DE19500125A1 - Strombegrenzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strombegrenzer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Schutzschalter, insbesondere Leistungsschalter müssen auf Über­ ströme ansprechen bzw. Überströme abschalten, die als Kurzschluß ströme bzw. Überlastströme auftreten.

Diese Leistungsschalter benötigen für die Abschaltung hoher Kurzschlußströme, bedingt durch die Masse der durch dynamische Kräfte zu bewegenden Kontakte, Abschaltzeiten von mehreren ms und haben als Folge hiervon relativ hohe Durchlaßströme und Durchlaß­ signale. Die Belastung der Leistungsschalter selbst, aber auch der zu schützenden Anlagenteile oder Geräte ist trotz zum Teil guter Strombegrenzung immer noch relativ hoch und erfordert oft eine Überdimensionierung.

Bekannte Schutzschalter besitzen zur Abschaltung der Überlast ein Thermobimetall, welches direkt oder indirekt beheizt ist und sich bei einer Aufheizung durch einen Überlaststrom ausbiegt, wodurch eine Verklinkungsstelle in einem Schaltschloß und eine Kontakt­ stelle geöffnet werden.

Weiterhin ist es bekannt, zur Begrenzung von Kurzschlußströmen einen PTC-Widerstand einzusetzen. Mit PTC-Widerstand oder, wie dieser auch genannt wird, PTC-Thermistor, wird ein gewöhnlicher aus einem Halbleitermaterial bestehender Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten bezeichnet, dessen Widerstand bei niedrigen Temperaturen niedrig ist, während er bei höheren Temperaturen um mehrere Zehnerpotenzen steil ansteigt. Diese Eigenschaft eines PTC-Widerstandes macht ihn geeignet zur Verwendung als strombegrenzendes Organ in verschiedenen Arten von elektrischen Stromkreisen, um beispielsweise einen Kurzschlußstrom so zu begrenzen, daß kein unzulässig hoher Strom auftreten kann.

Mit einem neuartigen Strombegrenzerelement ist es gelungen, die Strombegrenzung erheblich zu verbessern. Wichtigstes Element dieses CLD (Current Limiting Device) ist ein leitfähiges Polymer, das den Bemessungsbetriebsstrom auch bei erhöhten Umge­ bungstemperaturen beliebig lange und betriebsmäßig auftretende Überströme, wie z. B. Motoranlaufströme, zuverlässig führen kann. Bei Auftreten von Kurzschlußströmen ändert sich das Materialgefüge in sehr kurzer Zeit und es tritt eine nennenswerte Verringerung des Leitwertes des Leitpolymers ein. Anstelle von einigen ms setzt die Strombegrenzung bereits je nach Größe des Kurzschlußstromes nach 0,1 bis 1 ms ein. Der Durchlaßstrom wird auf so niedrige Werte begrenzt, daß die Abschaltung des Stromkreises durch einen Leistungsschalter mit niedrigem Schaltvermögen erfolgen kann. Die Abschaltzeit des durch den Strombegrenzer begrenzten Kurzschluß­ stromes wird von dem hierfür eingesetzten Schalter bestimmt und beträgt ca. fünf bis zehn Millisekunden. Um einerseits das empfindliche Strombegrenzerelement durch die bei der Strombegrenzung auftretenden hohen Spannungen zu entlasten, aber auch um den zum Auslösen des Leistungsschalters erforderlichen Strom zu erhalten, muß dem Polymerelement ein Widerstand parallel geschaltet werden. Nach einer erfolgten Kurzschlußabschaltung wird das Polymerelement nach einer kurzen Abkühlzeit wieder leitend, wobei das Materialgefüge in seinen Ausgangszustand zurückkehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strombegrenzer der eingangs genannten Art zu schaffen, der noch einfacher und kosten­ günstiger zu fertigen ist und eine kompakte Bauweise ermöglicht. Hierbei soll der Strom nach der Kurzschlußstrombegrenzung möglichst schnell auf den Widerstand kommutieren. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Der Strombegrenzer zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise mit einfach herzustellenden Einzelteilen aus. Da der Parallelwider­ stand über kurze Verbindungsleitungen mit dem Strombegrenzer­ element verbunden ist, wird eine schnelle Kommutierung des Stromes nach der Kurzschlußstrombegrenzung auf den Widerstand ermöglicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild des Strombegrenzers mit einem Schutzschalter,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Strombegrenzers,

Fig. 3 den Strombegrenzer gemäß Fig. 2 , jedoch um 180 Grad gedreht und

Fig. 4 Einzelteile des Strombegrenzers in schaubildlicher Darstellung.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung stellt ein Ersatz­ schaltbild eines Strombegrenzers 1 mit einem Schutzschalter 7 dar, der bei Überstrom, insbesondere bei Kurzschlußstrom anspricht und ein Strombegrenzerelement 3 in Form eines PTC-Widerstandes sowie einen zu diesem parallelgeschalteten Parallelwiderstand 5 aufweist. Das Strombegrenzerelement 3 ist ein aus einem leitfähigen Polymer bestehender Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, dessen Widerstandswert bei niedrigen Temperaturen niedrig ist, während er bei höheren Temperaturen um mehrere Zehnerpotenzen ansteigt. Dieses allein läuft in Bruchteilen von Millisekunden ab. In Reihe zu der Parallel­ schaltung von dem Strombegrenzerelement 3 und dem Parallelwider­ stand 5 befindet sich der Schutzschalter 7, der z. B. ein Leistungsschalter sein kann und der nach dem Ansprechen des Strombegrenzers 1 durch den über den Parallelwiderstand weiterfließenden Teil des Kurzschlußstromes entklinkt und den Stromkreis unterbricht. Nach Unterbrechung des Stromkreises durch den Schalter 7 kehrt die Struktur des Strombegrenzerelementes 3 von selbst in seinen Ausgangszustand zurück, so daß der Betrieb fortgesetzt werden kann.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Strombegrenzer 1 in schaubildlicher Darstellung, während die Fig. 4 alle erfindungswesentlichen Teile darstellt. Das Strombegrenzerelement 3 besteht gemäß Fig. 4 zwar z. B. aus einer zylindrischen Scheibe, aber es kann auch eine andere Form gewählt werden. Dieses Strombegrenzerelement 3 wird über zwei vorzugsweise aus gut elektrisch- und gut wärmeleitenden Werkstoff gefertigte Elektroden 9, 11 kontaktiert, welche gemäß Fig. 4 z. B. plattenförmig ausgebildet sind. Diese plattenförmigen Elektroden 9, 11 weisen an einer Querseite der Plattenebene durch Abbiegen einstückig angeformte Lappen auf, welche Anschlüsse 13, 15 für den Parallelwiderstand 5 und Kabelanschlüsse 17, 19 bilden. Der Parallelwiderstand 5 ist als U-förmig geformte Klammer ausgebildet. Die beiden Seitenschenkel 23, 25 sind seitlich neben den plattenförmigen Elektroden 9, 11 angeordnet. Zwecks Isolierung befinden sich Isolierplatten 35, 37 zwischen den Elektroden 9, 11 und den Seitenschenkeln 23, 25 des Parallelwiderstandes 5.

Das Strombegrenzerelement 3, die Elektroden 9, 11, die Isolationsplatten 35, 37 und der Parallelwiderstand 5 sind in einem Kunststoffgehäuse 39 zu einer kompakten Baueinheit angeordnet. Dieses Kunststoffgehäuse 39 hat eine rechteckige Form, wobei die eine schmale Längsseite 41 zum Einschieben des Parallelwiderstandes 5 mit den anderen Bauteilen offen ausgebildet ist. Das Kunststoffgehäuse 39 ist im Inneren an den Stellen, an denen sich im Parallelwiderstand 5 Schlitze 53 befinden, mit Rippen 49, 51 versehen. Diese Rippen 49, 51 geben dem Kunststoffgehäuse 39 zum einen eine größere Festigkeit und verhindern zum anderen, daß sich die einzelnen Stege der Seitenschenkel 23, 25 berühren können.

Das Innenmaß des Kunststoffgehäuses 39 sowie auch das Innenmaß des U-förmig geformten Parallelwiderstandes 5 sind so ausgebildet, daß auf das Strombegrenzerelement 3 ein für die Funktion erforder­ licher Druck aufgebracht wird. Für die Druckerzeugung ist das Zusammenwirken von dem Kunststoffgehäuse 39 und dem U-förmigen Parallelwiderstand 5 sehr wichtig. Der Hauptdruck muß im unteren Bereich 57 des Kunststoffgehäuses 39 aufgenommen werden, da das Kunststoffgehäuse 39 an dieser Stelle die größte Festigkeit besitzt. Der Parallelwiderstand 5 erzeugt durch seine U-Form den erforderlichen Druck im oberen Bereich, in einem Bereich also in dem das Kunststoffgehäuse offen ist und dadurch eine geringere Festigkeit aufweist. Die Seitenschenkel 23, 25 des Parallel­ widerstandes 5 (Klammer 21) übertragen die Kraft auf den unteren, festeren Bereich des Kunststoffgehäuses 39.

Der Parallelwiderstand 5 ist z. B. aus einem Widerstandswerkstoff mäanderförmig gestanzt und anschließend U-förmig gebogen. Er ist mit Befestigungselementen 65, 67 und Unterlegscheiben 68, 70 direkt mit den Anschlüssen 13, 15 der Elektroden 9, 11 verbunden. Damit ist eine kürzestmögliche, induktivitätsarme Verbindung zwischen dem Strombegrenzerelement 3 und dem Parallelwiderstand 5 hergestellt.

Claims (8)

1. Strombegrenzer mit einem Strombegrenzerelement und einem zu diesem parallel geschaltetem Parallelwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand (5) in Form einer U-förmigen Klammer (21) ausgebildet ist und daß das Strombe­ grenzerelement (3) innerhalb des U-förmigen Parallelwider­ standes (5) angeordnet ist.

2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand (5) als mäanderförmiger Widerstand ausgebildet ist.

3. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (9, 11) plattenförmig ausge­ bildet sind und an einer Seite durch Abbiegen angeformte Anschlüsse (13, 15) für den Parallelwiderstand (5) und Kabel­ anschlüsse (17, 19) besitzt.

4. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Enden (31, 33) des Parallelwiderstandes (5) direkt an den Anschlüssen (13, 15) der Elektroden (9, 11) befestigt sind.

5. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Isolationsplatten (35, 37) zwischen den Elektroden (9, 11) und den Seitenschenkeln (23, 25) des Parallelwiderstandes (5) angeordnet sind.

6. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strombegrenzerelement (3), die Elektroden (9, 11), die Isolationsplatten (35, 37) und der Parallelwiderstand (5) in einem Kunststoffgehäuse (39) zu einer kompakten Einheit angeordnet sind.

7. Strombegrenzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffgehäuse (3) an den Innenwänden (45, 47) in Einsteckrichtung des Parallelwiderstandes (5) verlaufende Rippen (49, 51) aufweist, welche in die Schlitze (53) des Parallelwiderstandes (5) formschlüssig eingreifen.

8. Schutzschalter nach einem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Parallelwiderstand (5) und das Kunststoffgehäuse (39) beide zusammen oben und unten einen gleichmäßigen Druck auf das Strombegrenzer­ element (3) erzeugen.