DE102004005983A1

DE102004005983A1 - Installationsgerät mit optimierten Drehmomenten und entsprechendes Auslöseverfahren bei Vorliegen eines Fehlerstroms

Info

Publication number: DE102004005983A1
Application number: DE200410005983
Authority: DE
Inventors: Alois Bierschneider; Josef Herschberger; Stephan Kleine
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2005-09-08
Also published as: EP1562210A2; DE502004009307D1; EP1562210B1; EP1562210A3

Abstract

Ein FI-Schaltschloss eines Schutzschalters mit Fehlerstromauslösung soll optimiert werden, wobei möglichst wenig Einzelteile verwendet werden sollen. Daher wird eine Klinke (1), die beispielsweise zum Entklinken eines LS-Schaltschlosses dient, über eine Multifunktionszugfeder (11) mit einem Rückstellhebel (7) gekoppelt. Die Multifunktionszugfeder (11) ist hierfür an den beiden Komponenten (1, 7) so befestigt, dass an dem Rückstellhebel (7) in einer Position, in der er nicht an einem Stößel (8) eines Auslösers (9) anliegt, ein wesentlich geringeres Drehmoment angreift als in der Position, in der er an dem Stößel (8) anliegt. Des Weiteren ist die Multifunktionszugfeder (11) auch so angeordnet, dass sie an der Klinke (1) in der Schutzschalterstellung "EIN" ein geringeres Drehmoment hervorruft als in der Schutzschalterstellung "AUS".

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Installationsgerät mit einer Auslöserkomponente, die bei Vorliegen eines Fehlerstroms unter Ausführung einer Auslösebewegung von einer Rückstellposition in eine Auslöseposition bewegbar ist, und einem Schaltschloss zum Umsetzen der Auslösebewegung der Auslöserkomponente in eine Schaltbewegung einer Klinke zum Bewegen mindestens eines elektrischen Kontakts, wobei die Klinke an einer Achse gelagert und zwischen einer EIN-Position und einer AUS-Position drehbar ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Auslösen eines Installationsgeräts bei Vorliegen eines Fehlerstroms durch Ausführen einer Auslösebewegung einer Auslöserkomponente von einer Rückstellposition in eine Auslöseposition und Entriegeln einer in EIN-Position befindlichen Klinke durch die Auslösebewegung. Insbesondere eignet sich vorliegende Erfindung für FI/LS-Schutzschalter (Fehlerstrom/Leitungs-Schutzschalter).

Ein FI/LS-Schutzschalter besteht aus 4 wesentlichen Funktionsbaugruppen:

a) dem Summenstromwandler zur Fehlerstromerfassung;
b) dem FI-Auslöser zur Umsetzung der elektrischen Messgröße in eine mechanische Entklinkung. In seiner Ruhestellung, die einer fehlerfreien Anlage entspricht, hält ein magnetischer Kraftfluss im Haltemagnet (FI-Auslöser) einer Federkraft entgegenwirkend einen Anker fest. Im Fehlerfall wird der magnetische Kraftfluss soweit geschwächt, dass die Federkraft den Anker von den Polflächen abzieht und der abfallende Anker die Verriegelung eines Schaltschlosses (z. B. durch Klinke und Halbwelle) löst. Die Kontakte des Schalters werden geöffnet und der Strompfad getrennt.
c) dem Schaltschloss mit dem angekoppelten Kontaktsystem, über das einerseits die Kontakte geöffnet bzw. geschlossen und andererseits die hohen Kontaktkräfte auf möglichst kleine Auslösekräfte reduziert werden; und
d) dem magnetischen und thermischen Auslösesystem für den Leitungsschutz.

Da bei einem FI/LS-Schutzschalter einerseits sehr hohe Kontaktkräfte erforderlich sind, andererseits jedoch aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ein Auslösekreis mit sehr kleinem Wandler und Haltemagneten (d. h. möglichst kleine Auslösekräfte) realisiert werden muss, ist ein sehr großes Übersetzungsverhältnis im Schaltschloss erforderlich. Nach dem Auslösen müssen bestimmte Funktionsteile des Schaltschlosses, z. B. Klinke und Halbwelle wieder in eine Position gebracht werden, in der diese so verriegelt werden, dass ein Einschalten des Gerätes, d. h. Schließen der Kontakte über einen Einschalthebel bzw. Koppelglied wieder möglich ist. Weiterhin muss auch der Anker des Auslösers wieder angelegt und beim Einschalten des Gerätes freigegeben werden.

Bei Kombigeräten, wie den genannten FI/LS-Schutzschaltgeräten, wird zusätzlich z. B. über die Klinke ein LS-Schaltschloss entriegelt. Für die sichere Funktion des Schaltschlosses ist eine exakte Abstimmung der Kräfte und Wege der Funktionselemente aufeinander erforderlich.

Üblicherweise wird das erforderliche hohe Übersetzungsverhältnis durch Schaltschlösser mit Kniegelenken bzw. anderen Getriebeelementen und in Platinenlösung realisiert. Die erforderlichen Auslöse- und Rückstellkräfte werden für die einzelnen Funktionen durch mehrere, montageunfreundliche Federn (Zug- bzw. Drehfeder) erzeugt. Hierbei ist mit einem unerwünschten Kräfteanstieg bzw. -abfall mit zu- oder abnehmenden Federweg zu rechnen.

Für die Realisierung derartiger Schaltschlösser ist ferner eine relativ große Anzahl von Einzelteilen erforderlich. Des Weiteren wird häufig der L- und der N-Kontakt in einem ge meinsamen Trägerteil (Schaltwelle) gelagert bzw. besitzen beide Kontakte den gleichen Drehpunkt. Dies hat zur Folge, dass der Freiheitsgrad für die Anordnung der FI-Baugruppen stark eingeschränkt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Installationsgerät mit Fehlerstromauslösung vorzuschlagen, in dessen Kraftspeicher die Bewegungsabläufe optimiert und, wenn möglich, die Anzahl der Einzelteile des Schaltschlosses reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Installationsgerät mit einer Auslöserkomponente, die bei Vorliegen eines Fehlerstroms unter Ausführung einer Auslösebewegung von einer Rückstellposition in eine Auslöseposition bewegbar ist, und einem Schaltschloss zum Umsetzen der Auslösebewegung der Auslöserkomponente in eine Schaltbewegung einer Klinke zum Bewegen mindestens eines elektrischen Kontakts, wobei die Klinke an einer ersten Achse gelagert und zwischen einer EIN-Position und einer AUS-Position drehbar ist, und wobei das Schaltschloss einen Rückstellhebel umfasst, der an einer zweiten Achse drehbar gelagert und mit dem die Auslöserkomponente in die Rückstellposition bewegbar ist, indem der Rückstellhebel von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt wird, eine erste Zugfeder zwischen einer ersten Befestigungsstelle an der Klinke und einer zweiten Befestigungsstelle an dem Rückstellhebel gespannt ist, die erste Zugfeder an dem Rückstellhebel in der ersten Position ein wesentlich geringeres Drehmoment hervorruft als in der zweiten Position und die erste Zugfeder an der Klinke in der EIN-Position ein geringeres Drehmoment hervorruft als in der AUS-Position.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zum Auslösen eines Installationsgeräts bei Vorliegen eines Fehlerstroms durch Ausführen einer Auslösebewegung einer Auslöserkomponente von einer Rückstellposition in eine Auslöseposition, und Entriegeln einer in EIN-Position befindlichen Klinke durch die Auslösebewegung, sowie Drehen der Klinke durch die Federkraft einer ersten Zugfeder von der EIN-Position in eine AUS-Position, wobei das durch die Federkraft erzeugte Drehmoment bei dieser Drehbewegung zunimmt und ein Schaltvorgang des Installationsgeräts durch das Drehen der Klinke ausgelöst wird, Drehen eines Rückstellhebels, veranlasst durch den Schaltvorgang, unter Rückführung der Auslöserkomponente in die Rückstellposition, wobei die erste Zugfeder auch das Drehen des Rückstellhebels bewirkt und das von der Zugfeder auf den Rückstellhebel ausgeübte Drehmoment bei diesem Drehen in die Rückstellposition zunimmt.

Der erfindungsgemäße Vorteil liegt darin, dass bei der Realisierung des Kraftspeichers eines Installationsgeräts die Anzahl der Einzelteile reduziert werden kann, was sich positiv auf die Herstellungskosten niederschlägt. Die Reduzierung der Einzelteile lässt sich insbesondere durch die Mehrfachfunktion bestimmter Einzelteile, wie z. B. der ersten Feder, erreichen. Vorteilhaft an der Erfindung ist aber auch, dass eine Optimierung des Kräftehaushalts durch veränderliche Hebelarme während des Ein- bzw. Ausschaltvorganges des Geräts erzielt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Klinke in der EIN-Position durch eine Halbwelle mit geeigneter Verklinkungsfläche verriegelt und durch eine mit Hilfe der Auslöserkomponente initiierbare Drehbewegung der Halbwelle entriegelt. Mit Hilfe dieser Halbwelle ist es möglich, durch die verhältnismäßig geringen Kräfte des Auslösers die deutlich höhere Verklinkungskraft der Klinke zu überwinden.

Das erfindungsgemäße Installationsgerät kann in einer besonderen Ausführungsform eine LS-Schalteinrichtung und eine N-Schalteinrichtung aufweisen, die durch ein Verbindungselement miteinander gekoppelt sind. Damit kann beispielsweise ein FI/LS(1 + N)-Kombigerät realisiert werden.

Günstigerweise verbindet eine Zugstange das genannte Verbindungselement oder eine Komponente der LS- oder N-Schalteinrichtung mit dem Rückstellhebel, so dass im ausgeschalteten Zustand der LS- oder N-Schalteinrichtung der Rückstellhebel in die zweite Position bewegt ist. In dieser zweiten Position drückt der Rückstellhebel die Auslöserkomponente in ihre Rückstellposition. Dies bedeutet, dass es mit der Zugstange möglich ist, die Ausschaltbewegung der LS- oder N-Schalteinrichtung zu nutzen, um mit dem Rückstellhebel die Auslöserkomponente in die Rückstellposition zu bewegen.

Falls in dem Installationsgerät eine N-Schalteinrichtung vorhanden ist, weist sie einen N-Kontakt auf, dessen Kontaktkraft durch eine zweite Zugfeder aufgebracht und der bei seiner Öffnungsbewegung zum Drücken der Klinke in die EIN-Position ausgelegt sein kann. Auf diese Weise erhält der N-Kontakt ebenfalls eine Zusatzfunktion, wodurch die Anzahl der Einzelteile des Installationsgeräts wiederum reduziert werden kann.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 ein FI-Schaltschloss eines FI/LS-(1 + N)-Schutzschalters in der Schalterstellung „EIN";
2 einen Ausschnitt des FI-Schaltschlosses in der Stellung von 1 mit abgeänderter Bauform;
3 das FI-Schaltschloss von 1 bei FI-Auslösung; und
4 das FI-Schaltschloss in der auf den N-Kontakt bezogenen Schalterstellung „AUS".
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
In den 1 bis 4 ist ein Schaltschloss mit einem Kontaktsystem eines FI/LS(1 + N)-Schutzschalters dargestellt, bei dem eine Reduzierung der Teileanzahl und das erforderliche Übersetzungsverhältnis im Kräftehaushalt

a) durch Einsatz von Multifunktionsfedern und
b) durch veränderliche Hebelarme an den einzelnen Funktionselementen während des Bewegungsablaufes realisiert wurde.

Die 1, 3 und 4 zeigen das Schaltschloss mit dem Kontaktsystem in 3 verschiedenen Schaltstellungen.
In 1 befindet sich das Schutzschaltgerät in einer sogenannten Ruhestellung, die einer Schalterstellung „EIN" entspricht, in welcher der N-Kontakt 5 und der nicht dargestellte L-Kontakt an dem jeweiligen Gegenkontakt anliegen. Eine Klinke 1 und eine Halbwelle 2 sind über eine Verklinkungsfläche 3, die an der Halbwelle 2 ausgebildet ist, miteinander verriegelt. Es stellt sich eine Verklinkungskraft F₆ an der Verklinkungsfläche 3 ein, die von einer an die Klinke 1 angreifenden Multifunktionsfeder 11 hervorgerufen wird.
Die Halbwelle 2 ist dabei an einer Achse 14a und die Klinke 1 an einer Achse 14b drehbar gelagert. Über ein Verbindungselement 4 wird beim Einschalten des nicht dargestellten LS-Kontaktes gleichzeitig der N-Kontakt 5 mit eingeschaltet. Dieses Verbindungselement 4 erlaubt eine sehr variable Anordnung des N-Kontaktes 5 im Gerät. Weiterhin wird beim Einschalten des Gerätes über eine im Verbindungselement 4 eingehängte Zugstange 6 ein an einer Achse 14c drehbar gelagerter Rückstellhebel 7 von einem Stößel 8 eines Auslösers 9 entfernt. Der Stößel 8 des Auslösers 9 wird freigegeben und kann im Fehlerfall die Verriegelung Klinke 1/Halbwelle 2 lösen. Die Zugstange 8 kann auch an einer anderen, beliebigen Position des N-Kontaktes 5 bzw. an einem auf den N-Kontakt aufgesetzten Zusatzteil 10 gemäß 2 angeordnet werden.
Eine Multifunktionsfeder 11 ist zwischen einer an der Klinke 1 angeformter Einhängestelle 12 und einem an dem Rückstellhebel 7 angeformten Einhängezapfen 13 eingespannt. Durch diese Anordnung wird über die Feder 11 entsprechend 3

a) das für die Entriegelung des LS-Schaltschlosses erforderliche Auslösemoment M₁ an der Klinke 1 und
b) das erforderliche Rückstellmoment M₂ am Rückstellhebel 7 für den zur Fehlerstromauslösung vorgesehenen Auslöser 9 erzeugt.

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass in der EIN-Stellung (vgl. 1) durch eine entsprechende Festlegung von Hebelarmen a und b die Entklinkungskraft F₁ und die Rückstellkraft F₂ (vgl. 3) sehr niedrig ausgelegt werden können. Dabei entspricht der Hebelarm a dem Abstand der Kraftlinie F₄ der Multifunktionsfeder 11 von der Achse 14b der Klinke 1 und der Hebelarm b dem Abstand der Kraftlinie F₄ der Multifunktionsfeder 11 von der Achse 14c des Rückstellhebels 7. Die Auslösekraft des Auslösers 9 kann entsprechend klein ausgelegt werden. Eine zusätzliche Belastung des N-Kontaktes 5 und eine Erhöhung der Verklinkungskräfte am LS-Schaltschloss in EIN-Stellung wird aufgrund des sehr kleinen Hebelarmes b (Rückstellmoment M₂ annähern 0) vermieden (vgl. 1).
Eine zweite Zugfeder 15 erzeugt in der EIN-Stellung die erforderliche Kontaktkraft F₃ für den N-Kontakt.
Aus 3 ist die vorteilhafte Vergrößerung des Hebelarmes a an der Klinke 1 bei FI-Auslösung ersichtlich. Im Fehlerfall wird über den Stößel 8 des Auslösers 9 die Halbwelle 2 gedreht und die Verklinkung der Klinke 1 gelöst. Durch die von der Feder 11 auf die Klinke 1 wirkende Kraft F₄ wird diese in eine Drehbewegung versetzt und das LS-Schaltschloss über ein Koppelelement 16, das mit der Klinke 1 verbunden ist, entriegelt. Für eine möglichst große Auslösesicherheit wird ein unerwünschter Abfall des Drehmoments M₁ an der Klinke durch die gezeigte Anordnung der Feder 11 vermieden. Der Kraftverlust der Feder 11 beim Zusammenziehen wird nämlich durch die permanente Vergrößerung des Hebelarmes a weitestgehend eliminiert. Das Drehmoment M₁ bleibt somit annähernd konstant.
In 4 ist der Auslösevorgang abgeschlossen und das Schutzschaltgerät befindet sich in der Schalterstellung „AUS". Diese Stellung wird folgendermaßen erreicht: Nach der Entriegelung des LS-Schaltschlosses dreht sich der N-Kontakt 5 um seine Achse 17 in die AUS-Stellung. Dabei wird

a) über die Lasche 18, bzw. das Zusatzteil 10 gemäß 2, die Klinke 1 soweit zurückgestellt, dass sie beim Wiedereinschalten des Gerätes mit der Halbwelle 2 verklinkt und
b) die Drehbewegung des Rückstellhebels 7 durch die Zugstange 6 in Richtung Auslöser 9 freigegeben. Die Zugstange 6 kann die Drehbewegung gegebenenfalls unterstützen.

Die Hebelarme a und b verändern sich dabei so, dass mit zunehmenden Drehwinkel des N-Kontaktes 5 der Hebelarm a ständig kleiner und der Hebelarm b größer wird. Das hat den Vorteil, dass die aufzubringende Rückstellkraft F₅ (vgl. 3) für die Klinke 1 immer kleiner wird, dagegen die Rückstellkraft F₂ (ebenfalls 3) für das Wiederanlegen des Stößels 8 stetig zunimmt. Der Kräfteverlauf/-haushalt kann daher mit dieser Anordnung der Einzelteile optimal auf die einzelnen Funktionselemente abgestimmt werden.
Zusammenfassend kann somit erfindungsgemäß erreicht werden, dass

1. das wirksame Drehmoment an der Klinke 1 während des Bewegungsablaufes annähernd konstant bleibt, wodurch eine größere Auslösesicherheit erzielt werden kann;
2, das Drehmoment am Rückstellhebel 7 für den Haltemagneten des Auslösers 9 von annähernd Null in Schalterstellung „EIN" kontinuierlich auf das erforderliche Moment bis zur Schalterstellung „AUS" ansteigt (3 und 4) und
3, das erforderliche Rückstellmoment für die Klinke 1 auf ein Minimum reduziert wird, d. h. der N-Kontakt ist mit einer kleineren Kraft F₅ beaufschlagt (3 und 4).

Claims

Installationsgerät mit – einer Auslöserkomponente (8), die bei Vorliegen eines Fehlerstroms unter Ausführung einer Auslösebewegung von einer Rückstellposition in eine Auslöseposition bewegbar ist, und – einem Schaltschloss zum Umsetzen der Auslösebewegung der Auslöserkomponente (8) in eine Schaltbewegung einer Klinke (1) zum Bewegen mindestens eines elektrischen Kontakts (5), wobei die Klinke (1) an einer ersten Achse (14b) gelagert und zwischen einer EIN-Position und einer AUS-Position drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Schaltschloss einen Rückstellhebel (7) umfasst, der an einer zweiten Achse (14c) drehbar gelagert und mit dem die Auslöserkomponente (8) in die Rückstellposition bewegbar ist, indem der Rückstellhebel (7) von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt wird, – eine erste Zugfeder (11) zwischen einer ersten Befestigungsstelle (12) an der Klinke (1) und einer zweiten Befestigungsstelle (13) an dem Rückstellhebel (7) gespannt ist, – die erste Zugfeder (11) an dem Rückstellhebel (7) in der ersten Position ein wesentlich geringeres Drehmoment (M₂) hervorruft als in der zweiten Position und – die erste Zugfeder (11) an der Klinke (1) in der EIN-Position ein geringeres Drehmoment (M₁) hervorruft als in der AUS-Position.
Installationsgerät nach Anspruch 1, wobei die Klinke (1) in der EIN-Position durch eine Halbwelle (2) mit geeigneter Verklinkungsfläche (3) verriegelt und durch eine mit Hilfe der Auslöserkomponente (8) initiierbare Drehbewegung der Halbwelle (2) entriegelbar ist.
Installationsgerät nach Anspruch 1 oder 2, das eine LS-Schalteinrichtung und eine N-Schalteinrichtung (5, 17, 18) aufweist, die durch ein Verbindungselement (4) miteinander gekoppelt sind.
Installationsgerät nach Anspruch 3, wobei eine Zugstange (6) das Verbindungselement (4) oder eine Komponente der LS- oder N-Schalteinrichtung mit dem Rückstellhebel (7) verbindet, so dass im eingeschalteten Zustand der LS- oder N-Schalteinrichtung der Rückstellhebel (7) in die erste Position bewegt ist.
Installationsgerät nach Anspruch 3 oder 4, wobei die N-Schalteinrichtung einen N-Kontakt (5) aufweist, dessen Kontaktkraft durch eine zweite Zugfeder (15) aufgebracht wird und der bei seiner Öffnungsbewegung zum Drücken der Klinke in die EIN-Position ausgelegt ist.
Verfahren zum Auslösen eines Installationsgeräts bei Vorliegen eines Fehlerstroms durch – Ausführen einer Auslösebewegung einer Auslöserkomponente (8) von einer Rückstellposition in eine Auslöseposition, und – Entriegeln einer in EIN-Position befindlichen Klinke (1) durch die Auslösebewegung, gekennzeichnet durch – Drehen der Klinke (1) durch die Federkraft einer ersten Zugfeder (11) von der EIN-Position in eine AUS-Position, wobei das durch die Federkraft erzeugte Drehmoment (M₁) bei dieser Drehbewegung zunimmt und ein Schaltvorgang des Installationsgeräts durch das Drehen der Klinke (1) ausgelöst wird, – Drehen eines Rückstellhebels (7), veranlasst durch den Schaltvorgang, unter Rückführung der Auslöserkomponente (8) in die Rückstellposition, wobei die erste Zugfeder (11) das Drehen des Rückstellhebels (7) bewirkt und das von der Zugfeder (11) auf den Rückstellhebel (7) ausgeübte Drehmoment (M₂) bei diesem Drehen in die Rückstellposition zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Klinke (1) in der EIN-Position durch eine Halbwelle (2) mit geeigneter Verklinkungsfläche (3) verriegelt und durch eine mit Hilfe der Auslösebewegung der Auslöserkomponente (8) initiierte Drehbewegung der Halbwelle (2) entriegelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Installationsgerät eine LS-Schalteinrichtung und eine N-Schalteinrichtung aufweist, die miteinander gekoppelt den Schaltvorgang ausführen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die LS- oder N-Schalteinrichtung den Rückstellhebel (7) so mitnimmt, dass er sich im eingeschalteten Zustand der LS- oder N-Schalteinrichtung in der ersten Position befindet.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die N-Schalteinrichtunq einen N-Kontakt (5) aufweist, dessen Kontaktkraft (F₃) durch eine zweite Zugfeder (15) aufgebracht wird und der bei seiner Öffnungsbewegung die Klinke (1) in die EIN-Position drückt.