DE102005043655A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schaltgerätes und nach diesem Verfahren betriebenes elektrsches Schaltgerät - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schaltgerätes und bei einem nach diesem Verfahren betriebenen elektrischen Schaltgerät, bei dem als thermischer Auslöser zum Schutz eines elektrischen Anlagenteils vor einer Überlast ein bimetallischer Leiter (2) verwendet wird, wird die Auslenkung des bimetallischen Leiters (2) berührungslos erfasst und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen, und das Schaltgerät wird elektromechanisch ausgelöst, wenn die Auslenkung diesen Grenzwert überschreitet.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schaltgerätes mit einem bimetallischen Leiter als thermischen Auslöser zum Schutz eines elektrischen Anlagenteiles vor einem Überstrom. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein mit einem solchen Verfahren betriebenes elektrisches Schaltgerät.
• In einem elektrischen Schaltgerät, beispielsweise einem Leistungsschalter oder einem Überstromrelais, erfolgt eine stromabhängige Auslösung bei einer Überlast mit einem thermomechanischen Auslöser, bei dem es sich um einen bimetallischen Leiter handelt. Bei diesen bekannten Schaltgeräten enthalten bestimmte Pole des Schaltgerätes einen Bimetallstreifen, der durch den Betriebsstrom durchflossen wird und sich direkt aufheizt oder auch indirekt durch einen zusätzlichen vom Betriebsstrom durchflossenen Widerstandsdraht aufgeheizt wird und sich ausbiegt.
• Diese Auslösung erfolgt verzögert nach einer für den jeweiligen Schaltgerätetyp festgelegten Strom-Zeit-Kurve, die den Zusammenhang zwischen der zeitlichen Verzögerung der Auslösung mit dem im Anlagenteil fließenden, auf den Nennstrom normierten Strom wiedergibt. Der Nennstrom ist dabei der Strom, bis zu dem keine Auslösung erfolgen soll.
• Die Höhe dieses Nennstromes lässt sich in gewissen Grenzen einstellen, um auf diese Weise denselben Schaltgerätetyp für unterschiedliche Nennströme einsetzen zu können.
• Um das Schaltschloss des Schaltgerätes zu entklinken, müssen jedoch vom Bimetall bestimmte Mindestwege, etwa um 1 mm, und Mindestkräfte, etwa 2 N, aufgebracht werden, so dass in der Praxis nur ein kleiner Einstellbereich von 1:1,6 realisierbar ist.
• Alternativ zu einer thermomechanischen Auslösung sind im Stand der Technik auch elektronische Auslöser bekannt. Bei einem solchen elektronischen Auslöser wird der in jeder Phase fließende Strom über einen Stromwandler gemessen und mit Hilfe eines Mikroprozessors ausgewertet. Nach entsprechender Auswertung entscheidet dann der Mikroprozessor, ob eine Auslösung erfolgen muss oder nicht. Das Schaltschloss wird dann mit Hilfe eines Elektromagneten entklinkt. Nachteilig an dieser Lösung sind die hohen Bauteilekosten für Prozessor und Stromwandler.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein elektrisches Schaltgerät mit einem bimetallischen Leiter als thermischen Auslöser zum Schutz eines elektrischen Anlagenteils vor einer Überlast betrieben werden kann, bei dem die eingangs genannten Nachteile vermieden sind. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein nach diesem Verfahren betriebenes Schaltgerät anzugeben.
• Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird die Auslenkung des bimetallischen Leiters berührungslos erfasst und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen, und das Schaltgerät wird elektromechanisch ausgelöst, wenn die Auslenkung diesen Grenzwert überschreitet. Durch diese Maßnahmen kann ohne einen mit hohen Kosten verbundenen Einsatz eines Stromwandlers und eines Mikroprozessors sowohl eine höhere Genauigkeit als auch ein größerer Einstellbereich als bei der rein thermomechanischen Lösung realisiert werden, da der bimetallische Leiter durch die berührungslose Erfassung seiner Auslenkung nicht mehr die relativ hohe Kraft zur Entklinkung des Schaltschlosses aufbringen muss. Auf diese Weise ist das Ausmaß der Auslenkung des bimetallischen Leiters und damit der verfügbare Einstellbereich für die Auslösung vergrößert.
• Die Einstellung des Auslösebereiches kann dabei einerseits durch mechanische Justierung erfolgen, wenn bei der berührungslosen Erfassung der Auslenkung nur überprüft wird, ob ein vorgegebenes Maß überschritten oder unterschritten wird. Wenn jedoch das Ausmaß der Auslenkung gemessen wird, d.h. ein kontinuierlicher Messwert in Form eines elektrischen Messsignals erfasst wird, ist es möglich, die Einstellung des Auslösebereiches elektronisch vorzunehmen.
• Vorzugsweise wird die Auslenkung optisch erfasst, wobei der bimetallische Leiter insbesondere mechanisch mit einem optischen Unterbrecher gekoppelt ist, der bei einer Auslenkung des bimetallischen Leiters, die den Grenzwert überschreitet, eine Lichtschranke betätigt.
• Je nach Auslegung und Auswahl der in der Lichtschranke verwendeten Lichtempfänger oder Lichtsender kann mit einer solchen Lichtschranke auch das Ausmaß der Auslenkung gemessen werden.
• Wenn die Auslenkung des bimetallischen Leiters gegen die Wirkung einer Feder erfolgt, ist es möglich, den Nennstrom auch durch eine Auswahl der verwendeten Feder einzustellen.
• Bezüglich des Schaltgerätes wird die Aufgabe gelöst mit einem Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruches 6. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Schaltgerätes sowie die Vorteile der in den Unteransprüchen jeweils angegebenen Merkmale ergeben sich sinngemäß aus den Vorteilen der diesen jeweils zugeordneten Verfahrensansprüche.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
• 1 ein Schaltgerät mit einem bimetallischen Leiter als thermischer Auslöser in einem Prinzipbild,
• 2 ein Diagramm, in dem zwei mit verschiedenen optischen Aufnehmern gemessene Messsignale gegen die Auslenkung eines mit dem bimetallischen Leiters gekoppelten optischen Unterbrechers aufgetragen ist.
• Gemäß 1 enthält ein elektrisches Schaltgerät entsprechend der Anzahl der zu schaltenden Phasen z. B. drei bimetallische streifenförmige Leiter 2, die von einem durch die jeweilige Phase in einem Anlagenteil fließenden Strom durchflossen sind. Bei den bimetallischen Leitern 2 handelt es sich um Leiterstreifen, die sich in der schematischen Darstellung gemäß der Figur senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. An ihrem freien Ende sind die bimetallischen Leiter 2 mechanisch an Schieber 4, 6 gekoppelt. Die beiden Schieber 4, 6 sind in Richtung der Pfeile 8 linear verschiebbar gelagert. Die Schieber 4 und 6 sind über einen Hebel 10 miteinander mechanisch gekoppelt. Der Hebel 10 ist am Schieber 4 schwenkbar gelagert, wie dies durch den Pfeil 12 veranschaulicht ist.
• Fließt nun durch alle drei Phasen ein Überstrom, so biegen sich alle bimetallischen Leiter 2 in Richtung des Pfeils 8 nach links und bewirken auf diese Weise eine lineare Verschiebung des Schiebers 6. Der Schieber 4 ist federnd im Schaltgerät gelagert und folgt bei einer Bewegung aller drei bimetallischen Leiter 2 der Bewegung des Schiebers 6, so dass sich der Hebel 10 ebenfalls linear in Richtung der Pfeile 8 verschiebt. Der Hebel 10 greift an seinem von den Schiebern 4, 6 abgewandten Ende mechanisch in einen Unterbecher 14 ein, der bei einer Betätigung des Hebels 10 in einer schematisch angedeuteten Führung 15 linear längs des Pfeils 16 verschoben wird. Auf diese Weise wird mit dem Hebel 10 der Verschiebeweg der Schieber 4, 6 auf den Unterbrecher 14 übertragen.
• Im Falle eines Phasenausfalles, beispielsweise beim Ausfall einer einzigen Phase bewegen sich bei einer Überlast nur zwei der bimetallischen Leiter 2 nach links, während der vom Phasenausfall betroffene bimetallische Leiter 2 in Ruhe bleibt.
• Dieser verhindert eine Bewegung des Schiebers 4, so dass eine Bewegung des Schiebers 6 zu einer Drehung des Hebels 10 um seinen Lagerpunkt am Schieber 4 in Richtung des Pfeils 12 führt. Auch in diesem Fall wird der Unterbrecher 14 in Richtung des Pfeils 16 verschoben, wobei der Verschiebeweg entsprechend der Abstände zwischen seinen Lagerstellen an den Schiebern 4, 6 und am Unterbrecher 14, vergrößert ist, um auf diese Weise bei Phasenausfall eine schnellere Auslösung herbeizuführen.
• Dem Unterbecher 14 ist eine Lichtschranke 20 zugeordnet, in die er eingeführt wird, wenn der entsprechenden Verschiebeweg der Schieber 4 und 6 ein vorgegebenes Ausmaß überschreitet. Lichtschranke 20 und Unterbrecher 14 dienen somit als Aufnehmer für die berührungslose Erfassung der Auslenkung des oder der bimetallischen Leiter 2. Bei dieser Lichtschranke 20 handelt es sich im Beispiel um eine Gabellichtschranke mit einem Lichtsender 22, im Beispiel eine Infrarot-LED, sowie einem Lichtempfänger 24, im Beispiel ein Fototransistor.
• Lichtsender 22 und Lichtempfänger 24 sind an eine Steuerschaltung 26 angeschlossen. Mit der Steuerschaltung 26 wird der Spannungsabfall an einem im Kollektor-Emitter-Kreis des Fototransistors angeordneten Widerstand R gemessen und mit einem einstellbaren Grenzwert verglichen. Unterschreitet dieser Spannungsabfall einen vorgegebenen Grenzwert, wird durch die Steuerschaltung 26 ein elektromechanischer Auslöser 28 betätigt, der ein in der Figur nicht dargestelltes Schaltschloss entklinkt.
• In der Figur sind außerdem Möglichkeiten angedeutet, mit der das Auslöseverhalten des Schaltgerätes mechanisch eingestellt werden kann. Dies kann einerseits geschehen durch eine Justierung der Position der Lichtschranke 20 im Schaltgerät, wie dies durch den Doppelpfeil 30 veranschaulicht ist. Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine Einstellung auch durch eine entsprechende federbelastete Lagerung des Unterbrechers 14 erfolgen. Hierzu ist der Unterbrecher 14 und damit auch der bimetallische Leiter 2 mechanisch mit einer Feder 32 gekoppelt, die je nach deren Dimensionierung den Auslösebereich bzw. die Strom-Zeitkurve des Schaltgerätes beeinflusst.
• Im Diagramm der 2 ist die am Widerstand R gemessene Spannung U_R in Abhängigkeit des vom Unterbecher zurückgelegten Weges, d.h. seiner Auslenkung x für zwei unterschiedliche Lichtschranken dargestellt. Kurve a gibt nun eine Situation wieder, in der eine Lichtschranke 20 mit einem ausgeprägten Schaltverhalten zum Einsatz kommt. Mit andern Worten: Das Ausgangssignal besteht im Wesentlichen aus zwei Werten, nämlich Ein (etwa 5,2 V) und Aus (etwa 0,3 V) und einem sehr schmalen Wegbereich δx (etwa 0,2 mm) in dem ein Umschalten erfolgt. Bei der Verwendung einer solchen digitalen Lichtschranke erfolgt die Einstellung des Auslöseverhaltens über die Positionierung von Lichtschranke und Unterbrecher, sowie durch die Dimensionierung einer gegebenenfalls vorhandenen Feder.
• Kurve b zeigt nun eine Lichtschranke, bei der die über dem widerstand R gemessene Spannung U_R über einen größeren Wegbereich δx = 1mm nahezu linear vom Weg abhängt. In diesem Fall kann das Ausmaß der Auslenkung x in diesem Wegbereich δx kontinuierlich gemessen werden, so dass in diesem Fall Lichtschranke und Unterbrecher als Wegaufnehmer eingesetzt werden können. Bei Verwendung einer derartigen Lichtschranke ist es somit möglich, das Auslöseverhalten elektronisch einzustellen, indem beispielsweise die über dem Widerstand R gemessene Spannung U_R mit einer über ein Potentiometer einstellbaren Komparatorschaltung verglichen wird. Auf diese Weise können durch Einstellen einer Vergleichsspannung der Grenzwert der Auslenkung x des Unterbrechers und damit über die vorgegebenen Übersetzungsverhältnisse auch der Grenzwert der Auslenkung des oder der bimetallischen Leiter eingestellt werden, bei denen das Schaltgerät bei Überlast in allen Phasen oder bei Überlast in nur einem Teil der Phasen auslösen soll.
• Die Erfindung ist dabei nicht auf die im Ausführungsbeispiel dargestellte Ausführungsform beschränkt. So kann die Erfassung der Auslenkung der bimetallischen Leiter anstelle mit einer einfachen Lichtschranke auch mit anderen berührungslos arbeitenden Aufnehmern, beispielsweise mit einem optischen Abstandssensor oder mit einem Hallsensor erfolgen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schaltgerätes mit einem bimetallischen Leiter (2) als thermischen Auslöser zum Schutz eines elektrischen Anlagenteils vor einer Überlast, bei dem die Auslenkung des bimetallischen Leiters (2) berührungslos erfasst und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, und bei dem das Schaltgerät elektromechanisch ausgelöst wird, wenn die Auslenkung diesen Grenzwert überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausmaß der Auslenkung gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Auslenkung optisch erfasst wird.
4. Verfahren Anspruch 3, bei dem der bimetallische Leiter (2) mechanisch mit einem optischen Unterbrecher (14) gekoppelt ist, der bei einer Auslenkung des bimetallischen Leiters (2), die den Grenzwert überschreitet, eine Lichtschranke (20) betätigt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auslenkung des bimetallischen Leiters (2) gegen die Wirkung einer Feder (32) erfolgt.
6. Elektrisches Schaltgerät mit einem bimetallischen Leiter (2) als thermischen Auslöser zum Schutz eines elektrischen Anlagenteils vor einer Überlast, und mit einem Aufnehmer (14, 20) zum berührungslosen Erfassen der Auslenkung des bimetallischen Leiters (2), der an eine Steuerschaltung (26) für einen elektromechanischen Auslöser (28) angeschlossen ist.
7. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 6, bei dem der Aufnehmer (14, 20) ein Wegaufnehmer zum Messen der Auslenkung ist.
8. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 6 oder 7, bei dem ein optischer Aufnehmer (14, 20) vorgesehen ist.
9. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 8, bei dem der bimetallische Leiter (2) mechanisch mit einem optischen Unterbrecher (14) einer Lichtschranke (20) gekoppelt ist.
10. Elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 9, bei dem die Lichtschranke (20) ortsveränderbar im Schaltgerät angeordnet ist.
11. Elektrisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem der bimetallische Leiter (2) zumindest mittelbar mit eine Feder (32) mechanisch gekoppelt ist, die der Auslenkung entgegenwirkt.