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hin-oder mehrpoliger Selbstschalter mit schnellöffnenden Schaltpolen
Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrpoligen Selbstschalter mitschnellöfmenden Schaltpolen,
Sprungeinschaltung, Sprungausschaltung und Ausgelöstanzeige mit elektromagnetischen-und/oder thermi- schen Auslösern.
Bei der Neukonstruktion von Selbstschaltern ist man bemüht, die Schaltleistung zu erhöhen, um den vermehrten Anforderungen in elektrischen Anlagen gerecht zu werden. Dies erfordert eine schnelle Öff- nung der Kontakte möglichst noch vor dem Erreichen der Amplitude der ersten Halbwelle des Kurz- schlussstromes. Hiefür ist es von Vorteil, die Kontaktträger, auch im Hinblick auf das Auftreten von ein-und zweipoligen Kurzschlüssen, in jedem Pol einzeln und unabhängig beweglich zu lagern, damit der vom grössten Kurzschlussstrom beaufschlagte Pol in seiner Öffnung nicht durch die andern Pole und durch das Schaltschloss behindert wird. Die Masse und Anzahl der bewegten Teile soll dabei gering sein.
Die Forderung nach kleinen Abmessungen des Schaltgerätes beinhaltet die Forderung, den Raum für die Lichtbogenlöschung möglichst klein zu halten. Dafür ist neben dem Vorhandensein einer Deionlöschblechkammer nötig, den Lichtbogenraum nach dem restlichen Schalterraum hin so gut wie möglich abzudichten, damit der stromstarke Lichtbogen, der bei grossen Kurzschlüssen auftritt, in die Löschkammer getrieben und sicher gelöscht wird. Weiterhin sollte das Schaltgerät Sprungein-und Sprungausschal- tung besitzen, um eine vom Schaltenden unabhängige Kontaktbewegung zu garantieren und den betriebsmässigen Kontaktabbrand einzuschränken, Für den Betriebsmann ist es auch von Vorteil, aus der Stellung des Schalthebels ersehen zu können, ob der Schalter ausgeschaltet oder ausgelöst wurde.
Das von den Leitungsschutzschaltern her bekannte Prinzip, den Kontakt mit einem selbstsperrenden, starren, knapp über den Totpunkt durchgedrückten Kniegelenk in der Einschaltlage zu halten und die Auslösung durch Aufschlagen des Kniegelenks zu bewirken, scheint für eine schnelle Öffnung geeignet zu sein, weil zur Auslösung eine relativ geringe Kraft benötigt wird und weil wenig bewegte Teile vorhanden sind. Der Kontaktdruck wird durch eine besondere Feder erzeugt, die auch gleichzeitig Rückzugfeder sein kann. Die Selbsthaltekraft des Kniegelenkes ist im wesentlichen eine Wirkung dieser Feder. Im allgemeinen sind die Schalter dieser Bauart so konstruiert, dass die Kontakte durch elektrodynamische Kraftwirkungen bei hohen Strömen nicht selbst abheben, um ein Verschweissen zu verhindern.
Tritt aber ein Verschweissen auf, dann sind die Schalter ausser Betrieb gesetzt, weil durch die schleichende Kontaktöffnung die Verschweissung nicht selbst gelöst werden kann. Nun ist es aber gerade für eine angestrebte schnelle Öffnung der Kontakte von Vorteil, wenn die elektrodynamisch abstossenden Kräfte für die Kontaktöffnung ausgenutzt werden und, wenn möglich, die Öffnung der Einschaltsperre unterstützen oder herbeiführen. Man muss dann dafür Sorge tragen, dass der Kontaktträger so schnell entsperrt und in Ausschaltrichtung bewegt wird, dass eine Wiederberührung und damit eine Verschweissung der Kontakte nicht erfolgt, oder man löst die aufgetretene Verschweissung durch Schlagwirkung. Es ist bereits bekannt, bei einem Kniegelenkschalter ein Kniegelenk nur lose über eine Feder und einen Mitnehmer mit dem Kontaktarm zu kuppeln.
Nach Auslösung kann sich das Kniegelenk eine gewisse Strecke entspannen, ehe der Mitnehmer schlagartig auf den Kontaktarm auftrifft. Diesen Anordnungen haftet
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aber gemeinsam der Nachteil an, dass das Kniegelenk annähernd senkrecht zum Schwenkradius des Kontaktträgers angreift, so dass bei Abhebung des Kontaktes sich die Sperrkraft des Kniegelenkes erhöht, die Abhebebewegung des Kontaktes die Entsperrung eher hemmt als unterstützt und dass bei Auslösung trotz der hohen Geschwindigkeit des Kniegelenkpunktes die Geschwindigkeit des mit dem Kontaktträger gekoppelten Punktes, besonders kurz nach der Auslösung, gering ist. Die betriebsmässige Ausschaltung wird oft im Pol selbst durch Aufdrücken des Kniegelenks hervorgerufen, während in den meisten Fällen keine Momenteinschaltung vorgesehen ist.
Es ist auch bekannt, die Bewegung der Kontakte infolge der elektrodynamischen Stromkräfte für die Entsperrung eines Kontaktarmes zu benutzen. Bei einer derartigen Anordnung wird der Kontaktarm des beweglichen Kontaktes durch ein annähernd senkrecht an ihm angreifendes Kniegelenk, dessen Kniegelenkpunkt sich an einer Nase des Kontaktarmes abstützt, im Kontaktträger, der über eine allpolige Schaltwelle verschwenkt wird, in der Einschaltlage gehalten. Der feste Kontakt ist federnd gelagert und bildet mit dem Kontaktarm des beweglichen Kontaktes eine Stromschleife, derart, dass sich ein kurzer Hebelarm am Kontaktende und ein langer Hebelarm am Anschlussende befindet, wodurch bei hohen Strömen keine Abhebung, sondern Kontaktkraftverstärkung bei gleichzeitiger Schwenkung der Kontaktarme und Entsperrung des Kniegelenkes erfolgt.
Abgesehen von dem grösseren Aufwand für den abgefederten Festkontakt muss hier die Rückführung des Kniegelenkes in die Sperrlage bei der Ausschaltbewegung des Kontaktträgers durch einen besonderen Mechanismus erfolgen, da die sichere Funktion einer automatischen Rückführung fragwürdig erscheint. Die Zeit von der ersten Bewegung der Kontakte bis zur Entsperrung des Kniegelenkes verlängert den Ausschaltverzug.
Es wurde weiterhin eine Vorrichtung bekannt, die aus einem Kontaktarm und einer an ihm angelenkten Feder, die den Kontaktdruck erzeugt, besteht und die zusammen ein selbstfederndes Kniegelenk-oder Totpunktsystem bilden. Kontaktarm und Feder sind in einem Kontaktträger untergebracht, der mit den Kontaktträgern der andern Pole starr verbunden ist. und sind im Kontaktträger unabhängig beweglich. Durch elektrodynamische Kräfte wird bei hohem Überstrom oder Kurzschluss der Kontaktarm vom Festkontakt weggeschleudert, wodurch die Feder über den Totpunkt gebracht wird, so dass sich die Kraftkomponente im Sinne einer Kontaktöffnung umkehrt und der Kontaktarm unabhängig vom Kontaktträger in die Öffnungsstellung schnappt.
Das Totpunktsystem kann also nur durch Bewegung des Kontaktarmes selbst, also bei gleichzeitiger Kontaktöffnung, über seinen Totpunkt gebracht werden. Daraus ergibt sich der Nachteil der Verschweissgefahr. Für eine vernünftige Konstruktion wird nämlich der Weg bis zum Totpunkt gross, da man für eine bestimmte Kontaktkraft eine bestimmte Federkraftkomponente braucht und bei einem kleinen Weg bis zum Totpunkt Fertigungstoleranzen und Kontaktabbrand, abge-
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stoffe nach einer Abhebung wieder verschweissen kann.
Die beiden letztgenannten. Systeme sind speziell für die Kurzschlussabschaltung ausgelegt. Das Kniegelenk wird, abgesehen von dem Kontaktdurchdruck, für die betriebsmässigen Schaltungen nicht bewegt.
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bewegung sowie die Klinke selber sind kritische Punkte bei der Lebensdauerprüfung.
Es ist auch bereits ein Kleinselbstschalter bekanntgeworden, dessen Momentausschaltung in der Freigabe eines unter Wirkung einer Ausschaltfeder stehenden Schaltorgans besteht und die Momenteinschaltung durch ein Kippsprungwerk erfolgt, welches zugleich den Kontaktdruck in der Einschaltstellung erzeugt. Das Kippsprungwerk besteht aus einer Schwinge, die über eine Feder mit dem geradlinig verstellbaren Kontaktträger verbunden ist und mit der Feder ein in sich federndes Kniegelenk bildet. Die Schwinge ist starr mit dem Betätigungsorgan gekoppelt. Die Überstrom- und Kurzschlussauslösung er-
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dem ist es nur für einpolige Schalter geeignet.
Die Kontaktanordnung eines andern bereits bekannten Selbstschalters besteht aus einem Festkontakt und einem um einen festen Punkt schwenkbaren Kontaktarm, der sich aus zwei drehbar miteinander verbundenen Teilen zusammensetzt, die zusammen einen selbstsperrenden Kniehebel bilden. Der obere, das Kontaktstück tragende Teil des Kontaktarmes ist über eine Feder, die den Kontaktdruck und die Sperrkraft des Kniehebels erzeugt, mit einem ebenfalls um diesen festen Punkt schwenkbaren Träger verbunden.
Der Kontaktarm ist in dem Magnetfeld eines vom Schalterstrom erregtenElektroma- gneten angeordnet, wodurch bei Nennstrom Kontaktdruckverstärkung erzielt, bei Überstrom der Kniehebel aufgebrochen und bei Kurzschluss der gesamte Kontaktarm in die Ausschaltstellung verdreht wird.
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zen 27 befestigt, der den Schlag des Kniegelenks zur Öffnung des beweglichen Kontaktes aufnimmt.
Das federnde Glied 31 des Kniegelenks ist über den Bolzen 3 mit dem Kontaktträger 33 dreh- bar verbunden und erzeugt in dieser Stellung den Kontaktdruck. Der Kniegelenkpunkt 28 ist gleich- zeitig als Federführung ausgebildet. Das starre Glied des Kniegelenks besteht aus einem U-Bügel 9, der durch einen eingelöteten Bolzen 10 noch versteift ist, und ist um den Bolzen 16 gemeinsam mit dem Ankerträger 21 und der Freilaufkupplung 14 drehbar. Die Freilaufkupplung 14 besteht ebenfalls aus einem U-Bügel, in dessen Rücken 12, der zur Erzielung der erforderlichen Gewinde- länge noch verstärkt werden kann, eine Stellschraube 11 eingeschraubt ist, an der sich das Kniege- lenk über den Bolzen 10 abstützt und durch den der Durchdruck des Kniegelenks eingestellt werden kann.
Die Freilaufkupplung 14 ist über eine Isolierlasche 13 und die Schaltwelle 15 mit dem
Schaltschloss verbunden. Die Welle 7 ist isoliert und wird allpolig vom Schloss gesteuert. In dem
Langloch 4 der Lasche 5, die an einem auf der Welle 7 befindlichen Hebel angelenkt ist, kann sich bei Ausschaltung der Bolzen 3 frei bewegen. Der elektromagnetische Auslöser 17 - 20 wirkt über den Hebel 26 auf das Kniegelenk und über Auslösefinger 23 auf den Lappen 24 der Aus- lösewelle 22 ein.
Das Schaltschloss sitzt seitlich vom Schalter. Der Kniehebel 38 ; 39 ist am Hebel 41 der
Schaltwelle und an der um die Achse 43 drehbaren Auslöseklinke 44 angelenktund wird durch die am Kniegelenkpunkt angreifende Lasche 37 und den über die Betätigungswelle 35 mit dem nichtgezeichneten Betätigungshebel verbundenen Doppelhebel 36 über die Strecklage gebracht. Die Feder 42 sorgt dafür, dass der Betätigungshebel und die Kniegelenke 9 ; 31 in den Schaltpolen in der Einschaltstellung verbleiben. Die am Ende des Doppelhebels 36 angebrachte Einstellschraube 46 verdreht am Ende der Einschaltbewegung über den Lappen 47 die Halbwelle 48 und gibt dadurch die Klinke 49, die fest auf der Welle 7 sitzt, frei.
Im folgenden wird die Funktion des Selbstschalters beschrieben. Für die Handausschaltung wird die Betätigungswelle 35 im Uhrzeigersinn gedreht und der Kniehebel 38 ; 39 so weit überdie Strecklage gebracht, bis die Nase des Hebels 41 am Anschlag 40 anliegt (Fig. 5). Dadurch ist aber die Freilaufkupplung 14 so weit nach links gerückt, dass das Kniegelenk 9 ; 31 über den Totpunkt springt, den Teil 9 gegen den Bolzen 27 schlägt und die Kontakte geöffnet werden (Fig. 2). In der ge- öffneten Stellung drückt die Feder 31 gegen den Bolzen 27 und gegen den Bolzen 3 und hält dadurch die Kontakte offen. Die Rückprellenergie des Kontaktträgers 33 wird durch die Reibung zwischen dem Bolzen 27 und der anliegende Fläche des starren Gliedes des Kniegelenks 9 aufgezehrt.
Gleichzeitig hat der Bolzen 3 das Langloch 4 durcheilt, die Lasche 5 mit ihrem Rücken 6 gegen den Anschlag 8 gelegt und dadurch die Klinke 49 wieder über die Halbwelle 48 geführt.
Der Anschlag 8 besteht vorteilhaft aus prellminderndem Material.
Fliesst im vom Schalter zu schützenden Kreis ein stetiger Überstrom, dann sprechen die thermischen Auslöser an, die Auslöseklinke 44 wird durch Verdrehen der Auslösewelle 22 frei, und die Feder 42 zieht den Hebel 41 gegen den Anschlag 40 und bewirkt die Ausschaltung. Ausserdem fällt der Doppelhebel 36 und mit ihm der nicht dargestellte Betätigungshebel so weit nach, bis die Auslöseklinke 44 an dem federnden Anschlag 50 anliegt. Der Betätigungshebel bleibt somit zwischen den beiden Betriebsstellungen stehen und zeigt dadurch die Auslösung des Schalters an.
Es muss noch hinzugefügt werden, dass für die Auslösung nur eine geringe Kraft benötigt wird, da in der Einschaltstellung nur die Kraftdifferenz zwischen der Feder 42 und den drei Kniegelenken in den Schaltpolen gehalten werden muss, die noch durch die Stellung der Lasche 37 sowie des Kniehebels 38 ; 39 vermindert wird, und dass die Kline 44 für die Ausschaltung nur einen geringen Weg zurückzulegen braucht.
Die Kurzschlussauslösung geht in den vom Kurzschluss betroffenen Polen selbst unabhängig vom Schaltschloss vor sich. Der Anker 20 wird angezogen, und der Hebel 26 drückt das starre Glied des Kniegelenkes 9 nach links. Dadurch schwenkt das federnde Glied des Kniegelenkes 31 um den Bolzen 3, und die Kontaktkraft nimmt ständig ab. Da die abstossenden Kräfte der Kontaktbahn mit dem Quadrat des Stromes zunehmen und die Feder durch Verringerung der Komponente der Öffnung eine sich verringernde Kraft entgegensetzt, wird, sobald die elektrodynamische Kraft überwiegt, die Kontaktöffnung erfolgen, u. zw. bei einer geringeren Federkraft bzw. einem geringeren Strom gegenüber dem Wert, bei dem die Kontakte abheben, wenn der Kniegelenkpunkt 28 festgehalten würde.
Dies ist besonders wirksam bei kleineren und mittleren Kurzschlussströmen, wo nämlich die Gefahr des Verschweissens gross ist. Sollte trotzdem eine Verschweissung eintreten und reicht die kinetische Energie des
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Kniegelenkes beim Auftreffen auf den Bolzen 27 nicht aus, um die Kontaktstücke voneinander zu lösen, dann kann man den Weg des Ankers 20 so verlängern, dass der Hebel 26 beim Auftreffen des starren Gliedes des Kniegelenkes 9 auf den Bolzen 27 noch wirksam die Magnetkraft überträgt.
Während durch die erfindungsgemässe Einwirkung des elektromagnetischen Auslösers bei kleinen und mittleren Kurzschlussströmen die Funktionssicherheit des Schaltgerätes gewährleistet ist, tritt bei grossen Kurzschlussströmen der Vorteil ein, dass der Magnet den Kniegelenkpunkt 28 in der Ausknickrichtung des Kniegelenkes vorverstellt, ehe die Kontakte abheben, so dass die Ausknickung und damit die Öffnung schneller vor sich geht. Die Auslösung des Schlosses und damit die allpolige Ausschaltung bei ein-oder zweipoligen Kurzschlüssen bewirkt der Auslösefinger 23 des Ankerträgers 21.
Der Einschaltvorgang wird eingeleitet durch die Rückholung des Schlosses von der"Ausgelöst"-Stel- lung nach Fig. 7 in die Ausschaltstellung nach Fig. 5 durch Drehung der Betätigungswelle 35 in Uhrzeigerrichtung. Die Auslöseklinke 44 wird gegen den Anschlag 45 gezogen und damit verklinkt.
Die Betätigungswelle 35 kann jetzt in Einschaltrichtung, d. h. im Gegenuhrzeigersinn, bewegt werden. Der Kniehebel 38 : 39 streckt sich und die Freilaufkupplung 14 nimmt das Kniegelenk 9 ; 31 über den Totpunkt mit, wobei der Kontaktträger 33, nachdem der Kniegelenkpunkt 28 den Bolzen 29 passiert hat, in Einschaltrichtung schwenkt. Ohne Lasche 5 und Welle 7 würde jetzt die Einschaltung erfolgen. Mit Rücksicht auf die Kurzschlussfreiauslösung in jedem Pol und die Gleichzeitigkeit der Kontaktberührung aller Pole muss die Freilaufkupplung freigemacht werden.
Man bringt also den Kniehebel 38 ; 39 weiter über seine Strecklage und bewegt die Freilaufkupplung wieder nach links, während der Teil 9 am Anschlag 8 liegenbleibt, bis die Stellschraube 11 den Bolzen 10 mitnimmt und das Kniegelenk 9 ; 31 in die vorgeschriebene Einschaltstellung bringt. In dieser Stellung liegt der Doppelhebel 36 am Anschlag 34 an. Der Kontaktträger 33, der bei seiner Einschaltbewegung wenige Millimeter vor der Kontaktberührung durch die Lasche 5, die durch die Klinke 49 ihre Lage beibehält, festgehalten wurde (Fig. 3), kann am Ende der Einschaltbewegung der Betätigungswelle 35 durch Verdrehen der Halbwelle 48 mittels der Einstellschraube 46 und Freigabe der Lasche 5 in die Einschaltstellung springen. Die Klinkenüberdeckung der Halbwelle und der Klinke 49 kann sehr gross gemacht werden. Durch den geringen Sprungweg erfolgt eine prellarme Einschaltung.
Die Forderung nach Verhinderung der Sprungbewegung bei verdrehter Auslösewelle, z. B. bei nicht rückgestellter Kurzschlussauslösesperre, ist erfüllt. Bei Betätigung des Schalters wird nur die Auslöseklinke 44 verschwenkt, da die Feder 42 den Hebel 41 gegen den Anschlag 40 zieht und da- durch in Ruhe hält. Wie aus Fig. 4 und 7 ersichtlich, hat auch eine Verdrehung der Halb welle 48 keine Folgen, da die Klinke 49 durch die Kontaktträger 33 von der Halbwelle weggedrückt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
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