DE19754976A1 - Schutzelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzelement zum Schutz eines Stromverbrauchers vor Überlastung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung desselben. Es sind seit längerem Widerstandselemente, sogenannte PTC-Elemente bekannt mit einer Polymermatrix und in dieselbe eingebettetem pulverförmigem Füllstoff aus leitfähigem Material. Der Widerstand dieser Elemente nimmt sprunghaft um mehrere Größenordnungen zu, wenn die Temperatur des Widerstandselements eine Schalttemperatur erreicht. Sie entspricht dem Schmelzpunkt des Polymers, bei welchem die Teilchen des Füllstoffs durch das Schmelzen der Matrix getrennt werden.

Dieser Effekt läßt sich u. a. zur Strombegrenzung, insbesondere zur Abschaltung von Überströmen benützen. Dabei wird ein Widerstandselement, dessen Temperatur bei Nennstrom im hochleitenden Bereich bleibt, aber durch einen Überstrom so weit erwärmt wird, daß es die Schalttemperatur erreicht, als Schutzelement mit dem Stromverbraucher in Reihe gelegt.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen (J. Mater. Res. 6/1 (1991)), bei PTC-Widerständen zur Verhinderung einer Überhitzung des Polymers einen weiteren pulverförmigen Füllstoff vorzusehen, welcher bei einer oberhalb dieser Schalttemperatur liegenden kritischen Temperatur einer Phasenumwandlung unterliegt, bei der er Umwandlungswärme aufnimmt, so daß eine weitere Erwärmung des Widerstandskörpers verhindert oder jedenfalls verzögert wird.

Für diverse Anwendungen sind Schutzelemente erforderlich, bei denen die Auslösekennlinie, d. h. die Ansprechzeit als Funktion des Überstromfaktors eine bestimmte Form aufweist. Wenn der Überstrom ein bestimmtes Vielfaches eines Nennstroms ausmacht, so soll das Schutzelement nach einer bestimmten, von diesem Faktor abhängigen Zeit den Strom abschalten. Dies gilt besonders für Motorschutzschaltungen, die in Reihe mit einem Elektromotor liegen und während einer gewissen Zeit, z. B. 1 bis 10 sec einen erhöhten Motoranlaufstrom tragen müssen, der beispielsweise bis zum 5- bis 10-fachen des Nennstroms beträgt. Anschließend soll der Grenzwert, bei dem die Motorschutzschaltung abschaltet, bis nahe an den Nennstrom absinken, so daß zur Vermeidung einer thermischen Überlastung des Motors auf Dauer nur ein kleiner Überstrom toleriert wird.

Derartige Motorschutzschaltungen können derzeit nur durch verhältnismäßig aufwendige Reihenschaltungen verschiedener Schaltelemente realisiert werden, z. B. einer rasch auf kurze hohe Überströme, wie sie etwa durch Blitzschlag verursacht werden, reagierenden Sicherung, eines auf etwas länger dauernde weniger ausgeprägte Überströme wie z. B. Kurzschlußströme ansprechenden Schalters und eines Thermorelais, das bei langanhaltenden geringen Überströmen abschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schutzelement zu schaffen, das eine für derartige Aufgaben geeignete Abhängigkeit der Ansprechzeit vom Überstromfaktor aufweist und das daher im Rahmen einer einfacheren Schaltung, vorzugsweise allein oder in Reihe mit lediglich einem Schalter oder Trenner ausreicht, um eine solche Schutzaufgabe zu erfüllen.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Während etwa herkömmliche PTC-Widerstände eine Auslösekennlinie aufweisen, welche bei korrekter Einstellung im Bereich kurzer hoher und tiefer langandauernder Überströme bei üblichen Motoranlaufströmen zu rasch ansprechen oder umgekehrt zwar die erforderlichen Motoranlaufströme zulassen aber bei kurzen hohen und vor allem bei tiefen langandauernden Überströmen zu langsam reagieren, läßt sich dies durch die erfindungsgemäße Maßnahme korrigieren, indem die Erwärmung des Widerstandselements im Bereich zu erwartender Motoranlaufströme gezielt verzögert und die Ansprechzeit dadurch verlängert wird.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile liegen vor allem darin, daß sie die Möglichkeit eröffnet, einfach aufgebaute, zuverlässige und mit verhältnismäßig geringem Aufwand herstellbare Schutzelemente für den Schutz empfindlicher Bauteile vor Überströmen herzustellen. Besonders geeignet sind erfindungsgemäße Schutzelemente als Motorschutzschaltungen für Elektromotoren oder als Komponenten derartiger Schaltungen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild enthaltend einen Elektromotor und eine Motorschutzschaltung mit einem erfindungsgemäßen Schutzelement und

Fig. 2 die Ansprechzeit als Funktion des Überstromfaktors für ein bekanntes gattungsgemäßes Widerstandselement und für ein erfindungsgemäßes Schutzelement, außerdem die Grenzwerte für einen zulässigen Motoranlaufstrom.

Erfindungsgemäße Schutzelemente weisen jeweils in bekannter Weise einen mit zwei Kontaktelektroden versehenen Widerstandskörper auf. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist der Widerstandskörper folgendermaßen zusammengesetzt: als Matrixmaterial dient ein hitzebeständiger Thermoplast, vorzugsweise ETFE, z. B. Hostaflon® der Hoechst AG mit einem Schmelzpunkt zwischen 210°C und 270°C, jedenfalls mindestens 200°C. Der Anteil an der Masse des Widerstandskörpers beträgt 40% (Vol.). Als erster Füllstoff wird TiB₂-Pulver beigemischt, und zwar ebenfalls 40% (Vol.). Das Material weist eine sehr hohe Leitfähigkeit auf, so daß das Schutzelement bei niedrigen Temperaturen einen geringen Widerstand zeigt. Die verbleibenden 20% (Vol.) fallen auf einen zweiten Füllstoff, Pentaerythrit, das ebenfalls in Pulverform beigegeben wird. Dieses Phasenübergangsmaterial weist einen fest-fest- Phasenübergang bei einer kritischen Temperatur T_c=187°C auf, bei welchem es 505 J/cm³ Umwandlungswärme aufnimmt.

Bei einem Schutzelement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel werden das gleiche Matrixmaterial und der gleiche erste Füllstoff zu den gleichen Anteilen verwendet wie beim ersten. Als zweiter Füllstoff wird, ebenfalls zu 20% (Vol.), UHMWPE in Pulverform beigegeben. Ein derartiges Polymer, das bei 135°C schmilzt, kann ebenfalls von der Firma Hoechst bezogen werden. Dieses Phasenübergangsmaterial nimmt beim Schmelzen 186 J/cm³ an Umwandlungswärme auf. Es ist dann noch hochviskos, so daß sein Phasenübergang weiter keine wesentliche Auswirkung auf den Zustand des Widerstandskörpers hat.

Es sind natürlich viele andere Zusammensetzungen des Widerstandsmaterials für das Schutzelement möglich. Insbesondere kann als zweiter Füllstoff auch Pulver von ferroelektrischem Material wie NaNO₂ oder NaNO₃ eingesetzt werden. Diese Phasenübergangsmaterialien weisen jeweils einen fest-fest-Phasenübergang bei T_c=162°C bzw. 275°C auf und nehmen Umwandlungswärmen von 40,1 J/cm³ bzw. 209 J/cm³ auf.

Daneben können Phasenübergangsmaterialien eingesetzt werden, die bei verhältnismäßig tiefer Temperatur schmelzen, also einen fest-flüssig-Phasenübergang zeigen. Hier kommen vor allem Metalle und Legierungen in Frage, z. B. Sn mit einem Schmelzpunkt von T_c=157°C oder Sn/Pb-63/37 mit T_c=183°C, aber auch Salze oder organische Substanzen wie Quinol mit T_c=172°C. Vorzugsweise werden schmelzende Materialien in mikrogekapselter Form verwendet, da sonst die Gefahr besteht, daß das Schmelzen des Materials irreversible Veränderungen im Widerstandskörper hervorruft. Derartige Materialien werden beispielsweise von Triangel Research and Development Corporation angeboten. Vorzugsweise werden Phasenübergangsmaterialien eingesetzt, deren Umwandlungswärme verhältnismäßig groß ist, z. B. mindestens 40 J/cm³ beträgt.

Als Matrixmaterial kommt neben hochschmelzenden Thermoplasten auch Polyäthylen in Frage, das bei ca. 135°C schmilzt. Dies entspricht der Schalttemperatur des Schutzelements, so daß die kritische Temperatur T_c des zweiten Füllstoffs tiefer liegen sollte. Auch für den ersten Füllstoff kann natürlich eine andere Wahl als TiB₂ getroffen werden.

Bei Stromstärken bis zu einem bestimmten Nennstrom sind die Teilchen des ersten Füllstoffs miteinander in Kontakt und bilden durchgehende Strompfade. Die Temperatur des Widerstandskörpers ist stabil und das Schutzelement weist geringen elektrischen Widerstand auf. Bei höheren Strömen werden die besagten Teilchen zunehmend erwärmt und durch den Kontakt mit ihnen auch die Polymermatrix, bis diese bei Erreichen der Schalttemperatur schmilzt. Die Teilchen des ersten Füllstoffs werden dadurch getrennt und der Widerstand des Schutzelements steigt rasch um mehrere Größenordnungen an. Die Ansprechzeit, die bis zum Erreichen der Schalttemperatur verstreicht, hängt von der Energieaufnahme und diese wieder vom Überstromfaktor, d. h. dem Quotienten I/I_n zwischen tatsächlichem Strom I und Nennstrom I_n ab.

Bei einem erfindungsgemäßen Schutzelement wird bei nicht zu hohen Werten des Überstromfaktors durch die Umwandlungswärme, die der zweite Füllstoff bei seinem Phasenübergang aufnimmt, der Temperaturanstieg im Widerstandskörper verlangsamt. Die Schalttemperatur wird dadurch später erreicht und die Ansprechkennlinie angehoben. Bei sehr hohen Überströmen wird die Schalttemperatur dagegen erreicht, bevor ein Phasenübergang eintreten kann, so daß derselbe sich auf die Ansprechzeit nicht auswirkt. Bei tiefem Überstromfaktor wiederum ist die Ansprechzeit so groß, daß die durch den Phasenübergang bewirkte Verzögerung kaum ins Gewicht fällt. Die Verlängerung der Ansprechzeit durch den Phasenübergang läßt sich jeweils durch die Dosierung des zweiten Füllstoffs und seine Umwandlungswärme beeinflussen. Die Stromstärke, bei der der Effekt auftritt, hängt u. a. von der Schnelligkeit ab, mit der der Phasenübergang eintritt und läßt sich mindestens innerhalb gewisser Grenzen durch die Teilchengröße des zweiten Füllstoffs steuern. Es ist natürlich möglich, auch kompliziertere Kennlinien einzustellen, indem etwa der zweite Füllstoff aus zwei oder mehr Phasenübergangs­ materialien zusammengesetzt wird, welche bei verschiedenen kritischen Temperaturen Phasenumwandlungen unterliegen.

Wie erläutert bewirkt also der Phasenübergang des zweiten Füllstoffs vor allem in einem bestimmten Überstrombereich eine spürbare Verlängerung der Ansprechzeit des Schutzelements. Dies kann in einer Motorschutzschaltung ausgenützt werden, wie sie Fig. 1 zu entnehmen ist. Dort liegt ein Elektromotor 1 mit einer Motorschutzschaltung 2 und einer Stromquelle 3 in Serie. Die Motorschutzschaltung 2 enthält ein erfindungsgemäßes Schutzelement 4 und einen Schalter 5, welcher nach allfälligem Ansprechen des Schutzelements 4 geöffnet wird.

In Fig. 2 ist die Ansprechzeit T eines typischen bekannten gattungsgemäßen Schutzelements aus 50% (Vol.) ETFE als Matrixmaterial und 50% (Vol.) erstem Füllstoff als Funktion des Überstromfaktors F=I/I_n gestrichelt dargestellt und die entsprechende Funktion eines erfindungsgemäßen Schutzelements, bei welchem 40% (Vol.) ETFE, mit 40% (Vol.) TiB₂ und 20% (Vol.) UHMWPE vermischt sind, durchgezogen. Ebenfalls durchgezogen sind die zulässige Dauer des Motoranlaufstroms und der dem zulässigen Grenzwert desselben entsprechende Überstromfaktor eingezeichnet.

Die beiden Schutzelemente sind so dimensioniert, daß ihre Ansprechzeiten jeweils bei hohen und bei tiefen Überstromfaktoren praktisch übereinstimmen. Im Bereich maximal zulässigen Motoranlaufstroms ist die Ansprechzeit T des bekannten Schutzelements zu klein. Diejenige des erfindungsgemäßen Schutzelements ist dort dagegen angehoben, so daß sie knapp oberhalb der zulässigen Dauer des Motoranlaufstroms liegt.

Claims (9)

1. Schutzelement zum Schutz eines Stromverbrauchers vor Überlastung mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten Widerstandskörper, dessen elektrischer Widerstand bei Erreichen einer Schalttemperatur sprunghaft ansteigt, aus einer Polymermatrix und einem ersten Pulverförmigen Füllstoff aus einem leitfähigen Material sowie einem zweiten pulverförmigen Füllstoff, welcher mindestens ein Phasenübergangsmaterial enthält, das bei einer kritischen Temperatur (T_c) einer Phasenumwandlung unterliegt, bei welchem es Umwandlungswärme aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die kritische Temperatur (T_c) unterhalb der Schalttemperatur liegt.

2. Schutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite pulverförmige Füllstoff mindestens ein Phasenübergangsmaterial enthält, das einem fest-fest- Phasenübergang unterliegt.

3. Schutzelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Füllstoff mindestens eines der folgenden Phasenübergangsmaterialien enthält: Pentaerythrit, NaNO₂, NaNO₃.

4. Schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite pulverförmige Füllstoff mindestens ein Phasenübergangsmaterial enthält, das einem fest-flüssig-Phasenübergang unterliegt.

5. Schutzelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Füllstoff mindestens eines der folgenden Phasenübergangsmaterialien enthält: UHMWPE, Quinol; Metall, Legierung oder Salz, insbesondere mikrogekapselt.

6. Schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungswärme des Phasenübergangsmaterials jeweils mindestens 40 J/cm³ beträgt.

7. Schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermatrix mindestens überwiegend aus Thermoplasten oder Polyäthylen besteht.

8. Schutzelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermatrix mindestens überwiegend aus Fluor-Thermoplasten, insbesondere ETFE besteht.

9. Verwendung eines Schutzelements (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer mit einem Elektromotor (1) in Reihe liegenden Motorschutzschaltung (2).