DE2261140C3 - Überstrom-Schutzeinrichtung für elektrische Schaltungen für Magnetron-Speisestromkreise oder Radargeräte - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Oberstrom-Schutzeinrichtung für elektrische Schaltungen, in denen ein Hochspannungstransformator mit galvanisch getrennten Wicklungen enthalten ist, von welchen die Primärwicklung mittels eines sie mit der speisenden Niederspannungsquelle verbindenden Schaltgliedes abschaltbar ist, das durch ein stromempfindliches Element im Hochspannung führenden Sekundärkreis betätigbar ist.

Eine Überstrom- Schutzeinrichtung der vorstehend genannten Art, die beispielsweise aus BBC-Nachrichten 46 (1964), Seiten 414 bis 416, bekannt ist, weist einen im Primärkreis liegenden Netzschalter auf, der mit Hilfe eines von einem Shunt im Sekundärkreis abgeleiteten Signals unter Zwischenschaltung von Umwandlungsgliedern mit Hilfe seiner elektromagnetischen Auslöseeinrichtung ausgelöst wird, wenn der Sekundärstrom einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Der für die Überstromabschaltung des Primärkreises aufgrund eines einen Grenzwert übersteigenden Stroms im Sekundärkreis erforderliche Aufwand ist somit verhältnismäßig groß. Nichtsdestoweniger läßt sich die elektrische Anlage dennoch ohne weiteres erneut einschalten, ohne daß der Fehler, der zu dem zu hohen Stromwert im Sekundärkreis geführt hat, vorher beseitigt ist, wenn nicht zu den bereits umfangreichen Hilfsmitteln weitere Hilfsmittel hinzutreten.

Demgemäß soll durch die Erfindung die Aufgabe gelöst werden, eine Schutzeinrichtung für elektrische Schaltungen für Magnetron-Speisestromkreise von Mikrowellen-Erhitzungsgeräten, Radargeräten oder dergleichen, mit einem Hochspannungstransformator, dessen Primärwicklung an eine Spannungsquelle gelegt ist und dessen insbesondere von der Primärwicklung isolierte Sekundärwicklung in Schaltkreisen zur Erzeugung hoher Ausgangsspannungen gelegen ist, derart auszubilden, daß Beschädigungen an kostspieligen Hochfrequenzgeneratoren, beispielsweise an Magnetrons, an Hochspannungstransformatoren und an Bauteilen der Gleichrichterschaltungen sicher vermieden werden können. Auch soll die Gefahr eines unsicheren Betriebes dadurch ausgeschlossen werden, daß nur nach Prüfung des von der Schutzeinrichtung abgeschalteten Gerätes auf Fehler durch Wartungspersonen dieses erst danach wieder in Betrieb genommen werden kann. Von besonderer Bedeutung ist die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe bei der Verwendung von Hochspannungstransfoi matoren mit sättigbarem Kern.

Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ist besonders wichtig, da Magnetron-Speisestromkreise von Mikrowellenöfen oder Radargeräte in vielen Fällen von elektrotechnisch nicht oder wenig geschulten Personen in nicht besonders abgesperrter Umgebung benutzt werden, so daß der Betrieb mit fehlerhafter, Hochspannung führender Sekundärseite für die die Geräte benutzenden Personen tödliche Folgen haben kann, insbesondere weil die Hochspannung mit beträchtlicher Energie gekoppelt ist

Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt in der Weise, daß für die Magnetron-Speisestromkreise von Mikrowellenöfen oder Radargeräten das stromempfindliche Element ein den Sekundärstrom führender Heizwiderstand ist und daß das Schaltglied eine durch die Wärmeabgabe des Heizwiderstandes bei einem Schwellwert die Öffnungsschaltbewegung des Schaltgliedes freigebende Schmelzpatrone enthält, die von dem Heizwiderstand elektrisch isoliert, jedoch mit ihm gut wärmeleitend verbunden ist.

Eine aufgrund von Übererwärmung einmal ausgelöste Schalteinrichtung, bei der das Schaltglied die Öffnungsschaltbewegung durchgeführt hat, kann somit nicht wieder eingeschaltet werden, da die das Schaltglied in der geschlossenen Schaltstellung haltende Schmelzpatrone nicht mehr vorhanden ist. Die Überstrom-Schutzeinrichtung muß also von einer geschulten Wartungsperson ausgetauscht werden, was nur dann erfolgt, wenn die Störung beseitigt ist.

Es ist vorteilhaft, wenn der Heizwiderstand die Schmelzpatrone muffenartig umgibt. Auf diese Weise wird ein gedrängter Aufbau erreicht, und ein großer Teil der im Heizwiderstand erzeugten Wärmeenergie wird der Schmelzpatrone zugeführt.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht des Fühlers und des thermischen Ausschalters der Schutzeinrichtung,

Fig.3 eine Explosionsdarstellung der wichtigsten Bauteile des Ausführungsbeispiels nach F i g. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Form eines thermischen Ausschalters für die Schutzeinrichtung im geschlossenen Zustand und

Fig.5 eine Fig.4 entsprechende Darstellung des thermischen Ausschalters, jedoch im geöffneten Zustand.

In F i g. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels gezeigt, wie es in Verbindung mit einem Mikrowellen-Erhitzungsgerät 10 verwendet werden kann. Die Hochspannungs-Speisestromkreise sind mit Leitungen 14 und 16 über einen handbetätigbaren Ein- und Ausschalter 18 an eine Niederspannungsquelle üblicher Netzfrequenz geschlossen, die mit 12 bezeichnet ist. Der Transformator 20 mit einem sättigbaren Kern besitzt eine sehr hohe Streureaktanz.

Die Primärwicklung 22 dieses Transformators ist an die Leitungen 14 und 16 angeschlossen. Der thermische Ausschalter 24 der Schutzeinrichtung liegt in Reihe in dem die Primärwicklung enthaltenden Stromkreis.

Eine Sekundärwicklung 26, welche von der Primärwicklung 22 elektrisch isoliert ist, steht mit dieser Primärwicklung in einem Windungsverhältnis von beispielsweise 40 ; 1 bis 50 :1, so daß eine Hochspannung erzeugt wird, welche zur Speisung eines Magnetrongenerators 28 verwendet wird. Letzterer kann an sich bekannter Bauart sein und besitzt eine Kathode 30, im allgemeinen eine Oxidschichtkathode mit unmittelbar beheiztem Heizfaden, sowie eine Anode 32, welche eine Anzahl von Hohlraumresonatoren 34 begrenzt, die mnd um die Kathode 30 angeordnet sind. Die Hochfrequenzenergie, welche von dem Magnetron 28 erzeugt wird, wird mittels einer Antenne oder Sonde 36 ausgekoppelt und gelangt über eine gebräuchliche Wellenleitung zu dem Ofengehäuse oier Ofenraum, welcher von den leitfähigen Wänden des Mikrowellen-Erhitzungsgerätes 10 in allgemein üblicher Art umgrenzt v/ird.

Die Hochspannungs-Gleichrichterschaltung enthält einen Vollwellen-Spannungsverdoppler 38, der an die Sekundärwicklung 26 angeschlossen ist Die Spannungs-Verdopplungsschaltung wiederum enthält die Halbleiterdioden 40 und 42, die in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise elektrisch vorgespannt sind. Außerdem liegen in der Schaltung die Kondensatoren 44 und 46. Wenn während des Betriebes das mit der Leitung 48 verbundene Ende der Sekundärwicklung 26 positiv gehalten wird, so fließt durch die Halbleiterdiode 42 ein Strom und lädt den Kondensator 46 auf die gewünschte Spannung auf. Während dieser Betriebsphase bleibt die Halbleiterdiode 40 nichtleitend. Während der nächsten Halbwelle wird die Leitung 50 positiv, und der Strom fließt durch die Diode 40, um den Kondensator 44 aufzuladen. In dieser Betriebsphase bleibt nun die Diode 42 nichtleitend. Die zwischen Anode und Kathode des Magnetrons 28 angelegte, gleichgerichtete Gesamtspannung ist daher die Summe der erwähnten Spannungen oder etwa das Zweifache der Spannung an jedem der Kondensatoren 44 und 46. In Verbindung mit der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung können aber auch andere Hochspannungs-Gleichrichterschaltungen, etwa Halbwellen-Spannungsverdopplungsschaltungen, Spannungsverdreifacher oder Spannungsvervierfacher, zur Anwendung kommen.

Aufgrund der galvanischen Trennung der Sekundärwicklung und der zugehörigen Stromkreise von der Primärwicklung des Transformators verursachen an sich irgendwelche Fehler in den Bauteilen, etwa Kurzschlüsse am Magnetrongenerator, schadhafte Dioden oder Kondensatoren und dergleichen, weiche zu einer Beschädigung oder einem gefährlichen Betriebszustand führen, keine Erhöhung des Primärstromes, um einen üblichen Ausschalter oder eine Schmelzsicherung auf Seiten der Spannungsquelle auszulösen. Ein Fehler in den sekundärseitigen Stromkreisen tührt jedoch zu einer Erhöhung des Stromes in diesem Schaltungsteil. Gerade dieser Stromanstieg ;vird aber mittels eines Fühlers ausgewertet, der in Reihe in dem die Sekundärwicklung enthaltenden Stromkreis gelegen ist und den thermisch betätigten Ausschalter 24 beaufschlagt, welcher in dem Primär-Stromkreis gelegen ist

Das in den F i g. 2 und 3 gezeigte, mit 52 bezeichnete Ausführungsbeispiel enthält einen aus Draht gewickelten Heizwiderstand 54, der Anschlüsse 56 und 58 besitzt, die in Reihe in die der Sekundärwicklung zugeordnete Schaltung gelegt sind. Ein Anstieg des Sekundärstromes bewirkt eine Erhöhung der am Heizwiderstand 54 freiwerdenden Verlustleistung entsprechend dem Quadrat des Stromes. Auf diese Weise ist eine Wärmequelle geschaffen, die dazu verwendet wird, den thermischen Ausschalter 24 zu betätigen. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hat der aus Draht gewickelte Heizwiderstand 54 einen Wert von 4 Ohm und eine Verlustleistung von 5 Watt. Der den Widerstand enthaltende Stromkreis führt normalerweise einen Strom von 1 A und liegt auf einer Spannung von etwa 8000V.

Ein Beispiel eines thermischen Ausschalters 62 ist zu einer Einheit mit dem Widerstandselement zusammengefügt und mittels eines Isolierbandes oder Isolierrohres 60 gegenüber diesem isoliert Der Ausschalter 62 ist so ausgelegt, daß er bei einem Temperaturanstieg von etwa 200⁰C anspricht Ein thermischer Begrenzer enthält beispielsweise nichtleitenden Werkstoff, welcher bei einer vorbestimmten Temperatur rasch von dem festen in den flüssigen Zustand übergeht und einen federbelasteten Kontakt betätigt, wodurch ein zugehöriger elektrischer Stromkreis geöffnet wird. Das Isolierband 60 ist um den thermischen Ausschalter 62 gelegt, um diesen gegenüber dem Sekundärwicklungsstromkreis zu isolieren. Leitungen 64 und 66 stellen zusammen mit Isolationshülsen 68 und 70 die Verbindungsanschlüsse des thermischen Ausschalters 52 zur Verbindung mit der primärseitigen Schaltung mit den Leitungen 14 und 16 dar. Der auf der Seite der Primärwicklung befindliche Stromkreis, der an den thermischen Ausschalter 62 angeschlossen ist, führt normalerweise bei Nennbetrieb einen Strom von etwa 20A.

In den F i g. 4 und 5 ist der thermische Ausschalter 62 genauer dargestellt Thermische Ausschalter dieser Art sind zu einem im Handel allgemein erhältlichen Bauteil entwickelt worden und können so weit miniaturisiert werden, daß bei einem praktischen Ausführungsbeispiel zum Schutz der Schaltung eines Mikrowellenofens ein Bauelement eingesetzt werden kann, das eine Länge von 35 mm aufweist, wobei ein aus Draht gewickelter Widerstand 54 mit einem Innendurchmesser von etwa 4,8 mm zur Anwendung kommt. In der Darstellung nach F i g. 4 ist der thermische Ausschalter in der Schließstellung wiedergegeben. Der drahtförmige Leiter 64 ist von einer Abdeckkappe 72 umgeben, welche an einem Ende eines Gehäuses 74 befestigt ist, während der drahtförmige Leiter 66 an dem gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 74 angreift und leitend mit dem Gehäuse verbunden ist. Eine Schmelzpatrone 78 aus einem nichtleitenden, bei bestimmter Temperatur rasch vom festen in den flüssigen Aggregatzustand übergehenden Werkstoff liegt an einer Scheibe 76 an und drängt eine Feder 82 gegen ein scheibenförmiges Bauteil 80. An dem scheibenförmigen Bauteil 80 wiederum liegt ein metallisches Stern-Kontaktstück 84 an, welches außerdem die Innenwände des elektrisch leitenden Gehäuses 74 und das nach innen weisende Ende des Leiters 64 berührt. Eine Feder 86 drückt das Kontaktstück 84 in die entgegengesetzte Richtung und wird in dieser Lage durch eine keramische Durchführung 88 gehalten, durch welche der Leiter 64 hindurchreicht Im Normalbetrieb führt der thermische Ausschalter 62 den normalen, durch die Primärwicklung des Transformators fließenden Strom, wobei der Stromweg vom Leiter 64 über das Stern-Kontaktstück 84 und die Innenwände 74a des

der Schmelzpatrone 78 und gegenüberstehenden Leiter 66

Gehäuses 74 nahe
schließlich über den
führt.

In Fig.5 ist der thermische Ausschalter 62 in Öffnungsstellung gezeigt, in welcher der der Primärwicklung zugeordnete Stromkreis ausgeschaltet ist, nachdem vermittels des Widerstandes 54 ein Fehler in dem Sekundär-Stromkreis festgestellt wurde. Sobald eine Schwellenwerttemperatur von beispielsweise 180° C erreicht ist, zersetzt sich die Schmelzpatrone 78. Der Stromkreis wird unterbrochen, wenn der Leiter 64 nicht mehr in Berührung mit dem Stern-Kontaktstück 84 steht, so daß die Schutzeinrichtung wirksam wird. Die Abschaltung der gesamten elektrischen Stromkreise des Mikrowellenofens verhindert ernstliche Beschädigungen an den Einrichtungsteilen sowie gefährliche Betriebszustände. Man erkennt, daß sich die Feder 32 in dem in Fig.5 gezeigten Betriebszustand entspannt hat und daß die Scheibe 76 an dem nach einwärts weisenden Ende des Leiters 66 anliegt.

Auf diese Weise ist eine zuverlässig arbeitende Schutzeinrichtung für elektrische Schaltungen geschaffen, welche Fehler in den Bauteilen festzustellen vermag, welche in einem Stromkreis liegen, der die

Sekundärwicklung eines Hochspannungstransformators mit sättigbarem Kern enthält. Ein Temperaturanstieg aufgrund eines Anstieges des Stromes im Sekundär-Stromkreis bewirkt eine Abschaltung des Stromkreises auf Seiten der Primärwicklung. Im Betrieb muß der

ίο thermische Ausschalter nicht die hohen sekundärseitigen Spannungen aufnehmen, welche im Falle der Anwendung auf Mikrowellen-Erhitzungsgeräte mehrere tausend Volt betragen. Für die Schaltung ist charakteristisch, daß bei einem Fehler in der Einrichtung eine vollständige Abtrennung der Hochspannungs-Speisestromkreise von dem Speisenetz erfolgt Eine Wiederinbetriebnahme des Ofens oder Gerätes kann nur erfolgen, nachdem qualifiziertes Wartungspersonal das fehlerhafte Bauteil ausgetauscht und eine neue Schutzeinrichtung eingesetzt hat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Überstrom-Schutzeinrichtung für elektrische Schaltungen, in denen ein Hochspannungstransformator mit galvanisch getrennten Wicklungen enthalten ist, von welchen die Primärwicklung mittels eines sie mit der speisenden Niederspannungsquelle verbindenden Schaltgliedes abschaltbar ist, das durch ein stromempfindliches Element im Hochspannung führenden Sekundärkreis betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß für Magnetron-Speisestromkreise von Mikrowellenöfen oder Radargeräten das stromempfindliche Element ein den Sekundärstrom führender Heizwiderstand (54) ist und daß das Schaltglied eine durch die Wärmeabgabe des Heizwiderstandes (54) bei einem Schwellwert die öffnungsschaltbewegung des Schaltgliedes (84) freigebende Schmelzpatrone (78) enthält, die von dem Heizwiderstand (54) elektrisch isoliert, jedoch mit ihm gut wärmeleitend verbunden ist

2. Überstrom-Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (54) die Schmelzpatrone (78) muffenartig umgibt.

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