-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
(a) Bereich der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft einen Magnetsicherungsschalter mit elektronischer
Ansteuerung, der dadurch besonders gekennzeichnet ist, daß er eine Magneteinheit
und eine Einstelleinrichtung für
den Stromgrenzwert hat, so daß er
im Kuzschlußfall
den Stromkreis unterbricht. Außerdem
kann er in Verbindung mit einem Telefonapparat, einer Tastatur mit Sprachsystem
und einem Steuerprogamm als telefonische Fernsteuerung eingesetzt
werden.
-
(b) Beschreibung des derzeitigen
Standes der Technik
-
Herkömmliche
Leistungsschalter sind elektro-mechanische Konstruktionen. Sie bestehen
aus Hebeln, Antrieben und auf Wärme
reagierenden Teilen. Bei Überlast,
Kurzschluß oder
Isolationsfehlern unterbrechen sie den Stromkreis und müssen nach Behebung
des Fehlers manuell zurückgesetzt
werden, um den Stromkreis wieder zu schließen. Derartige elektro-mechanische
Leistungsschalter sind verhältnismäßig groß und teuer
in der Herstellung. Außerdem
sind sie nicht sehr zuverlässig
und fallen oft aus. Wenn sie bei einer Störung ausgelöst haben, können sie nicht automatisch
zurücksetzen,
sondern müssen
von einer Bedienungsperson manuell wieder aktiviert werden. Sie
können
deshalb nicht als Fernsteuerschalter eingesetzt werden.
-
Da
sie keine Verriegelung haben, kann es leicht vorkommen, daß die Rücksetzung
vorgenommen wird, bevor der Kurzschluß beseitigt wurde. Der in diesem
Fall auftretende hohe Strom und der durch ihn hervorgerufene Lichtbogen erzeugt
weitere Gefahren für
Bediener und Installation.
-
Zum
Schutz gegen Überlast
werden allgemein Bimetallplättchen
oder ölgefüllte Magnetröhrchen verwendet.
Da sich die Bimetallplättchen
durch den Laststrom erwärmen,
sind sie immer in Gefahr durch zu hohe Temperaturen beschädigt zu
werden. Außerdem
haben Unterschiede in der Umgebungstemperatur Einfluß auf ihr
Auslöseverhalten. Ölgefüllte Magnetröhrchen sind
nicht präzise
und sind schwierig herzustellen, darüberhinaus haben sie hohe Betriebsgeräusche.
-
In
Anbetracht der vielen Unzulänglichkeiten der
herkömmlichen
Leistungsschalter besteht Bedarf an verbesserten Konstruktionen.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine solche verbesserte Konstruktion
vor.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Das
Ziel der Erfindung ist ein Magnetsicherungsschalter mit elektronischer
Ansteuerung mit deutlich verringerten Abmessungen. Im Vergleich
zu herkömmlichen
Leistungsschaltern mit vergleichbarer Leistung kann das Volumen
auf die Hälfte
reduziert werden. Außerdem
ist er einfacher aufgebaut, zuverlässiger im Betrieb und einfacher
zu bedienen. Falls er wegen eines Kurzschlusses, einer Überlast oder
eines Isolationsfehlers ausgelöst
hat, aktiviert er sich nach Beseitigung des Fehlers automatisch
wieder. Dies macht ihn zum Einsatz in Fernsteuerungen geeignet.
Durch den Wegfall der sperrigen und komplizierten Mechanik fallen
auch die durch sie hervorgerufenen Ausfälle weg. Die Kosten werden
deutlich niedriger und der Einsatz wird einfacher. Da nach dem Durchschalten
der Strompfad durch die besondere Ausführung der Magneteinheit geschlossen bleibt,
obwohl die Magnetspule nicht mehr von Strom durchflossen wird, fallen
der Stromverbrauch und das Betriebsgeräusch der Magnetspule weg. Die Verriegelung
nach einem kurzschlußbedingten Schalterfall
sorgt dafür,
daß nicht
erneut eingeschaltet werden kann und verhindert so gefährliche
Lichtbögen.
Wiedereinschalten ist erst nach Fehlerbeseitigung möglich. Bei
gleicher Größe und Gewicht
kann dieser Schalter wesentlich größere Leistungen mit größerer Zuverlässigkeit
und in einem größeren Temperaturbereich
steuern. Der in dieser Erfindung beschriebene Leistungsschalter
kann für
eine über
das Telefon kontrollierte Fernsteuerung eingesetzt werden, wobei
eine solche Fernsteuerung trotz ihres einfachen und kostengünstigen
Aufbaus sehr vielseitig einsetzbar ist.
-
Ein
Magnetsicherungsschalter mit elektronischer Ansteuerung, der die
oben genannten Erfindungsziele erfüllt, enthält einen Drucktaster oder Betätigungshebel,
in dem sich ein beweglicher Stift befindet, an dem ein beweglicher
Kontakt mit Kontaktpunkten befestigt ist. Dazu kommen zwei entsprechende
feststehende Kontakte mit Kontaktpunkten, links bzw rechts innerhalb
des Gehäuses.
Zwischen ihnen befindet sich eine Magneteinheit. Der Magnetkern
dieser Magneteinheit besteht aus zwei Schenkeln, die durch einen
Permanentmagnet miteinander verbunden sind. Auf einem der Schenkel
ist eine Magnetspule aus Kupferlackdraht, die mit einer Zentraleinheit
verbunden ist. Der den Laststrom führende Leiter (Betriebsstromleiter)
umschlingt den anderen Schenkel. Ein Weicheisenanker, der unterhalb
des oben genannten beweglichen Kontakts befestigt ist, komplettiert
die Magneteinheit. Der Laststrompfad geht von einer Anschlußklemme über einen
der festen Kontakte bzw Kontaktpunkte zum beweglichen Kontakt/Kontaktpunkt,
von dort zum zweiten festen Kontakt/Kontaktpunkt, danach zu der
als Stromwandler dienenden Leiterschleife auf dem einen Schenkel
der Magneteinheit und dann zu einer Ausgangsklemme. Der Weicheisenanker
unter dem beweglichen Kontakt wirkt zusätzlich über einen Transferhebel auf
eine Karte, eine Rückstellfeder
und den beweglichen Stift. Zusätzlich
zu dem Vorgenannten hat der Magnetsicherungsschalter mit elektronischer Ansteuerung
der vorliegenden Erfindung noch einen Aktuator und einen Stromgrenzwerteinsteller.
Das Signal des Stromwandlers wird in einer elektronischen Schaltung
vorverstärkt,
geformt, gesampelt und endverstärkt,
bevor es zum Aktuator gesandt wird. Der Stromwandler und die elektronische
Schaltung sind in einem Gehäuse
untergebracht. Der Magnetsicherungsschalter mit elektronischer Ansteuerung
der vorliegenden Erfindung kann auch zusammen mit einem Telefonapparat,
einer Tastatur mit Sprachsystem und einem Steuerprogramm zu einem
Telefonfernsteuersystem ausgebaut werden. Das Sprachsystem und die Telefonsteuerung
dienen dabei zur Weitergabe der Befehle an die in den Leistungsschalter
eingebaute Zentraleinheitsplatine, die die Magnetspule in der Magneteinheit
ansteuert. Die Kontakte des Leistungsschalters stellen dann die
Verbindung zwischen öffentlichem
Stromnetz und Elektrogerät
her.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 Prinzipielle
Darstellung des Magnetantriebs des Magnetsicherungsschalters mit
elektronischer Ansteuerung
-
2 Detaildarstellung
des Magnetantriebs des Magnetsicherungsschalters mit elektronischer Ansteuerung
-
3 Prinzipielle
Darstellung des Magnetsicherungsschalters mit elektronischer Ansteuerung
-
4 Detaildarstellung
von Magnetantrieb und Weicheisenkern des Magnetsicherungsschalters mit
elektronischer Ansteuerung
-
5 Blockschaltbild
der Stromüberwachung
des Magnetsicherungsschalters mit elektronischer Ansteuerung
-
6 Wirkungsfluß der Stromüberwachung des
Magnetsicherungsschalters mit elektronischer Ansteuerung
-
7 Stromüberwachung
des Magnetsicherungsschalters mit elektronischer Ansteuerung
-
8 Flußdiagramm
der telefonischen Fernsteuerung des Magnetsicherungsschalters mit
elektronischer Ansteuerung
-
9 Schematische
Darstellung der telefonischen Fernsteuerung des Magnetsicherungsschalters
mit elektronischer Ansteuerung
-
10 Ansicht
des Magnetsicherungsschalters mit elektronischer Ansteuerung und
angebauter Telefonfernsteuerung
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
-
1 und 2 zeigen
die prinzipielle Wirkungsweise des magnetischen Teils des Magnetsicherungsschalters
mit elektronischer Ansteuerung. Wie aus den Zeichnungen hervorgeht
befindet sich außerhalb
des Gehäuses
(3) der automatische Drucktaster (1), oder ein
Betätigungsgriff.
In ihm ist ein beweglicher Stift (2). Im Gehäuseoberteil
ist eine Rückstellfeder
(39). Das untere Ende des beweglichen Stifts (2)
befindet innerhalb des Gehäuses
(3) und ist mit einem beweglichen Kontakt (4)
verbunden, an dessen Unterseite links und rechts je ein beweglicher
Kontaktpunkt (9) sitzt. Unterhalb des beweglichen Stifts
(2) befindet sich auf der Unterseite des beweglichen Kontakts
(4) in seiner Mitte ein Magnetanker (6). Innerhalb
des Gehäuses
(3) sind links und rechts auf je einem Träger zwei
feststehende Kontaktpunkte (5) montiert. Ihre Lage ist
so, daß sie von
den beweglichen Kontaktpunkten (9) berührt werden, wenn sich der bewegliche
Stift (2) nach unten bewegt. Die feststehenden Kontaktpunkte
(5) sind jeweils über
eine Kupferlitze (8) mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden.
Dazwischen befindet sich die Magneteinheit (7). Sie besteht
aus zwei Eisenkernen (71), einem Spulenkörper (72),
einem Permanentmagnet (73) und der Magnetspule (74). Die
beiden Eisenkerne (71) sind aus Weicheisen, zwischen ihnen
ist ein Permanentmagnet (73). Auf einem der beiden Eisenkerne
(71) sitzt der Spulenkörper
(72), um den die Magnetspule (74) aus Kupferlackdraht
gewickelt ist. Die Magnetspule (74) wird von der Zentraleinheitsplatine
(10) angesteuert.
-
Solange
durch die Magnetspule (74) noch kein Strom fließt, reicht
die Anziehungskraft des Permanentmagneten (73) wegen des
großen
Abstands nicht aus, den Magnetanker (6) auf der Unterseite des
beweglichen Kontakts (4) anzuziehen. Der bewegliche Stift
(2) bleibt in der Ruhestellung, der Drucktaster (1)
bewegt sich nicht nach unten, die beweglichen Kontaktpunkte (9)
auf dem beweglichen Kontakt (4) treffen nicht auf die feststehenden
Kontaktpunkte (5) und die Verbindung zum öffentlichen Stromnetz
bleibt geöffnet.
Der Leistungsschalter ist im Ruhezustand. Sobald die Magnetspule
(74) von der Zentraleinheit einen Befehl in positiver Richtung erhält, erzeugt
der Stromfluß durch
die Magnetspule (74) eine zusätzliche Anziehungskraft, die
nun ausreicht die Kraft der Rückstellfeder
(39), die über
den Drucktaster (1) auf den beweglichen Stift (2)
wirkt zu überwinden
und den Magnetanker (6) auf der Unterseite des beweglichen
Kontakts (4) anzuziehen. Dadurch wird die elektrische Verbindung
zwischen den beweglichen Kontaktpunkten (9) und den feststehenden
Kontaktpunkten (5) und damit die Verbindung zum öffentlichen
Stromnetz hergestellt. Der Leistungsschalter ist nun im Betriebszustand.
Nachdem der Leistungsschalter geschaltet hat, sendet die Zentraleinheit
einen weiteren Befehl. Dieser Befehl unterbricht den Stromfluß in der
Magnetspule (74) und beendet die durch ihn hervorgerufene
Magnetisierung in den Eisenkernen (71). Da der Magnetanker (6)
aber bereits angezogen hat, reicht die Magnetisierung durch den
Permanentmagneten (73) aus, um ihn festzuhalten. Der Leistungsschalter
verharrt im Betriebszustand, Strom fließt weiterhin. Falls im Stromkreis
ein Kurzschluß,
ein Überstrom,
Leckstrom oder ähnliches
auftritt, sendet die Zentraleinheit erneut einen Befehl zur Magnetspule
(74), dieses Mal jedoch mit negativer Polarität. Die dadurch
entstehende zusätzliche
Magnetisierung in den Eisenkernen (71) wirkt nun der Magnetisierung
durch den Permanentmagneten (73) entgegen. Dadurch sinkt die
auf den Magnetanker (6) wirkende Anziehungskraft und die
Kraft der Rückstellfeder
(39), die auf den beweglichen Stift (2) wirkt,
reicht nun aus, den beweglichen Kontakt (4) mit dem Magnetanker
(6) nach oben zu ziehen. Die beweglichen Kontaktpunkte
(9) lösen
sich von den festen Kontaktpunkten (5), der Stromfluß wird unterbrochen
und der Leistungsschalter geht in den Ruhezustand. Falls nach Beseitigung des
Fehlers der Leistungsschalter den Stromfluß wieder einschalten soll,
müssen
die obigen Schritte erneut durchlaufen werden.
-
Aus
dem oben gesagten ist ersichtlich, daß der Leistungsschalter aus
dieser Erfindung auch für Fernbedienung
geeignet ist.
-
3 und 4 zeigen
den prinzipiellen Aufbau des Magnetsicherungsschalters mit elektronischer
Ansteuerung bzw der Magneteinheit. Wenn der Leistungsschalter ausgelöst hat,
ist der bewegliche Kontakt (4) oben und die feststehenden
Kontaktpunkte (5) berühren
die beweglichen Kontaktpunkte (9) nicht. Der Strompfad
von Zuleitungsanschluß (24) über Kupferleiter
(22), feste Kontaktpunkte (5), bewegliche Kontaktpunkte
(9) und Laststromleiter (16) zum Abgangsanschluß (23)
ist unterbrochen, der Leistungsschalter ist im Ruhezustand.
-
Im
normalen Betriebszustand befindet sich der Verriegelungshebel (17)
in der unteren Lage, die Feder (13) drückt die Karte (12)
in die Rastkerbe (20). Die Karte (12) ist mit
einem Ende des Transferhebels (11), der einen Drehpunkt
(über dem
Leistungsschalter) hat und den Magnetanker (14) in die
gestrichelt gezeichnete Stellung drückt, verbunden. Der Magnetanker
(14) und der Magnetstator (15) sind in diesem
Zustand auseinander. Nach Drehen des Betätigungsgriffs (21)
nach links befindet sich das Hauptschaltelement (19) unten,
ebenso der bewegliche Kontakt (4) und die beiden beweglichen
Kontakstücke
(9) an seinen Enden, die nun die festen Kontaktstücke (5)
berühren.
Der Strompfad von Zuleitungsanschluß (24) über Kupferleiter
(22), feste Kontaktpunkte (5), bewegliche Kontaktpunkte
(9) und Laststromleiter (16) zum Abgangsanschluß (23)
ist geschlossen, der Leistungsschalter ist im Betriebszustand. Der
Permanentmagnet (73) in der Magneteinheit (7)
hält nun
den Magnetanker (6) und Strom kann über die festen und die beweglichen
Kontakte fließen.
Im normalen Betriebszustand des Leistungsschalters erzeugt der durch
die Magneteinheit geführte
Kupferleiter (22) eine bestimmte Kraft auf den Anker. Wie
oft der Kupferleiter (22) um den Magnetkern gewickelt werden
darf, so daß die
durch ihn erzeugte Magnetkraft im Normalbetrieb noch vernachlässigbar
bleibt, wird durch Versuche ermittelt. Das Magnetfeld des Laststromleiters
(16) hat keinen Einfluß auf
den Magnetanker (14). Im Falle eines Kurzschlusses tritt
jedoch im gesamten Stromkreis ein derart großer Strom auf, daß durch
das Magnetfeld des Kupferleiters (22) in den Eisenkernen,
dem Permanentmagneten (73) und dem Magnetanker (6) eine
riesige Kraft entsteht, die der Kraft des Permanentmagneten (73)
entgegenwirkt. Das Hauptschaltelement (19) wird durch Federkraft
nach oben gedrückt,
die beweglichen Kontaktpunkte trennen sich von den feststehenden
Kontaktpunkten und der Hauptstromkreis wird unterbrochen. Gleichzeitig
wird auch durch den Kurzschlußstrom
im Laststromleiter (16) eine erhebliche Kraft zwischen
Magnetstator (15) und Magnetanker (14) erzeugt,
so daß der
Magnetanker (14) in die waagerechte Lage geht und der Transferhebel
(11) die Karte (12) aus der Rastkerbe (20)
herauszieht. Der Verriegelungshebel (17) wird durch die
Rückstellfeder
(18) nach oben gedrückt.
-
5 und 6 sind
ein Blockschaltbild und die Darstellung des Wirkungsflusses der
Stromüberwachung
des Magnetsicherungsschalters mit elektronischer Ansteuerung. Aus
ihnen geht hervor, daß ein
von einem Stromwandler gespeister Stromsensor (25) sein
Signal an eine Elektronikschaltung (26) liefert. In diesem
Schaltkreis sind die Funktionen Signalformung und Verstärkung, Sampling,
Vorverstärkung
und Kraftverstärkung
implementiert. Die Versorgungsspannung wird über eine integrierte Gleichrichtung
und Glättung
ebenfalls vom Stromsensor geliefert. Das Ausgangssignal geht an
einen Aktuator (27).
-
7 zeigt
die Stromüberwachung
des Magnetsicherungsschalters mit elektronischer Ansteuerung. Man
sieht, daß die
Elektronikschaltung (26) und der Stromsensor (25)
zusammen in einem Gehäuse eingebaut
sind, der Ansprechstrom für
die Überlastauslösung kann
mit der Stromgrenzwerteinstellung (28) eingestellt werden.
-
Im
Normalbetrieb übersteigt
der Strom den Stromgrenzwert nicht. Falls der Stromgrenzwert doch überschritten
wird, induziert der durch die Darchführung (29) gehende
Laststromleiter im Stromsensor (25) ein Signal, welches
an die Elektronikschaltung (26) weitergegeben und dort
geformt, gesampelt und verstärkt
wird, bevor es an einen Aktuator (27) weitergeleitet wird.
Der Aktuator (27) sorgt für die Unterbrechung des Stromkreises
und schützt die
elektrische Ausrüstung
vor Schaden.
-
Der
Magnetsicherungsschalter mit elektronischer Ansteuerung ist für Schutz
gegen alle Arten von Fehlern wie z.B. Überlast und Kurzschluß ausgelegt.
-
3, 8, 9 und 10 zeigen
die prinzipielle Wirkungsweise, sowie das Flußdiagramm, die schematische
Darstellung und die Ansicht der telefonischen Fernsteuerung des
Magnetsicherungsschalter mit elektronischer Ansteuerung. Man ersieht
daraus, daß das
Telefonfernsteuerungssystem aus folgendem besteht: dem Leistungsschalter
(34), der Verbindungsleitung (31) zum Telefonapparat
(30), der Tastatur (37) mit Sprachsystem, dem Telefonsteuermodul
(33) und der Anzeige (38). Die Verbindungsleitung
(31) des Telefonapparats (30) ist mit dem Telefonsteuermodul
(33), dem Sprachsystem mit der Tastatur (37) und
der Anzeige (38) verbunden. Der Ausgang ist mit der Zentraleinheitsplatine
(10) des Leistungsschalters (34) verbunden. Die Zentraleinheitsplatine
(10) sendet Signale an die Magnetspule (74). Der
Leistungsschalter ist mit dem öffentlichen
Stromnetz (35) und dem Elektrogerät (36), welches gestrichelt
dargestellt ist, verbunden.
-
Wenn
ein Telefonanruf eingeht, wird die in 8 dargestellte
Befehlsfolge vom System abgearbeitet. Wenn z.B. das Elektrogerät (36)
ferngesteuert werden soll, wird nach Eingabe eines Paßworts Befehl
um Befehl eingegeben. Zum Einschalten des Geräts veranlassen das Sprachsystem
und das Telefonsteuermodul (33) die Ausgabe eines Signals
an die Zentraleinheitsplatine (10) des Leistungsschalters (34).
Die Zentraleinheitsplatine (10) beaufschlagt nun die Magnetspule
(74) mit einer positiven Spannung, so daß der Magnetanker
(6) angezogen wird, die beweglichen Kontaktpunkte (9)
die feststehenden Kontaktpunkte (5) berühren und der Strompfad von
Zuleitungsanschluß (24) über Kupferleiter
(22), feste Kontaktpunkte (5), bewegliche Kontaktpunkte
(9) und Laststromleiter (16) zum Abgangsanschluß (23)
geschlossen wird. Das vom Leistungsschalter gesteuerte Elektrogerät arbeitet
nun. Als nächstes
unterbricht die Zentraleinheitsplatine (10) den Stromfluß durch
die Magnetspule (74). Der durch den Permanentmagneten (73)
hervorgerufene Magnetfluß in den
Kernen (71) ist nun zwar nicht mehr stark genug den Magnetanker
(6) aus seiner Ruhestellung anzuziehen, aber noch stark
genug ihn in der angezogenen Stellung festzuhalten. Das Abschalten
des Elektrogeräts
erfolgt ebenfalls über
das Programm. Das Sprachsystem und das Telefonsteuermodul (33)
senden einen Befehl an die Zentraleinheitsplatine (10) des
Leistungsschalters (34). Diese beaufschlagt nun die Magnetspule
(74) mit einer negativen Spannung. Dadurch wird die durch
den Permanentmagneten erzeugte Magnetisierung so stark geschwächt, daß die Kraft
nicht mehr zum Festhalten des Magnetankers (6) ausreicht
und dieser wegen der Kraft der Rückstellfeder
abfällt.
Der bewegliche Stift (2), der Magnetanker (6)
und der bewegliche Kontakt (4) bewegen sich nun nach oben,
die beweglichen Kontaktpunkte (9) trennen sich von den
feststehenden Kontaktpunkten (5), der Leistungsschalter öffnet und
das Elektrogerät
hört auf
zu arbeiten.
-
Falls
mehr als ein Elekrogerät
(36) ferngesteuert werden soll, muß nur die Zahl der Leistungsschalter
(34) vergrößert werden,
danach können Warmwasserbereiter,
Sicherheitstore, Lampen und Haustierfütterungsgeräte etc., kurz gesagt alle gewünschten
Elektrogeräte
ferngesteuert werden.
-
Der
Magnetsicherungsschalter mit elektronischer Ansteuerung kann auch
zum Aufbau einer Telefonfernsteuerungsanlage benutzt werden. Eine derartige
Fernsteuerungsanlage (32) ist in 10 dargestellt.
Ihr Eingang ist direkt mit dem öffentlichen Stromnetz
verbunden, an ihren Ausgängen
werden die Elektrogeräte
(36) angeschlossen. Durch Anschluß der Telefoneingabeleitung
(31) wird das Ziel einer Telefonfernsteuerung realisiert.