DE10005825A1 - Elektrischer Niederspannungsschalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kompakten Niederspannungsschalter mit wenigstens vier in Reihe geschalteten Kontaktstücken, von denen wenigstens zwei auf einer Kontaktbrücke angeordnet und miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Kontaktbrücke mit einer Betätigungsvorrichtung in Wirkverbindung steht und wobei wenigstens ein Kontaktstück jedes Paares von gegenüberliegenden Kontaktstücken derart ausgeführt ist, dass es in einer Stromleiterschiene lösbar angeordnet ist und bei Verschweißen oder Verkleben der Kontakte beim Öffnen des Niederspannungsschalters aus der Stromleiterschiene heraus bewegt und der Stromkreis sicher getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen kompakten Niederspannungsschalter mit wenigstens vier in Reihe geschalteten Kontaktstücken, von denen wenigstens zwei auf einer Kontaktbrücke angeordnet und miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Kontaktbrücke mit einer Betätigungsvorrichtung in Wirkverbindung steht.

Niederspannungsschalter sind beispielsweise Schütze oder Relais, die zum fernbedienten Ein- und Ausschalten elektrischer Lasten, z. B. Elektromotoren, in einem Stromkreis verwendet werden. In der Praxis haben sich Schütze und Relais mit Doppelkontakten bewährt. Diese Doppelkontakte bestehen aus einem Paar fester Kontakte und einem Paar beweglicher Kontakte, wobei die beweglichen Kontakte mit einer Kontaktbrücke als Stromleiterschiene miteinander verbunden sind. An der Kontaktbrücke ist eine Betätigungsvorrichtung angeordnet und mit dieser durch eine Halterung verbunden, die eine Verschiebung der Kontaktbrücke im wesentlichen senkrecht zu den Kontaktflächen der Kontakte ermöglicht. Das Öffnen und Schließen der Kontakte erfolgt in der Praxis durch den Hub eines fernbedienten Elektromagneten, der mit Kontaktbrücke starr oder beweglich verbunden ist. In der Praxis wird oft nur ein Hub von etwa 0,5 mm realisiert.

Beim Schalten unter Last entstehen an den Kontakten oft Lichtbögen, die zu einer Überhitzung der Kontakte und zu derem Verschweissen führen können. Eine ebenso häufig zu beobachtende Fehlfunktion von Schaltkontakten entsteht durch Verkleben der Kontakte, insbesondere dann, wenn in korrosiver Atmosphäre die Kontakte nur selten betätigt werden. Werden solche Niederspannungsschalter als Schutzschalter in sicherheitsrelevanten Anlagen oder Apparaten eingesetzt, beispielsweise in medizinischen Apparaten, so müssen derartige Schalter mehrfach abgesichert werden, damit ein sicheres Trennen des Stromkreises erfolgt.

Als Schutzschalter ausgebildete elektrische Schalter sind aus der Patentliteratur bekannt.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 27 38 087 A1 betrifft einen Strombegrenzungsschalter mit Hilfskontakten und einem Hilfsstromkreis, bei dem sich die Hauptkontakte zeitlich vor den Abbrennkontakten öffnen, wobei der Schalter drei Stellungen aufweist, nämlich eine Schließstellung des Hauptstromkreises, eine Schließstellung des Hilfsstromkreises, der einen Schutzwiderstand zur Strombegrenzung enthält und parallel zum Hauptstromkreis angeordnet ist, und eine offene Stellung des Hauptstromkreises und des zweiten Stromkreises.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 29 23 562 A1 betrifft einen Leitungsschutzschalter mit mindestens einem Überstromauslöser, welcher im Falle eines Überlast- oder Kurzschlußstromes auf ein mit einem festen Kontaktstück in einer Lichtbogenlöschkammer zusammenwirkenden beweglichen Kontaktstück zur Trennung beider einwirkt, wobei das feste Konstaktstück auf eine gleichzeitig als Lichtbogenleitschiene ausgebildete ausgebildete Leitschiene aufgebracht ist, wobei diese Leitschiene eine Soll-Schmelzstelle aufweist und diese Soll- Schmelzstelle bei Erreichen eines bestimmten I²t-Wertes abschmilzt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 25 36 441 A1 ist ein mehrpoliger Selbstschalter mit Reihenschaltungsmaßnahme zur Erhöhung des Schaltvermögens bekannt. Hierbei sind zusätzliche Schaltelemente vorgesehen, die an dem Schaltergehäuse seitlich angefügt sind.

Allen bekannten Vorrichtungen ist gemeinsam, dass sie bei einem Verschweissen oder Verkleben der Hauptkontakte bei Strömen, für die der Niederspannungsschalter ausgelegt ist, nicht sicher öffnen und daher den angeschlossenen Stromkreis nicht sicher trennen können. Für eine sichere Trennung des angeschlossenen Stromkreises ist nur die Vorrichtung aus der DE 25 36 441 A1 bekannt, bei der zusätzliche Kontakte außerhalb der Schaltkontakte angeordnet sind, was den Platzbedarf des Niederspannungsschalters erheblich erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Niederspannungsschalter kompakter Bauart zu schaffen, der die o. g. Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist und auch bei Verschweissen oder Verkleben der Kontakte, jeden elektrischen Strom, für den der Schalter ausgelegt ist, sicher unterbricht.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass wenigstens ein Kontakt eines Kontaktpaares des Schalters an der zugehörigen Stromleiterschiene in einer Halterung lösbar gehalten wird und bei Verschweissen oder Verkleben des Kontaktpaares aus der Halterung dadurch gelöst wird, dass eine der beiden Stromleiterschienen mit einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung verbunden ist und durch den Hub der Betätigungsvorrichtung der Kontakt aus der Halterung gelöst wird.

Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert:

In Fig. 1a ist ein Stromkreis, bestehend aus einem einpoligen Niederspannungsschalter (1), einem Motor (2) als Verbraucher und einer Spannungsquelle (3)schematisch dargestellt.

Von den vier Kontaktstücken (10, 20, 30, 40), die als zwei Kontaktpaare (10, 20) und (30, 40) angeordnet sind, ist wenigstens in einem Kontaktpaar ein Kontakt derart ausgebildet, dass er in einer Halterung lösbar gehalten wird. Im Normal-Betriebszustand fließt der Strom über die Zuleitung (23) zu der Klemme (21) und über die Stromleiterschiene (22), das Kontaktpaar (10, 20), die Kontaktbrücke (12), das Kontaktpaar (30, 40), die Stromleiterschiene (42), die Klemme (41) zu der Zuleitung (43). Die Kontaktpaare (10, 20) und (30, 40) sind über die Kontaktbrücke (12) in Reihe geschaltet. An der Kontaktbrücke (12) ist eine Halterung (13), vorzugsweise aus einem elektrisch isolierendem Material, angeordnet, die mit einer Betätigungsvorrichtung (14) in Wirkverbindung steht. Die Betätigungsvorrichtung (14) wird von einer Steuerung (4) elektrisch angesteuert.

In Fig. 2 sind die Verhältnisse beim offenen erfindungsgemässen Niederspannungsschalter wiedergegeben, wenn ein Kontaktpaar miteinander verschweisst oder verklebt ist. Das Kontaktstück (50) ist in diesem Ausführungsbeispiel auf der der Kontaktfläche abgelegenen Seite konisch ausgeführt und sitzt passgenau in einer konischen Aussparung (52) der Stromleiterschiene (22). Das Kontaktstück (50) wird von einem Sicherungsring (51) gehalten, um ein unbeabsichtigtes Herausrutschen des Kontaktstückes (50) zu verhindern. Der Sicherungsring (51) besteht vorzugsweise aus einem weichelastischen, metallischen Federblech und ist so dimensioniert, dass die Zugkraft der Betätigungsvorrichtung (14) ausreicht, um das Kontaktstück (50), wenn es mit dem korrespondierenden Kontaktstück (10) verschweisst ist, aus der Aussparung herauszuziehen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bilden die konische Aussparung (52) und die Unterseite des Kontaktstückes (50) einen Hohlraum (53), der über die Bohrung (54) mit der Umgebungsatmosphäre verbunden ist, um das Entstehen eines Vakuums beim passgenauen Sitz des Kontaktstückes (50) in der Aussparung (52) zu verhindern. Der für den erfindungsgemässaen Niederspannungsschalter notwendige Hub der Betätigungsvorrichtung (14) ist wenigstens das 1,5-fache der Maximalausdehnung des Kontakts (50). Dadurch ist sichergestellt, dass zwischen der Stromleiterschiene (22) und dem Kontaktstück (10) bzw. der Stromleiterschiene (12) kein elektrischer Kontakt durch das Kontaktstück (50) hergestellt werden kann, auch wenn der mit dem Kontakt (10) verschweisste Kontakt (50) beispielsweise während des Öffnens des Niederspannungsschalters abreissen sollte. Da der geöffnete Niederspannungsschalter mit wenigstens einem verschweissten Kontaktpaar keine Funktionsfähigkeit mehr besitzt, ist vorgesehen, mit Hilfe eines elektromagnetischen oder optischen Sensors die ordnungsgemässe Lage der Kontaktstücke zu überprüfen und durch die Weiterleitung eines Alarm- und Steuersignales ein Wiedereinschalten des Niederspannungsschalters zu verhindern.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemässer Niederspannungsschalter schematisch dargestellt, bei dem die Kontakte (30, 40) zeitlich vor den Kontaktstücken (10, 20) schliessen und beim Öffnen des Schalters erst geöffnet werden, wenn die Kontaktstücke (10, 20) bereits geöffnet sind. Bei dem Niederspannungsschalter (1) aus Fig. 3 kann man 4 Schaltphasen unterscheiden, die durch die Stellung der Kontakte gekennzeichnet sind:

In einer Anordnung der Kontaktstücke (10, 20, 30, 40), mit der ein subsekutives Öffnen und Schliessen der Paare der Kontaktstücke bewerkstelligt wird, ist ein Kontaktträger, beispielsweise die Trägerplatte (11) oder die Kontaktbrücke (12), derart federnd gelagert, dass im offenen Zustand des Niederspannungsschalters der Abstand der Kontaktstücke (30, 40) kleiner ist als der Abstand der Kontaktstücke (10, 20). Im Beispiel der Fig. 3 ist der Kontaktträger in der Brückenhalterung (13) um eine Drehachse (15) senkrecht zu der Ebene, in der die Kontaktstücke bei geöffnetem Schalter liegen, drehbar gelagert, wobei an der Brückenhalterung eine Blattfeder (16) vorgesehen ist, die die Kontaktbrücke auf der Seite des Kontaktstückes (30) in einer beispielsweise durch einen Anschlag festgelegten Stellung niederhält. Beim Schliessen des Niederspannungsschalters kommen zunächst die Kontakte (30, 40) in Berührung und anschliessend die Kontaktstücke (10, 20). Der geschlossene Zustand des Schalters aus Fig. 3 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Schalter. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass die Kontaktstücke (30, 40) im Normalbetriebszustand, d. h. wenn kein Verschweissen oder Verkleben der Kontaktstücke vorliegt, stets im stromlosen Zustand geschlossen bzw. geöffnet werden und dadurch ein Abbrand der Kontakte verhindert wird. Im Falle eines Verschweissens oder Verklebens des beanspruchten Kontaktpaares (10, 20) würde der Schalter an den Kontakten (30, 40) sicher öffnen und der Kontakt, der in der Stromleiterschiene lösbar angeordnet ist, im stromlosen Zustand aus der Normalbetriebsposition herausgezogen werden.

Es ist für die Erfindung unerheblich, wie die Anordnung aus Fig. 3 ausgeführt ist. Für den Fachmann sind Anordnungen von Schraubenfedern denkbar; auch ist es vorgesehen, statt der Kontaktstücke (20, 40) Meesserscheiden-Kontakte und statt der Kontaktstücke (10, 30) Messerkontakte an den jeweiligen Stromleiterschienen anzuordnen.

Wie insbesondere aus der Darstellung von Fig. 2 hervorgeht, ist es erforderlich, dass der erfindungssgemässe Niederspannungsschalter einen Hub der Betätigungsvorrichtung (14) aufweist, der wesentlich größer ist als der Hub herkömmlicher Niederspannungsschalter. Bei diesen wird oft nur ein Hub von 0,5 mm realisiert, währen der Hub beim erfindungsgemäßen Niederspannungsschalter 3-10 mm beträgt, abhängig von den Dimensionen der verwendeten Kontaktstücke. Ein Hub in dieser Größenordnung wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Betätigungsvorrichtung (14) einen Linear- oder Schrittmotor enthält, welche gegenüber den üblicherweise in der Praxis zur Anwendung kommenden Betätigungsvorrichtungen (14) den Vorteil einer vereinfachten elektrischen Ansteuerung durch die Steuerung (4) bieten.

Um bei den herkömmlichen Niederspannungsschaltern ein sicheres Abreissen von Lichtbögen zu gewährleisten, kommen als Kontaktmaterialien Legierungen zum Einsatz, die teuer und teilweise umweltgefährdend sind. Bei einem größeren Hub der Betätigungseinrichtung (14) kann daher in manchen Anwendungsfällen auf ein kostengünstigeres und unbedenkliches Kontaktmaterial zurückgegriffen werden.

Verzeichnis der Abbildungen

Fig. 1: Schematische Darstellung eines Stromkreises mit Niederspannungsschalter

Fig. 2: Schnitt durch einen offenen Niederspannungsschalter mit verschweissten Kontakten

Fig. 3: Schematische Darstellung des Niederspannungsschalters mit Kontaktanordnung für zeitlich versetztes Schliessen der Kontakte

Bezugszeichenliste

1

Niederspannungsschalter

2

Motor

3

Spannungsquelle

4

Steuerung

10

Kontakt

11

Trägerplatte

12

Kontaktbrücke

13

Brückenhalterung

14

Betätigungsvorrichtung

15

Drehachse

16

Blattfeder

20

Kontakt

21

Klemme

22

Stromleiterschiene

23

Zuleitung

30

Kontakt

40

Kontakt

41

Klemme

42

Stromleiterschiene

43

Zuleitung

50

Kontaktstück

51

Sicherungsring

52

Aussparung

53

Hohlraum

54

Bohrung

60

Messerkontakt

61

Kontaktscheide

70

Messerkontakt

71

Kontaktscheide

Claims (8)

1. Niederspannungsschalter zum sicheren Öffnen eines Stromkreises auch bei verschweissten oder verklebten Kontakten mit wenigstens vier in Reihe geschalteten Kontaktstücken (10, 20, 30, 40), von denen jeweils zwei (10, 20 bzw. 30, 40) als Kontaktpaar gegenüber angeordnet und von denen wenigstens zwei auf einer Kontaktbrücke (12) angeordnet und miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Kontaktbrücke (12) mit einer Betätigungsvorrichtung (14) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kontaktstück (50) jedes Kontaktpaares in einer Aussparung (52) einer Stromleiterschiene (22) angeordnet ist und lösbar mittels einer Sicherungsvorrichtung gehalten wird und mit der Stromleiterschiene (22) eine elektrische Verbindung mit einem Übergangswiderstand von < 0,1 Ohm bildet und dass die Sicherungsvorrichtung das Kontaktstück bei einer Zugkraft die kleiner ist als das 0,8-fache der Nominalzugkraft der Betätigungsvorrichtung (14) freigibt.

2. Niederspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubweg der Betätigungsvorrichtung (14) wenigstens das 1,5-fache der maximalen Ausdehnung des Kontaktstückes (50) beträgt.

3. Niederspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung ein Ring aus einem weichelastischen Federblech ist.

4. Niederspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung von einem Linearmotor angetrieben wird.

5. Niederspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung von einem Schrittmotor angetrieben wird.

6. Niederspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass bei offenem Niederspannungsschalter die Kontaktstücke (30, 40) einen kleineren Abstand voneinander besitzen als die Kontaktstücke (10, 20) und beim Schliessen des Niederspannungsschalters die Kontaktstücke (30, 40) zeitlich vor den Kontaktstücken (10, 20) elektrischen Kontakt miteinander bekommen und beim Öffnen des Niederspannungsschalters die Kontaktstücke (30, 40) zeitlich nach den Kontaktstücken (10, 20) geöffnet werden.

7. Niederspannungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke (12) an einer Brückenhalterung (13) um eine Drehachse (15) drehbar gelagert ist und mittels einer Feder in einer Position gehalten wird, in der der Abstand der Kontaktstücke (30, 40) kleiner ist als der Abstand der Kontaktstücke (10, 20).

8. Niederspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (52) in der Stromleiterschiene (22) ein Konus ist, in dem das Kontaktstück (50) passgenau gelagert ist.