DE19803919A1 - Stromunterdrückungs- Schaltereinheit für Induktionsmotorschutz - Google Patents

Description

Wenn elektrische Motoren in der Werkzeugmacherindustrie wiederholt zwischen vorwärts und rückwärts umgeschaltet werden, werden temporär für kurze Zeitintervalle große Ein­ schaltströme erzeugt. Um bei jeder Stromumkehrung eine Stromkreisunterbrechung zu verhindern, werden im allgemei­ nen Sicherungen in Reihe mit Überlastrelais verwendet, um die zugeordnete Einrichtung vor abnormalen Überstromzustän­ den zu schützen. Aufgrund des Auftretens von thermischer Alterung, wenn Sicherungen wiederholten hohen Strömen aus­ gesetzt sind, müssen die Sicherungen periodisch ausgewech­ selt werden. Je höher der Einschaltstrom, eine Erscheinung, die mit hocheffizienten Motoren in Verbindung steht, desto größer ist der Grad an thermischer Alterung, so daß Siche­ rungen mit höheren Nenndaten erforderlich sind, um thermi­ scher Alterung zu widerstehen, wenn Motoren mit hoher Effi­ zienz verwendet werden. US-Patent 5 426 406 mit dem Titel "Induction Motor Protective Circuit Breaker Unit" be­ schreibt die Auswahl der Sicherung und des Schalters für eine verminderte thermische Beschädigung an der Sicherung und eine effektive Koordination mit den Überlastrelais. Aufgrund ihrer spezialisierten Anwendung findet die Kombination dieser hohe Nenndaten aufweisender Sicherungen mit Überlastrelais eine begrenzte Anwendung außerhalb der Werkzeugmacherindustrie.

US-Patent 5 539 370 mit dem Titel "Inductive Motor Pro­ tective Circuit Breaker Unit" beschreibt ein Polymer-Kurzschlußschutzelement, das den Kurzschlußstrom durch Um­ schalten von einem kleinen Widerstand auf einen großen Wi­ derstand begrenzt. Das Widerstandsprofil des Polymers ist durch seinen positiven Temperatur-Widerstandskoeffizienten (PTWK) charakterisiert und weist einen scharfen Übergang von einem kleinen zu einem großen elektrischen Widerstand bei einer spezifizierten Temperatur auf. Wiederholte Stromumkehrungen bei Werkzeugmacher-Arbeitsgängen haben eine zyklische Erwärmung des Polymers mit kurzen oder gar keinen Abkühlperioden zur Folge. Um zu verhindern, daß das Polymer unbeabsichtigt von einem kleinen zu einem großen elektrischen Widerstand wechselt, wenn es sich aufwärmt, sind Polymer-Elemente mit höheren stationären Nennströmen erforderlich. Jedoch sind die Elemente mit den höheren Nennströmen nicht in der Lage, für einen optimalen Schutz unter Kurzschlußbedingungen zu sorgen aufgrund der erhöhten Energie, die not-wendig ist, um ein Umschalten zu erleichtern.

US-Patent 4 884 164 mit dem Titel "Molded Case Electronic Circuit Interrupter" beschreibt einen Industrieschalter mit einer elektronischen Auslöseeinheit, die über einem breiten Bereich von lang- und kurzzeitigen Überstromzuständen ein­ stellbar ist.

US-Patent 4 967 304 mit dem Titel "Digital Circuit Inter­ rupter With Electric Motor Trip Parameters" beschreibt ei­ nen digitalen Schalter mit elektrischen Motorauslöseparame­ tern, der Steueralgorithmen enthält, die für Motorschutzan­ wendungen zugeschnitten sind.

US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 08/514 076, einge­ reicht am 11. August 1995, mit dem Titel "Current Limiting Device" gibt ein polymeres Strombegrenzungselement an, das nicht von einer PTWK Charakteristik abhängig ist.

Es würde wirtschaftlich vorteilhaft sein, einen Schalter zu schaffen, der eine elektronische Auslöseeinheit mit einer Stromunterdrückungseinheit verwendet, die gegenüber zykli­ schem thermischen Altern nicht empfindlich ist und keine periodische Auswechselung erfordert, wenn sie in Werkzeugmacherarbeiten verwendet wird.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kombinierte Schal­ ter- und Stromunterdrückungseinheit zu schaffen, die den zu schützenden Stromkreis bei einer Motorumkehr nicht unter­ drückt, eingestellt werden kann, um für eine Koordination mit dem thermischen Überlastrelais zu sorgen, und für einen optimalen Schutz gegen Kurzschlußströme sorgt.

Gemäß der Erfindung wird ein Induktionsmotor-Schutzschalter geschaffen, der eine elektronische Auslöseeinheit und eine Stromunterdrückungseinheit aufweist, die ein polymeres Strombegrenzungselement enthält, das nicht von einer Cha­ rakteristik mit einem positiven Temperatur-Widerstands­ koeffizienten abhängt. Die elektronische Auslöseeinheit ist für einen Langzeit- und Kurzzeit-Überstromschutz eingestellt. Die Stromunterdrückungseinheit ist ausgelegt, um den Kurzschlußstrom zu begrenzen, bis der Schalter anspricht, um die zu schützende Schaltung abzutrennen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Strom­ unterdrückungs-Schaltereinheit gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht von der Stromunterdrüc­ kungseinheit in der Stromunterdrückungs-Schaltereinheit ge­ mäß Fig. 1; und Fig. 3 ist eine grafische Darstellung von dem Überstromschutz, der durch die Stromunterdrückungs-Schaltereinheit gemäß Fig. 1 geliefert wird.

Fig. 1 zeigt eine Stromunterdrückungs-Schaltereinheit 19, die nach nachfolgend "SUSE" genannt wird und aus einem elektronischen Schalter 10, der in dem vorgenannten US-Patent 4 884 164 beschrieben ist, und einer Stromunterdrüc­ kungseinheit 20 besteht. Der elektronische Schalter enthält ein Schalterunterteil 11, ein Schalteroberteil 12 und eine Zu-behörabdeckung 13, wie sie in dem US-Patent 4 754 247 mit dem Titel "MCCB Accessory Enclosure" beschrieben ist, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Betätigungsgriffes 14 befestigt ist. Die elektronische Auslöseeinheit 14, die in dem Oberteil 12 enthalten ist, ist in dem US-Patent 4 649 455 mit dem Titel "Rating Plug for MCCB" beschrieben. Schwalbenschwanzförmige Vorsprünge 21, die einteilig in dem Gehäuse der Stromunterdrückungseinheit 20 ausgebildet sind, kommen mit schwalbenschwanzförmigen Nuten 16 in Eingriff, die in dem Schalteroberteil einteilig ausgebildet sind. In Fig. 2 gezeigte Schrauben 22 haben Zugang durch obere Öff­ nungen 17, um die Stromunterdrückungseinheit 20 elektrisch mit dem elektronischen Schalter 10 zu verbinden. Lastan­ schlüsse 23 sorgen für eine elektrische Verbindung mit dem zu schützenden Stromkreis und sind durch Anschlußzugangslö­ cher 24 zugänglich.

Die elektrische und mechanische Befestigung zwischen der Stromunterdrückungseinheit 20 und dem elektronischen Schal­ ter 10 ist in Fig. 2 gezeigt. Die schwalbenschwanzförmigen Vorsprünge 21, die einteilig mit der Stromunterdrückungs­ einheit ausgebildet sind, sorgen für eine mechanische Ver­ riegelung mit den schwalbenschwanzförmigen Nuten 16, die einstückig mit dem Schalteroberteil 12 ausgebildet sind. Leitungsbänder 25, die von der Strombegrenzungseinheit aus­ gehen, sind elektrisch und mechanisch an den Lastbändern 18, die von dem elektronischen Schalter ausgehen, durch Schrauben 22 befestigt, die durch die oberen Öffnungen 17 hindurch zugänglich sind. Die Stromunterdrückungseinheit weist ein Gehäuse 32 und ein Strombegrenzungselement 26 auf, das in der Art und Weise arbeitet, wie es in der oben genannten US-Patentanmeldung 08/514 076 beschrieben ist. Die Elektrodenanschlüsse 27a, 27b sind elektrisch mit Elek­ troden 29a, 29b von dem Strombegrenzungselement 26 und mit den Leitungsbändern 25 bzw. den Lastanschlüssen 23 verbun­ den. Das Strombegrenzungselement weist einen polymeren Lei­ ter 28 auf, der mit den anliegenden Elektroden 29a, 29b elektrisch in Reihe verbunden ist. Zwischen den Elektroden und Stützflächen 31a, 31b sind Federn 30a, 30b angeordnet, um eine Druckkraft zwischen den Elektroden und dem polyme­ ren heiter auszuüben. Ansatzstücke 33, die durch die An­ schlußzugangslöcher 24 zugänglich sind, sind an den Lastan­ schlüssen befestigt, um für eine Verbindung mit der elek­ trischen Verteilungsschaltung zu sorgen.

Die inverse Zeit-Strom-Betriebscharakteristik von der SUSE-Einheit 19 gemäß der Erfindung hat ein kombiniertes Schutz­ profil 40, das am besten anhand einer Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3 verständlich wird. Das kombinierte Schutz­ profil ist eine Zusammensetzung von dem Profil 41 des elek­ tronischen Schalters und dem effektiven Schutzprofil 42 der Stromunterdrückungseinheit. Das Fehlen von einem PTWK Ef­ fekt in der Stromunterdrückungseinheit 20 sorgt für eine optimale Koordination mit dem Schutzprofil des elektroni­ schen Schalters in dem Bereich von einem Punkt A, der übli­ cherweise als das Knie des Kurzzeit-Ansprechprofils be­ zeichnet wird. Eine optimale Koordination erfordert, daß die Stromunterdrückungseinheit rechts von oder oberhalb des Punktes A arbeitet, anderenfalls würde ein vorzeitiges An­ sprechen der Stromunterdrückungseinheit 20 den richtigen Betrieb des zugeordneten elektronischen Schalters 10 stö­ ren. Dies kann dadurch erreicht werden, daß entweder die PTWK Charakteristik in dem Strombegrenzungselement elimi­ niert wird oder, wie es hier vorgeschlagen wird, ein Strom­ begrenzungselement verwendet wird, das für eine Stromunter­ drückung nicht von einer PTWK Charakteristik abhängig ist. Der frühere Schutz, der durch eine Sicherung oder einen PTWK Polymer-Strombegrenzer geliefert wird, ist durch PTWK Schutzprofile 43a, 43b dargestellt. Das PTWK Schutzprofil 43a zeigt eine im wesentliche äquivalente Leistungsfähig­ keit wie das effektive Schutzprofil 42 der Stromunterdrüc­ kungseinheit für augenblickliche Kurzschlußströme, die viel größer als x sind. Jedoch ist in dem Bereich des Punktes A das PTWK Schutzprofil 43a nicht mit dem Schutzprofil 41 des elektronischen Schalters koordiniert, was sich dadurch aus­ drückt, daß die PTWK Charakteristik links von und unterhalb von dem Punkt A ist. Um die gewünschte Koordination um den Punkt A herum zu erhalten, muß das PTWK Schutzprofil 43b genau vorausbestimmt sein. Jedoch zeigt für augenblickliche Kurz-schlußströme, die viel größer als x sind, das PTWK Schutz-profil 43b ein wesentlich kleineres Leistungs­ vermögen als das effektive Schutzprofil 42 der Strom­ unterdrückungsein-heit. Der Unterschied im Schutz zwischen dem PTWK Schutz-profil 43b und dem effektiven Schutzprofil 42 der Stromun-terdrückungseinheit ist durch den schraf­ fierten Bereich B gezeigt.

Die Vorteile, die durch einen Betrieb der SUSE-Einheit er­ reicht werden können, können am besten durch gemeinsame Be­ trachtung der Fig. 1-3 verstanden werden. Wenn der Nenn­ betriebsstrom in der zu schützenden Schaltungsanordnung fließt, sind der elektronische Schalter 10 und die Stromun­ terdrückungseinheit 20 in der SUSE-Einheit in einem Ruhezu­ stand. Beim Auftreten von Langzeit- oder Kurzzeitströmen bis zu und einschließlich des Wertes x spricht der elektro­ nische Schalter richtig an, um den zu schützenden Strom­ kreis zu unterbrechen. Beim Auftreten eines augenblickli­ chen Kurzschlußstroms größer als x' spricht die SUSE-Einheit rasch an, um, die Kurzschluß-Durchlaßenergie zu be­ grenzen, wie es in der oben genannten US-Patentanmeldung 08/514 076 beschrieben ist. Die Koordination zwischen der Stromunterdrückungseinheit und der elektronischen Auslöse­ einheit in dem elektronischen Schalter stellt sicher, daß der elektronische Schalter ein Auslösesignal empfängt und darauf anspricht, wie es in dem oben genannten US-Patent 4 884 164 beschrieben ist, um den zu schützenden Stromkreis auf wirksame Weise abzutrennen.

Vorstehend wurde eine Stromunterdrückungs-Schaltereinheit mit einem Stromunterdrückungselement beschrieben, das mit einem elektronischen Schalter in Reihe geschaltet ist, der eine elektronische Auslöseeinheit aufweist. Die Stromunter­ drückungs-Schaltereinheit sorgt für einen Langzeit-, Kurz­ zeit- und Kurzschlußschutz für die zu schützende Schal­ tungsanordnung, ohne daß eine periodische Auswechselung er­ forderlich ist.

Claims (15)

1. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit enthaltend ein Schaltergehäuse, wenigstens zwei Schalterkontakte in dem Schaltergehäuse zum Unterbrechen eines Kreisstroms, einen Betätigungsmechanismus in dem Schaltergehäuse zum Trennen der Schalterkontakte, eine Auslöseeinheit in dem Schaltergehäuse zum Schwenken des Betätigungs­ mechanismus zum Trennen der Schalterkontakte beim Auftreten eines Überstromzustandes in einem zu schützenden Stromkreis, gekennzeichnet durch
wenigstens ein Strombegrenzungsgehäuse (32) nahe dem Schaltergehäuse (11, 12) und
wenigstens ein Strombegrenzungselement (26), das elektrisch mit den Schalterkontakten verbunden ist, wobei eine Kreisstrom durch das Strombegrenzungselement (26) fließt und beim Auftreten des Überstromzustandes auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird.

2. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltergehäuse ein elektrisch isolierendes Unterteil (11) und ein Oberteil (12) aufweist.

3. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinheit (15) elektronische Mittel aufweist zum Überwachen und Ansprechen auf den Überstromzustand.

4. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strombegrenzungsgehäuse (32) an dem Schaltergehäuse (11, 12) befestigt ist.

5. Stromunterbrechungs-Schaltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strombegrenzungselement (26) wenigstens ein polymeres, elektrisch leitendes Material (28) mit einer Verdampfungstemperatur von weniger als 1.000°C aufweist.

6. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Polymer­ material (28) keinen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist.

7. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Polymer­ material (28) einen elektrisch leitenden Füllstoff enthält.

8. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite elektrisch leitende Elektroden (29a, 29b) vorgesehen sind, wobei die erste Elektrode auf der einen Seite des leitenden Polymermaterials (28) und die zweite Elektrode auf einer gegenüberliegenden Seite davon angeordnet ist.

9. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (30a, 30b) zum Ausüben einer Druckkraft auf das leitende Polymer­ material vorgesehen sind.

10. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ausüben der Druckkraft erste und zweite Druckfedern aufweisen, wobei die erste Druckfeder zwischen einer ersten Seite von der Strombegrenzungsumhüllung und der ersten Elektrode und die zweite Druckfeder zwischen einer zweiten Seite der Strombegrenzungsumhüllung und der zweiten Elektrode angeordnet ist.

11. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltergehäuse einstückig darin ausgebildete Mittel (16) zum Aufnehmen von Mitteln (21) aufweist, die einstückig auf dem Strombegrenzungsgehäuse ausgebildet sind.

12. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltergehäuse schwalbenschwanzförmige Nuten (16) aufweist.

13. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Leitungsband (25) von dem Strombegrenzungsgehäuse ausgeht und mit wenigstens einem Schalterlastband (18) verbunden ist, das von dem Schaltergehäuse ausgeht.

14. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Strom­ begrenzungs-Lastband (23) von dem Strombegrenzungs­ gehäuse ausgeht für eine Verbindung mit einem elektrischen Verteilerkreis.

15. Stromunterdrückungs-Schaltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltergehäuse und das Strombegrenzungsgehäuse als ein Stromunterdrückungs-Schaltergehäuse gefertigt sind.