DE1059552B - Selbstschalter fuer Wechselstrom - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es sind Selbstschalter, insbesondere Installationsselbstschalter bekannt, die nur mit thermischem Bimetallauslöser ausgerüstet sind. Dieser thermische Auslöser übernimmt den Schutz von Leitungen oder Geräten und kann auch so ausgebildet sein, insbesondere wenn er unmittelbar beheizt ist, daß er bei Kurzschluß den Schalter ebenfalls zur Auslösung bringt. Die Wirkung eines derartigen Bimetallauslösers beruht darauf, daß der Kurzschluß strom eine verhältnismäßig schnelle Ausbiegung erzwingt, so daß die gesamte über den Schalter fließende Energie klein gehalten wird. Derartige Selbstschalter kann man für Wechselstrom noch besonders klein ausbilden, wenn man einen möglichst kleinen Kontaktöffnungsweg vorsieht und eine Bimetallkombination großer Stromempfindlichkeit benutzt. Man kann dann im allgemeinen, insbesondere bei hohen Kurzschlußströmen, eine öffnung der Kontaktstrecke in der ersten, spätestens in der zweiten Halbperiode erreichen.

Zur Erklärung der Wirkung derartiger Auslöser wird zunächst gemäß den Fig. 1 a bis 1 c die grundsätzliche Arbeitsweise eines Bimetalls im Kurzschlußfalle bei Wechselstrom erläutert. Hier ist mit i_k (Fig. 1 a) der Kurzschlußstrom bezeichnet, der über den Schalter und mithin auch über das direkt geheizte Bimetall fließt. Die dem Bimetall zugeführte Wärme entspricht der Größe i_k ^z · R (Fig. lb), wobei R den Widerstand des geheizten Bimetalls bedeutet. Proportional der Summe dieser Wärmemengen ist sowohl die Temperatur als auch die Ausbiegung des Bimetalls. Diese Auslenkung ist etwa proportional \ i_k ² ■R ■ dt (Fig. Ic), da die Bauart der bekannten Bimetallauslöser bei der kleinen Integrationszeit im Kurzschlußfalle nahezu keine bzw. nur eine geringe Wärmeabfuhr ermöglicht. Die bekannten direkt beheizten thermischen Auslöser werden somit nahezu eine Temperatur annehmen, die dem Integrationswert proportional ist. In Fig. 1 a bis Ic sind unter der Kurvei_k in zeitlich richtiger Zuordnung mit Null als Beginn der Zeitrechnung die Größen i_k ² bzw. C, i_k ² dt wiedergegeben, wobei die letzte Kurve gleichzeitig die Bimetallauslenkung darstellen kann.

Es wird zunächst gemäß der Kurve I angenommen, daß bei einem bestimmten Zeitpunkt a die Auslenkung des Bimetalls einen Wert s hat, wobei mit dieser Größe der einer bestimmten mittleren Bimetalltemperatur proportionale Auslöseweg dargestellt ist. In dem Zeitpunkt a wird die Schaltmechanik entklinkt, und nach der Verzögerung t_E öffnet die Kontaktstrecke zur Zeit a', so daß der Lichtbogen vom Zeitpunkt a' bis zum folgenden Nulldurchgang im Schalter bestehenbleibt. Nimmt man nun an, daß der erforderliche Auslöseweg j bei kleinerem Kurzschlußstrom (gemäß Kurve II) im Zeitpunkt b erreicht wird, so liegt der

Anmelder: Stotz-Kontakt G.m.b.H., Mannheim-Neckarau

Dipl.-Ing. Horst Drubig, Heidelberg,
ist als Erfinder genannt worden

Punkt an einer anderen Stelle der durch den Wechselstrom erzeugten Temperaturkurve des Bimetalls, und zwar z. B. in der Nähe eines Bereiches, in dem keine große Temperaturänderung und damit Ausbiegungsänderung des Bimetalls erfolgt. Die Kontaktöffnung würde unter Berücksichtigung des mechanischen Ausschaltverzugs t_E kurz nach dem Nulldurchgang des Stromes bei V erfolgen, und mithin würde der Lichtbogen über nahezu eine Halbwelle stehenbleiben, womit eine erhebliche Beanspruchung des gesamten Schalters verbunden wäre. Ist der Auslöseweg gemäß Kurve III erst im Augenblick des Stromnulldurchgangs bei c erreicht, so erfolgt auch hier die Kontaktöffnung verzögert bei c', so daß der Lichtbogen gleich- falls fast über eine Halbwelle bestehenbleibt.

Ähnliche Verhältnisse treten auf, wenn der Überoder Kurzschlußstrom zu einem von 0° wesentlich verschiedenen Zeitpunkt einsetzt, also die Erwärmung nicht bei Stromnullduchgang beginnt, sondern bei einer beliebigen augenblicklichen Stromstärke.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Auslösevorrichtung für Wechselstrom, die bei Selbstschaltern, insbesondere Installationsselbstschaltern, eingesetzt werden kann, bei der der thermische Auslöser so ausgebildet ist, daß in dem Zeitbereich, in dem ihm bei Wechselstrom keine oder nur geringe Wärmemengen zugeführt werden, ein Rückgang der Ausbiegung vorhanden ist, der erst mit erhöhter Wärmezufuhr in der folgenden Halbwelle durch erneute Temperaturzunahme aufgehoben wird. Hierdurch würden sich die in Fig. 2 a bis 2 c dargestellten Verhältnisse ergeben, in welchen die Kurven I bis III die gleichen Stromverhältnisse darstellen sollen wie in den Fig. la bis 1 c. Ebenso ist der gleiche Auslöseweg .S" angenommen.

Mit Abnahme der Wärmezufuhr hat alsdann jede der Kurven ein Maximum; in der Gegend des Stromnulldurchgangs befindet sich ein Wendepunkt und mit steigender Wärmezufuhr wird die Auslen-

909 557/329

Claims (4)

kungsänderung langsam wieder positiv. In der Kurve sind dem Auslöseweg .S entsprechend die zugehörenden Zeiten eingetragen, bei denen diese Werte erreicht werden. Bei Erreichung des Auslöseweges 5 zur Zeit ax besteht gegenüber den Fig. 1 a bis 1 c kein wesentlicher Unterschied. Wird der Auslöseweg zur Zeit b1 mit kleinerem Kurzschluß strom oder anderem Phasenwinkel erreicht, so kann dieser Punkt wegen vergrößerter Temperaturempfindlichkeit des Bimetalls so liegen, daß unter Berücksichtigung der Schaltereigenzeit die Kontaktöffnung noch kurz vor dem Nulldurchgang erfolgt. Wird nun der Kurzschlußstrom noch weiter verringert, so wird aber der gleiche Auslöseweg erst zur Zeit c1 erreicht. Der Auslösezeitpunkt c wandert also bis in den nächsten ansteigenden Ast der Ausbiegungskurve, wobei dieser Punkt erheblich in die zweite Stromhalbwelle hineingelangt, so daß unter Berücksichtigung der Eigenzeit des Schalters eine Kontaktöffnung im fallenden Ast der Stromkurve bei C1' erreicht wird und mithin die Brenndauer des Lichtbogens gegenüber den Fig. 1 a bis 1 c merklich herabgesetzt wird. Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß man tatsächlich einen derartigen Ausbiegungsverlauf an einem direkt beheizten Bimetall dadurch erreichen kann, daß man, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Bimetall verwendet, bei welchem die Komponente 1 mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten die höhere elektrische Leitfähigkeit und die Komponente 2 mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten die kleinere elektrische Leitfähigkeit aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß die erste Komponente infolge des über sie fließenden größeren Stromanteiles im Verhältnis zur Komponente 2 stärker beheizt wird. Durch diese stärkere Beheizung erfolgt eine größere Formänderung des Bimetalls in Pfeilrichtung 4, die in der energielosen Pause in der Nähe des Stromnulldurchgangs durch Temperaturausgleich zwischen den beiden Komponenten zum Teil wieder rückgängig gemacht wird. Ein Bimetall, das diese Eigenschaft hat, ist z. B. eine Kombination aus Nickel und Nickeleisen, wobei Nickel den größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und die höhere elektrische Leitfähigkeit hat. Durch geeignete Wahl des Wärmeübergangs zwischen den beiden Komponenten bzw. durch Anordnung von isolierenden Zwischenschichten, z. B. Luft, kann der Wärmeübergang variiert und damit das Ausbiegungsverhalten im Stromnulldurchgang beeinflußt werden. Eine weitere Bimetallausführung zeigt Fig. 4. Dieses Bimetall besteht außer den beiden eigentlichen Komponenten 1 und 2 mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten, in diesem Falle aber mit etwa gleicher elektrischer Leitfähigkeit, noch aus einer dritten Komponente 3, z. B. Kupfer, die sich auf der Seite der Komponente mit dem größeren Wärmeaus- dehnungskoeffizienten befindet und dadurch die Leitfähigkeit der ersten Komponente gleichsam vergrößert. Ein derartiges Bimetall, das z.B. aus Nickel —Mangan—Eisen 1, Nickel —Eisen 2 und Kupfer 3 besteht, wird hinsichtlich seiner beiden Komponenten 1 und 2 gleichmäßig beheizt. Die zusätzliche Komponente 3 mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit erzeugt eine indirekte Zusatzheizung zunächst nur für die Komponente 1, wodurch ebenfalls, wie im vorhergehenden ίο Fall, eine stärkere Formänderung des Bimetalls erreicht wird, die durch Temperaturausgleich in der stromlosen Pause wieder zurückgeht. Eine dritte Möglichkeit ist z. B. dadurch gegeben, daß man durch Anbringung von Kühlflächen 5 an einem normalen Bimetall entsprechend Fig. 5, insbesondere auf der Außenseite der Komponente 1, eine erhöhte Wärmeabgabe in der stromlosen Pause erzeugt. Dabei sind die Kühlflächen insbesondere in der Nähe der Einspannstelle vorgesehen. Der Erfindungsgedanke besteht also darin, daß man einen Selbstschalter mit einem Bimetall ausrüstet, bei dem durch Wahl entsprechenden Materials oder durch andere Hilfsmittel dafür gesorgt wird, daß bei Erwärmung zunächst eine zu große Ausbiegung auftritt, die as in der stromlosen Pause wieder zurückgeht. Dies kann man dadurch erhalten, daß man die Temperatur der Komponente mit der größeren Längenausdehnung schneller ansteigen läßt als die der anderen Komponente und daß in der stromlosen Pause dieser Temperaturunterschied ausgeglichen wird oder daß man ein sich elektrisch gleichmäßig verhaltendes Bimetall durch Anordnung von Kühlflächen dazu bringt, daß in der stromlosen Pause die Temperatur der Komponente mit der größeren Längenänderung herabgesetzt wird. Patentansprüche:

1. Auslösevorrichtung für Wechselstrom, bei dem die Stromunterbrechung an den Schaltkontakten unabhängig vom Überstromzeitpunkt jeweils etwa zwischen Strommaximum und Stromnulldurchgang erfolgt, gekennzeichnet durch die Verwendung von Bimetallauslösern, deren Metallkomponente mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten eine größere oder vergrößerte Leitfähigkeit besitzt.

2. Auslösevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komponente mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten eine dritte Komponente mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zugeordnet ist.

3. Auslösevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten Kühlflächen aufweist, die eine erhöhte Wärmeabfuhr in der stromlosen Pause herbeiführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen