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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere einen Leistungsschalter.
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Bei
Kurzschlüssen
soll die thermische und elektrodynamische Belastung auf elektrische
Anlagen möglichst
gering gehalten werden. Insbesondere soll die Höhe des Kurzschlussstromes begrenzt
werden. Beim Abschalten eines Kurzschlusses durch einen Leistungsschalter
wird dies dadurch erreicht, dass der treibenden Spannung sehr schnell
eine Lichtbogenspannung entgegengestellt wird. Dies geschieht durch
ein schnelles Öffnen
der Kontaktstelle des Leistungsschalters, wodurch der Lichtbogen schnell
gelenkt und in die Löschbleche
getrieben wird. Dort wird der Lichtbogen in mehrere Teillichtbögen geteilt.
Diese Lichtbogenspannung wirkt der treibenden Spannung entgegen
und begrenzt so den Kurzschlussstrom. Die Höhe der Begrenzung hängt von
der Zeit ab, die benötigt
wird, um die Lichtbogenspannung zu erzeugen. Dies ist wiederum von
der Öffnungszeit
der Kontakte abhängig.
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Durch
DE 71 31 470 U ist
ein Schalter bekannt, wobei die dynamische Kraft bei einem Kurzschlussstrom
einen Wert erreicht, die einen Kontakthebel gegen die Kraft von
zwei Federn bewegt. Gleichzeitig spricht ein magnetischer Auslöser an und
lässt einen
Anker auf dem Kontakthebel aufschlagen. Der zurückgeschleuderte Kontakthebel verklinkt
mit der Klinke und wird so im offenen Zustand gehalten. Bedingt
durch die zusammenwirkenden Kräfte
sowie dem Anstieg der Kraft im Kurzschlussfall und die mit der Kontaktöffnung abnehmende
Kraft der Feder erfolgt dir Kontaktöffnung in so kurzer Zeit, dass
sich der Kurzschlussstrom bis zur Abschaltung nicht voll aufbauen
kann.
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In
US 4,611,187 ist ein Verklinkungsmechanismus
so ausgebildet, dass er eine von mehreren bewegbaren Kontaktfingern,
die getrennt vom Verklinkungsmechanismus ausgebildet sind, verklingt, um
das Wiederschließen
eines Kontaktfingers zu verhindern, bis der Betätigungsmechanismus angesprochen
hat. Ein Betätigungshebel
reagiert zum Verklinkungsmechanismus, sodass der Betätigungsmechanismus
ein Gelenk bildet, um einen Brecher auszulösen, nachdem der Verklinkungsmechanismus
den Kontaktfinger voll angegriffen hat.
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Ein
Schaltgerät,
bei dem eine fallende Kontaktlastkennlinie über den Öffnungsweg vorliegt, ist durch
DE 43 37 344 A1 bekannt.
Im Schalter von '344 besteht
ein beweglicher Kontakt aus mehreren Kontaktfingern mit einem beweglichen
Kontaktstück.
Jeder Kontaktfinger ist an einem Ende über eine Schwenkachse gelagert
und am anderen Ende über ein
Kniehebelsystem, das unter der Einwirkung einer Kontaktkraftfeder
steht, mit der Schaltwelle verbunden. An einem Phasenanschluss sind
schwenkachsenseitig Stege ausgebildet, die unter seitlichem Anpressdruck
die alleinige elektrische Verbindung mit den Kontaktfingern herstellen.
Die Kraftwirkung der Kontaktkraftfeder überträgt sich im Ein-Zustand in einem
stumpfen Winkel auf den Kontaktfinger. Beim elektrodynamischen Öffnen kippt
der betreffende Kontaktfinger in eine stabile Lage. Der Abnutzung
der Kontaktstücke
wird bis zum maximalen Durchhub durch steigende Kontaktdruckkraft
entgegengewirkt.
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Es
ist vorteilhaft, die Öffnungszeiten
der Kontakte zu verkürzen.
Im Schalter von '344
ist bei einem elektrischen Schaltgerät mit einer Schaltwelle und
einem von der Schaltwelle betätigbaren
beweglichen Schaltstück
die Verwendung eines mit dem beweglichen Schaltstück zusammenwirkenden
Sprungsystems vorgesehen derart, dass sich das bewegliche Schaltstück nach
einer Öffnung
des Kontaktes durch elektrodynamische Kräfte bei einem Kurzschluss oder
dergleichen selbsttätig
in eine Ausschaltstellung bewegt, wobei bei zunehmender Öffnung die
Kontaktlast auf das bewegliche Schaltstück abnimmt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein elektrisches Schaltgerät hervorzubringen, das eine
Schaltwelle und einen Mechanismus aufweist, mit denen im Falle eines
Kurzschlusses eine rasche Kontaktöffnung ermöglicht wird. Dies Aufgabe wird
durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dabei ist das Sprungsystem unter
Ausbildung eines Totpunktgelenkes an dem beweglichen Schaltstück und das
bewegliche Schaltstück
unter Ausbildung eines weiteren Totpunktgelenkes an der Schaltwelle
gelagert ist. Durch die Anordnung der beiden Totpunktgelenke wird
eine fallende Kontaktlastlinie über
dem Öffnungsweg
sichergestellt, wobei diese nach einem Totpunkt negativ ansteigt.
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Die
Erfindung betrifft ein Schaltgerät,
bei dem eine fallende Kontaktlastkennlinie über den Öffnungsweg vorliegt. Dies bedeutet,
dass bei zunehmender Öffnung
der Kontakte die Last abnimmt, was ein schnelleres Öffnen der
Kontakte ermöglicht.
Die kürzere Öffnungszeit
bewirkt wiederum, dass die Lichtbogenspannung schneller gegen die
treibende Spannung wirkt. Damit wird eine bessere Kurzschlussstrombegrenzung
(kleiner I2t-Wert) erreicht. Durch den kleineren
I2t-Wert wird die gesamte Anlage weniger
belastet. Darüber
hinaus können
die Leistungsschalter kleiner gebaut werden. Für die Herstellung wird weniger
Material benötigt.
Die Gesamtherstellungskosten verringern sich deutlich.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn die Totpunktgelenke derart angeordnet
sind, dass die Wirklinie eines das Sprungsystem beaufschlagenden
Federelementes nie gleichzeitig durch beide Reibkreis der Totpunktgelenke
läuft.
Somit wird eine kontinuierliche reibungsarme Kontaktkraft gewährleistet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das
mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben wird. Hierbei zeigen:
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1–13 schematische
Darstellungen eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes in verschiedenen
Schaltpositionen,
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14 ein
Vergleich einer Kontaktlastkennlinie eines herkömmlichen Schaltgerätes mit
einer Kontaktlastkennlinie eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes.
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1 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung eines Schaltgerätes 1 in
seiner Einschaltstellung. Das Schaltgerät 1 weist eine Schaltwelle 2 auf,
die in einer Lagerbuchse (nicht abgebildet) des Gehäuses des
Schaltgerätes 1 geführt ist und
zur Betätigung
der Kontaktanordnungen des Schaltgerätes 1 dient. Im vorliegenden
Beispiel handelt es sich bei dem Schaltgerät 1 um ein dreipoliges elektrisches
Schaltgerät 1,
wobei jeder Phase ein bewegliches Schaltstück 3 zugeordnet ist.
Zu Anschauungszwecken ist hier das bewegliche Schaltstück 3 einer
einzelnen Phase abgebildet.
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Die
Schaltwelle 2 wird von einem Schaltmechanismus, dem Schaltschloss
(nicht abgebildet) zur Ausführung
des Schaltvorgangs bewegt. Hierzu ist die Schaltwelle 2 an
einem Drehpunkt Z1 gelagert. Da die Bewegung der Schaltwelle 2 mit
dem dazugehörigen
Schaltschlossmechanismus im Falle eines Kurzschlusses zu langsam
wäre, um
eine rasche Kontaktöffnung
zu erreichen, sind die einzelnen beweglichen Schaltstücke 3 mit
ihren Schalthebeln in der Schaltwelle 2 im Punkt Z gelagert.
Die Drehpunkte Z und Z1 liegen deckungsgleich übereinander. Der Drehpunkt
Z ist dabei als ein Totpunktgelenk ausgeführt. Jedes der drei Schaltstücke 3 ist
einzeln beweglich in der Schaltwelle 2 gelagert. Im Falle
eines Kurzschlusses ist eine Kontaktöffnung jedes Schaltstückes 3 unabhängig von
den anderen Phasen möglich,
da im Kurzschlussfall die drei Schaltstücke aufgrund der Phasenverschiebung
(90° bei
Wechselstrom) nicht gleichmäßig belastet
werden.
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In
der in 1 dargestellten Einschaltstellung drückt die
vorzugsweise aus einem Edelmetall, beispielsweise Silber, gefertigte
Kontaktauflage 4 des beweglichen Schaltstückes 3 auf das
feste Schaltstück 5 mit
einer Kraft, wie sie in der Kraftwirklinie 6 einer Federkraft
FFeder herrscht. Diese Kraftwirklinie 6 wird
durch ein Federelement (nicht dargestellt) erzeugt, welches als
Kontaktlastfeder dient und als Dreh- oder Zugfeder ausgebildet ist.
Das Federelement ist einerseits an am Punkt Y an der Schaltwelle 2 und
andererseits an dem verlängerten
Schenkel 7 einer Klaue 8 befestigt, beispielsweise
eingehängt. Die
Klaue 8 ist im Wesentlichen U-förmig ausgebildet und im Bereich
ihres U-Grundes 9 an einem Punkt X an dem beweglichen Schaltstück 3 drehbar
gelagert. Anstelle der Klaue 8 kann aber auch ein anders
ausgebildetes Sprungsystem, beispielsweise in Form eines Zahnrades,
verwendet werden. Der Drehpunkt X der Klaue 8 ist als ein
Totpunktgelenk ausgeführt.
Die Befestigung ist dabei vorzugsweise derart ausgeführt, dass
ein an dem Schaltstück 3 angebrachter Bolzen
in einer Aufnahmeöffnung
der Klaue 8 einliegt (nicht abgebildet). Dabei zeigt die
von den beiden U-Schenkeln 10, 11 gebildete Öffnung 12 der
Klaue 8 in Richtung Lagerpunkt Z. In der Einschaltstellung stützt sich
die Klaue 8 mit der Innenseite ihres inneren U-Schenkels 10 an
einem Abstützelement 13 ab, das
Teil der Schaltwelle 2 ist und in Form eines Fortsatzes
oder Zapfens ausgebildet ist. Die Verlängerung des inneren U-Schenkels 10 über den
U-Grund 9 hinaus in Richtung Kontaktauflage 4 bildet
den verlängerten
Schenkel 7, an dessen Ende das Federelement fixiert ist.
Ist die Paarung Klaue-Abstützelement als
Evolventenverzahnung ausgebildet, wird das System noch reibungsärmer.
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Die
Schaltwelle 2 wird in der in 1 dargestellten
Stellung durch das Schaltschloss in Position gehalten. Das Federelement
zieht entlang der Kraftwirklinie 6 über einen Hebelarm b1 die Klaue 8 im Sinne
einer Rechtsdrehung an. Der Hebelarm b1 entspricht dabei dem Abstand
zwischen dem Drehpunkt X der Klaue 8 und der Kraftwirklinie 6.
Damit wirkt in der Kontaktstellung ein Drehmoment F·a1 am
Drehpunkt Z auf das bewegliche Schaltstück 3 und erzeugt eine
auf das feste Schaltstück 5 wirkende
Kontaktkraft Fkontakt über den Hebelarm c1, wobei
a1 der Abstand zwischen dem Drehpunkt Z des beweglichen Schaltstücks 3 und
der Kraftwirklinie 6 ist. Die Klaue 8 verharrt
in dieser Stellung unbeweglich in einem statischen Zustand.
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In 2 ist
das bewegliche Schaltstück durch
elektrodynamische Kräfte
bei einem Kurzschluss an der Kontaktstelle von dem festen Kontaktstück 5 weggeschleudert
worden. Durch dieses Aufschleudern verändern sich die Hebelarme a1
und b1. In 2 ist eine Situation dargestellt,
in der der Hebelarm b1 auf Null verringert und der Hebelarm a1 kleiner
als in 1 ist. Die Kontaktkraft Fkontakt auf
das bewegliche Schaltstück 3 ist
gegenüber
der in 1 dargestellten Situation geringer. In 14,
in der neben einer Kontaktlastkennlinie A eines herkömmlichen
Schaltgerätes
der Verlauf einer Kontaktlastkennlinie B gemäß der Erfindung dargestellt
ist, ist diese Situation durch das erste Teilstück 14 der Kontaktlastkennlinie
B charakterisiert. 14 illustriert den Verlauf der
Kontaktlastkennlinie von der in 1 abgebildeten
Kontaktierungsstellung bis zu der in 7 dargestellten Öffnungsstellung.
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In 3 ist
eine Stellung aus dem weiteren Verlauf des Öffnens des Kontaktes dargestellt.
Hier ist der Hebelarm b1 bereits negativ geworden. Der Hebelarm
a1 hat sich währenddessen
weiter verringert, so dass die Kontaktlast weiter abnimmt.
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4 zeigt
schließlich
eine Situation, in der die Klaue 8 sprungartig von ihrem
inneren U-Schenkel 10 auf ihren äußeren U-Schenkel 11 umgeschnappt
ist. Zuvor hat sich das bewegliche Schaltstück 3 immer weiter
in Öffnungsrichtung 15 bewegt, bis
der innere U-Schenkel 10 bzw. der verlängerte Schenkel 7 der
Klaue 8 genau auf der Kraftwirklinie 6 liegt.
Aufgrund der Eigendynamik des Systems verbleibt das bewegliche Schaltstück 3 jedoch
nicht in dieser labilen Position. Vielmehr bewegt sich das Schaltstück 3 weiter,
bis sich die Kraftwirklinie 6 über den Drehpunkt X hinaus
verschoben hat. Sobald mit anderen die hier auftretende Reibung
des Totpunktgelenkes überwunden
ist, schnappt die Klaue 8 um und der Hebelarm b1 wird negativ.
Anders ausgedrückt
erfolgt das Umschnappen der Klaue 8, wenn der Reibkreis
im Punkt X überwunden
ist, was noch vor dem Eintritt der Kraftwirklinie 8 in
den Reibkreis des Drehpunktes Z geschieht.
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Der
Zeitpunkt des Umschnappens hängt also
von dem Reibkreis des Totpunktgelenkes ab, also von der Rauigkeit
seiner Oberfläche
und der damit verbundenen Reibung. Je rauher die Oberfläche des
Gelenkes ist, desto größer ist
der Reibkreis und desto später
erfolgt das Umspringen der Klaue 8. Im Totpunkt des Gelenkes
verläuft
die Kraftwirklinie 6 durch den Mittelpunkt des Gelenkes.
Die Klaue 8 schnappt erst dann um, wenn der Reibkreis überschritten
ist.
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Nach
dem Umschnappen liegt der äußere U-Schenkel 11 an
dem Abstützelement 13 ab.
Dabei hat die Klaue 8 so viel Spiel, dass die Kraftwirklinie 6 ihre
Position problemlos über
den Drehpunkt Z hinaus wechselt. Damit wird die Kraft Fkontakt auf
das bewegliche Schaltstück 3 negativ,
da der Hebelarm a1 ebenfalls negativ ist. Dies bedeutet, dass sich
der Kontakt ab diesem Zeitpunkt völlig ohne elektrodynamischen
Antrieb, nur mit Hilfe des Federelementes, vollständig öffnet.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen
Schaltern, bei denen die Kontaktlast mit aufdrückendem Schaltstück immer
größer wird
und dadurch das bewegliche Schaltstück häufig wieder in seine Kontaktstellung zurückfällt, erfolgt
hier ein schnelles und sicheres Öffnen
bis in die Öffnungsstellung.
In 14 ist die durch 3 gekennzeichnete
Situation durch den Punkt 16 charakterisiert, an dem die
Kontaktlastkennlinie B senkrecht abfällt und negativ wird. Die in 4 dargestellte
Situation ist in 14 durch den Punkt 17 symbolisiert.
Ab diesem Zeitpunkt nimmt die Kontaktlast stetig ab, was an dem
abfal lenden Teilstück 18 der
Kontaktlastkennlinie B zu erkennen ist.
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Die 5 und 6 zeigen
den weiteren Verlauf des Öffnens,
wobei der Hebelarm a1 stets größer wird.
In der in 7 dargestellten Situation ist das
bewegliche Schaltstück 3 an
einem Anschlag 19 angeschlagen. Die Schaltwelle 2 befindet
sich noch immer in ihrer ursprünglichen
Position. Der Hebelarm a1 ist immer noch negativ.
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In
der Zwischenzeit wurde das Schaltschloss durch einen elektromagnetischen
Auslöser
(nicht abgebildet) ausgelöst.
Die Schaltwelle 2 dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn
in Richtung ihrer AUS-Stellung. Mit anderen Worten erfolgt nun das
reguläre Öffnen des
Kontaktes. Durch das Drehen der Schaltwelle 2 in AUS-Richtung 20 werden
auch die Kontakte der beiden anderen Phasen, in denen kein Kurzschluss-
oder Überstrom
aufgetreten ist, geöffnet,
vgl. 8. Die Schaltwelle 2 dreht sich so weit, dass
die Kraftwirklinie 6 den Drehpunkt Z wieder überschreitet.
Der Hebelarm a1 ist dann mit anderen Worten wieder positiv. Dies
ist erforderlich, damit das Schaltgerät 1 geschlossen werden
kann.
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9 und 10 zeigen
weitere Positionen des Schaltgerätes 1 während des Öffnungsvorganges.
Dabei ist in 9 der Hebelarm b1 noch negativ, während er
in 10 bereits wieder positiv ist. Hier ist die Klaue 8 bereits
wieder umgeschnappt, so dass sie sich wieder mit ihrem inneren U-Schenkel 10 an dem
Abstützelement 13 abstützt. Diese Änderungen werden
ausschließlich
durch die Bewegung der Schaltwelle 2 bewirkt.
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In 11 sind
beide Hebelarme a1 und b1 wieder positiv, so dass sich das bewegliche
Schaltstück 3 wieder
in Richtung auf das feste Schaltstück 5 zu bewegt. Bei
dieser Bewegung schlägt
das bewegliche Kontaktstück 3 an
einem Anschlag 21 in der Schaltwelle 2 an. Der
Anschlag 21 ist dabei vorzugsweise als eine Öffnung in
der Schaltwelle 2 ausgebildet.
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Anschließend bewegen
sich Schaltwelle 2 und bewegliches Schaltstück 3 gemeinsam
in Richtung Kontaktposition, bis das feste Schaltstück 5 wieder
erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wirkt noch keine Kraft auf das
feste Schaltstück 5,
da sich das bewegliche Schaltstück 3 noch
immer an dem Anschlag 21 abstützt.
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Wird
die Schaltwelle 2 weiter in EIN-Richtung 22 gedreht,
wie in 13 abgebildet, bleibt das bewegliche
Schaltstück 3 in
seiner erreichten Position stehen. Mit anderen Worten hebt sich
das bewegliche Kontaktstück 3 dann
von dem Anschlag 21 der Schaltwelle 2 ab. Auf
das feste Schaltstück 5 wirkt wieder
eine Kontaktkraft Fkontakt entsprechend
den bereits oben beschriebenen Hebelwirkungen, vgl. 1.