[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Leistungsschalter gemäss dem ersten
Teil von Patentanspruch 1.
[0002] Hierbei nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Leistungsschaltern Bezug,
wie er etwa in US-A-4,209,814 und US-A-4,459,629 beschrieben ist. Bei den bekannten
Leistungsschaltern werden Halbleiterventile als schnelle Schaltelemente verwendet.
Hierbei wirken mindestens zwei zueinander parallel oder in Serie geschaltete Halbleiterventile
entgegengesetzter Durchlassrichtung mit mechanisch arbeitenden Vorrichtungen zusammen,
welche zur Kommutation des abzuschaltenden Stroms und zur Isolation der Halbleiterventile
vorgesehen sind.
[0003] Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist, löst die Aufgabe, einen Leistungsschalter
der gattungsgemässen Art anzugeben, bei dem trotz einer vergleichsweise geringen
Anzahl an Halbleiterventilen eine einfache Steuerung der die Kommutation des abzuschaltenden
Stroms und der die Isolation der Halbleiterventile bewirkenden Vorrichtung möglich
ist.
[0004] Der erfindungsgemässe Leistungsschalter zeichnet sich dadurch aus, dass bereits ein
einziges Halbleiterventil ausreicht, um in Kombination mit der die Kommutation des
abzuschaltenden Stromes und der die Isolation dieses Halbleiterventils bewirkenden
Vorrichtung die vorgeschriebenen Schaltfunktionen zu erfüllen. Darüber hinaus ist
er wegen der mechanischen Kopplung der Kommutations- und der Isolationsvorrichtung
sehr einfach steuerbar.
[0005] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
[0006] Hierbei zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemässen Leistungsschalters mit einer Kommutationsvorrichtung
4 und einer Trennschaltstelle 5,
Fig. 2 eine Ansicht des konstruktiven Aufbaus der Kommutationsvorrichtung 4 und der
Trennschaltstelle 5 einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Leistungsschalters,
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Wirkungsweise des Leistungsschalters nach Fig. 2
dargestellt ist, und
Fig. 4 eine Ansicht des konstruktiven Aufbaus der Kommutationsvorrichtung 4 und der
Trennschaltstelle 5 einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Leistungsschalter.
[0007] In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem
in Fig. 1 dargestellten Prinzipschaltbild des erfindungsgemässen Leistungsschalters
befinden sich zwischen zwei Stromanschlüssen 1, 2 in Serie geschaltet eine Vorrichtung
3 zum Messen des zwischen den Stromanschlüssen 1 und 2 fliessenden Stromes, eine
Kommutationsvorrichtung 4 und eine Trennschaltstelle 5. Parallel zur Kommutationsvorrichtung
4 sind jeweils eine Halbleiterventilanordnung 6 und ein Schutzelement 7 geschaltet.
[0008] Die Strommessvorrichtung 3 enthält einen die Polarität des abzuschaltenden Stromes
erfassenden Sensor.
[0009] Die Kommutationsvorrichtung enthält hingegen mindestens eine von mechanisch angetriebenen
Schaltstücken betätigte Kommutationsschaltstelle 8. Hierbei wird mit Hilfe eines bei
einem Schaltvorgang entstehenden Schaltlichtbogens 9 eine Kommutierung des abzuschaltenden
Stromes in die Halbleiterventilanordnung 6 erreicht. Die Kommutationsvorrichtung
4 kann zusätzlich noch einen (im Zuge der Betätigung der Schaltstücke der Kommutationsschaltstelle
8 sich in seinem Werte verändernden) Widerstand, eine Induktivität, wie etwa einen
Transduktor, oder einen Kondensator jeweils paralle zum oder in Serie mit der mindestens
einen Kommutationsschaltstelle 8 aufweisen. Als Trennschaltstelle 5 kann ein mechanisch
angetriebener Schnellschalter eingesetzt werden.
[0010] Die Halbleiterventilanordnung 6 kann etwa ein einziges Halbleiterventil umfassen,
wie eine Diode 10 oder eine Serienschaltung mehrerer Halbleiterventile gleicher Durchlassrichtung.
Hierbei kann selbstverständlich ein Halbleiterventil ohne weiteres aus mehreren Dioden
glei cher Durchlassrichtung aufgebaut sein, deren p-n-Uebergänge zueinander parallelgeschaltet
sind. Zur Erzielung eines günstigen Nachstroms beim Ausschalten ist es zweckmässig,
die Diode 10 als Scheibe aus speziell dotiertem Material und vorgegebener Dicke auszubilden.
Um eine einfache Druckkontaktierung zu ermöglichen, empfiehlt es sich, die Scheibe
mit einem Zentralloch zu versehen.
[0011] Das Schutzelement 7 kann von einer Schaltungsanordnung gebildet sein, welche vorzugsweise
ein RC-Glied und/oder einen Ueberspannungsableiter auf der Basis Metalloxid enthält.
[0012] Das von der Strommessvorrichtung 3 abgegebene Ausgangssignal wird von einer ggfs.
programmierbare Bauelemente enthaltenden Steuerschaltung 11 erfasst, deren Ausgang
über einen Antrieb 12 auf die Kommutationsvorrichtung 4 und über ein Zeitverzögerungsglied
13 auf die Trennschaltstelle 5 wirkt.
[0013] In der Einschaltposition des Leistungsschalters fliesst der abzuschaltende Strom
überwiegend durch die die Halbleiterventilanordnung 6 überbrückende Kommutationsvorrichtung
4. Wenn der Strom abgeschaltet werden soll, und eine der Durchlassrichtung der Halbleiterventilanordnung
6 entsprechende Polarität aufweist, gibt die Steuerschaltung 11 ein Signal an den
Antrieb 12 ab, welches ein Ansprechen der Kommutationsvorrichtung 4 und somit durch
Bildung des Schaltlichtbogens 9 eine Erhöhung des Widerstandes in dem die Kommutationsvorrichtung
4 enthaltenden Strompfad bewirkt. Sobald der Spannungsabfall des abzuschaltenden Stromes
in der Kommutationsvorrichtung 4 die Durchlassspannung der Halbleiterventilanordnung
6 wesentlich übersteigt, kommutiert der abzuschaltende Strom überwiegend in den die
Halbleiterventilanordnung 6 enthaltenden Strompfad und wird sodann nach dem Strom
nulldurchgang in der wegen des Polaritätswechsels nun nicht mehr in Sperrichtung betriebenen
Halbleiterventilanordnung 6 unterbrochen. Die Trennschaltstelle 5 ist hierbei über
den Antrieb 12 und das Zeitverzögerungsglied 13 mechanisch derart gesteuert, dass
sie kurz nach dem Stromnulldurchgang zu einem Zeitpunkt öffnet, an welchem ein durch
die Halbleiterventilanordnung 6 fliessender Ausräumstrom abgeklungen ist.
[0014] In Fig. 2 ist der konstruktive Aufbau der Kommutationsvorrichtung 4 und der Trennschaltstelle
einer ersten Ausführungsform des in Fig. 1 im Prinzip dargestellten Leistungsschalters
nach der Erfindung angegeben. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass die Kommutationsvorrichtung
4 und die Trennschaltstelle 5 aus drei Schaltstücken 14, 15, 16 bestehen, von denen
das Schaltstück 14 mit dem Stromanschluss 1 und der Anode der die Halbleiterventilanordnung
6 bildenden Diode 10 verbunden ist, das Schaltstück 15 mit der Kathode der Diode 10
und das Schaltstück 16 schliesslich mit dem Stromanschluss 2.
[0015] Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform des erfindungsgemässen Leistungsschalters
ist nun wie folgt:
[0016] In der in Fig. 2 teilweise gestrichelt dargestellten Einschaltposition kontaktieren
die Schaltstücke 14 und 16 einander, so dass der abzuschaltende Strom vom Stromanschluss
1 über die Schaltstücke 14 und 16 zum Stromanschluss 2 fliesst. Die Diode 10 ist
hierbei freigeschaltet und daher in der Einschaltposition des Schalters vor unerwünschten
Teilströmen geschützt. Die Steuerschaltung 11 veranlasst beim Auftreten eines Ausschaltbefehls
24 an einem durch die Polarität des abzuschaltenden Stromes bestimmten Zeitpunkt über
den Antrieb 12 die durch einen Pfeil bezeichnete Abwärtsbewegung des Schaltstückes
16. Die Schaltstücke sind hierbei so ausgebildet, dass das bewegte Schaltstück 16
mit dem Schaltstück 15 kontaktiert ist, sobald sich die Schaltstücke 14 und 16 voneinander
trennen. Ein zwischen den Schaltstücken 14 und 16 vorübergehend gebildeter, in Fig.
2 nicht eingezeichneter Schaltlichtbogen bewirkt die Kommutierung des abzuschaltenden
Stromes in den die Diode 10 umfassenden Strompfad. Der Schaltlichtbogen erlischt kurze
Zeit nach der Kommutierung dadurch, dass die Vorwärtsspannung der Diode 10 geringer
ist als der Spannungsabfall am Lichtbogen. Nach einer geeigneten Verzögerungszeit,
welche im wesentlichen dadurch bestimmt ist, dass die Diode 10 sperrt und der Nachstrom
weitgehend abgeklungen ist, kommt das Schaltstück 16 ausser Eingriff mit dem Schaltstück
15, wodurch eine Trennstrecke gebildet wird.
[0017] Der in Funktion der Zeit t beim vorstehend beschriebenen Abschaltvorgang auftretende
Verlauf der Ströme i und der Spannungen u sowie des Hubes s des Schaltstückes 16 ist
nachfolgend für einen im wesentlichen induktiven Strom anhand der Fig. 3 näher erläutert.
Hierbei ist eine an den Stromanschlüssen 1 und 2 anliegende eingeprägte Spannung
u₀ gegenüber dem über die beiden Schaltstücke 14 und 16 fliessenden Abschaltstrom
i₀ um 90° phasenverschoben. Zum Zeitpunkt t
K, der - wie bei der Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus des erfindungsgemässen
Leistungsschalters vorstehend beschrieben wurde - in einer im Sinne der Durchlassrichtung
der Diode 10 positiven Halbwelle des zu unterbrechenden Stromes liegt, kommt das Schaltstück
16 ausser Eingriff mit dem Schaltstück 14 und kontaktiert zugleich das Schaltstück
15. Der abzuschaltende Strom kommutiert nun in den die Diode 10 enthaltenden Strompfad.
Hierbei sinkt ersichtlich der über die Schaltstücke 14 und 16 fliessende Teil des
Abschaltstromes i₀ innerhalb kurzer Zeit auf nahezu Null ab, während der in der Diode
10 als Diodenstrom i
D fliessende, verbleibende Teil des (ab dem Zeitpunkt t
K gestrichelt gezeichneten) Abschaltstroms i₀ rasch ansteigt. Gleichzeitig fällt nun
über die vor dem Zeitpunkt t
K kurzgeschlossene Diode 10 als Spannung u
D die Diodenvorwärtsspannung U
DV ab.
[0018] Nach dem Stromnulldurchgang des nunmehr ausschliesslich als Diodenstrom i
D fliessenden Abschaltstromes i₀ sperrt die Diode 10. Als Diodenstrom fliesst nun lediglich
noch ein vergleichsweise kleiner Ausräumstrom i
A. Zugleich schwingt sich die Spannung u
D über der Diode auf die nunmehr als Sperrspannung wirkende eingeprägte Spannung u
O ein. Ggfs. auftretende Ueberspannungen (gestrichelt gezeichnet) werden hierbei durch
das Schutzelement 7 auf zulässige Werte begrenzt. Nachdem der Ausräumstrom i
A abgeklungen ist und durch die Diode 10 nurmehr ein geringer (und daher nicht dargestellter)
Sperrstrom fliesst, kommt das Schaltstück 16 zum Zeitpunkt t
T ausser Eingriff mit dem Schaltstück 15, so dass die Spannung u
D über der Diode 10 infolge Entladung der Sperrschichtkapazitäten und der Kapazitäten
des Schutzelements 7 verschwindet und entsprechend die Spannung u
T in der zwischen den Schaltstücken 15 und 16 gebildeten Trennstrecke die Wert der
eingeprägten Spannung u₀ annimmt.
[0019] Der Hub s des vom Antrieb 12 bewegten Schaltstückes 16 wird hierbei so bemessen sein,
dass der zum Zeitpunkt t
T vom Schaltstück 16 erbrachte Hub s
K demjenigen Abstand zwischen den Schaltstücken 14 und 15 entspricht, bei dem das Schaltstück
16 zu den Zeitpunkten t
K und t
T ausser Eingriff zunächst mit dem Schaltstück 14 und dann mit dem Schaltstück 15 kommt,
und dass der zum Zeitpunkt t
M des auf die Stromunterbrechung folgenden Spannungsmaximums der eingeprägten Spannung
u₀ ab dem Zeitpunkt t
T erbrachte Hub s
T ausreichend gross ist, um die in der zwischen den Schaltstücken 15 und 16 gebildeten
Trennstrecke abfallende maximale eingeprägte Spannung zu halten.
[0020] In Fig. 4 1st der konstruktive Aufbau der Kommutationsvorrichtung 4 und der Trennschaltstelle
5 einer zweiten Ausführungsform des in Fig. 1 im Prinzip dargestellten Leistungsschalters
nach der Erfindung angegeben. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass die Kommutationsvorrichtung
4 und die Trennschaltstelle 5 von den drei Schaltstücken 14, 15 und 16 sowie einem
vierten Schaltstück 17 gebildet sind, von denen das Schaltstück 14 mit dem Stromanschluss
1 und der Anode der in der Halbleiterventilanordnung 6 vorgesehenen Diode 10 verbunden
ist, das Schaltstück 15 mit der Kathode einer in der Halbleiterventilanordnung 6 vorgesehenen
weiteren Diode 18, welche gleichsinnig in Serie zur Diode 10 geschaltet ist, das Schaltstück
16 mit dem Stromanschluss 2 und das Schaltstück 17 schliesslich mit dem Verbindungspunkt
der beiden Dioden 10 und 18. Die Schaltstücke 14, 15, 16, 17 sind tellerförmig ausgebildet
und stapelförmig angeordnet. Zwischen je zwei der Schaltstücke befinden sich Druckfedern
19, die gegen mindestens eines der beiden benachbarten Schaltstücke elektrisch isoliert
sind. Das Schaltstück 16 weist einen von einer Feder 20 angetriebenen Nachlaufkontakt
21 auf, dessen Nachlaufhub an das gegenüber den Kommutationsschaltstellen 8 zeitverzögerte
Oeffnen der Trennschaltstelle 5 angepasst ist. Der Nachlaufkontakt 21 ist in einem
feststehenden Kontaktteil 22 des Schaltstückes 16 geführt. Auf das Kontaktteil 22
stützen sich diejenigen Druckfedern 19 ab, welche zwischen den Schaltstücken 15 und
16 angeordnet sind.
[0021] Diese Ausführungsform des erfindungsgemässen Leistungsschalters wirkt wie folgt:
In der in der rechten Hälfte von Fig. 4 dargestellten Einschaltposition kontaktieren
die Schaltstücke 14 und 17 bzw. 17 und 15 sowie das Schaltstück 15 und der Nachlaufkontakt
21 einander. Der abzuschaltende Strom fliesst hierbei vom Stromanschluss 1 über eine
flexible Stromverbindung, die Schaltstücke 14, 17 und 15 sowie den Nachlaufkontakt
21, einen Gleitkontakt und das feststehende Kontaktteil 22 zum Stromanschluss 2.
Die Druckfedern 19 sind ebenso wie die Feder 20 gespannt. Beim Ausschalten wird eine
Totpunktverriegelung 23 des Antriebs 12 aufgehoben. Die gespannten Druckfedern 19
beschleunigen die Schaltstücke 15, 17 und 14 gegeneinander. Dadurch werden zunächst
die Schaltstücke 15 und 17 sowie 17 und 14 voneinander getrennt und bilden sich zwischen
ihnen die in der linken Hälfte von Fig. 4 dargestellten Schaltstrecken, in denen durch
gezackte Pfeile angedeutete Schaltlichtbögen brennen, welche die Kommutation des abzuschaltenden
Stromes auf den die Dioden 10, 18 enthaltenden Strompfad bewirken. Der Nachlaufkontakt
21 und das Schaltstück 15 bleiben auch nach der Kommutation des abzuschaltenden Stromes
zunächst noch miteinander in Eingriff, da die Feder 20 den Nachlaufkontaktes 21 dem
Schaltstück 15 nachführt. Nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit, innerhalb welcher
der abzuschaltende Strom in der von den Dioden 10 und 18 gebildeten Halbleiterventilanordnung
6 unterbrochen wird und der verbleibende Ausräumstrom abgeklungen ist, schlägt der
Nachlaufkontakt 21 auf das feststehende Kontaktteil 22 auf. Ab dem Aufschlagzeitpunkt
trennt sich nun auch der Nachlaufkontakt 21 vom Schaltstück 15 unter Bildung der erwünschten
Trennstrecke der Trennschaltstelle 5. Die erwünschte Verzögerungszeit lässt sich
hierbei durch geeignete Bemessung des Nachlaufhubes des Nachlaufkontaktes 21 einstellen.
[0022] In weiterer Ausbildung des in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels ist es denkbar,
anstelle zweier durch die Schaltstücke 14, 17 und 17, 15 gebildeter Kommutationsschaltstellen
durch entsprechende Anordnung weiterer Schaltstücke und weiterer Dioden drei und mehr
Kommutationsschaltstellen zu bilden. Darüber hinaus können die Kommutationsvorrichtung
4 und die Trennschaltstelle 5 bei allen Ausführungsformen der Erfindung in einem Gehäuse
untergebracht sein, welches mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Isoliermittel
gefüllt ist oder ein Vakuum enthält.
1. Leistungsschalter mit
- einer Kommutationsvorrichtung (4),
- einer parallel zur Kommutationsvorrichtung (4) geschalteten Halbleiterventilanordnung
(6),
- einer in Serie zur Halbleiterventilanordnung (6) geschalteten Trennschaltstelle
(5), und mit
- einer Steuerschaltung (11)
- - zum Erfassen der Polarität des abzuschaltenden Stromes,
- - zum Erfassen eines Ausschaltbefehls (24),
- - zur Abgabe eines auf die Kommutationsvorrichtung (4) wirkenden Ansprechbefehls,
wenn der erfasste Strom in Durchlassrichtung der Halbleiterventilanordnung (6) fliesst,
und
- - zur Abgabe eines auf die Trennschaltstelle (5) wirkenden Auslösebefehls, wenn
der abzuschaltende Strom nach dem Ansprechen der Kommutationsvorrichtung (4) in
der Halbleiterventilanordnung (6) unterbrochen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterventilanordnung höchstens ein Halbleiterventil
(Diode 10) oder eine Serienschaltung mehrerer Halbleiterventile (Dioden 10, 18) gleicher
Durchlassrichtung enthält, und dass die Kommutationsvorrichtung (4) und die Trennschaltstelle
(5) durch mechanische Kopplung derart gesteuert sind, dass die Trennschaltstelle (5)
an einem Zeitpunkt (tK) öffnet, an welchem ein nach einem Nulldurchgang des abzuschaltenden Stromes durch
die Halbleiterventilanordnung (6) fliessender Ausräumstrom (iA) abgeklungen ist.
2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutationsvorrichtung
(4) mindestens eine Kommutationsschaltstelle (8) enthält, und dass die mindestens
eine Kommutationsschaltstelle (8) und die Trennschaltstelle (5) von mechanisch angetriebenen
Schaltstücken (14, 15, 16) betätigbar und derart steuerbar sind, dass die Trennschaltstelle
(5) nach einem in einer vorgegebenen Zeitverzögerung ausgeführten Hub der Schaltstücke
(14, 16) der mindestens einen Kommutationsschaltstelle (8) öffnet.
3. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens
eine Kommutations (8)- und die eine Trennschaltstelle (5) von mindestens drei Schaltstücken
(14, 15, 16) gebildet sind, von denen ein erstes (14) verbunden ist mit einem ersten
Stromanschluss (1) und einem ersten Anschluss der Halbleiterventilanordnung (6),
ein zweites (15) mit einem zweiten Anschluss der Halbleiterventilanordnung (6) und
ein drittes (16) mit einem zweiten Stromanschluss (2).
4. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (14)
und das dritte Schaltstück (16) einander in der Einschaltposition kontaktieren, und
dass das zweite (15) und das dritte Schaltstück (16) nach dem Oeffnen der mindestens
einen Kommutionsschaltstelle (8) vorübergehend miteinander kontaktiert sind.
5. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (14),
das zweite (15) und das dritte Schaltstück (16) in der Einschaltposition im Pfad des
abzuschaltenden Stromes liegen, und dass das zweite (15) und das dritte Schaltstück
(16) nach dem Oeffnen der mindestens einen Kommutationsschaltstelle (8) miteinander
kontaktiert sind.
6. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein
mit dem mindestens einen Verbindungspunkt mindestens zweier in Serie geschalteter
Halbleiterventile (Dioden 10, 18) der Halbleiterventilanordnung (6) verbundenes viertes
Schaltstück (17) vorgesehen ist, welches in der Einschaltposition mit dem ersten
(14) und dem zweiten Schaltstück (15) kontaktiert ist.
7. Leistungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstücke
(14, 15, 16, 17) tellerförmig ausgebildet und aneinander gestapelt angeordnet sind,
wobei zwischen je zwei der Schaltstücke (z.B. 17, 15) Druckfedern (19) vorgesehen
sind.
8. Leistungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Schaltstück
(16) ein die zwischen sich und dem zweiten Schaltstück (15) befindliche Druckfeder
(19) abstützendes feststehendes Kontaktteil (22) aufweist sowie einen im feststehenden
Kontaktteil (22) geführten Nachlaufkontakt (20), dessen Nachlaufhub an das gegenüber
der mindestens einen Kommutationsstelle (8) zeitverzögerte Oeffnen der Trennschaltstelle
(5) angepasst ist.
9. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
parallel zur Halbleiterventilanordnung (6) mindestens ein Schutzelement (7) geschaltet
ist.
10. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens eine Kommutations (8)- und die Trennschaltstelle (5) in einem isoliermittelgefüllten
oder evakuierten Gehäuse angeordnet sind.