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Die
Erfindung geht aus von einem bistabilen steuerbaren Leistungsschalter
mit wenigstens einem Hochstromschalter für große Ströme nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, das Schalten von großen Strömen beispielsweise mit einem Hochstromschalter
durchzuführen,
der einen oder mehrere speziell angepassten Kontakte besitzt. Diese
Kontakte können
beispielsweise von Hand betätigt
werden. Es ist weiterhin bekannt, auch zum ferngesteuerten oder
automatischen Schalten der Kontakte des Hochstromschalters ein Relais,
Schütz oder
dergleichen als Antrieb zu verwenden.
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Um
einen dauerhaften Betrieb des Hochstromschalters zu gewährleisten,
sollten insbesondere deren Schaltkontakte dauerhaft einen niedrigen Übergangswiderstand
aufweisen. Durch Abbrand, Korrosion, Schmutz, Feuchtigkeit usw.
entstehen auf der Oberfläche
der Kontakte Fremdschichten, die bei jedem Schaltvorgang durch die
eingetragene Energie im Kontakt wieder abgebaut werden. Bei diesem sogenannten
Fritten steigt mit steigendem Strom die Spannung am Kontakt stark
an, um dann nach weiterer Erhöhung
des Stromes bei einer charakteristischen Spannung zu verharren,
bis die Kontaktflächen
soweit gesäubert
sind, dass der Kontaktübergang
wieder ohmsches Verhalten hat.
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In
der Praxis werden die Kontakte daher für einen bestimmten Lastbereich
ausgebildet, damit ihre Funktion und Zuverlässigkeit gewährleistet
ist. Für
große
zu schaltende Lasten werden beispielsweise große Kontakte verwendet, deren
Kontaktflächen
mit einem relativ großen
Krümmungsradius
gebildet sind.
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Für kleine
Lasten verwendet man üblicherweise
kleine Kontaktsätze
mit kleinen Krümmungsradien,
die unter Umständen
mit speziellen Oberflächenveredlungen
ausgebildet sind. Die kleineren Kantakte mit den kleineren Krümmungsradien
sind in der Lage, die Fremdschichten leichter zu durchdringen. Durch
ihre kleinere Masse erwärmen
sie die kleineren Kontakte stärker,
so dass die Fremdschichten durch thermische Zersetzung abgebaut
werden.
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Kleine
Kontakte sind aber nicht in der Lage, große Ströme zu schalten oder zu tragen,
da sie dabei thermisch überlastet
werden würden.
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Bisher
wurde dieses Problem dadurch gelöst,
dass man Schalter für
nur einen vorgegebenen Leistungsbereich gebaut und verwendet hat.
Ein Schalter, der im Wechsel große und kleine Lasten problemlos
ein- und ausschaltet, also bistabil schaltet und dabei kostengünstig herstellbar
ist, ist bisher nicht bekannt geworden.
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Aus
der
EP 354 803 A1 ist
ein bistabiler Leistungsschalter bekannt, der zum Öffnen eines
Schaltkontaktes eines Stromkreises mit einem bistabilen Magnetgeber
ausgebildet ist. Der bistabile Magnetgeber weist einen Dauermagneten
auf, der über
eine mechanische Verbindung den Schaltkontakt geschlossen hält. Durch
einen kapazitiven Impuls wird der bistabile Magnetgeber erregt.
Dabei wird über
die mechanische Verbindung der Schaltkontakt betätigt, so dass der Stromkreis
unterbrochen wird. Der bistabile Leistungsschalter weist ein Gehäuse auf,
in dem der Schaltkontakt mit zwei Anschlusskontakten, der bistabile
Magnetgeber, der Dauermagnet und die mechanische Verbindung angeordnet
sind.
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Der
erfindungsgemäße bistabile,
steuerbare Leistungsschalter mit wenigsten einem Hochstromschalter
für große Ströme mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass mit dem gleichen Schalter im Wechsel sowohl große Leistungen
als auch kleine Leistungen geschaltet werden können. Als besonders vorteilhaft
wird da bei angesehen, dass auch bei hohen Schaltleistungen der parallel
geschaltete Schwachstromschalter nicht überlastet werden kann. Dies wird
in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass nach dem Anlegen eines
Einschaltimpulses zeitlich vorrangig zuerst der Hochstromschalter
und danach der Schwachstromschalter geschlossen werden. Ein starker
Einschaltstrom wird daher zunächst
vom Hochstromschalter abgefangen, bevor ein relativ kleiner Teilstrom über den
Schwachstromschalter fließen
kann. Bei einem kleinen Schaltstrom fließt auch nur ein kleiner Strom über den
Schwachstromschalter. Dieser reicht aber noch aus, den kleinen Kontakt
zu säubern.
Mit dieser Anordnung der Schaltkontakte wird die Lebensdauer des
Leistungsschalters in vorteilhafter Weise verlängert.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch aufgeführten Leistungsschalter
möglich,
Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass auch beim Ausschalten
des Leistungsschalters eine zeitliche Verzögerung des Schaltens der Kontakte
erfolgt. In diesem Fall wird jedoch zuerst der Schwachstromschalter
geöffnet
und danach der Hochstromschalter. Dieser zeitliche Ablauf hat den
Vorteil, dass der Hauptstrom zunächst
weiterhin über
den Hochstromschalter fließen
muss, bevor auch dieser geöffnet wird.
Ein zufälliges
kurzeitiges Überlasten
des Schwachstromschalters wird somit sicher vermieden.
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Als
günstig
wird auch angesehen, mit Hilfe eines monostabilen Relais und eines
bistabilen Relais einen Hilfsstromkreis zu bilden. Der Hilfsstromkreis
steuert auf einfache Weise das sequentielle Schließen und Öffnen der
Kontakte des Schwachstrompfades und des Hochstrompfades. Durch ihn wird
sichergestellt, dass zuerst der Hochstromschalter und danach der
Schwachstromschalter geschlossen werden, beziehungsweise in umgekehrter
Reihenfolge beim Öffnen
der Schalter.
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Um
sicherzustellen, dass die vorgegebene Schaltfolge der Kontakte des
monostabilen Relais und des bistabilen Relais sicher eingehalten
wird, wurde vorteilhaft eine Verriegelungsschaltung vorgesehen.
Diese Verriegelungsschaltung schließt eine andere Schaltfolge
sicher aus.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass in den Schwachstrompfad ein niederohmiger
Widerstand geschaltet wird. Dieser Widerstand begrenzt den Stromfluss über den
Kontakt des Schwachstromschalters auf einfache Weise, so dass damit
die Stromverteilung zwischen dem Hochstromschalter und dem Schwachstromschalter
wirkungsvoll gesteuert werden kann.
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Günstig ist
auch, die Dimensionierung des Widerstandes im Hinblick auf die zulässige Belastbarkeit
des Schwachstromschalters zu wählen.
Einerseits darf sein Wert nicht zu groß werden, damit in dem Schwachstrompfad
nicht der Spannungsabfall zu groß wird. Das hätte zur
Folge, dass der minimale Strom zum Freibrennen der Kontaktflächen des Schwachstromschalters
nicht erreicht wird. Ein zu kleiner Widerstand hätte andererseits zur Folge, dass
der maximal fließende
Strom über
den Schwachstromschalter zu groß werden
würde und
einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten
könnte.
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Eine
geeignete Wahl für
den Widerstandswert stellt somit sicher, dass der gesamte Leistungsschalter
sowohl für
große
als auch für
kleine Leistungen voll nutzbar ist. Dieses setzt jedoch voraus,
dass auch der Kontakt des Schwachstromschalters eine geeignete Dimensionierung
aufweist, d.h. für
kleine Ströme
dimensioniert ist.
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In
der Regel wird der Hochstromschalter aus Sicherheitsgründen beispielsweise
nicht von Hand, sondern durch einem bistabilen Antrieb betätigt. Als ein
geeigneter Antrieb kann ein elektromagnetischer Antrieb angesehen
werden, der auch auf einfache Weise mit geringem Leistungsaufwand
fernsteuerbar ist.
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Eine
günstige
alternative Lösung
für einen bistabilen
Antrieb des Hochstromschalters ist auch durch die Verwendung eines
Drahte aus Formgedächtnismetall
gegeben. Dieser Draht hat den Vorteil, dass er sich bei Belastung
mit einem Strom in eine stabile zweite Lage biegt. Nach Abschalten
des Stromes kann er in seine Ausgangslage wieder zurückgebogen
werden, die er sich gemerkt hatte. Ein derartiger Antrieb ist ohne
großen
Aufwand kostengünstig
herstellbar und erscheint als Stellantrieb für einen bistabilen Schalter
besonders geeignet.
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Zum
Ein- und Ausschalter des Leistungsschalters lassen sich vorteilhaft
einfache handelsübliche
Baugruppen wie monostabile und bistabile Relais verwenden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen bistabilen Leistungsschalter
bilden, der geeignet ist, sowohl große als auch kleine elektrische
Leistungen zu schalten. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des
im Hauptanspruch angegebenen bistabilen Leistungsschalters gelöst.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel
in Form eines Stromlaufplanes.
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Vorweg
sei darauf hingewiesen, dass in der Figur nur eine schaltbare Stromphase
dargestellt ist. Weitere Phasen sind entsprechend auszubilden, während der
Nulleiter (Rückleiter) üblicherweise nicht
geschaltet ist. Er ist in der Figur als Position 9 schematisch
gekennzeichnet. Der Rückleiter 9 ist vorzugsweise
als Masseanschluss ausgebildet.
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Im
Stromlaufplan der Figur ist zunächst
ein Hochstrompfad a zu erkennen, der zwischen zwei Anschlüssen 11, 12 verläuft. An
die Anschlüsse 11, 12 sind
die externen Stromleitungen anzuschließen, die wahlweise alternierend
hohe oder niedrige Leistungen beziehungsweise Ströme führen können. Der Anschluss 11 ist
dabei für
den stromführenden
Phasenanschluss vorgesehen, während
Anschluss 12 mit dem Eingang eines in der Figur nicht dargestellten
Verbrauchers verbunden wird.
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Im
Hochstrompfad a ist ein Hochstromschalter 1 geschaltet,
der einen oder mehrere Kontakte aufweisen kann. Im einfachsten Fall
ist er als Ein-/Ausschalter ausgebildet. Sein Kontakt ist von der
Materialwahl und -dimensionierung für hohe Leistungen beziehungsweise
Ströme
ausgelegt. Er hat große
Kontaktflächen
mit einem entsprechend großen
Krümmungsradius.
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Der
Schaltkontakt des Hochstromschalters 1 wird von einem bistabilen
Antrieb 2a, 2b angetrieben, der beispielsweise
elektromagnetisch ausgebildet sein kann.
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In
alternativer Ausführung
der Erfindung ist vorgesehen, als Antrieb einen Draht aus Formgedächtnismetall
zu verwenden, um die beiden stabilen Lagezustände des Schalters 1 einzustellen.
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Parallel
zum Hochstromschalter 1 ist ein Schwachstrompfad b geschaltet.
In diesen Schwachstrompfad b ist zunächst ein niederohmiger Widerstand 10 geschaltet,
der über
einen Schaltkontakt eines Schwachstromschalter 5 ein- oder
ausgeschaltet werden kann. Der Schwachstrompfad b ist als Bypass
ausgebildet, wobei der Widerstand 10 so ausgebildet ist,
dass er den Strom über
den Kontakt des Schwachstromschalters 5 begrenzt. Des Weiteren wird
durch ihn sichergestellt, dass ein minimaler Strom noch den Kontakt
reinigen kann. Der Kontakt ist vorzugsweise für eine geringe Schaltleistung
ausgelegt.
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Der
Schwachstromschalter 5 wird von einem bistabilen Relais 8a, 8b angetrieben.
Das bistabile Relais 8a, 8b weist beispielsweise
zwei Speicherrelais 8a beziehungsweise 8b aus,
die einen mechanisch gekoppelten Kontaktsatz mit den Schaltern 5, 6 in
die beiden stabilen Positionen schalten. Das bistabile Relais 8a, 8b ist
per se bekannt und muss daher nicht näher beschrieben werden. Mit
dem bistabilen Relais 8a, 8b kann der Hochstromschalter 1 ausgeschaltet
werden, wenn an den Steuerklemmen 15, 16 ein Spannungspuls
angelegt wird. Die genaue Erläuterung
der Funktion erfolgt später.
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Das
bistabile Relais 8a, 8b ist Teil eines Hilfsstromkreises,
der die Elemente 3 bis 10 umfasst. In dem Hilfsstromkreis
ist des Weiteren ein monostabiles Relais 7 angeordnet,
an dessen Steuerklemmen 13, 14 der Hochstromschalter 1 eingeschaltet
werden kann. Das monostabiles Relais 7 weist zwei Schalter 3, 4 auf,
die – wie
auch die übrigen
Schalter – in
ihrer Ruhestellung eingezeichnet sind.
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Mit
dem geschlossenen Schalter 3 kann über einen Strompfad c das linke
Relais 8a eingeschaltet werden. Der Strompfad c ist dabei
zusammen mit der Schaltfahne des Schwachstromschalters 5 unterhalb des
Hochstromschalters 1 mit dem Hochstrompfad a verbunden.
Er führt
nur Strom, wenn zuvor der Hochstromschalter 1 geschlossen
wurde. Ein zweiter Anschluss des Relais 8a ist mit dem
Rückleiter 9 (Nulleiter)
verbunden, der als Masseanschluss ausgebildet ist.
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Der
Schalter 4 ist als Umschalter ausgebildet und mit dem Schalter 3 mechanisch
gekoppelt. In Ruhestellung ist der linke Kontakt über eine
Leitung d mit dem rechten Teil des bistabilen Antriebs 2b verbunden,
dessen zweiter Anschluss unterhalb des Hochstromschalters 1 mit
dem Hochstrompfad a verbunden ist. Andererseits ist der Strompfad
d über
den Schalter 6 mit dem Rückleiter 9 verbunden.
In diesem Zustand ist der rechte Teil des bistabilen Antriebs 2b jedoch
nicht bestromt, da der Kontakt des Hochstromschalters 1 geöffnet ist
und somit keine Verbindung zur Stromzuführung über die Anschlussklemme 11 vorliegt.
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Der
rechte Kontakt des Umschalters 4 ist über eine weitere Leitung e
mit dem linken Teil des bistabilen Antriebs 2a verbunden,
dessen zweiter Anschluss oberhalb des Hochstromschalters 1 mit
dem Hochstrompfad a verbunden ist.
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Die
Kontaktfahne des Umschalters 4 ist mit dem Einschaltkontakt
des Schalters 6 verbunden, der in Ruhestellung mit dem
Rückleiter 9 verbunden ist.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung näher erläutert.
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Zunächst wird
angenommen, der steuerbare Leistungsschalter ist ausgeschaltet,
so dass der Stromlaufplan in der eingezeichneten Stellung gilt. Wird
nun an die Steuerklemmen 13, 14 ein Einschaltimpuls
angelegt, dann zieht das monostabile Relais 7 an und die
beiden Schalter 3, 4 werden in die rechte Position
umgestellt. Über
den Umschalter 4 und die weitere Leitung e wird nun der
linke Teil des Antriebs 2a aktiviert, da sich jetzt sein
Stromkreis über
den stromführenden
oberen Teil des Hochstrompfades a bis hin zum Rückleiter 9 schließt.
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Erst
nachdem der Kontakt des Hochstromschalters 1 geschlossen
wurde, wird nun das Relais 8a über den Strompfad c und den
Schalter 3 mit Strom versorgt. Erst jetzt zieht das Relais 8a zeitlich verzögert an,
nachdem der Hochstromschalter 1 vorrangig geschlossen wurde.
Dadurch werden die beiden gekoppelten Kontakte der Schalter 5, 6 nach links
umgeschaltet und somit der Schwachstrompfad b über den Schwachstromschalter 5 dem
Hochstromschalter 1 parallel geschaltet.
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Durch
diese Verriegelungsschaltung ist sichergestellt, dass zeitlich vorrangig
zuerst der Hochstromschalter 1 und danach der Schwachstromschalter 5 geschlossen
werden. Durch Selbsthaltung bleibt dieser Schaltzustand erhalten,
bis an die Steuerklemmen 15, 16 ein Ausschaltimpuls
angelegt wird.
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Zum
Ausschalten des Hochstromschalters 1 wird nun an die Steuerklemmen 15, 16 ein
Ausschaltimpuls angelegt. In diesem Fall schaltet der rechte Teil
des bistabilen Relais 8b die beiden Schalter 5, 6 in
die rechte Position. Dadurch wird zunächst der Schwachstromschalter 5 geöffnet und
somit der Schwachstrompfad b stromlos.
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Zeitlich
nachfolgend wird nun der rechte Teil des Antriebs 8b über den
Umschalter 4, der wegen des monostabiles Relais 7 in
seine stabile Grundstellung zurückgefallen
war, und den Strompfad d aktiviert und öffnet zeitlich verzögert den
Hochstromschalter 1.
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Die
Verzögerungszeit
zwischen dem Schwachstromschalter 5 und dem Hochstromschalter 1 ist
konstruktionsbedingt abhängig
vom Typ und der Ausführung
des Antriebs 2a, 2b. Bei einer Ausführungsform
mit einem Draht aus Formgedächtnismetall
hängt beispielsweise
die Reaktionszeit unter anderem von dem Heizstrom des Drahtes ab
und kann entsprechend vorgegeben werden.
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Alle
Schaltkontakte befinden sich wieder in der eingezeichneten ursprünglichen
Position. Damit ist der Einschalt- und Einausschaltzyklus für den bistabilen
steuerbaren Leistungsschalter abgeschlossen.
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- a
- Hochstrompfad
- b
- Schwachstrompfad
- c
- Strompfad
- d
- Leitung
- e
- weitere
Leitung
- 1
- Hochstromschalter
- 2a,
2b
- bistabiler
Antrieb
- 3
- Schalter
- 4
- Umschalter
- 5
- Schwachstromschalter
- 6
- Steuerschalter
- 7
- Monostabiles
Relais
- 8a,
8b
- bistabiles
Relais
- 9
- Rückleiter/Masse
- 10
- niederohmiger
Widerstand
- 11
- Anschlussklemme
(stromseitig)
- 12
- Anschlussklemme
(verbraucherseitig)
- 13–16
- Steuerklemmen
- 3–6
- Verriegelungsschaltung
- 3–10
- Hilfsstromkreis