-
Die Erfindung betrifft eine Schutz-Vorrichtung mit zwei relativ zueinander beweglichen elektrischen Kontaktelementen zum Herstellen bzw. Auftrennen einer elektrischen Verbindung zwischen einer elektrischen Last und einer Stromversorgung in Abhängigkeit von einer mechanischen Verbindung bzw. Trennung der beiden Kontaktelemente sowie mit einem temperatursensitiven Element, das eingerichtet ist bei Überschreiten eines Temperaturschwellwertes eine mechanische Formveränderung von einem ersten Formzustand in einen zweiten Formzustand zu vollführen.
-
Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einer solchen Schutz-Vorrichtung, einer elektrischen Last und einer Stromversorgung zum Betreiben der elektrischen Last, wobei die Schutz-Vorrichtung der elektrischen Last und der Stromversorgung elektrisch zwischengeschaltet ist.
-
Herkömmliche Schutz-Vorrichtungen zur Absicherung elektrischer Lasten, wie z.B. eines elektrischen Motors, einer Heizung, eines Transformators, einer Beleuchtung oder einer Haushaltssicherung, sehen zwei relativ zueinander bewegliche elektrische Kontaktelemente vor, die zum Schutz einer mit der Schutz-Vorrichtung elektrisch verbundenen Last voneinander weg bewegt werden können, um einen elektrischen Stromkreis zu öffnen und eine Schutzabschaltung der Last zu bewirken. Dabei existieren oft verschiedene Mechanismen für verschiedene Szenarien (zum Beispiel Überlast oder Kurzschlussstrom), um die elektrischen Kontaktelemente zu trennen.
-
Beispielsweise werden Mechanismen eingesetzt, die auf einem elektromagnetischen Prinzip beruhen. Derartige Mechanismen können z.B. für einen Kurzschlussstrom-Schutz vorgesehen sein. Dabei wird ein elektromagnetischer Aktuator betätigt, der zum Beispiel eine Spule mit einem Eisenkern umfasst. Aufgrund des stark erhöhten Kurzschlussstromes steigt das Magnetfeld ebenfalls stark an, so dass der Eisenkern relativ zur Spule bewegt wird und seinerseits eine Armatur zum Trennen von Kontaktelementen zum Auftrennen des Stromkreises auslöst. Im Falle eines sinusförmigen Wechselstromes muss zudem eine mechanische Sperre vorgesehen werden, die trotz des wieder abfallenden Stromes und des damit einhergehend abfallenden Magnetfeldes im elektromagnetischen Aktuator die mechanische Trennung der Kontaktelemente aufrechterhält. Derartige Mechanismen sind aufwändig in ihrer Konstruktion.
-
Andere Mechanismen sehen ein temperatursensitives Element vor, das eingerichtet ist bei Überschreiten eines bestimmten Temperaturschwellwertes eine mechanische Formveränderung von einem ersten Formzustand in einen zweiten Formzustand zu vollführen, um elektrische Kontaktelemente mechanisch voneinander zu trennen. Derartige Mechanismen werden beispielsweise für einen Überlast-Schutz eingesetzt. Z.B. kann ein Bimetall-Element vorgesehen sein, das aufgrund eines über einen gewissen Zeitraum erhöhten Stromflusses in der Last, z.B. in einem Motorkreis, erwärmt wird und sich mechanisch verformt, so dass elektrische Kontaktelemente voneinander getrennt werden und es zu einer Schutztrennung des elektrischen Stromkreises kommt.
-
Insgesamt betrachtet sind daher herkömmliche Schutz-Vorrichtungen, die sowohl für einen Überlast-Schutz als auch für einen Kurzschlussstrom-Schutz ausgelegt sind, sehr aufwändig in ihrer Konstruktion, Verlässlichkeit, Platzbedarf sowie Kosten. Gerade in Dreiphasen-Systemen potenzieren sich diese Nachteile nochmals.
-
Gerade Schutz-Vorrichtungen mit einem temperatursensitiven Element haben zudem den Nachteil, dass ein mechanischer Stellweg bzw. Verlauf der Stellbewegung des temperatursensitiven Elementes aufgrund von Temperaturschwankungen, Fertigungstoleranzen, unterschiedlichen Schaltszenarien (wie z.B. bei Auftreten von Überlast oder Kurzschlussstrom) oder aufgrund der physikalischen Eigenschaften oder einer mechanischen Abnutzung des temperatursensitiven Elementes unpräzise ist bzw. variieren kann. Auch eine automatische Rücksetzung der Schutz-Vorrichtung durch einen erneuten Übergang des temperatursensitiven Elementes vom zweiten Formzustand zurück in den ersten Formzustand bei erneutem Unterschreiten des bestimmten Temperaturschwellwertes kann aus den genannten Gründen ungewollten Schwankungen unterworfen sein. Dies führt zu ungewollten Toleranzen im Stellverhalten solcher Schutz-Vorrichtungen. Vor dem Hintergrund einer geforderten Verlässlichkeit von Schutz-Vorrichtungen zur Vorbeugung eines Schadens an einer elektrischen Last bzw. an einer Stromversorgung für die elektrische Last ist dies unerwünscht.
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Schutz-Vorrichtung der eingangs genannten Art zu beschreiben, die ein im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen verbessertes Stellverhalten aufweist, einen breiteren Anwendungsbereich hat und einfacher in ihrer Konstruktion ist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Schutz-Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
-
Die Schutz-Vorrichtung weist zwei relativ zueinander bewegliche elektrische Kontaktelemente zum Herstellen bzw. Auftrennen einer elektrischen Verbindung zwischen einer elektrischen Last und einer Stromversorgung in Abhängigkeit von einer mechanischen Verbindung bzw. Trennung der beiden Kontaktelemente auf. Ferner ist ein temperatursensitives Element eingerichtet, das bei Überschreiten eines Temperaturschwellwertes eine mechanische Formveränderung von einem ersten Formzustand in einen zweiten Formzustand vollführt.
-
Zudem weist die Schutz-Vorrichtung ein bistabiles Federelement auf, das eingerichtet ist einen ersten stabilen Federzustand und einen zweiten stabilen Federzustand einzunehmen. Das bistabile Federelement ist derart mit dem temperatursensitiven Element gekoppelt, dass aufgrund der mechanischen Formveränderung des temperatursensitiven Elementes vom ersten Formzustand in den zweiten Formzustand ein Übergang des bistabilen Federelementes vom ersten stabilen Federzustand in den zweiten stabilen Federzustand erzwungen wird. Zumindest eines der beiden Kontaktelemente ist derart mechanisch mit dem bistabilen Federelement gekoppelt, dass aufgrund des Übergangs des bistabilen Federelementes vom ersten stabilen Federzustand in den zweiten stabilen Federzustand eine Relativbewegung des gekoppelten Kontaktelementes bezüglich des anderen Kontaktelementes erzwungen wird, so dass die beiden Kontaktelemente von einem mechanisch verbundenen Zustand in einen mechanisch getrennten Zustand überführt werden und eine elektrischen Verbindung zwischen den beiden Kontaktelementen aufgetrennt wird.
-
Der Begriff „bistabiles Federelement“ bedeutet in dem Kontext der vorliegenden Offenbarung, dass es sich um ein Federelement handelt, das zwei stabile und voneinander diskrete Federzustände einnehmen kann. Die beiden Federzustände können insbesondere im Rahmen der Anordnung des bistabilen Federelementes innerhalb der Schutz-Vorrichtung zwei stabile und diskrete Endzustände, Endformen, Endpositionen bzw. Endlagen des bistabilen Federelementes bilden. Die beiden Federzustände können sich durch unterschiedliche geometrische Richtungen voneinander unterscheiden, in die das bistabile Federelement im jeweiligen Federzustand weist. Alternativ oder ergänzend können sich die beiden Federzustände auch dadurch voneinander unterscheiden, dass Kraftvektoren mit unterschiedlichen Richtungen (zum Beispiel entgegengesetzte Richtungen) am bistabilen Federelement ausgebildet werden, um das bistabile Federelement von einem Federzustand in den jeweils anderen Federzustand zu bringen.
-
Die Einrichtung eines bistabilen Federelementes, das mit dem temperatursensitiven Element gekoppelt ist, hat gegenüber herkömmlichen Lösungen den Vorteil, dass definierte bzw. diskrete Schaltzustände bzw. definierte Schaltbewegungen erzielbar sind. Das bistabile Federelement wirkt dabei als Mittler zwischen zumindest einem der beiden Kontaktelemente, das eine Relativbewegung bezüglich des anderen Kontaktelementes vollführen kann, und dem temperatursensitives Element. Dadurch wird das Stellverhalten des temperatursensitiven Elementes vom Stellverhalten des bewegbaren Kontaktelementes insofern entkoppelt, als eine Bewegung des bewegbaren Kontaktelementes unmittelbar durch den Übergang des bistabilen Federelementes zwischen dem ersten stabilen Federzustand und dem zweiten stabilen Federzustand gesteuert wird. Dies führt zu einem gegenüber herkömmlichen Lösungen präziseren Schaltverhalten, weil etwaige Schwankungen oder Veränderungen im Stellverhalten, d.h. in der temperaturbedingten Formveränderung, des temperatursensitiven Elementes durch ein präzises und über den gesamten Betriebsbereich (insbesondere hinsichtlich Temperatur bzw. Einsatzszenarien wie Überlastschutz oder Kurzschlussstrom-Schutz) nahezu konstantes Verhalten des bistabilen Federelementes kompensiert wird. Ferner kann das bistabile Federelement dazu beitragen, eine Stellbewegung des temperatursensitiven Elementes zu verstärken bzw. eine kontinuierliche Stellbewegung des temperatursensitiven Elementes in eine vergleichsweise abrupte Stellbewegung umzuwandeln. Auch dies trägt zu einem im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen definierteren und präziseren Stellverhalten der Schutz-Vorrichtung bei.
-
Das bistabile Federelement kann derart eingerichtet sein, dass es im ersten stabilen Federzustand einen definierten Anpressdruck (eine definierte Kontaktkraft) des gekoppelten Kontaktelementes bezüglich des anderen Kontaktelementes erzwingt und im zweiten stabilen Federzustand das gekoppelte Kontaktelement im getrennten Zustand bezüglich des anderen Kontaktelementes hält. Auf diese Weise unterstützt das bistabile Federelement die beiden Schaltzustände (geschlossen und offen) der beiden Kontaktelemente und sorgt dafür, dass die beiden Schaltzustände sicher und verlässlich eingenommen werden. Die Eigenschaften des bistabilen Federelementes der oben erläuterten Art begünstigen dies vorteilhaft. Aufgrund eines Anpressdrucks des gekoppelten Kontaktelementes bezüglich des anderen Kontaktelementes im ersten stabilen Federzustand des bistabilen Federelementes kann eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Kontaktelementen stabil aufrechterhalten werden, sodass eine sichere elektrischen Verbindung zwischen einer elektrischen Last und einer Stromversorgung im Normalbetrieb gewährleistet ist. Aufgrund eines Haltens des gekoppelten Kontaktelementes im getrennten Zustand bezüglich des anderen Kontaktelementes im zweiten stabilen Federzustand des bistabilen Federelementes kann eine verlässliche und dauerhafte Trennung der elektrischen Verbindung zwischen einer elektrischen Last und einer Stromversorgung in einem Fehlerfall (Überlast bzw. Kurzschlussstrom) sichergestellt werden. Dies verhindert, dass eine elektrische Verbindung zwischen einer elektrischen Last und einer Stromversorgung wiederhergestellt wird, obwohl die Fehlerursache noch nicht behoben ist. Ferner wird verhindert, dass eine elektrische Last im Fehlerfall (weitergehenden) Schaden nimmt. Auch aus Gründen einer geforderten Sicherheit für ein Betriebspersonal oder Wartungspersonal ist dies vorteilhaft. Ebenso kann durch den Einsatz des bistabilen Federelementes in der erläuterten Weise eine komplexe mechanische Sperre entfallen, wie sie zum Teil bei herkömmlichen Mechanismen erforderlich ist, um die Kontaktelemente nach ihrer Trennung getrennt zu halten. Durch das bistabile Federelement ist eine derartige Sperre auf einfachere Weise realisiert.
-
Das bistabile Federelement kann derart eingerichtet sein, dass es im ersten stabilen Federzustand das temperatursensitive Element im ersten Formzustand hält, solange eine Kraft, die durch die mechanische Formveränderung des temperatursensitiven Elementes bei Überschreiten des Temperaturschwellwert erzeugt wird, eine Gegenkraft des bistabilen Federelementes nicht überschreitet. Auch in diesem Verhalten zeigen sich die vorteilhaften Eigenschaften des bistabilen Federelementes. Denn das bistabile Federelement sorgt dafür, dass bei Eintreten einer Formveränderung des temperatursensitiven Elementes bei Überschreiten des Temperaturschwellwertes nicht unmittelbar eine mechanische Trennung der beiden verbundenen Kontaktelemente erfolgt, sondern erst, wenn eine durch das bistabile Federelement erzeugte Gegenkraft überschritten wird. In diesem Zeitpunkt erfolgt ein abruptes „Umschnappen“ des bistabilen Federelementes in den zweiten stabilen Federzustand. Das bistabile Federelement wird bei Übergang vom ersten stabilen Federzustand in den zweiten stabilen Federzustand durch die Formveränderung des temperatursensitiven Elementes unterstützt, das das Federelement gleichsam in Richtung des zweiten Federzustandes drängt. All dies hat zur Folge, dass ein Trennen der verbundenen Kontaktelemente zum Trennen der elektrischen Verbindung abrupt und schnell erfolgt und es nicht zu unerwünschten Zwischenzuständen kommt. Somit kann durch den Einsatz des bistabilen Federelementes in der erläuterten Weise ein komplexer Mechanismus mit Aktuator und Armatur entfallen, wie er zum Teil bei herkömmlichen Vorrichtungen erforderlich ist, um die Kontaktelemente sauber und nachhaltig zu trennen. Durch das bistabile Federelement ist ein derartiger Mechanismus auf einfachere Weise realisiert.
-
Ferner kann das bistabile Federelement derart eingerichtet sein, dass es im zweiten stabilen Federzustand das temperatursensitive Element im zweiten Formzustand hält, selbst wenn der Temperaturschwellwert wieder unterschritten ist. Auch in diesem Verhalten zeigen sich die vorteilhaften Eigenschaften des bistabilen Federelementes. Denn das bistabile Federelement sorgt hier vorteilhaft dafür, dass das temperatursensitive Element nicht selbständig zurück in den ersten Formzustand übergeht bzw. unterdrückt das bistabile Federelement in diesem Zustand jegliche Kräfte (und baut hierzu ggf. Gegenkräfte auf), die einen Übergang des temperatursensitiven Elementes zurück in den ersten Formzustand auslösen könnten. Auf diese Weise wird der getrennte Zustand der beiden Kontaktelemente verlässlich für jegliche Einsatzszenarien (Überlastschutz bzw. Kurzschlussstrom-Schutz) beibehalten, selbst wenn das temperatursensitive Element von sich aus die eine Trennung auslösende Formveränderung nicht aufrechtzuerhalten vermag oder in den ersten Formzustand zurückkehren würde.
-
In einer oder mehreren Ausführungsformen weist die Schutz-Vorrichtung einen bedienbaren Rücksetz-Hebel auf, der mechanisch derart mit dem bistabilen Federelement gekoppelt ist, dass das bistabile Federelement aufgrund einer Bedienung des Rücksetz-Hebels aus dem zweiten stabilen Federzustand zurück in den ersten stabilen Federzustand bewegt wird. Dies hat zur Folge, dass die beiden Kontaktelemente vom mechanisch getrennten Zustand zurück in den mechanisch verbundenen Zustand überführt werden und eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktelementen wiederhergestellt wird. Auf diese Weise ist eine manuell bedienbare Rücksetzmöglichkeit der Schutz-Vorrichtung geschaffen. Diese ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das bistabile Federelement - wie oben erläutert - derart eingerichtet ist, dass es im zweiten stabilen Federzustand das temperatursensitive Element im zweiten Formzustand hält, selbst wenn der Temperaturschwellwert wieder unterschritten ist. Denn in dieser Ausgestaltung vermag das temperatursensitive Element die Schutz-Vorrichtung nicht durch erneuten Übergang vom zweiten Formzustand in den ersten Formzustand zurückzusetzen. Eine Rücksetzung kann jedoch durch den bedienbaren Rücksetz-Hebel ausgelöst werden. Dadurch kann ein Bedienpersonal oder Wartungspersonal eine Rücksetzung manuell auslösen, wenn eine elektrische Last, die mit der Schutz-Vorrichtung elektrisch verbunden ist, wieder fehlerfrei betrieben werden kann.
-
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist das temperatursensitive Element an einem Ende elektrisch leitend mit dem Kontaktelement verbunden, das mechanisch mit dem bistabilen Federelement gekoppelt ist, und am anderen Ende elektrisch leitend mit einem externen elektrischen Anschluss der Schutz-Vorrichtung verbunden, so dass das temperatursensitive Element im elektrischen Leitungspfad für eine elektrische Verbindung zwischen einer elektrischen Last und einer Stromversorgung angeordnet ist. Das temperatursensitive Element kann dabei durch eine Temperaturveränderung aufgrund der Stromstärke bzw. Stromdichte des Leitungsstroms im elektrischen Leitungspfad gesteuert werden. Somit ist das temperatursensitive Element in dieser Ausgestaltung geeignet, sowohl bei einer bestimmten Überlast als auch bei einem Kurzschlussstrom eine Trennung der beiden Kontaktelemente auszulösen.
-
Im Falle einer Überlast (d.h. bei Auftreten von Strömen kleiner als ein nominaler Kurzschlussstrom, jedoch höher als der nominale Betriebsstrom) erhöht sich die Temperatur des temperatursensitiven Elementes aufgrund der erhöhten Stromstärke bzw. Stromdichte im elektrischen Leitungspfad und damit im temperatursensitiven Element kontinuierlich über einen bestimmten Zeitraum. Sobald die Erwärmung des temperatursensitiven Elementes derart fortgeschritten ist, dass der Temperaturschwellwert überschritten wird, geht das temperatursensitive Element vom ersten Formzustand in den zweiten Formzustand über und löst die Schutz-Vorrichtung gemäß den obigen Erläuterungen aus. Die Schutz-Vorrichtung kann derart ausgeführt sein, dass der Temperaturanstieg im temperatursensitiven Element über den Temperaturschwellwert hinaus unmittelbar aufgrund der erhöhten Stromstärke im elektrischen Leitungspfad verursacht wird. Hierbei wird das temperatursensitive Element so dimensioniert bzw. gewählt, dass es den Temperaturschwellwert nach einer gewissen Zeit durch eine allmähliche Temperaturerhöhung erreicht. Es ist aber auch denkbar, dass das temperatursensitive Element den Temperaturschwellwert unter Beihilfe einer allmählichen Temperaturerhöhung der Umgebung erreicht. In diesem Fall wird das temperatursensitive Element bzw. seine direkte Umgebung innerhalb der Schutz-Vorrichtung derart gewählt, dimensioniert bzw. gestaltet, dass sich der nominale Temperaturanstieg aufgrund der erhöhten Stromstärke zu einem darüber hinausgehenden Temperaturanstieg im temperatursensitives Element bis zum Überschreiten des Temperaturschwellwertes verstärkt. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass das temperatursensitive Element eine bestimmte Geometrie oder Form aufweist. Alternativ oder ergänzend können Parameter wie eine Wärmekopplung, Wärmeleitung, Wärmeisolierung, ein Luftstrom oder dergleichen gezielt beeinflusst werden, zum Beispiel über eine thermische Kapselung des temperatursensitiven Elementes in einem Gehäuse. Dies führt zu einem gesteuerten Wärmestau am temperatursensitiven Element, so dass die obigen Effekte erzielt werden.
-
Im Falle eines Kurzschlusses erhöht sich die Temperatur aufgrund der extrem hohen Stromstärke bzw. Stromdichte im elektrischen Leitungspfad und damit im temperatursensitiven Element im Vergleich zum Überlastfall wesentlich schneller und der Schwellwert wird unabhängig von einer eventuellen Temperaturerhöhung der unmittelbaren Umgebung erreicht. Dies führt - je nach Ausführung des temperatursensitiven Elementes - zu einer quasi instantanen Überschreitung des Temperaturschwellwertes, so dass das temperatursensitive Element vom ersten Formzustand in den zweiten Formzustand übergeht und die Schutz-Vorrichtung gemäß den obigen Erläuterungen auslöst. Das temperatursensitive Element kann so dimensioniert bzw. gewählt sein, dass es den Temperaturschwellwert gerade bei Überschreiten eines nominalen Kurzschlussauslösestroms erreicht.
-
Aufgrund der obigen Überlegungen ist eine derart eingerichtete Schutz-Vorrichtung sowohl für einen Überlastfall als auch für einen Kurzschluss-Fall geeignet. Es bedarf somit keiner separaten Mechanismen für die einzelnen Szenarien Überlast oder Kurzschluss. Auf diese Weise kann die Schutz-Vorrichtung Kosten sparend und kompakt aufgebaut werden und eine elektrische Last, wie z.B. einen elektrischen Motor, in sämtlichen kritischen Betriebszuständen optimal absichern.
-
Das temperatursensitive Element kann beispielsweise als Bimetall-Aktuator oder als Wachs-Aktuator eingerichtet sein. In einer oder mehreren alternativen Ausführungsformen kann das temperatursensitive Element jedoch auch eine Formgedächtnislegierung (so genanntes Shape Memory Alloy, SMA) aufweisen. SMA-Elemente sind gerade in Schutz-Vorrichtungen gut als Aktuatoren einsetzbar, weil sie sowohl ein sehr schnelles Schaltverhalten (zum Beispiel < 5 ms) bei instantanem Überschreiten eines Temperaturschwellwertes im Falle eines Kurzschlusses aufweisen, aber auch bei Erwärmung über einen länger anhaltenden Zeitraum, wie es bei einer Überlast der Fall ist, gut steuerbar reagieren. Zudem sind Formgedächtnislegierungen aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit geeignet als elektrischer Leitungspfad verwendet zu werden. Die Erwärmung durch den durch die Formgedächtnislegierung fließenden Strom geschieht dann ohne weiteren Wärmeübergang direkt im Material. Insofern sind SMA-Elemente vorteilhaft geeignet, in einer Schutz-Vorrichtung der oben erläuterten Art eingesetzt zu werden, die sowohl für einen Überlast-Schutz als auch für einen Kurzschlussstrom-Schutz ausgelegt ist.
-
Durch den Einsatz von SMA-Elementen kann somit eine Schutz-Vorrichtung geschaffen werden, wobei über einen Mechanismus der oben erläuterten Art sowohl eine Schutzabschaltung bei Überlast als auch eine Schutzabschaltung im Falle eines Kurzschlusses realisierbar sind. Auf diese Weise werden Nachteile von herkömmlichen Schutz-Vorrichtungen vorteilhaft überwunden, die verschiedene und komplexe Mechanismen für ein Überlast-Szenario und für ein Kurzschluss-Szenario vorsehen. Bei der Schutz-Vorrichtung gemäß der hier erläuterten Art ist dagegen lediglich ein einzelner, einfach aufzubauender Mechanismus notwendig, um sowohl ein Überlast-Szenario als auch ein Kurzschluss-Szenario absichern zu können.
-
Eine Anwendung für die Schutz-Vorrichtung der oben erläuterten Art ergibt sich in einer Anordnung mit einer solchen Schutz-Vorrichtung, einer elektrischen Last, insbesondere einem elektrischen Motor, und einer Stromversorgung zum Betreiben der elektrischen Last, wobei die Schutz-Vorrichtung der elektrischen Last und der Stromversorgung elektrisch zwischengeschaltet ist. Auch diese Anordnung bietet insgesamt die oben erläuterten Vorteile und erlaubt eine sichere und verlässliche Abschaltung der elektrischen Last in verschiedensten Fehlerfällen, wie Kurzschluss oder Überlast.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine Schutz-Vorrichtung in einem ersten Zustand,
- 2 die Schutz-Vorrichtung gemäß 1 in einem zweiten Zustand und
- 3 die Schutz-Vorrichtung gemäß den 1 und 2 in einem dritten Zustand.
-
1 zeigt eine Schutz-Vorrichtung 1 mit zwei relativ zueinander beweglichen elektrischen Kontaktelementen 2 und 3 zum Herstellen beziehungsweise Auftrennen einer elektrischen Verbindung zwischen einer elektrischen Last (nicht dargestellt) und einer Stromversorgung (ebenfalls nicht dargestellt) in Abhängigkeit von einer mechanischen Verbindung beziehungsweise Trennung der beiden Kontaktelemente 2 und 3. Beispielsweise sind die beiden Kontaktelemente 2 und 3 als interne Kontaktelemente innerhalb der Schutz-Vorrichtung 1 eingerichtet. Neben den internen Kontaktelementen 2 und 3 sind zwei externe Kontaktelemente 4 und 5 eingerichtet, die zur elektrischen Anbindung der elektrischen Last beziehungsweise der Stromversorgung zum Betreiben der elektrischen Last dienen. Beispielsweise ist der externe Kontakt 4 eingerichtet zur elektrischen Verbindung mit der elektrischen Last, während der externe Kontakt 5 eingerichtet ist zur elektrischen Verbindung mit der Stromversorgung. Die Schutz-Vorrichtung 1 ist z.B. vorteilhaft als Motorschutz-Vorrichtung 1 zur Absicherung eines elektrischen Motors eingerichtet.
-
Des Weiteren weist die Schutz-Vorrichtung 1 ein temperatursensitives Element 6 auf. Das temperatursensitive Element 6 ist in der Ausführungsform gemäß 1 ein Element mit einer Formgedächtnislegierung (sogenanntes Shape Memory Alloy, SMA). Es kann aber auch zum Beispiel als Bimetall-Element oder als Wachsaktuator ausgeführt sein.
-
Gerade SMA-Elemente haben vorteilhafte Eigenschaften für Einsatzzwecke in einer Schutz-Vorrichtung. So vollführen SMA-Elemente bei Überschreiten eines Temperaturschwellwertes nahezu instantan eine mechanische Formveränderung von einem ersten Formzustand in einen zweiten Formzustand und können somit als Aktuator für die Schutz-Vorrichtung 1 dienen. Insbesondere ist durch SMA-Elemente ein sehr schnelles Betätigen (zum Beispiel innerhalb weniger Millisekunden) möglich. Diese Eigenschaft ist insbesondere für einen Kurzschlussstrom-Schutz wichtig. Aber auch im Rahmen eines Überlast-Schutzes, wobei ein Temperaturanstieg über einen längeren Zeitraum erfolgt, bis der Temperaturschwellwert überschritten ist, zeigen SMA-Elemente gute Eigenschaften, so dass sie auch für diesen Einsatzzweck als Aktuatoren verwendet werden können.
-
In der Ausführungsform gemäß 1 ist das temperatursensitive SMA-Element 6 zwischen dem Kontaktelement 2 und dem Kontaktelement 5 angeordnet. Das SMA-Element 6 ist dabei elektrisch leitend mit den Kontaktelementen 2 und 5 verbunden, so dass das SMA-Element 6 Bestandteil des elektrischen Leitungspfades im Stromkreis ist. Das bedeutet, dass der gesamte elektrische Strom zwischen den Kontaktelementen 2 und 5 durch das SMA-Element 6 geleitet wird. Das SMA-Element kann beispielsweise ein Kabel, Band oder Sonstiges in einem ausgedehnten bzw. verlängerten Zustand (erster Formzustand) sein.
-
Das SMA-Element 6 wird in der in 1 dargestellten Position über ein bistabiles Federelement 7 gehalten. Das bistabile Federelement 7 ist zwischen zwei Aufhängungen 8 aufgehängt und derart eingerichtet, dass es zwischen einem ersten, in 1 dargestellten, stabilen Federzustand und einem zweiten stabilen Federzustand wechseln kann. Im in 1 dargestellten ersten stabilen Federzustand erzeugt das bistabile Federelement 7 aufgrund einer Federkraft einen Anpressdruck des Kontaktelementes 2 bezüglich des Kontaktelementes 3. Auf diese Weise sind die beiden Kontaktelemente 2 und 3 fest miteinander verbunden, so dass eine verlässliche elektrische Leitung zwischen den beiden Kontaktelementen 2 und 3 gewährleistet ist.
-
Zusätzlich weist die Schutz-Vorrichtung 1 gemäß 1 einen bedienbaren Rücksetz-Hebel 9 auf, der an einer Aufhängung 10 drehbar aufgehängt ist. Die Funktion des bedienbaren Rücksitz-Hebels 9 wird weiter unten näher erläutert.
-
In 1 ist ein Normalbetriebszustand der Schutz-Vorrichtung 1 dargestellt. Die elektrischen Kontaktelemente 2 und 3 sind elektrisch miteinander verbunden, so dass ein Stromkreis zwischen einer elektrischen Last und einer Stromversorgung geschlossen ist und die elektrische Last in einem Normalbetrieb laufen kann. In diesem Normalbetriebszustand fließt der gesamte elektrische Strom durch das SMA-Element 6, das derart dimensioniert ist, dass der innerhalb spezifizierter Grenzen fließende Strom im Normalbetrieb das SMA-Element 6 nicht signifikant erwärmt und somit das SMA-Element 6 unterhalb eines spezifizierten Temperaturschwellwertes im in 1 dargestellten Formzustand verbleibt.
-
Im Falle einer Überlast, das heißt wenn die elektrische Last mehr Strom beansprucht als im Normalbetrieb zulässig ist, wird das SMA-Element 6 langsam über einen bestimmten Zeitraum aufgeheizt bis es schließlich den Temperaturschwellwert erreicht. Ein Erwärmen des SMA-Elementes 6 erfolgt entweder unmittelbar durch die erhöhte Stromstärke beziehungsweise Stromdichte durch das SMA-Element 6 oder indirekt über eine Verstärkung der strombedingten Erwärmung beispielsweise durch eine bestimmte Geometrie oder Formgebung des SMA-Elementes 6 oder durch spezielle Dimensionierung und Gestaltung der Umgebung des SMA-Elementes 6. In einer Ausführungsform ist das SMA-Element 6 thermisch in einem Gehäuse eingekapselt, das sich aufgrund der Erwärmung durch den erhöhten Stromfluss aufheizt und die Wärmeentwicklung am SMA-Element 6 verstärkt, so dass die Temperatur des SMA-Elementes 6 schließlich den Temperaturschwellwert überschreitet. In einem Beispiel liegt der Temperaturschwellwert des SMA-Elementes 6 bei etwa 90° C, wobei eine nominale Erwärmung aufgrund eines erhöhten Stromflusses lediglich von 20° C Raumtemperatur auf ca. 45° C erfolgt. Eine zusätzliche Wärmekapselung des SMA-Elementes 6 führt schließlich dazu, dass die gestaute Wärme eine Erhitzung des SMA-Elementes 6 auf über 90° C verursacht.
-
Wenn die Temperatur des SMA-Elementes 6 schließlich den Temperaturschwellwert überschreitet und das SMA-Element 6 somit über den Temperaturschwellwert erwärmt bzw. aufgeheizt wird (vergleiche schraffierte Darstellung des SMA-Elementes 6 in 2), so verursacht eine Formveränderung (Zusammenziehen) des SMA-Elementes 6 vom in 1 dargestellten ersten (verlängerten bzw. gedehnten) Formzustand in den in 2 dargestellten verkürzten zweiten Formzustand eine Zugkraft, die einer Federkraft des bistabilen Federelementes 7 entgegenwirkt. Sobald die durch das SMA-Element 6, genauer durch dessen Formveränderung, erzeugte Zugkraft die Federkraft des bistabilen Federelements 7 übersteigt, schnappt das bistabile Federelement 7 von der in 1 dargestellten Position (erster stabiler Federzustand) in die in 2 dargestellte zweite Position (zweiter stabiler Federzustand). Beim Übergang vom ersten stabilen Federzustand in den zweiten stabilen Federzustand wird das bistabile Federelement 7 sogar durch die Bewegung des SMA-Elementes 6 unterstützt und durch das SMA-Element 6 aktiv in Richtung des zweiten stabilen Federzustands gemäß 2 gezogen. Beim Umschnappen des bistabilen Federelementes 7 vom Zustand gemäß 1 in den Zustand gemäß 2 wird das Kontaktelement 2 abrupt und schnell vom anderen Kontaktelement 3 getrennt, so dass der Stromkreis verlässlich und definiert geöffnet wird und es zu einer Schutztrennung zum Abschalten der elektrischen Last kommt (vergleiche 2).
-
Das bistabile Federelement 7 hat in der Schutz-Vorrichtung 1 den Vorteil, dass es diskrete, definierte und sichere Schaltzustände ermöglicht. Gemäß 1 wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktelementen 2 und 3 solange beibehalten, bis eine Zugkraft des SMA-Elementes 6 die Federkraft des bistabilen Federelementes 7 übersteigt, was zu einem plötzlichen Umschalten in den in 2 dargestellten Zustand ermöglicht. Nachdem das bistabile Federelement 7 in 2 ebenfalls in einem stabilen Federzustand ist, der bezüglich eines Kraftvektors bzw. einer Richtung entgegengesetzt zum in 1 dargestellten Federzustand wirkt, wird das gemäß 2 erhitzte SMA-Element in der Position gemäß 2 gehalten. Auf diese Weise kompensiert das bistabile Federelement 7 jegliche Kräfte, die das SMA-Element 6 aus der in 2 dargestellten Position zurück in seine verlängerte Position gemäß 1 zwingen könnten. Somit hält das bistabile Federelement 7 den Stromkreis gemäß 2 dauerhaft offen. Die Kontaktelemente 2 und 3 bleiben somit im Zustand gemäß 2 verlässlich getrennt. Der bedienbare Rücksetz-Hebel 9 ist aufgrund der Trennbewegung der Vorrichtung entsprechend verkippt und zeigt von außen ein Auslösen der Schutzvorrichtung an.
-
Gemäß 3 ist das SMA-Element 6 erneut derart abgekühlt, dass es seinen charakteristischen Temperaturschwellwert wieder unterschritten hat. Dennoch verbleibt das SMA-Element 6 in dem in 3 dargestellten Formzustand, der dem in 2 dargestellten Formzustand entspricht. Wie oben erläutert, wird dies durch den stabilen Federzustand des bistabilen Federelementes 7 erzwungen. Das bedeutet, dass trotz einer Rückkehr des SMA-Elementes 6 in einen Temperaturbereich unterhalb des Temperaturschwellwertes ein erneuter Übergang in den ersten Formzustand verhindert wird, so dass auch in diesem Zustand des SMA-Elementes 6 der Stromkreis mit getrennten Kontaktelementen 2 und 3 vermittels des bistabilen Federelementes 7 offengehalten bleibt.
-
Damit die Kontaktelemente 2 und 3 wieder zusammengebracht und der Stromkreis entsprechend erneut geschlossen werden können (weil beispielsweise die Fehlerursache behoben wurde und eine elektrische Last erneut laufen soll) muss der Rücksetz-Hebel 9 betätigt werden. Der Rücksetz-Hebel 9 kann dabei gemäß 3 am oberen Ende nach rechts gedrückt werden, so dass er über die schwenkbare Aufhängung 10 das mit dem Rücksetz-Hebel 9 gekoppelte Kontaktelement 2 in Richtung des Kontaktelementes 3 zwingt. Durch Betätigen des Rücksetz-Hebels 9 wird somit eine Federkraft des bistabilen Federelementes 7 im in 3 dargestellten Federzustand überwunden, so dass das bistabile Federelement 7 in den gemäß 1 dargestellten Federzustand zurückschnappt und die Kontaktelemente 2 und 3 erneut fest miteinander verbindet. Auf diese Weise kann über den Rücksetz-Hebel 9 der Stromkreis wieder geschlossen werden.
-
Die anhand der 1 bis 3 und der obigen Erläuterungen dargestellte Funktionsweise findet analog Anwendung auf einen Kurzschlussfall. Bei diesem Szenario heizt die extrem hohe Kurzschlussstromstärke beziehungsweise Stromdichte das SMA-Element 6 sehr schnell aufgrund einer direkten jouleschen Erwärmung auf, so dass der Temperaturschwellwert des SMA-Elementes 6 nahezu instantan erreicht wird. Dies könnte lediglich durch eine hohe Wärmekapazität des SMA-Elementes 6 verzögert werden. Allerdings zeigt sich, dass in diesem Fall ein Auslösen der Vorrichtung durch das SMA-Element 6 dennoch innerhalb von wenigen Millisekunden erfolgt. Somit erlaubt die Schutz-Vorrichtung 1 der erläuterten Art einen sehr einfachen Mechanismus, der sowohl für einen Überstrom-Schutz als auch für einen Kurzschluss-Schutz ausgelegt ist und verlässliche Schaltzustände und Schaltverhalten erzielt.
-
Die in traditionellen Schutz-Vorrichtungen erforderlichen mechanischen Sperren, die bei Einsatz herkömmlicher elektromagnetischer Aktuatoren zusätzlich erforderlich sind und ein Trennen der Kontaktelemente 2 und 3 aufrecht erhalten, selbst wenn ein sinusförmiger Wechselstrom vorübergehend verschwindet, sind in der Schutz-Vorrichtung 1 der hier erläuterten Art nicht notwendig. Vielmehr erlaubt der dargestellte und erläuterte Aufbau des SMA-Elementes 6 in Kombination mit dem bistabilen Federelement 7 eine verlässliche Einnahme der verschiedenen Schaltzustände. Insbesondere der in 2 dargestellte Zustand getrennter Kontaktelemente 2 und 3 kann auf diese Weise dauerhaft aufrechterhalten werden. Dieses Verhalten wird auch durch die Eigenschaften des SMA-Elementes 6 unterstützt, wobei das SMA-Element aufgrund seines Hysterese-Verhaltens bei einem Übergang zwischen der Niedrigtemperaturphase (Martensit) und der Hochtemperaturphase (Austenit) eine Zunahme der Formveränderung und ggf. eine Zunahme der durch die Formveränderung herbeigeführten Kraft, wenn auch nur kurzzeitig je nach Dimensionierung z.B. über 50 ms bis 500 ms, beibehält, selbst wenn aufgrund des Kurzschlussstromverhaltens schwankende Stromzustände oder Zwischenzustände des elektrischen Stromkreises erreicht werden. Das bedeutet, dass aufgrund der Formveränderung des SMA-Elementes die Kontaktelemente 2 und 3 niemals unmittelbar nach einem Öffnen wieder schließen und somit nicht einer Gefahr eines Verschmelzens unterliegen. Eine Rückführung des SMA-Elementes 6 vom Formzustand in der Hochtemperaturphase zurück in den Formzustand in der Niedrigtemperaturphase kann erst erfolgen, wenn das SMA-Element 6 ausreichend abgekühlt ist und die Hysterese-Kurve von der Hochtemperaturphase zurück in die Niedrigtemperaturphase durchläuft. Dieses Verhalten des SMA-Elementes 6 wird durch das bistabile Federelement 7 unterstützt, so dass stabile, definierte und diskrete Schaltzustände erzielbar sind.
-
In nicht dargestellten Ausführungsformen kann die Schutz-Vorrichtung 1 gemäß den 1 bis 3 derart abgewandelt sein, dass mehrere SMA-Elemente 6 symmetrisch auf beiden Seiten, das heißt einmal zwischen den Kontaktelementen 2 und 5 und einmal zwischen den Kontaktelementen 3 und 4 eingerichtet sind. Weiterhin ist eine symmetrische Ausführung bezüglich der elektrischen Anschlüsse einer Last möglich. So ist eine Schutz-Vorrichtung für einen Strom zur Last hin, als auch eine Schutz-Vorrichtung für einen Strom von der Last weg möglich, wobei die beiden Schutzvorrichtungen idealerweise gekoppelt sind, sodass stets eine Trennung beider Anschlusszweige erreicht wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Last unabhängig von der Anschlussreihenfolge von der elektrischen Spannung getrennt wird. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Drehbewegung anstelle einer horizontalen Fügebewegung zum Trennen der Kontaktelemente 2 und 3 vorgesehen. Auch eine mechanische Kopplung von mehreren Strompfaden an eine Schutzvorrichtung oder die Kopplung mehrerer Schutzvorrichtungen mehrerer Strompfade (eine oder mehrere Schutzvorrichtungen pro Strompfad) und dadurch die Sicherstellung eines gleichzeitigen Öffnens und Schließens, bspw. für alle Phasen eines Dreiphasensystems, ist vorteilhaft. Zudem ist möglich, jegliche Art einer Übertragung einer Bewegung zwischen dem SMA-Element 6 beziehungsweise dem bistabilen Federelement 7 und den Kontaktelementen 2 beziehungsweise 3 über eine Kopplungsvorrichtung vorzusehen, anstelle einer direkten Übertragung der Kräfte zwischen dem SMA-Element 6, dem bistabilen Federelement 7 und den Kontaktelementen 2 und 3.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Aktivierung eines mechanischen und/oder elektrischen Entriegelungsmechanismus vorgesehen anstelle eines bedienbaren Rücksetz-Hebels 9. Hier können auch verschiedene weitere Typen von Rücksetz-Mechanismen vorgesehen werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist ein indirekter Mechanismus im Zusammenhang mit dem Rücksetz-Hebel 9 vorgesehen, welcher es ermöglicht das bistabile Federelement 7 zurückzusetzen, jedoch auch dann ein Öffnen der Schutzvorrichtung zulässt bzw. erzwingt, wenn der Rücksetz-Hebel 9 manuell in Schließstellung gehalten wird. Ein solcher Mechanismus kann beispielsweise durch mechanische Kopplung des Rücksetz-Hebels 9 an die Aufhängung 8 des bistabilen Federelements 7 erzielt werden. Die Aufhängung 8 ist dann aufgrund einer Bedienung des Rücksetz-Hebels 9 von einer zweiten Position, die mit dem zweiten Federzustand des bistabilen Federelements 7 korreliert, in eine erste Position, die mit dem ersten Federzustand des bistabilen Federelements 7 korreliert, bewegbar. Aufgrund dieser Bewegung der Aufhängung 8 ist das bistabile Federelement 7 aus dem zweiten stabilen Federzustand zurück in den ersten stabilen Federzustand bewegbar. Dennoch ist das bistabile Federelement 7 in diesem Fall vorteilhaft derart eingerichtet, dass ein Übergang des bistabilen Federelementes 7 vom ersten stabilen Federzustand in den zweiten stabilen Federzustand aufgrund der mechanischen Formveränderung des temperatursensitiven Elementes 6 vom ersten Formzustand in den zweiten Formzustand unabhängig von der Position der Aufhängung 8 erzwungen wird.
-
Der Rücksetz-Hebel 9 kann allgemein als Schalter eingerichtet sein zum direkten Schalten (Ein-/Ausschalten) unabhängig vom Eintreten eines der genannten Fehlerfälle.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, neben dem oben erläuterten Mechanismus ein Abschalten auch durch anderweitige Krafteinwirkung (vermittels eines weiteren Mechanismus) auf den Rücksetz-Hebel 9 oder das bistabile Federelement 7 auszulösen. Beispielsweise ist meist ein separater Auslösemechanismus vorgesehen, welcher einen Stromkreis dann öffnet, wenn die Schutzvorrichtung von einer Anschlussstelle, z.B. einer Stromschiene, entfernt wird. Hier kann z.B. ein federvorgespannter Pin beim Entfernen auf das bistabile Federelement 7 drücken und die Kontakteelemente 2, 3 trennen.
-
Außerdem kann ein über die dargestellte Ausführungsform hinausgehender und mechanisch komplexerer Mechanismus vorgesehen sein, um die inneren Kontaktelemente 2 und 3 oder den Rücksetz-Hebel 9 in einem Auftrennen beziehungsweise Schließen der Kontaktelemente 2 und 3 weiterzubilden. Ferner kann ein spezieller Kompensationsmechanismus vorgesehen sein, um die Temperatur in der Umgebung des SMA-Elementes 6 zu kompensieren beziehungsweise zu verstärken, um ein Aufheizen des SMA-Elementes 6 zum Auslösen der Schutzvorrichtung einstellbar zu gestalten. Hier sind auch spezielle Formgebungen oder Geometrien des SMA-Elementes 6 möglich.
-
In weiteren Ausführungsformen ist anstelle des SMA-Elementes 6 ein anderes temperatursensitive Element, wie zum Beispiel ein Bimetall oder Wachsaktuator, vorgesehen.
-
Die hier dargestellte Schutz-Vorrichtung hat den Vorteil gegenüber herkömmlichen Lösungen, dass sie vergleichsweise einfach konstruierbar ist und wenig Bauraum benötigt. Sie ist außerdem weniger komplex als herkömmliche Lösungen, die insbesondere für einen Überlast-Schutz und einen Kurzschluss-Schutz separate Mechanismen vorsehen. Außerdem erlaubt die Schutz-Vorrichtung der hier erläuterten Art das Einnehmen verlässlicher Schaltzustände, so dass eine elektrische Last, wie z.B. ein elektrischer Motor, in verschiedenen Szenarien (Überspannung oder Kurzschluss) verlässlich abgesichert werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schutz-Vorrichtung
- 2
- internes Kontaktelement
- 3
- internes Kontaktelement
- 4
- externes Kontaktelement
- 5
- externes Kontaktelement
- 6
- SMA-Element
- 7
- bistabiles Federelement
- 8
- Aufhängung
- 9
- Rücksetz-Hebel
- 10
- Aufhängung
