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Selbstschalter für Wechselstrom
Es sind Selbstschalter, insbesondere Installationsselbstschalter bekannt, die nur mit thermischem Bimetallauslöser ausgerüstet sind. Dieser thermische Auslöser übernimmt den Schutz von Leitungen oder Geräten und kann auch so ausgebildet sein, insbesondere wenn er unmittelbar beheizt ist, dass er bei Kurzschluss den Schalter ebenfalls zur Auslösung bringt. Die Wirkung eines derartigen Bimetallauslösers beruht darauf, dass der Kurzschlussstrom eine verhältnismässig schnelle Ausbiegung erzwingt, so dass die gesamte über den Schalter fliessende Energie klein gehalten wird. Derartige Selbstschalter kann man für Wechselstrom noch besonders klein ausbilden, wenn man einen möglichst kleinen Kontaktöffnungsweg vorsieht und eine Bimetallkombination grosser Stromempfindlichkeit benutzt.
Man kann dann im allgemeinen, insbesondere bei hohen Kurzschlussströmen, eine Öffnung der Kontaktstrecke in der ersten, spätestens in der zweiten Halbperiode erreichen.
Zur Erklärung der Wirkung derartiger Auslöser wird nachstehend zunächst gemäss den Fig. 1a - 1c die grundsätzliche Arbeitsweise eines Bimetalls im Kurzschlussfalle bei Wechselstrom erläutert. Hier ist mit
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R dent ! verstand des geheizten Bimetalls bedeutet. Proportional der Summe dieser Wärmemengen ist sowohl die Temperatur als auch die Ausbiegung des Bimetalls. Diese Auslenkung kann man zu/i. R. dt (Fig. lc) annehmen, wenn keine Wärme vom Bimetall an die Umgebung abgegeben wird, was annähe-
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Es wird nun zunächst gemäss der Kurve I angenommen, dass bei einem bestimmten Zeitpunkt a die Auslenkung des Bimetalls den Wert S hat, wobei mit dieser Grösse der einer bestimmten mittleren Bimetalltemperatur proportionale Auslöseweg dargestellt ist. In dem Zeitpunkt a wirddie Schaltmechanik entklinkt und nach der Verzögerung tE öffnet die Kontaktstrecke zur Zeit a', so dass der Lichtbogen vom Zeitpunkt'bis zum folgenden Nulldurchgang im Schalter bestehen bleibt. Nimmt man nun an, dass der erforderliche Auslöseweg S bei kleinerem Kurzschlussstrom (gemäss Kurve II) im Zeitpunkt b erreicht wird, so liegt der Punkt an einer andern Stelle der durch den Wechselstrom erzeugten Temperaturkurve des Bimetalls, u. zw. z. B. in der Nähe eines Bereiches, in dem keine grosse Temperaturänderung und damit Ausbiegungsänderung des Bimetalls erfolgt.
Die Kontaktöffnung würde unter Berücksichtigung des mecha. nischen Ausschaltverzugs tE kurz nach dem Nulldurchgang des Stromes bei b'erfolgen und mithin wUrde der Lichtbogen über nahezu eine Halbwelle stehen bleiben, womit eine erhebliche Beanspruchung des gesamten Schalters verbunden wäre. Ist der Auslöseweg gemäss Kurve ni erst im Augenblick des Stromnulldurchganges bei c erreicht, so erfolgt auch hier die Kontaktöffnung verzögert bei c', so dass der Lichtbogen gleichfalls fast über eine Halbwelle bestehen bleibt.
Ähnliche Verhältnisse treten auf, wenn der Phasenwinkel des Überstrom- oder Kurzschlusszeitpunktes von 00 wesentlich abweicht, also die Erwärmung nicht bei Stromnulldurchgang beginnt, sondern bei einer beliebigen augenblicklichen Stromstärke.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Selbstschalters, insbesondere Installationsselbstschalters, bei dem der thermische Auslöser so ausgebildet ist, dass in dem Zeitbereich, in dem ihm bei Wech-
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selstrom keine oder nur geringe Wärmemengen zugeführt werden, ein Abfall der mittleren Bimetalltempe- ratur und damit ein Rückgang derAusbiegung vorhanden ist und erst mit erhöhter Wärmezufuhr in der fol- genden Halbwelle eine erneute Temperaturzunahme auftritt. Hiedurch würden sich die in Fig. 2a - 2c dargestellten Verhältnisse ergeben, in welchen die Kurven 1-III die gleichen Stromverhältnisse darstel- len sollen wie in den Fig. la - 1c. Ebenso ist der gleiche Auslöseweg S angenommen.
MitAbnahme der Wärmezufuhr hat alsdann jede der Kurven ein Maximum ; in der Gegend des Strom- nulldurchgangs befindet sich ein Wendepunkt und mit steigender Wärmezufuhr wird die Auslenkungsän- derung langsam wieder positiv. In der Kurve sind dem Auslöseweg S entsprechend die zugehörenden Zei- ten eingetragen, bei denen diese Werte erreicht werden. Bei Erreichung des Auslöseweges S zur Zeit al besteht gegenüber den Fig. la-tic kein wesentlicher Unterschied. Wird der Auslöseweg zur Zeit bl mit kleinerem Kurzschlussstrom oder anderem Phasenwinkel erreicht, so kann dieser Punkt wegen vergrösserter
Temperaturempfindlichkeit des Bimetalls so liegen, dass unter Berücksichtigung der Schaltereigenzeit die
Kontaktöffnung 'noch kurz vor dem Nulldurchgang erfolgt.
Wird nun der Kurzschlussstrom noch weiter verringert, so wird aber der gleiche Auslöseweg erst zur Zeit c erreicht. Der Auslösezeitpunkt c wandert also bis in den nächsten ansteigendenAst der Ausbiegungskurve, wobei dieser Punkt erheblich in die zwei- te Stromhalbwelle hineir-ge1angt, -so dass unter Berücksichtigung der Eigenzeit des Schalters eine Kontakt- öffnung im fallenden Ast der Stromkurve bei c'erreicht wird und mithin die Brenndauer des Lichtbogens gegenüber den Fig. la - 1c merklich herabgesetzt wird.
Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass man tatsächlich einen derartigen Ausbiegungsverlauf an einem direkt beheizten Bimetall dadurch erreichen kann, dass man, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Bi- metall verwendet, bei welchem die Komponente 1 mit dem grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten die höhere elektrische Leitfähigkeit und die Komponente 2 mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten die kleinere elektrische Leitfähigkeit aufweist. Hiedurch wird erreicht, dass die erste Komponente infolge des über sie fliessenden grösseren Stromanteiles im Verhältnis zur Komponente 2 stärker beheizt wird.
Durch diese stärkere Beheizung erfolgt eire grössere Formänderung des Bimetalls in Pfeilrichtung 4, die in der energielosen Pause in der Nähe des Stromnulldurchganges durch Temperaturausgleich zwischen den beiden Komponenten zum Teil wieder rückgängig gemacht wird.
Ein Bimetall, das diese Eigenschaft hat. ist z. B. eine Kombination aus Nickel und Nickeleisen, wobei Nickel den grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten und die höhere elektrische Leitfähigkeit hat. Erfindungsgemäss wird durch geeignete Wahl des Wärmeüberganges zwischen den beiden Komponenten bzw. durch Anordnung von isolierenden Zwischenschichten, z. B. Luft, der Wärmeübergang variiert und damit das Ausbiegungsverhalten im Stromnulldurchgang beeinflusst.
Eine weitere Bimetallausführung zeigt Fig. 4. Dieses Bimetall besteht ausser den beiden eigentlichen Komponenten 1 und 2 mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten, in diesem Falle aber mit etwa gleicher elektrischer Leitfähigkeit, noch aus einer dritten Komponente 3, z. B. Kupfer, die sich auf der Seite der Komponente mit dem grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten befindet, und dadurch die Leitfähigkeit der ersten Komponente gleichsam vergrössert. Ein derartiges Bimetall, das z. B. aus NickelMangan-Eisen l, Nickel-Eisen 2 und Kupfer 3 besteht, wird hinsichtlich seiner beiden Komponenten 1 und 2 gleichmässig beheizt.
Die zusätzliche Komponente 3 mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit erzeugt eine indirekte Zusatzheizung zunächst nur für die Komponente l, wodurch ebenfalls, wie im vorhergehenden Fall, eine stärkere Formänderung des Bimetalls erreicht wird, die durch Temperaturausgleich in der stromlosen Pause wieder zurückgeht. Eine dritte Möglichkeit ist z. B. dadurch gegeben, dass man durch Anbringung von Kühlflächen 5 an einem normalen Bimetall entsprechend Fig. 5, insbesondere auf der Aussenseite der Komponente 1 oder auf der dritten Komponente, eine erhöhte Wärmeabgabe in der stromlosen Pause erzeugt. Dabei sind die Kühlflächen insbesondere in der Nähe der Einspannstelle vorgesehen.
Der Erfindungsgedanke besteht also darin, dass man bei einem Bimetall die Komponente mit dem grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker erwärmt und zweckmässig auch stärker abkühlt als die andere Komponente, wobei die stärkere Erwärmung infolge des kontrollierten Wärmeüberganges zwischen beiden Komponenten den eingangs geschilderten Verlauf aufweist.
Die'angeführten Beispiele sollen lediglich das Prinzip des Erfindungsgedankens darstellen, die praktische Ausführung richtet sich nach den jeweils vorgegebenen Bedingungen.
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