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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kurzschluss- und Überlastauslöser für ein Schaltgerät, das ein
durch einen piezoelektrischen Aktor entklinkbares Schaltschloss
enthält,
wofür ein
piezoelektrischer Wandler vorhanden ist.
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Piezoaktoren
in Verbindung mit einer Strommesseinrichtung und einer elektronischen
Verarbeitungseinheit eignen sich als Auslöser für Überlast in einem Leistungsschalter.
Sie ersetzen dabei den Bimetallauslöser eines herkömmlichen
Leistungsschalters und wirken in ähnlicher Weise wie der Bimetallauslöser mechanisch
direkt auf das Schaltschloss. Der elektronischen Verarbeitungseinheit
wird hierbei ein Signal zugeführt,
welches den fließenden
Strom repräsentiert.
Zur Erfassung des Stromes ist ein separater Stromsensor wie z.B.
ein Stromwandler o. dgl. erforderlich. Auf der Grundlage an und
für sich bekannter
Verfahren und Vorschriften berechnet die elektronische Verarbeitungseinheit,
wann eine Überlast
vorliegt. Eine solche Überlast-Auslöseeinheit
hat durch die elektronische Verarbeitungseinheit einen wesentlich
vergrößerten Einstellbereich,
d.h. dass der Nennstrom und damit der als Überlast angesehene Strom durch
den Nutzer in weiten Grenzen verändert
und damit auf die Gegebenheiten der Anwendung angepasst werden kann.
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Als
Kurzschlussauslöser
wird in mechanischen Schaltgeräten üblicherweise
ein magnetischer Aktor eingesetzt, der vom Strom durchflossen wird und
im Kurzschlussfall durch die hierdurch hervorgerufenen magnetischen
Kräfte
mechanisch eine Entklinkung des Schaltschlosses und damit ein Abschaltung
bewirkt.
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Aus
der
US 4 042 967 A ist
die Verwendung eines Piezoaktors zur Abschaltung eines Erdschlusses
vorbekannt. Hierbei wird der Piezoaktor im Kurzschlussfall direkt
von einer Elektronik angesteuert und damit eine schnelle Abschaltung
im Kurzschlussfall veranlasst.
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Bisher
sind jedoch keine Leistungsschalter mit Piezoaktor als praxisgerechtes
Produkt bekannt. Lediglich für
DI-Schalter ist eine Auslöseeinrichtung mit
Piezoaktoren auf dem Markt (www.servocell.com), wozu weiterhin auf
die
EP 0 548 732 B1 verwiesen
wird.
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Darüber hinaus
wird in der
EP 0 517
049 A1 ein permanentmagnetischer Fehlerstromauslöser beschrieben,
der einen Permanentmagneten enthaltendes Bauelement mit einer Polfläche, gegen
die ein Ankerelement, das entgegen der Kraft einer Feder durch den
Permanentfluss angezogen wird, wirkt. Der Polfläche ist ein Aktor aus piezoelektrischem
Material zugeordnet, wobei bei Auftreten des Signals der Aktor der
Ankerkraft entgegenwirkt und/oder das Ankerelement von der Polfläche abhebt.
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Des
Weiteren ist aus der WO 00/63939 A1 ein elektromechanisches Relais
bekannt, bei welchem dem Relais-Mechanismus separate Fehlerdetektoren
zugeordnet sind. Dadurch wird eine solche Anordnung vergleichsweise
komplex.
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Schließlich ist
aus der
DE 101 18
098 A1 ein Installationsschaltgerät mit einem Schaltschloss und einer
Verklinkungsstelle bekannt, das einen Aktor enthält, der bei Auftreten eines
Kurzschlussstromes das bewegliche Kontaktstück in Offenstellung verbringt,
wobei innerhalb des Gehäuses
des Installationsschaltgerätes
ein Aktor in Form eines piezoelektrischen Streifenbiegers vorhanden
ist, der ebenfalls auf die Verklinkungsstelle des Schaltschlosses
zu bleibenden Öffnung
der Kontaktstelle einwirkt. Gleichermaßen ist dabei eine Federstromdetektionseinrichtung
vorgesehen, deren Ausgangssignal bei Auftreten eines Fehlerstromes
den Aktor ansteuert.
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Ausgehend
von dem abgehandelten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
einen Auslöser
für ein
Schaltgerät
mit Schaltschloss zu schaffen, bei dem Piezoaktoren und magneti sche
Auslöser
in vorteilhafter Weise zusammenwirken. Auf diese Weise soll sowohl
eine Auslösung
im Überlastfall als
auch im Kurzschlussfall möglich
sein.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in
den Unteransprüchen
angegeben.
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Wesentlich
ist bei der Erfindung, dass der Piezoaktor einerseits im Überlastfall
durch eine an sich bekannte Elektronik angesteuert werden kann und damit
das Schaltschloss zum Trennen der Kontakte entklinkt und dass andererseits
zur schnellen Auslösung
im Kurzschlussfall eine vom Strom – in diesem Fall der Kurzschlussstrom – über eine
Auslösespule (Solenoid)
auf den ferromagnetisches Material enthaltenden Piezoaktor wirkenden
Kraft betätigt
wird. Aktiviert von der Auslösespule
betätigt
der Piezoaktor das Schaltschloss, das wiederum auf einen den Kurzschluss-/Überlast-Strom
unterbrechenden Schalter wirkt. Die Spule kann als magnetischer
Aktor mehrere Windungen aufweisen. Ggf. kann es auch ausreichend
sein, wenn nur der stromführende Leiter
am Piezoaktor vorbeigeführt
wird.
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Im
Rahmen der Erfindung sind zwei alternative Ausprägungen der Erfindung möglich: In
erster Ausprägung
liegt bei der Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik eine
Kombination von Piezoaktor und magnetischem Kurzschluss-Aktor vor,
wobei sowohl eine Überlast-
als auch eine Kurzschluss-Abschaltung dadurch herbeigeführt werden kann,
dass zugleich magnetische als auch dielektrische Eigenschaften des
Piezoaktors ausgenutzt werden. In einer zweiten Ausprägung der
Erfindung kann vorteilhafterweise eine Nutzung der Kombination aus Auslösespule
und Piezoaktor als Stromsensor erfolgen, indem die durch die Auslösespule
hervorgerufenen magnetischen Kräfte
am Piezoaktor eine Auslenkung hervorrufen, deren Amplitude ein Maß für den fließenden Strom
ist. Diese Auslenkung bewirkt durch das piezoelektrische Prinzip
die Erzeugung einer Spannung am Piezoaktor, die durch eine zugeordnete
Elektronik ausgewertet werden kann. Da der Piezoaktor in diesem
Fall sowohl als Aktor als auch als Sensor betrieben wird, ist hier
verallgemeinert vom Begriff "Piezowandler" auszugehen.
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Bei
der Erfindung wird also die vorteilhafte Kombination von elektromagnetischem
Auslöser
und Piezowandler genutzt, um sowohl einen sicheren Kurzschlussschutz
als auch einen Überlastschutz
mit u.U. vorgeschalteter elektronischer Auswerteeinheit zur realisieren.
Es existiert dabei eine klare Aufgabenteilung: Der Kurzschlussschutz
wird durch den schnellen elektromagnetischen Auslöser realisiert, der Überlastschutz
durch einen u.U. elektronisch angesteuerten Piezowandler.
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Bei
der Erfindung kann der Piezowandler gleichermaßen als Stromsensor herangezogen
werden, indem die infolge des Stromflusses durch den elektromagnetischen
Wandler hervorgerufenen Kräfte
Biegeschwingungen des Piezowandlers hervorrufen, die sich wiederum
als Spannungen an den Anschlüssen
des Piezowandlers auswerten lassen.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es
zeigen
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1 und 2 ein
Auslösesystem
aus elektrischem Piezowandler einerseits und einer Spule zur Kurzschlusserfassung
andererseits – alternativ im
verriegelten bzw. im ausgelösten
Zustand,
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3 ein
Auslösesystem
nach 1/2 mit zusätzlichem, separatem Stromwandler
zur Überlasterkennung
und
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4 eine
Realisierung eines weiter verbesserten Auslösesystems.
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In
der Figur kennzeichnet 1 einen mechanischen Schalter. Dem
mechanischen Schalter 1 ist ein Auslösesystem zugeordnet, das beispielsweise
aus einem Schaltschloss 10 bestehen kann. Dem Schaltschloss 10 ist
ein Piezoaktor 11 zugeordnet. Der Piezo aktor 11 befindet
sich in einer Halterung 12 und wird von einer elektronischen
Schaltung, die pauschal mit 20 bezeichnet ist, angesteuert.
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Der
Schalter 1 ist mit dem Schaltschloss 10 über eine
mechanische Betätigung 2 verbunden. Weiterhin
ist eine Spule 5 im zu schaltenden Stromkreis vorhanden.
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Wird
in 1, die den verriegelten Zustand des Schalters 1 wiedergibt, über die
Elektronik 20 ein Signal auf den Piezoaktor 11 gegeben,
wird der Piezoaktor 11 im Sinne einer Verbiegung aktiviert
und somit das Schaltschloss 10 freigegeben. Der Schalter 1 öffnet, was
in 2 wiedergegeben ist.
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In
der 1 und 2 sind weiterhin ein Lastkreis
und eine Spule 5 mit wenigstens einer Spulenwindung vorhanden.
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Eine
schnelle Auslösung
im Kurzschlussfall wird dadurch erreicht, dass die vom Laststrom
durchflossene Spule 5, welche einen Solenoid darstellt
und ein Magnetfeld erzeugt, magnetisch auf den Piezowandler 11 einwirkt
und so einen magnetischen Aktor realisiert. Der Piezowandler 11 enthält im allgemeinen
bereits ferromagnetisches Material, so dass das Magnetfeld der Spule 5 eine
Bewegung des Piezowandlers 11 herbeiführen kann. Dadurch kann mit dem
Piezowandler 11 über
das Schaltschloss 10 eine Abschaltung des Schalters 1 herbeigeführt werden. Enthält der Piezowandler 11 kein
magnetisches Material, kann am Piezowandler 11 eine ferromagnetische
Platte, beispielsweise durch Kleben, angebracht werden.
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Gemäß 3 wird
die Auslöseeinrichtung nach 1/2 dadurch
ergänzt,
dass im Lastkreis ein zusätzlicher
Stromwandler 30 vorhanden ist. Die Erfassung des Stromes
erfolgt demnach in diesem Fall durch den zusätzlichen Stromwandler 30,
dem eine Einheit zur Überlasterkennung 35 nachgeschaltet
ist, die auf eine modifizierte Elektronikeinheit 20' einwirkt.
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Bei 3 wird
also der Strom über
den Stromwandler 30 gemessen und in der Einheit zur Überlasterkennung 35 ausgewertet.
Das Ausgangssignal der Einheit zur Überlasterkennung gelangt zur Elektronikeinheit 20'. Im Falle einer Überlast
steuert die Elektronikeinheit 20' den Piezoaktor 11 an,
welche dann entsprechend 2 reagiert und den Schalter 1 öffnet.
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In 4 wirkt
dagegen der Piezowandler 11 direkt als Stromsensor, indem
der Strom über
die Auslösespule 5 den
Piezoaktor 11 zunächst
nur derart bewegt, dass noch keine Auslösung stattfindet. Die Bewegung
des Piezoaktors 11 kann aber als Spannung abgegriffen werden.
Die weiter modifizierte Elektronikeinheit 20'' enthält in diesem
Fall neben der Einheit 20 eine separate Einheit 20''' zur
Erfassung und Auswertung des vom Piezowandler 11 erzeugten
Spannungssignals. Somit kann zusätzlich eine
erwünschte
Strommessung mit Überlasterkennung
realisiert werden.
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Bei
allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, insbesondere
bei der 3 und/oder der 4,
dient der Piezoaktor als Auslöser,
wobei er vorteilhafterweise platzsparend ist und nur eine geringe
Ansteuerenergie benötigt.
Für die elektronische Überlasterkennung
ist ein weiter Einstellbereich vorgebbar. Die nunmehr über die
Spule auf den Piezoaktor bewirkbare Kurzschlussauslösung benötigt nur
eine einfache Konstruktion, da nur ein Verklinkungselement im Schaltschloss
vorhanden ist. Sofern der piezoelektrische Wandler kein ferromagnetisches
Material enthält,
kann in einfacher Weise ein ferromagnetisches Plättchen am piezoelektrischen
Wandler angebracht werden. Weiterhin kann vom piezoelektrischen
Wandler das Magnetfeld des magnetischen Aktors und damit des Stromes
erfasst werden. Somit erfolgt bereits eine Stromerfassung allein
durch Auswertung der Bewegung des Piezowandlers infolge des Stromes – auch ohne
Auslösung
des Schaltschlosses.