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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung, die vor allem für Niederspannungsschaltgeräten insbesondere zum Schalten von Gleichströmen geeignet ist.
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Beim Schalten von Gleichströmen (DC-Schalten) muss zum Ausschalten des Stroms die Spannung eines auftretenden Lichtbogens auf jeden Fall die treibende Spannung überschreiten. Üblicherweise wird dafür der Lichtbogen durch Magnetkräfte verlängert und in Löschblechen unterteilt. Bei kleinen Strömen (ca. ≤ Nennstrom) reicht jedoch die magnetische Eigenbeblasung des Lichtbogens nicht aus, den Lichtbogen ausreichend zu verlängern und in die Löschbleche zu treiben.
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Konventionelle, aus Wechselstrom(AC)-Schaltgeräten abgeleitete Gleichstrom(DC)-Schaltgeräte lösen das Problem häufig durch die Reihenschaltung mehrerer Pole (die bei drei- und vierpoligen AC-Geräten sowieso zur Verfügung stehen). Dadurch werden automatisch mehrere Teillichtbögen erzeugt und die Öffnungsstrecke vergrößert. Allerdings wird durch die Reihenschaltung mehrerer Kontakte die Verlustleistung erhöht und zudem funktioniert das Prinzip nur bei Schaltgeräten, die bereits eine ausreichend große Kontaktöffnungsstrecke aufweisen.
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Spezielle DC-Schaltgeräte, insbesondere kleinerer Bauform mit entsprechend kleinen Kontaktöffnungsstrecken, unterstützen den Lichtbogenlauf durch externe Magnetfelder. Üblicherweise sind dies Permanentmagneten, wodurch die einzelnen Schaltkammern ein stromrichtungsabhängiges Abschaltverhalten bekommen. Darüber hinaus erfordert der Einsatz externer Felder häufig den Verzicht auf Eigenfeldverstärkende ferromagnetische Bauteile, was das Abschalten großer Ströme wiederum erschwert. Mit Permanentmagneten ist die Kraftwirkung auf den Lichtbogen abhängig von der Richtung des Stromflusses. Damit der Lichtbogen für beide Stromflussrichtungen gelöscht wird, müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, z.B. zwei parallele Löschkammern, von denen jeweils eine für jede Stromflussrichtung verwendet wird.
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Eine Schaltvorrichtung mit feststehenden Kontakten und einer beweglichen Kontakt- oder Schaltbrücke ist aus der europäischen Patentanmeldung
EP 2 463 876 A2 bekannt. Diese Schaltvorrichtung ist zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichströmen geeignet, die größer als der Nennstrom der Schaltvorrichtung sind. Um eine Löschung von zwischen geöffneten Kontakten auftretenden Lichtbögen zu beschleunigen, sind konstante magnetische Felder im Bereich der Öffnungsstrecken der Kontakte vorgesehen, die in Bezug auf die Stromrichtung der Lichtbögen so gepolt sind, dass sie die Lichtbögen in Löschkammern mit Löschblechen treiben, wo die Lichtbögen durch die Löschbleche unterteilt und gelöscht werden. Die Größe der treibenden Kraft hängt hierbei von der Stärke des Magnetfeldes und der Stromstärke des Lichtbogens ab. Je kleiner die Stromstärke des Lichtbogens ist, desto stärker muss das Magnetfeld sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine verbesserte Schaltvorrichtung, insbesondere zum Schalten von Gleichströmen in Niederspannungsschaltgeräten vorzustellen, die ebenfalls eine bewegliche Schaltbrücke und ein feststehendes Kontaktpaar aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird eine linear bewegliche Schaltbrücke mit einer Schottung zum Trennen der zwischen der Schaltbrücke und den Kontakten des feststehenden Kontaktpaares beim Öffnen der Kontakte auftretenden Lichtbögen versehen. Durch die Schottung werden die Lichtbögen voneinander isoliert, so dass die Öffnungsstrecke zwischen den Kontakten soweit vergrößert werden kann, dass sie zum Löschen von Lichtbögen, die beim Schalten von Gleichströmen, die kleiner als der Nennstrom sind, und von hohen Gleichspannungen auftreten, ausreicht. Um die hierbei entstehenden großen translatorischen Wege der Schaltbrücke entsprechend zu bewerkstelligen, ist zudem nach der Erfindung ein spezieller Mechanismus mit einer linearen Führung der Schaltbrücke und Kraftspeichern vorgesehen, welche die Schaltbrücke aus einem vorgespannten Zustand, in dem die Brücke mittels eines Haltemechanismus gehalten wird, entweder zum Schließen der Kontakte auf das feststehende Kontaktpaar drückt oder zum Öffnen der Kontakte vom feststehenden Kontaktpaar wegdrückt. Durch diesen speziellen Ein-/Aus-Auslösemechanismus für eine Linearkontaktvorrichtung mit einer großen Öffnungsstrecke kann auch eine schleichende Kontaktöffnung oder -Schließung wirksam verhindert werden. Die Länge der Öffnungsstrecke wird im Wesentlichen durch die Länge der linearen Führung der Schaltbrücke bestimmt und kann an das Einsatzgebiet der Schaltvorrichtung angepasst werden. Beispielsweise kann beim Schalten von kleinen Stromstärken eine längere Doppelunterbrecherstrecke als beim Schalten größerer Ströme gewählt werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun eine Schaltvorrichtung mit einem feststehenden Kontaktpaar, einer beweglichen Schaltbrücke, wobei die Schaltvorrichtung gekennzeichnet ist durch eine mit der Schaltbrücke gekoppelten Schottung, die zwischen der Schaltbrücke und den Kontakten des feststehenden Kontaktpaars im geöffneten Zustand der Kontaktierung auftretende Lichtbögen voneinander trennt, einen Mechanismus zum Bewegen der Schaltbrücke, der eine lineare Führung der Schaltbrücke, einen Einschalt-Kraftspeicher zum Drücken der Schaltbrücke auf die Kontakte des feststehenden Kontaktpaars und einen Ausschalt-Kraftspeicher zum Wegdrücken der Schaltbrücke von den Kontakten des feststehenden Kontaktpaars aufweist, und einen Haltemechanismus mit einem ersten und einem zweiten Halter zum Halten der Schaltbrücke gegen die Druckkräfte des Einschalt-Kraftspeichers bzw. des Ausschalt-Kraftspeichers in einem vorgespannten Zustand, wobei bei Auslösen des ersten Halters der Einschalt-Kraftspeicher und bei Auslösen des zweiten Halters der Ausschalt-Kraftspeicher freigegeben wird.
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Gemäß einer konstruktiven Ausbildung kann die Schottung ein Lager für die Schaltbrücke und den Einschalt-Kraftspeicher aufweisen, ein Kontakthalter mit der Schaltbrücke gekoppelt sein, und der erste Halter einen ersten Verklinkungsmechanismus für den Kontakthalter aufweisen.
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Gemäß einer weiteren konstruktiven Ausbildung kann die Schaltvorrichtung eine Kulisse zum Bewegen der Schaltbrücke und Schottung, wobei die Kulisse vom Ausschalt-Kraftspeicher gegen einen Anschlag gedrückt wird, und einen mit einer Führungsstange gekoppelten Schieber zum Bewegen der Kulisse aufweisen, und wobei der zweite Halter einen zweiten Verklinkungsmechanismus für die Kulisse aufweist.
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Der erste und zweite Verklinkungsmechanismus können gemäß einer konstruktiven Ausbildung jeweils einen Riegel und einen Kraftspeicher zum Drücken des Riegels in eine Verklinkungsposition aufweisen, in welcher der Kontakthalter bzw. die Kulisse durch den jeweiligen Riegel derart gehalten werden, dass die Schaltbrücke im vorgespannten Zustand gehalten wird.
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Im vorgespannten Zustand der Schaltbrücke wird zum Schließen der Kontaktierung zwischen der Schaltbrücke und den Kontakten des feststehenden Kontaktpaars der Riegel des ersten Verklinkungsmechanismus aus der Verklinkungsposition zum Freigeben des Einschalt-Kraftspeichers bewegt.
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Im vorgespannten Zustand der Schaltbrücke wird zum Öffnen der Kontaktierung zwischen der Schaltbrücke und den Kontakten des feststehenden Kontaktpaars der Riegel des zweiten Verklinkungsmechanismus aus der Verklinkungsposition zum Freigeben des Ausschalt-Kraftspeichers bewegt.
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Die Schaltvorrichtung kann Lichtbogenlöschvorrichtungen aufweisen, die parallel zur Bewegungsrichtung der Schottung auf zwei Seiten der Schottung derart angeordnet sind, dass im geöffneten Zustand der Kontaktierung auftretende Lichtbögen bei entsprechender Ablenkung durch die Lichtbogenlöschvorrichtungen gelöscht werden können.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere Niederspannungsschaltgerät, insbesondere zum Schalten von Gleichströmen, das mindestens eine Schaltvorrichtung nach der Erfindung und wie hierin beschrieben aufweist. Ein derartiges Schaltgerät kann beispielsweise für eine DC-Niederspannung bis 1500 Volt ausgelegt sein und durch die eingesetzte erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ein stromrichtungsunabhängiges, zuverlässiges und reversibles Schalten im gesamten spezifizierten Strombereich ermöglichen.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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Die Zeichnungen zeigen in
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1 einige Elemente des Kontaktapparates eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
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2 den Kontaktapparat des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels in einer perspektivischen Ansicht mit weiteren Elementen;
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3 das Verbringen der Schaltbrücke des Kontaktapparates des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels in den vorgespannten Zustand, in dem die Schaltvorrichtung Einschaltbereit ist, anhand perspektivischer Darstellungen;
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4 Details des Haltemechanismus zum Halten der Schaltbrücke im vorgespannten Zustand; und
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5 weitere konstruktive Details der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
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In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
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1 zeigt in einer Seitenansicht Elemente des Kontaktapparates der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, nämlich das feststehende Kontaktpaar 12 mit einen linken und einem rechten Kontakt 120 bzw. 122, die bewegliche Schaltbrücke 14 mit der gekoppelten Schottung 16, den Einschalt-Kraftspeicher 22 in Form einer Schraubenfeder und in der untersten Abbildung noch zwei Lichtbogenlöschvorrichtungen 46 und 48. Wie gut zu erkennen ist, befindet sich die Schottung 16, die in Form einer rechteckförmigen Wand ausgebildet sein kann, zwischen dem linken und rechten Kontakt 120 bzw. 122 des feststehenden Kontaktpaares 12 und ist linear zwischen den Kontakten 120 und 122 bewegbar, so dass die Kontaktbrücke 14 wie in der oberen Abbildung gezeigt auf die Kontakte 120 und 122 über den Einschalt-Kraftspeicher 22 gedrückt wird, um diese kurzzuschließen, oder von den Kontakten 120 und 122 so weit weg bewegt werden kann, dass wie in der unteren Abbildung gezeigt eine relativ große Öffnungsstrecke zwischen der Kontaktbrücke 14 und den Kontakten 120 und 122 links und rechts von der Schottung 16 besteht. In der mittleren Abbildung ist die Kontaktbrücke 14 kurz nach dem Öffnen der Kontaktierung zwischen Kontaktbrücke 14 und den Kontakten 120 und 122 gezeigt. In diesem Zustand ist die Kontaktbrücke 14 mit der Schottung 16 noch nicht vollständig von ihrer linearen Führung in den Zustand gebracht, der in der unteren Abbildung gezeigt ist. In der mittleren und auch in der untern Abbildung sind die Lichtbögen 180 und 182 gezeigt, die sich üblicherweise beim Öffnen der Kontaktierung zwischen der Kontaktbrücke 14, genauer gesagt deren beiden Kontaktflächen, und den Kontakten 120 und 122 des feststehenden Kontaktpaares 12 ausbilden. Durch das Vergrößern der Öffnungsstrecke bilden sich links und rechts von der Schottung zwei relativ lange Lichtbögen über die Öffnungsstrecke aus, die durch die Schottung voneinander isoliert sind, sich allerdings aufgrund der unterschiedlichen Stromflussrichtungen und die sich entsprechend ausbildenden unterschiedlich ausgerichteten magnetischen Felder gegenseitig abstoßen. Bei ausreichend geringem Abstand der beiden Lichtbögen 180 und 182 voneinander und der relativ großen Öffnungsstrecke reichen auch kleinere Ströme aus, um die Lichtbögen 180 und 182 in die jeweiligen Löschvorrichtungen 46 bzw. 48 zu treiben, die in Form von Löschblechpaketen ausgebildet sein können. Somit kann auch bei geringen Strömen aufgrund der gesamten Öffnungsstrecke, die aus den Öffnungsstrecken links und rechts der Schottung gebildet ist, eine Löschung der Lichtbögen erreicht werden.
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In 2 ist der Kontaktapparat von 1 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. In dieser Ansicht ist auch die Konstruktion des Mechanismus zum Bewegen der Schaltbrücke 14 gezeigt: die Schaltbrücke 14 ist in einem Lager 160 der Schottung 16 gelagert und wird von dem Einschalt-Kraftspeicher 22 gegen den Boden des Lagers 160 gedrückt. Die Schaltbrücke 14 wird mit der Schottung 16 über eine lineare Führung 20 bewegt, die im Wesentlichen durch eine Führungsstange 38 und eine Kulisse 34 zum linearen Bewegen der Schottung 16 gebildet wird. Die Kulisse 34 wird über einen Schieber 40 geführt, der auf der Stange 38 bewegt werden kann. Eine als Ausschalt-Kraftspeicher 24 dienende Schraubenfeder drückt die Kulisse 34 nach oben gegen einen Anschlag 36, so dass in der Grundposition AUS der Schaltvorrichtung, d.h. einem nicht vorgespannten Zustand der Schaltbrücke, sich die Schaltbrücke in der in 1 in der unteren Abbildung gezeigten Position befindet, in der die Kontaktierung vollständig geöffnet ist.
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In 3 ist gezeigt, wie die Schaltbrücke des in den 1 und 2 gezeigten Kontaktapparates der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung aus der Grundstellung AUS in einen vorgespannten Zustand gebracht wird, in dem die Schaltvorrichtung Einschaltbereit ist. Wie in der linken Abbildung von 3 gezeigt ist, wird hierzu manuell oder motorisch oder mittels Magnetantrieb der Schieber 40 nach unten gedrückt. Der Schieber nimmt die Kulisse 34 und mit ihr die Schottung 16 und darin gelagerte Schaltbrücke 14 mit. Ein Verklinkungsmechanismus 30 arretiert die Kulisse 34 in dieser Position. Der Schieber 40 wird wieder manuell in die Ausgangsposition nach oben gebracht, um die Schaltbrücke 14 nicht beim Ausschalten bzw. Öffnen der Kontaktierung zu behindern. Der Ausschalt-Kraftspeicher 24 ist gespannt. Ein Kontakthalter 32 der Schaltbrücke 14 in Form einer Stange ist ebenfalls durch einen Verklinkungsmechanismus 28 (4) so arretiert, dass der Einschalt-Kraftspeicher 22 gespannt ist. Die Schaltbrücke 14 befindet sich in diesem vorgespannten Zustand in einem vorbestimmten, relativ geringen Abstand oberhalb des feststehenden Kontaktpaares 12.
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4 zeigt insbesondere die Verklinkungs-/Haltemechanismen 28 und 30 für den Kontakthalter 32 und die Kulisse 34 im Detail. Die Verklinkungsmechanismen 28, 30 werden im Wesentlichen durch einen Riegel 42 gebildet, der von eine durch eine Schraubenfeder implementierten Kraftspeicher 44 in eine vorgegebene Verriegelungsposition gedrückt wird, in welcher der Kontakthalter 32 bzw. die Kulisse 34 arretiert werden. Durch Drücken der Riegels 42 gegen den Kraftspeicher 44 wird die Arretierung gelöst.
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Der Verklinkungs-/Haltemechanismus 28 hat die Aufgabe, im vorgespannten Zustand der Schaltbrücke 14 die Kontaktierung offen zu halten. Wird der Verklinkungs-/Haltemechanismus 28 gelöst, beispielsweise durch Betätigen eines Einschaltknopfes eines Schaltgeräts mit der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, wird der Einschalt-Kraftspeicher 22 freigegeben werden, so dass dieser die Schaltbrücke 14 auf das feststehende Kontaktpaar 12 drücken und so die Kontaktierung schnell schließen kann. Der Vorteil der Einschalt-Kraftspeichers 22 besteht also vor allem darin, dass ein langsames oder schleichendes Schließen der Kontaktierung vermeiden wird.
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Der Verklinkungs-/Haltemechanismus 30 hat die Aufgabe, die Schaltbrücke 14 und die Schottung 16 in der untersten Stellung zu halten, also im vorgespannten Zustand, so dass die Kontaktierung zwischen der Schaltbrücke 14 und dem feststehenden Kontaktpaar 12 geschlossen werden kann. Wird der Verklinkungs-/Haltemechanismus 30 gelöst, beispielsweise durch Betätigen eines Ausschaltknopfes eines Schaltgeräts mit der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, wird der Ausschalt-Kraftspeicher 24 freigegeben, der die Kulisse 34 nach oben drückt, wodurch die gesamte Schottung 16 mit der Schaltbrücke von dem feststehenden Kontaktpaar 12 nach oben weggedrückt wird, wie es in 1 gezeigt ist. Die zwischen den sich öffnenden Kontakten zwischen dem feststehenden Kontaktpaar 12 und der Schaltbrücke 14 auftretenden Lichtbögen werden durch die Schottung 16 voneinander abgeschirmt.
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In 5 sind weitere konstruktive Details gezeigt, nämlich die mechanische Verbindung zwischen den durch die Führungsstange 38 geführten Schieber 40 und der Kulisse 34 (Abbildung rechts unten) und die mechanische Verbindung zwischen der Kulisse 34 und dem Lager 160 der Schaltbrücke 14 in der Schottung (Abbildung links unten). Die Kulisse 34 kann auch zwei Schaltbrücken 14 bzw. zwei Schottungen führen. In den Abbildungen oben ist zudem gezeigt, in welcher Position sich die Schaltbrücke 14 bei verriegeltem Kontakthalter 32 befindet, in der der Einschalt-Kraftspeicher 22 vorgespannt ist, und wie die Schaltbrücke 14 durch den Einschalt-Kraftspeicher 22 bei entriegelten Kontakthalter 32 auf die Kontakte 120 und 122 des feststehenden Kontaktpaares 12 gedrückt wird, um die Kontaktierung zu schließen.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass folgendes ermöglicht wird: Schalten von Gleichströmen mit einer großen Öffnungsstrecke, die durch einen Antrieb unabhängig von der Höhe des auszuschaltenden Stroms erzeugt wird; ein kleiner oder geringer Abstand auftretender Lichtbögen, der die Kraft erhöht, mit der die Lichtbögen insbesondere in die Löschbleche getrieben werden; zwei Parallel-Lichtbögen durch ein festes Isolierteil (Schottung) an der Schaltbrücke; eine Schaltvorrichtung mit langem Hub; eine kompakte Bauform durch die lineare Öffnungsbewegung; keine Reihenschaltung mehrerer Kontakte, die nebeneinander liegen (Ist-Stand Verwendung von AC-Geräte); ein schnelles Einschalten der Kontakte durch einen Kraftspeicher; ein schnelles Öffnen der Kontakte durch einen weiteren Kraftspeicher; das Spannen zweier Kraftspeicher durch die Hand oder durch einen Motorantrieb vor dem Ein- und Ausschalten der Kontakte; die Schaltkammer kann auch 2 fach (parallel) ausgeführt werden und durch die Kulisse gespannt werden, wodurch die notwendigen Spannwege nur halb so groß sind.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Leistungsschaltern, Leitungsschutzschaltern, Motorschutzschaltern, Schützen. Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Schaltgerät insbesondere für DC-Niederspannungen (bis 1500 V) geschaffen werden, das im gesamten Strombereich stromrichtungsunabhängig, zuverlässig und reversibel abschaltet. Die durch die vorliegende Erfindung ermöglichte große Öffnungsstrecke gewährleistet ein sicheres Verlöschen des Lichtbogens auch bei hohen Spannungen und geringen Stromstärken unabhängig von der Polarität des Stromflusses. Für größere Ströme kann das Löschen in bekannter Weise durch Löschbleche unterstützt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltvorrichtung
- 12
- feststehendes Kontaktpaar
- 120
- linker Kontakt des feststehenden Kontaktpaares 12
- 122
- rechter Kontakt des feststehenden Kontaktpaares 12
- 14
- bewegliche Schaltbrücke
- 16
- Schottung
- 160
- Lager für die Schaltbrücke 14 in der Schottung 16
- 180
- Lichtbogen zwischen dem linken Kontakt 120 des feststehenden Kontaktpaares 12 und der Schaltbrücke 14
- 182
- Lichtbogen zwischen dem rechten Kontakt 122 des feststehenden Kontaktpaares 12 und der Schaltbrücke 14
- 20
- lineare Führung der Schaltbrücke
- 22
- Einschalt-Kraftspeicher
- 24
- Ausschalt-kraftspeicher
- 28
- erster Halter/erster Verklinkungsmechanismus
- 30
- zweiter Halter/zweiter Verklinkungsmechanismus
- 32
- Kontakthalter der Schaltbrücke 14
- 34
- Kulisse
- 36
- Kulissen-Anschlag
- 38
- Führungsstange
- 40
- Schieber
- 42
- Riegel
- 44
- Kraftspeicher für den Riegel 42
- 46
- Lichtbogenlöschvorrichtung für den Lichtbogen 180
- 48
- Lichtbogenlöschvorrichtung für den Lichtbogen 182
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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