DE170074C - - Google Patents

Description

Jig 170074 KLASSE 21c.

Die vorliegende Erfindung betrifft Ein-

■ richtungen an Ausschaltern, Umschaltern, selbsttätigen Unterbrechern, Zellenschaltern u. dgl. und hat die Vermeidung von heftigen Unterbrechungsfunken und starker Flammenbildung an den Kontakten zum Zweck, kann aber auch mit Vorteil zur Verhütung von Extraströmen bei Unterbrechung von Stromkreisen mit hoher Selbstinduktion benutzt

ίο werden.

Dies wird dadurch erreicht, daß in die Unterbrechungsstelle oder an den Umschaltepunkt eines Stromkreises ein Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizienten (z. B. Eisen) eingeschaltet wird, der seinen Eigenwiderstand bei Stromdurchgang in beliebig kurzer Zeit, z. B. in wenigen Sekunden, bei Erhitzung bis zur Rotglut um ein Vielfaches erhöht und hierdurch den Strom so weit schwächt, daß die endgültige Unterbrechung nahezu funkenlos erfolgt, und daß etwaige Extraströme nur geringe Stärke annehmen können.

Ein solcher selbsttätig sich infolge der beim Stromdurchgange eintretenden Erhitzung um ein Vielfaches seines Anfangswertes erhöhender Widerstand bewirkt somit innerhalb kürzester Zeit eine selbsttätige »Stromschwächung« und soll daher im folgenden kurz als »Stromreduktor« oder »Reduktionswiderstand« bezeichnet werden.

Das Verhalten eines solchen Widerstandes ist in Fig. 1 dargestellt, und zwar für einen Widerstand, der aus einer dünnen Eisendrahtspirale besteht, die zweckmäßig zur Verhütung von Oxydation in-ein mit Wasserstoff gefülltes Glasgefäß eingeschlossen ist.

Die Abszisse stellt die Stromstärke, die Ordinate die in dem Widerstände absorbierte Spannung dar.

Das Eisen zeigt gegenüber allen anderen Metallen ein besonders charakteristisches Verhalten, indem in der Formel

45 nach neueren Forschungen

a — 4,52 X 1O-3, β = 5,8₃ χ ίο-⁶
zu setzen ist, so daß man z. B. für g₀

t = 8oo°,

also etwa Rotglut, einen nahezu zehnmal so großen Widerstand erhält als im kalten Zustande.

Wie die Kurve Fig. 1 zeigt, steigt beispielsweise, wenn der Strom, für den der betreffende Widerstand bemessen ist, 2 Amp. erreicht hat, infolge der Erhitzung die Spannungsdifferenz rapide, während der Strom nahezu konstant erhalten wird unter der Voraussetzung, daß der Eisen widerstand den Hauptteil des Stromkreiswiderstandes bildet. Indem der Widerstand sich bis zur hellen Glut erhitzt, steigt die an seinen Enden auf- 6g tretende Spannungsdifferenz z. B. von 10 auf 50 Volt, ohne daß der Strom merklich, zunimmt.

ere

Erst bei Erreichung einer höheren Temperatur hört die bedeutende Widerstandszunahme auf, und infolgedessen steigt auch die Stromstärke dann weiter an.
Wenn man einen derartigen Reduktionswiderstand zur Abschwächung der Strömstärke in einem Stromkreise benutzt, so ergeben sich z. B. für eine Eisenspirale von 0,36 mm Dicke folgende Werte: bei Y₂ Amp.

Stromdurchgang 2 Volt Spannungsabfall, demnach Eigenwiderstand 4 Ohm; bei 1 Amp. Stromdurchgang, mäßige Erwärmung, Spannungsabfall 5 Volt, Eigenwiderstand demnach 5 Ohm; bei tiefer Dunkelrotglut 2 Amp.

Stromstärke, 22 Volt Spannungsabfall, Eigenwiderstand 11 Ohm; bei Rotglut 2,2 Amp. Stromstärke, 50 Volt Spannungsabfall, Eigenwiderstand 23 Ohm; bei Hellrotglut 2,3 Amp. Stromstärke, 75 Volt Spannungsabfall = etwa 33 Ohm Eigenwiderstand.

Wenn nun in einem Stromkreise von 220 Volt Spannung eine Belastung von 20 Amp. herrscht, so entspricht dies 11 Ohm Belastungswiderstand, z. B. in Glühlampen.

Würde man diese Belastung direkt ausschalten, so würde die in dem Funken auftretende Energie eine recht erhebliche Flammenbildung zur Folge haben, die die Kontakte angreift.

Schaltet man jetzt in die Unterbrechungsstelle des Schalters in geeigneter Weise einen solchen Reduktionswiderstand ein, der im Betriebe kurzgeschlossen ist, so wird bei Öffnung des Schalters der Strom, wenn dieser Widerstand in kaltem Zustande nach obigem Beispiele 4 Ohm beträgt,

220
11 +4

= 14,7 Amp.

sein.

Der Unterbrechungsfunke ist demnach gering, da er nur einer Stromveränderung von 20 auf 14,7 Amp. entspricht.

Nunmehr wird innerhalb weniger Sekunden der verhältnismäßig schwache Eisendraht in Glut versetzt und erhöht seinen Widerstand nach obigen Angaben auf 33 Ohm.

Die Stromstärke des Kreises sinkt alsdann auf

220

+ 33

5 Amp.

Nunmehr wird nur noch ein Strom von 5 Amp. unterbrochen, indem der Stromkreis gänzlich geöffnet wird, was auch unter BiI-dung eines schwachen Unterbrechungsfunkens möglich ist.

Bei Kurzschluß eines Stromkreises würde ein derartiger Reduktionswiderstand ein Verhalten zeigen, wie es Fig. 2 darstellt, indem

zu Anfang beim Öffnen des Schalters, also im kalten Zustande des Reduktionswiderstandes, etwa —— Ohm oder 44 Amp., und schließlich nach einigen Sekunden nur noch

220 6e

—- oder 5,5 Amp. herrschen, die gefahrlos

unterbrochen werden können.

Analog ist auch die Wirkungsweise, wenn nicht direkt der Kurzschluß, sondern eine beliebige Belastung im Stromkreise dem Reduktionswiderstande vorgeschaltet ist.

Dieses einfache Verfahren zur selbsttätigen Stromschwächung durch Anwendung von Reduktionswiderständen mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten, wofür außer Eisen natürlich auch andere, aber weniger geeignete Metalle benutzt werden können, ist in seiner einfachsten Form schematisch in Fig. 3 dargestellt, und zwar für einen einpoligen Schalter.

Bei Öffnung des Schalters 1 ist der Nebenschalter 2 noch geschlossen, so daß der gesamte Verbrauchsstrom, der eine verhältnismäßig geringe Abschwächung infolge des noch kalten Reduktionswiderstandes 3 erfährt, die Lampe oder dergl. und den genannten Reduktionswiderstand durchfließt.

Nach entsprechend bemessener, im allgemeinen nur einige Sekunden betragender Zeitdauer hat sich der Widerstand 3 bis etwa zur Rotglut erhitzt, ist also um ein Vielfaches gewachsen.

Es kann nun der Schalter 2 ohne große Funkenbildung, indem der Strom inzwischen selbsttätig auf einen kleinen Bruchteil seines Anfangswertes verringert ist, geöffnet werden, wie das vorhergehende Beispiel zeigt.

Es wird somit am Schalter 1, sowie an dem darauf zu öffnenden Schalter 2 ein großer Unterbrechungsfunke vermieden.

Beim Schließen des Stromkreises kann nach Belieben der Schalter 2 oder der Schalter 1 zuerst geschlossen werden, oder man kann auch beide gleichzeitig schließen.

Bei der Öffnung folgt stets der Nebenschalter des Reduktionswiderstandes dem Hauptschalter, denn an diesem Nebenschalter erfolgt ja die Unterbrechung des Reststromes.

Dieses Verfahren unterscheidet sich somit grundsätzlich von allen bisher bekannten Methoden, die in größerer Zahl zur Verhütung von Extraströmen, Unterbrechungsfunken usw., für Schalter und dergl. angegeben worden sind, indem es auf einer selbsttätigen Widerstandsvergrößerung beruht.

Die Fig. 4 stellt das System in Anwendung für einen doppelpoligen Schalter dar. Auch hierzu benötigt man eigentlich nur eines Reduktionswiderstandes, wendet aber besser zwei Widerstände 5 und 9 an, die je in einen Leitungszweig eingeschaltet sind, und die beiden Schalter werden dann doppelpolig zur Verringerung des Unterbrechungsfunkens in

bekannter Art ausgeführt. Die Wirkungsweise ist aus dem Vorstehenden ohne weiteres verständlich. Der Stromkreis wird zunächst '■ mit Hilfe des Schalters 1,1 bei 3,4 und dann endgültig mittels des Schalters 6,6 bei 7,8 unterbrochen.

Die beiden Schalter 1 und 6 können auch zweckmäßig zwangläufig miteinander verbunden oder als Dreh- oder Umschalter mit mehreren Kontakten ausgeführt werden.

Wendet man sehr dünne Eisenspiralen von äußerst geringer Wärmekapazität an, so erhitzt sich der Reduktionswiderstand, der bei hohem zu unterbrechenden Strome erheblich überlastet ist, unter Umständen schon in weniger als einer Sekunde bis zur Rotglut, so daß man einen einfachen Momentumschalter an Stelle der beiden Schalter 1 und 6, und zwar als Dreh- oder Hebelschalter anwenden kann, durch den schnell nacheinander die Öffnung des Haupt- und des Nebenkreises bewirkt wird.

In.einfacher Weise läßt sich auch vorteilhaft, insbesondere unter Anwendung von Reduktionswiderständen, die nicht augenblicklich, sondern innerhalb einiger Sekunden den hohen Glühgrad annehmen, die Öffnung des Nebenstromkreises selbsttätig bewirken, wie dies beispielsweise Fig. 5 in einer Ausführungsform darstellt.

Hier fließt der Strom vom positiven Pole zunächst durch eine Spule 9 eines kleinen Elektromagneten 10, tritt über den Drehpunkt ι in das Messer des Hebelschalters 3 und würde bei geschlossenem Stromkreise in Richtung der Pfeile über Kontakt 2 in den äußeren Stromkreis und von hier zum negativen Pole fließen.

Hierbei ist, wenn Verbrauchskörper eingeschaltet sind, der Elektromagnet 10 erregt und hält seinen um 11 drehbaren Anker 5 entgegen der Federkraft 12 in angezogenem Zustande, so daß der Nebenkontakt 6, 7 und von hier aus weiter der Reduktionswiderstand 8 ebenfalls eingeschaltet, jedoch wegen der Kurzschließung durch den Haupthebel nur von geringem Strome durchflossen sind.

Auch beim Ausschalten der Lampen oder

Motoren würde der Anker 5 den Kontakt 6, 7 geschlossen halten, denn eine Stellschraube 4 des Haupthebels hält diesen Stromschluß des Nebenkontaktes mechanisch mit aufrecht, solange der Haupthebel geschlossen ist.

Wird der Haupthebel 3 geöffnet, der Kontakt bei 2 unterbrochen, so fließt nunmehr der gesamte Strom über den Elektromagnetanker 5 durch 6, 7 und den Reduktionswiderstand 8 und von hier aus über den äußeren Stromkreis zum Minuspole. Der Unterbrechungsfunke beim Hauptkontakte 2 ist hierbei nur gering wegen des vorhandenen, einen geringen Widerstand bietenden Nebenweges über den Reduktionswiderstand. Nach der Unterbrechung bei 2 wird der Elektromagnetanker 5 noch vom Elektromagneten 10 angezogen gehalten, weil ein starker Strom noch die Windungen 9 durchfließt. Bei zunehmender Erhitzung des Reduktionswiderstandes 8 sinkt dieser Strom jedoch innerhalb weniger Sekunden auf einen Bruchteil des Anfangswertes, ζ Β. wie anfangs zahlenmäßig erläutert, von etwa 15 auf 5 Amp.

Bei entsprechender Einstellung der Gegenjeder 121 wird nunmehr der Anker 5 vom Elektromagneten 10 losgelassen und der Kontakt 6, 7 unterbrochen, der Stromkreis somit vollständig geöffnet.

Es folgt somit selbsttätig, und zwar nach Maßgabe der Stromkreisbelastung der Nebenkontakt dem Hauptkontakte, denn wenn die herrschende Stromstärke überhaupt sehr gering ist, so fällt der Anker 5 nach Öffnung des Haupthebels vom Elektromagneten 10 sofort ab; je höher die Belastung ist, desto länger dauert es, bis die erforderliche Strom-Schwächung eintritt, bis dann der Nebenstromkreis ebenfalls unterbrochen wird.

Bei Schließung des Haupthebels 3, d. h. Einschaltung der Belastung, wird, wie ersichtlich, mechanisch von selbst der Kontakt 6, 7 ebenfalls mit Hilfe der einstellbaren Schraube 4 zusammengepreßt, so daß der Nebenstromkreis stets zur Verhütung des Unterbrechungsfunkens in Bereitschaft ist, solange der Haupthebel geschlossen ist. Analog läßt sich diese Ausführungsform auch für zweipolige Schalter ausbilden, ähnlich wie dies in Fig. 4 im Prinzipe dargestellt ist, jedoch mit automatischer Nebenkontaktunterbrechung.

Fig. 6 stellt dasselbe System für einen selbsttätigen Schalter, der bei Erreichung einer bestimmten Stromstärke wie eine Sicherung einen Stromkreis unterbrechen soll, schematisch dar, wärend Fig. 7 eine praktische Ausführungsform eines selbsttätigen Schalters zeigt.

In Fig. 6 wird der Hauptkontakt 1, 2 entgegen dem Einflüsse einer Feder 13 durch die Nase 14 eines um 5 drehbaren Sperrhebels zusammengepreßt. In dieser Stellung ist der Stromweg über den Reduktionswiderstand 12 bei Kontakt 9, 10 unterbrochen. Erreicht die Stromstärke in dem Auslöseelektromagneten 3 eine bestimmte Stärke, so zieht dieser den Anker 4 an, die Nase 14 gibt den um 11 drehbaren Hebel 1 von 2 frei, der Hauptkontakt wird geöffnet und der Strom fließt, da an dem anderen Ende des zweiarmigen Hebels, der bei 6 ein Isolierstück enthält, der Nebenkontakt 9, 10 geschlossen wird, nunmehr durch den Reduktionswiderstand 12 in den äußeren

Stromkreis. Hierbei wird der Strom nur wenig verringert, da der Reduktor 12 noch kalt ist. In kürzester Zeit jedoch, z. B. nach ι bis 2 Sekunden, erhitzt sich der Widerstand 12 etwa bis zur Rotglut und infolgedessen steigt der Widerstand des Stromkreises, der aus den Lampen oder anderer Belastung und dem Reduktionswiderstande besteht, so hoch, daß die Stromstärke im Elektromagneten 3 erheblich, z. B. etwa auf den achten Teil, sinkt. Infolgedessen fällt der Anker 4 vom Elektromagneten 3 unter dem Einflüsse der am Arme 7 befestigten Feder ab, und der Kontakt 9, 10, und damit der gesamte Stromkreis einschließlich des Reduktionswiderstandes, wird geöffnet.

Während nun in Fig. 6 die Arretierung des Haupthebels durch eine Sperrvorrichtung bewirkt wird, die vom Elektromagneten beeinflußt wird, erfolgt die Wirkung in Fig. 7 in anderer Weise, welche die Empfindlichkeit des Elektromagneten zu steigern gestattet.

Hier ist als besondere Ausführungsform der Elektromagnet im Nebenschlüsse zu einem Widerstände 7 geschaltet, der entweder in üblicher Art der Haupstromwiderstände ausgeführt sein kann oder zur Erhöhung der Empfindlichkeit aus einem Widerstände von hohem Temperaturkoeffizienten (z. B. Eisen) gebildet ist. Der Strom fließt somit bei geschlossenem Hauptkontakte ι, 2 durch diesen in den Hauptstromwiderstand 7, sowie durch die von ihm abgezweigte Elektromagnetspule 8 in den äußeren Stromkreis. Steigt der Strom über eine bestimmte Stärke, so wird der Eisenkern 9 in die Elektromagnetspule 8 hineingezogen und löst den Sperrkegel 15 aus der Nase 16 aus, wodurch der unter der Federkraft 18 stehende, im Lager 5 um den Zapfen 4 drehbare Haupthebel 2 aus dem Kontakte 1 freigegeben wird. Hierdurch wird auch der Nebenkontakt 13, 14 von der Stellschraube 3 freigegeben, bleibt jedoch infolge der Sperrung bei 11, 12 noch in Kontakt und hält den Nebenstromkreis durch den Reduktionswiderstand 6 über. 14, 13, 5, 7 bezw. 8 geschlossen.,

Erst wenn die Stromstärke infolge der Zunahme der Erhitzung von 6 erheblich gesunken ist, fällt der Eisenkern 9 in der Spule 8 herab und schlägt dabei auf den Arm 10 des Sperrkegels 11, der nunmehr die Nase 12 des Hebels 13 freigibt, so daß dieser unter dem Einflüsse der Feder 17 den Nebenkontakt bei 14 öffnet und den Stromkreis vollständig unterbricht. Entsprechend den vorhergehenden Berechnungen und Beispielen erfolgt sowohl die Öffnung des Hauptkontaktes bei i, sowie diejenige des Nebenkontaktes bei 14 ohne wesentliche Funkenbildung.

In derselben Art lassen sich Fernschalter, Umschalter, doppelpolige Schalteinrichtungen usw. beliebiger Art mit Hilfe derartiger Reduktionswiderstände für nahezu funkenlose Unterbrechung einrichten. Ebenso können auch Stromkreise, mit hoher Selbstinduktion, z. B. die Magnetfelder von Dynamomaschinen oder Elektromotoren, ohne große Extrastrombildung in einfachster Art mit derartigen Schaltern unterbrochen werden, indem die Reduktionswiderstände infolge ihrer Selbsterhitzung und Widerstandserhöhung eine so bedeutende Stromschwächung bewirken, daß die Gefahr von Extraströmen im wesentlichen beseitigt wird.

Ähnlich ist auch die Wirkungsweise des Reduktionswiderstandes in Anwendung bei Zellenschaltern und ähnlichen Apparaten, wie Fig. 8 in einer Ausführungsform darstellt.

Hier ist an Stelle des sonst üblichen konstanten Widerstandes, der aus einigen Windungen Nickelindraht oder dergl. zu bestehen pflegt, ein Reduktionswiderstand 10 aus Eisen oder dergl. z. B. in einen Glasbehälter mit Wasserstoff eingeschlossen,. zwischen der aus zwei Teilen 8 und 9 gebildeten Zellenschalterkurbel zwischengeschaltet. Der Nebenkontakt 9 ist durch ein Isolierstück 12 vom Hauptkontakte 8 und von der Achse 11 bezw. der Stromzuführung in üblicher Art isoliert.

In der gezeichneten Stellung würde der Kurzschlußstrom bei der Zellenschaltbewegung von Kontakt 1 über 8, 10, 9, 2 verlaufen. Da der Widerstand 10 bis dahin noch kalt war, so ist während dieser Bewegung der Zellenschaltkurbel, also von 5 auf 2, eine merkliche Schwächung des äußeren Stromkreises , also Spannungs\^rerminderung nicht vorhanden. Nunmehr erhitzt sich der Reduktionswiderstand IO bis zur Rotglut, erhöht sich also um ein Vielfaches, der Entladestrom der durch die Zellenschalterkurbel geschlossenen Zelle oder mehrerer Zellen sinkt demnach rapide. Innerhalb einer Sekunde kann man z. B. den Zellenschalter nunmehr um eine Zelle weiter bewegen, wobei alsdann diese durch den Reduktionswiderstand erfolgte Kurzschließung der Zelle aufgehoben wird, ohne daß ein erheblicher Unterbrechungsfunke auftreten kann, denn der zu unter- brechende Strom ist dann nur noch gering.

Dasselbe Spiel wiederholt sich, und der Funke ist sowohl an dem Kontakte 8, wie insbesondere am Kontaktarme 9 infolge der geschilderten Eigenschaften des Reduktions-Widerstandes, der bei Bewegung von Zelle zu Zelle möglichst Zeit haben muß, sich abwechselnd abzukühlen und zu erwärmen, gering. Man ersetzt so alle anderen Einrichtungen zur Funkenentziehung in vollkommener Weise, wobei heftige Stromstöße während der Zellenschaltbewegung und Rückwirkungen

auf die äußere Netzspannung infolge der geschilderten Eigenschaften bis auf einen unmerklichen Betrag verringert werden.

Die sämtlichen in den Zeichnungen und Beschreibungen geschilderten Kombinationen stellen nur einzelne Anwendungsarten und einige Ausführungsformen dar.

Es läßt sich das geschilderte Prinzip des Reduktionswiderstandes zur selbsttätigen Strom-Schwächung auch nicht allein Jn einer, sondern in mehreren Stufen mit Hilfe geeigneter Schalter in Anwendung bringen und kann auch in anderen Ausführungsformen für andere Zwecke mit Erfolg zur Funkenvermeldung oder zur Verhütung bezw. zur Verringerung des Extrastromes und zur Vermeidung größerer Spannungsschwankungen bei Schaltern irgendwelcher Art angewendet werden. Hierbei können die den Reduktionswiderstand ausschaltenden Schalter nach Belieben von Hand oder selbsttätig, wie gezeigt, oder nach Ablauf bestimmter Zeiten, z. B. mittels eines Bremsreglers, Windfanges, Uhrwerkes oder dergl., das den Schalter freigibt, bedient werden.

Claims (6)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Vornahme von Schaltungen in elektrischen Stromkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schaltvorgange der Strom über einen aus Leitern von hohem positiven Temperaturkoeffizienten gebildeten Widerstand oder über mehrere derartige Reduktionswiderstände geleitet wird, die infolge ihrer selbsttätigen, durch die Stromwärme bedingten Widerstandserhöhung eine allmähliche Verminderung der Stromstärke hervorrufen, durch welche Funkenbildung und das Entstehen größerer Extraströme bei Umschaltungen oder Unterbrechungen von Stromkreisen verhütet werden.

2. Einrichtung zur Unterbrechung eines Stromes nach dem Verfahren nach An-Spruch I, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Hauptkontakten des Stromunterbrechers der den Reduktionswiderstand und einen oder mehrere Nebenkontakte enthaltende Stromkreis liegt, der nach Unterbrechung der Hauptkontakte noch geschlossen bleibt und alsdann zur vollständigen Unterbrechung des Stromkreises an den Nebenkontakten geöffnet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkontakte selbsttätig nach erfolgter Erhitzung des Reduktionswiderstandes sich öffnen, während der Hauptkontakt von Hand oder z. B. nach Erreichung einer bestimmten Stromstärke selbsttätig geöffnet wird.

4. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des den Reduktionswiderstand enthaltenden Stromkreises nach bestimmten, durch ein Uhrwerk, Bremse oder dergl. geregelten Zeiten selbsttätig erfolgt, die zweckmäßig nach Maßgabe der zur Erreichung einer bestimmten Temperatur des Reduktionswiderstandes erforderlichen Zeitdauer gewählt sind.

5. Ausführungsform eines selbsttätigen Ausschalters nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein und derselbe Elektromagnet die selbsttätige Öffnung der Haupt- und Nebenkontakte bewirkt.

6. Zellenschalter, bei dem das Verfahren nach Anspruch 1 Anwendung findet, dadurch gekennzeichnet, daß der bekannte,

. zwischen den Haupt- und Nebenkontakten liegende Widerstand als Reduktionswiderstand ausgebildet ist, zum Zwecke, um sowohl den Unterbrechungsfunken der durch den Reduktionswiderstand geschlossenen Zelle, als auch denjenigen, der bei Einschaltung des Reduktionswiderstandes in den Stromkreis entsteht und ferner auch größere Spannungsschwankungen bei der Bewegung der Schaltteile zu verhüten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

6EHLIN. Gedruckt in der reichsDruckerei.