaren Halbleiterventil (4) durchschaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine externe Spannungsquelle (6) vorgesehen ist, die den Steuerstrom erzeugt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalteinrichtung (7) ein Vertikal-MOS-Feldeffekttransistor (19) vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalteinrichtung (7) zusätzlich weitere, externe, die Zuschaltung des Steuerstromes bewirkende Schaltimpulse zuführbar sind.

Zeichnung