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Elektromechanischer Wandler Es ist bekannt, Schutzschalter für die
Verwendung in Wechselstromnetzen mit einer Auslösung auszurüsten, welche anspricht,
sobald die Summe der Ströme in den Netzleitern von Null verschieden ist, was ein
Anzeichen dafür ist, daß in dem zu schützenden Gerät die Isolation gegen Erde nicht
mehr einwandfrei ist. Die Auslösung des Schutzschalters wird in diesem Falle durch
einen mechanischen Wandler bewirkt, der an einen Differentialtransformator angeschlossen
ist und beim Auftreten eines Differenzwechselstromes magnetisiert wird.
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Ein bekannter elektromechanischer Wandler dieser Art besteht aus einem
zweischenkligen, an den Differentialtransformator angeschlossenen Elektromagneten,
zwischen dessen Polen sich eine schwingungsfähige Zunge befindet. Fließt in den
Wicklungen dieses Elektromagneten ein Differenzwechselstrom, so wird die Zunge zum
Schwingen angeregt und löst dabei eine Verklinkung aus, die den Schutzschalter in
der eingeschalteten Stellung festhält. Die Kraft, die hierbei auf die federnde Zunge
einwirkt, ist von dem Quadrat des Differenzwechselstromes abhängig, und das hat
zur Folge, daß der Differenzwechselstrom erst eine verhältnismäßig große Stärke
erreichen muß, bis er ausreicht, um die zur Auslösung der Verklinkung erforderliche
Kraft auf die Zunge auszuüben.
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Die Anordnung ist also verhältnismäßig unempfindlich und kann die
Forderungen, die heute an Installationsselbstschalter gestellt werden, nicht erfüllen.
Man verlangt heute, daß Installationsselbstschalter bereits bei einem Fehlerstrom
von 10 bis 40 mA auslösen, da anderenfalls die Gefahr besteht, daß Personen beim
Berühren nicht mehr ganz einwandfrei isolierter Gerätegehäuse zu Schaden kommen.
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Ein elektromechanischer Wandler, bei dem die magnetisch erzeugte Kraft
nicht von dem Quadrat des erregenden Stromes abhängig, sondern diesem Strom proportional
ist, ist in Form des Tauchspulsystems bekannt. Das Tauchspulsystem besteht aus einem
permanenten Topfmagneten mit ringförmigem Luftspalt, in welchem eine zylindrische
Tauchspule beweglich gelagert ist. Wird diese Tauchspule von einem Strom durchflossen,
so wird auf sie in axialer Richtung eine Kraft ausgeübt, die dem Produkt aus der
in dem Luftspalt herrschenden magnetischen Induktion und dem Tauchspulenstrom proportional
ist.
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Es ist bereits bekannt, ein solches Tauchspulsystem zur Auslösung
eines Schalters zu benutzen. Bei diesem bekannten Schalter handelt es sich allerdings
nicht um einen Installationsselbstschalter mit Differentialauslösung, sondern um
einen Schnellschalter, d. h. um einen Schalter, der beim Auftreten eines Auslösestromes
mit möglichst geringer Zeitverzögerung geöffnet wird. Das Tauchspulsystem erfüllt
die hierbei auftretende Forderung nach einer sehr kleinen Zeitkonstanten.
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Während sonst bei elektromagnetischen Auslösern das zur Auslösung
erforderliche Magnetfeld beim Auftreten eines Auslösestromes erst aufgebaut werden
muß, ist beim Tauchspulsystem dieses Magnetfeld ständig vorhanden, und es braucht
nur noch der Strom in der Tauchspule aufgebaut zu werden. Die Tauchspule hat aber
nur eine äußerst geringe Induktivität und verhält sich bezüglich der Zeitkonstanten
nahezu wie ein ohmscher Widerstand. Die Verwendung des Tauchspulsystems als elektromechanischer
Wandler bei dem bekannten Schnellschalter ist also unter Gesichtspunkten erfolgt,
die bei der Differentialauslösung von Installationsselbstschaltern keine Rolle spielen.
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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler zur Auslösung
von Installa-tionsselbstschaltern beim Auftreten von Stromunsymmetrien in dem zu
schaltenden Stromkreis, bestehend aus einem mechanisch schwingungsfähigen System,
welches auf magnetischem Wege durch einen .einem Differentialtransformator entnommenen
Differenzwechselstrom zu Schwingungen angeregt wird und dabei einen Auslösehebel
des Schalters mechanisch betätigt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
solchen elektromechanischen Wandler so auszubilden, daß er wesentlich empfindlicher
wird als die bisher für diesen Zweck verwendeten elektromechanischen Wandler.
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Die Erfindung beruht zunächst auf der Erkenntnis, daß die Unempfindlichkeit
der bisher für Installationsselbstschalter
benutzten elektromechanischen
Wandler aof c&zz schon -xwähnten quadratischen Abhängigkeit der Auslösekraft
von dem Differenzwechselstrom abhängt. Diesen Nachteil überwindet die Erfindung
durch die Verwendung des an sich auch schon für Schalter bekannten Tauchspulsystems
als elektromechanischer Wandler zur Differenzstromauslösung.
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Die Erfindung beruht weiterhin auf dem Gedanken, das schwingungsfähige
System des elektromechanischen Wandlers so anzuordnen, daß es, bevor es die Auslösung
des Schalters bewirkt, erst während einiger Perioden des Differenzwechselstromes
mechanische Schwingungsenergie speichern kann, so daß dann zur Auslösung eine verhältnismäßig
große Kraft zur Verfügung stehst.
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Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß der magnetisch beeinfiußte
Teil des schwingungsfähigen Systems in an sich bekannter Weise als in dem Feld eines
Magneten angeordnete Tauchspule ausgebildet ist und daß dem schwingungsfähigen System
ein einstellbarer Bereich zur Verfügung steht, innerhalb dessen es frei schwingen
kann, derart, daß es erst nach überschreitung dieses Bereichs durch die Schwingungsamplitude
auf den Auslösehebel einwirkt.
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Bei einer älteren Fehlerstromschutzschaltung ist zwar auch schon ein
Tauchspulsystem, das an einen Differentialtransformator angeschlossen ist, als elektromechanischer
Wandler zur Auslösung des Schalters verwendet. Von dieser älteren Anordnung unterscheidet
sich die Anordnung nach der Erfindung dadurch, daß bei ihr dem die Tauchspule enthaltenden
schwingungsfähigen System ein einstellbarer Bereich zur Verfügung steht, innerhalb
dessen es frei schwingen kann, bevor es an den Auslösehebel anschlägt und den Schalter
zur Auslösung bringt. Bei der älteren Anordnung wirkt dagegen die Tauchspule schon
bei der geringsten Auslenkung aus ihrer Ruhelage auf das die Verklinkung des Schalters
lösende Hebelsystem ein, so daß die Tauchspule bereits zu Beginn des Auslösevorganges
unter der Wirkung von verhältnismäßig großen Reibungskräften steht, die erst ein
erhebliches Anwachsen des Differenzwechselstromes erforderlich machen, damit die
Auslösung überhaupt erfolgen kann. Die Anordnung nach der Erfindung ist demgegenüber
also sehr viel empfindlicher gegen- , über Fehlerströmen, gleichzeitig aber viel
unempfindlicher gegen rein mechanische Erschütterungen, da diese kaum jemals gerade
mit einer solchen Frequenz erfolgen werden, die zu einer Aufspeicherung an Schwingungsenergie
in dem beweglichen System führen kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert.
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In der Zeichnung ist mit 1 ein Permanentmagnet bezeichnet, in dessen
magnetischem Feld sich eine Tauchspule 2 bewegt, auf deren Spulenkörper 3 eine Blattfeder
4 befestigt ist. Die Tauchspule 2 wird von einer Tertiärwicklung 5 eines Differentialtransformators
6 gespeist. Die Masse der Tauchspule 2 und die Blattfederkonstante sind hierbei
auf die Frequenz der Speisespannung abgestimmt, z. B. 50 Hz. Damit lassen sich entsprechend
der Güte des Resonanzsystems wesentlich größere Schwingamplituden der bewegbaren
Teile, d. h. der Tauchspule 2 und der Blattfeder 4, erzielen als bei nicht abgestimmten
Systemen. Physikalisch gesehen hat das im weiteren zur Folge, daß die elektrische
Energie über eine bestimmte Zeit integriert wird, um zu einem bestimmten Zeitpunkt
als mechanische Energie verfügbar zu sein, so daß eine derart aufgebaute Anordnung
bei Aulwenäung nur sehr Leä%tU@ eine mechanische Leistung erzeugen und diese mittel-oder
unmittelbar auf eine mechanische Vorrichtung, beispielsweise zur Auslösung eines
Schaltvorganges, übertragen kann.
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Diese mechanische Vorrichtung besteht bei der vorliegenden Anordnung
aus einem um eine Achse 7 drehbar gelagerten doppelarmigen Auslösehebel8, dessen
linker Hebelarm eine um eine Achse 9 drehbar gelagerte und unter der Wirkung einer
Zugfeder 10 stehende Nase 11 eines weiter nicht dargestellten Schaltermechanismus
am Ausschwenken in der Pfeilrichtung A hindert. Das freie Ende des rechten Hebelarmes
des Auslösehebels 8 ist zu einem Anschlag 12 ausgebildet, der in geringem Abstand
über der Blattfeder 4 liegt. Diese Lage wird durch eine Stellschraube 13 im Zusammenwirken
mit einer Feder 14 festgelegt. Die Zugkraft der Feder 14 ist dabei so schwach, daß
sie die Reibung, die zwischen der Nase 11 und dem Hebelende beim Anliegen der Nase
11 an letzterem entsteht, nicht überwinden kann, so daß sie funktionsmäßig nur dafür
vorgesehen ist, um nach der Auslösung des Schaltermechanismus den Auslösehebel 8
wieder in seine Ausgangslage zurückzubringen.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Wird der Tauchspule
2 von der Tertiärwicklung 5 des Differentialtransformators 6 ein Strom zugeführt,
beginnt die Tauchspule 2 zu schwingen. Die Schwingungen des auf die Frequenz der
Speisespannung abgestimmten Systems sind sehr stark, so daß die Feder 4 alsbald
kräftig an den Anschlag 12 schlägt, wodurch der Auslösehebel 8 angehoben und über
seinen Drehpunkt 7 geschwenkt wird, so daß sich sein als Sperre für die Nase 11
wirkendes Ende nach abwärts bewegt und die Nase 11 freigibt. Diese wird nun durch
die Federkraft der Feder 10 in der Pfeilrichtung A bewegt, wobei ein Schaltvorgang
ausgelöst wird. Durch diese Anordnung ist es also möglich, mit sehr geringer elektrischer
Leistung einen Schaltvorgang mechanisch auszulösen, wobei der hierfür vorgesehene
Schaltermechanismus, um seiner Selbstauslösung bei Erschütterungen vorzubeugen,
nur mit einem bestimmten Kraftaufwand betätigt werden kann.
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An Hand des Ausführungsbeispieles ist gezeigt worden, daß durch sinnvolle
Verknüpfung der Vorteile eines Tauchspulrelais mit dem Prinzip eines zwischen einstellbaren
Wirkungsgrenzen zu freien Resonanzschwingungen fähigen, zugeführte Arbeit als Schwingungsenergie
speichernden Betätigungssystems ohne besondere Aufwendungen ein elektromechanischer
Wandler geschaffen ist, der in bezug auf seine Ansprechempfindlichkeit, auf sein
Leistungsvermögen, auf seine Ansprechsicherheit und auf seine Unempfindlichkeit
gegenüber Störimpulsen und mechanischen Erschütterungen alle bisher bekannten oder
vorgeschlagenen Anordnungen weit übertrifft.
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Es sei noch betont, daß das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel
bei gleichbleibender Wirkungsweise mannigfache konstruktive Abwandlungen erfahren
kann.