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Verfahren zum Oeffnen eines Ueberstromschalters sowie
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Ueberstromschalter zur Ausführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Oeffnen eines Ueberstromschalters mit relativ zueinander
bewegten Kontaktstücken, welche einen Strompfad für den zu überwachenden Strom öffnen
resp. schliessen sowie Ueberstromschalter zur Ausführung des Verfahrens.
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Es sind derartige Ueberstromschalter bekannt, bei welchen die elektro-dynamische
Oeffnungskraft bei antiparallel fliessenden Strömen im Kontaktbereich ausgenützt
wird. Die Schliesskraft wird dabei durch Federmittel sichergestellt. Diese Ueberstromschalter
weisen den wesentlichen Nachteil auf, dass bei auftretendem Ansprechstrom die elektro-dynamische
Oeffnungskraft vorerst Arbeit gegen die durch die Federmittel bewirkte Schliesskraft
leisten muss, welche zudem innerhalb eines ersten Oeffnungsbereichs mit dem Kontaktabstand
ansteigt.
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Damit wird die für das Oeffnen des Ueberstromschalters vorgesehene
Energie des überwachten Stromes vorerst dazu verwendet, gegen die Schliesskraft
Arbeit zu leisten und kann nicht unvermindert in kinetische Energie zur Trennung
der Kontaktstücke verwendet werden. Die Arbeitsleistung gegen die Schliesskraft
im ersten Oeffnungsbereich entspricht einer Erhöhung der potentiellen Energie des
Systems und geht damit der Bewegungsenergie verloren. Dies manifestiert sich in
einer im Verhältnis zur bereitgestellten Oeffnungsenergie langsamen Trennung der
Kontaktstücke.
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Es sind im weiteren Ueberstromschalter bekannt, welche zum Oeffnen
die potentielle Energie des Magnetfeldes des überwachten Stromes in jedem Zeitpunkt
in Bewegungsenergie eines Schlagbolzens wandeln. Als wesentlicher Nachteil dieser
Ueberstromschalter ist der Sachverhalt anzusehen, dass der Schlagbolzen zum Schwingen
neigt, da er, wie erwähnt, vom überwachten Strom, auch wenn dieser kleiner ist als
ein festgelegter Ansprechwert, für den Schalter bewegt wird. Damit ist die vom Bolzen
abgebbare Oeffnungsenergie auch von der Vorgeschichte des überwachten Stromes abhängig,
was sich nachteilig auf die erwirkte Oeffnungszeit der Kontaktstücke auswirkt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird generell darin gesehen,
die Ansprechzeiten bestehender Ueberstromschalter zu verkürzen.
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Dies wird bei einem Verfahren eingangs genannter Art dadurch erreicht,
dass man eine vorgegebene Energie zum Trennen der Kontaktstücke unvermindert, unter
Vernachlässigung von Reibungsverlusten, in kinetische Energie der Kontaktstücke
umsetzt und/oder, dass man Energie als potentielle Oeffnungsenergie zum Trennen
der Kontaktstücke speichert.
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Durch beide Massnahmen sowie insbesondere durch ihre Kombination wird
die Reaktionszeit eines Ueberstromschalters verkürzt.
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Ein Ueberstromschalter zur Ausführung des Verfahrens zeichnet sich
dadurch aus, dass Krafterzeugungsmittel für eine mit zunehmendem Kontaktabstand
höchstens gleichbleibende Schliesskraft vorgesehen sind.
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Ein weiterer Ueberstromschalter zur Ausführung des Verfahrens mit
Oeffnungsorgan für die Kontaktstücke zeichnet sich dadurch aus, dass ein durch den
zu überwachenden Strom erregter magnetischer Kreis mit einem Anker vorgesehen ist,
welcher auf ein am Oeffnungsorgan angeordnetes Federorgan wirkt.
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Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren
erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 den qualitativen Verlauf der Schliesskraft in Funktion
des Kontaktabstandes herkömmlicher Ueberstromschalter mit Federorganen zur Erzeugung
dieser Kraft, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ueberstromschalters mit
Schliesskraftreduktion vor der Kontakttrennung, Fig. 3 eine schematische Darstellung
eines Ueberstromschalters mit Wandlung der potentiellen magnetischen Energie des
überwachten Stromes in potentielle mechanische Energie und dann in kinetische Energie
der Kontaktteile, Fig. 4 eine Kombination der Anordnungen gemäss Fig. 2 und 3 zu
einem weiteren Ueberstromschalter.
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In Fig. 1 ist der qualitative Verlauf der Kontaktschliesskraft Fa
in Funktion des Kontaktabstandes a an herkömmlichen Ueberstromschaltern dargestellt.
Bei a = 0, also geschlossenen Kontakten, wirkt eine Schliesskraft Fao, welche üblicherweise
durch Federmittel er-
zeugt wird. Dabei ist ein Umschlagpunkt P
festgelegt, bis zu welchem eine minimale Kontaktöffnung Aa durchlaufen werden muss,
wobei dann die vorgesehenen Federmittel ihr bezüglich eines der Kontaktstücke hervorgerufenes
Moment vorzeichenmässig ändern, was in Fig. 1 durch Vorzeichen-Umkehr der Kraft
dargestellt ist.
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Wird nun mit irgendwelchen Mitteln Energie für das Trennen der Kontaktstücke
bereitgestellt und auf letztere übertragen, so ergibt sich im interessierenden Oeffnungsbereich
aus
mit E als die bereitgestellte Oeffnungsenergie, oe EKi als der kinetischen Energie
der Kontaktstücke, dass die bereitgestellte Oeffnungsenergie vorerst nicht vollständig
in kinetische Energie der Kontaktstücke gewandelt werden kann, da gegen die Schliesskraft
F (a) Arbeit geleistet werden muss. Damit wird a die zur Verfügung stehende Energie
in der entscheidenden Oeffnungsphase der Kontaktstücke nicht vollständig ausgenützt.
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Wenn nun die Schliesskraft F bei geschlossenen Kontaka ten, vor deren
Oeffnen erst zu Null kompensiert wird, verschwindet das obige Integral auch erst
oder wird gar negativ, wenn sie mit zunehmendem Kontaktabstand erfindungsgemäss
höchstens gleich bleibt. Die erste Bedingung ist somit, dass die Schliesskraft mit
zunehmendem Kontaktabstand höchstens gleich bleibt. Bereits diese Massnahme ist
nicht ohne weiteres realisierbar. Die zusätzliche Bedingung ist, dass im Oeffnungsmoment
die Schliesskraft wenigstens nahezu zu Null kompensiert wird.
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Es wird dann gegen die Schliesskraft für das Oeffnen keine Arbeit
geleistet, die bereitgestellte Oeffnungsenergie kann, unter Vernachlässigung von
Reibungsverlusten, unvermindert in kinetische Energie der Kontaktstücke umgesetzt
werden.
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Grundsätzlich wird die zweite Bedingung mit Krafterzeugungsmitteln
erreicht, die in Abhängigkeit des überwachten Stromes eine Oeffnungskraft erzeugen,
die mit zunehmendem überwachtem Strom stärker zunimmt als die Schliesskraft.
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Als Krafterzeugungsmittel für die Schliesskraft, die mit zunehmendem
Kontaktabstand nicht zunehmen darf, wird vorzugsweise die Kraft eines Elektro- oder
Permanentmagneten ausgenützt. Als Krafterzeugungsmittel für die Kompensation dieser
Schliesskraft werden vorzugsweise die Kontaktstücke im Kontaktbereich für antiparallele
Stromführung ausgelegt und die elektrodynamische Abstossung ausgenützt. Es muss
betont werden, dass ein derart ausgebildeter Ueberstromschalter sowohl für Wechsel-
wie auch für Gleichstrom geeignet ist.
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Eine prinzipielle Anordnung eines Ueberstromschalters, bei welchem
die Schliesskraft im geschlossenen Schalterzustand bei Ansprechstrom erst wenigstens
nahezu auf Null oder zu einer Oeffnungskraft kompensiert wird und dann, bei noch
geschlossenen Kontaktstücken, die Oeffnungsenergie lediglich als kinetische Energie
auf eines der Kontaktstücke aufgebracht wird, ohne dass von letzteren eine Potentialschwelle
zu überwinden wäre, ist in Fiq. 2 dargestellt. Diese Anordnung umfasst ein erstes
Kontaktstück 1, welches um eine Achse 3 schwenkbar, an einem Magnetkern 5, gelagert
ist. Das am Kern 5 gelagerte Ende la des Kontaktstückes 1 ist aus ferro-magnetj
schem
Material gefertigt und wirkt als beweglicher Anker an der Magnetanordnung aus Kern
5 und einer Erregerwicklung 7 (geschnitten dargestellt). Letztere ist mit ihrem
einen Anschluss 7a an einem zweiten, stationären Kontaktstück 9 angeschlossen. Der
zu überwachende Strom I fliesst über eine Leitung 11, das Ende lb des Kontaktstückes
1 mit Kontaktpille 13 auf die Kontaktpille 15 des stationären Kontaktstückes 9 und
von da über die Erregerwicklung 7 auf eine Leitung 17. Bei Strömen I unterhalb des
vorgegebenen Ansprechstromes zieht die Magnetanordnung aus Wicklung 7 und Kern 5
den Ankerteil la, vom stromführenden Teil lb des Kontaktstückes 1 durch eine Zwischenisolation
19 isoliert, an.
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Grundsätzlich darf die Schliesskraft F mit zunehmendem a überwachtem
Strom I nur um weniger zunehmen, als die Oeffnungskraft Foe , damit eine Kompensation
der oe Schliesskraft F möglich ist. Bei Verwendung eines a Permanent-Magneten zur
Erzeugung der Schliesskraft F a anstelle des in Fig. 2 dargestellten Elektromagneten
5, 7, ist dies ohne weiteres sichergestellt, ebenso wie bei der Verwendung eines
Elektromagneten, der fremdgespiesen, nicht durch den zu überwachenden Strom I erregt
wird. Wird aber der Ueberstromschalter, wie in der bevorzugten Ausführungsform gemäss
Fig. 2 zur Erzeugung der Schliesskraft F mit einem Elektromagneten a 5, 7 durch
den zu überwachenden Strom selbst erregt, so steigt ohne weitere Vorkehrungen die
Schliesskraft F ebenso quadratisch mit dem überwachten Strom I, a wie die Oeffnungskraft
Foe. Dadurch, dass die Permeabilität des Magnetkerns 5, FFE(I) mit ihrer Magnetfeldabhängigkeit,
vom überwachten Strom I abhängig ist, ergibt sich dafür eine eindeutige Bedingung,
damit die Schliesskraft F bei vorgegebenem Ansprechstrom a zu Null kompensiert ist,
die von der Dimensionierung
der Schalteranordnung sowie von der
Windungszahl der Wicklung 7, der Magnetkerndimension und der Länge der Hebelarme
für die auf das Kontaktstück 1 wirkende Oeffnungs- resp. Schliesskraft abhängt.
Daraus ist ersichtlich, dass die Magnetanordnung 5, 7, vorzugsweise schon bei Nennströmen
im Bereich der Sättigung erregt wird, woraus sich eine dem Permanent-Magneten angenäherte
Strom/Kraft-Charakteristik ergibt. Ist die Schliesskraft F höchstens auf wenigstens
nahezu Null a kompensiert, so wird eine Trenneinheit 20, z.B. über einen schematisch
dargestellten Steuereingang S, ausgelöst. Sie wirkt ausgangsseitig schlagartig mit
der Kraft F auf das sich jetzt wenigstens nahezu im Gleichgewicht befindende oder
allenfalls in Oeffnungsrichtung bereits angetriebene Kontaktstück 1 und trennt die
Stücke 1, 9 mit grosser Anfangsbeschleunigung. Die an der Einheit 20 bereitgestellte
Oeffnungsenergie E oe wird unvermindert in kinetische Energie des Kontaktstükkes
1 umgesetzt, wodurch ein äusserst rasches Oeffnen des Schalters bei der vorgegebenen
Oeffnungsenergie E oe sichergestellt ist.
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In Fig. 3 ist die grundsätzliche Anordnung eines Ueberstromschalters
dargestellt, bei welchem potentielle Oeffnungsenergie, erst bei Erreichen eines
Schwellwertes einer Auslösegrpsse in kinetische Energie für die Kontaktstücke gewandelt
wird. In Analogie zu Fig. 2 fliesst der zu überwachende Strom I über Leitung 11
und Kontaktstück 1 zu Kontaktstück 9, von da über eine Erregerwicklung 27 (geschnitten
dargestellt) zur Leitung 17. Die Wicklung 27 ist auf einem Magnetkern 25 angeordnet,
an welchem mittels einer Achse 23 ein Anker 21 schwenkbar gelagert ist. Mit einer
Achse 29 ist am Anker 21 eine Uebertragungsstange 31 schwenkbar befestigt, welche
in Führungen 33 läuft. Die maximale
Oeffnungsposition des Ankers
21 ist durch einen Anschlag 35 festgelegt.
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Die Uebertragungsstange 31 wirkt auf eine geschnitten dargestellte
Feder 37, welche ihrerseits auf einem Schlagbolzen 39 aufliegt. Der Schlagbolzen
39 ist in Führungen 41 axial verschieblich gelagert. Er ist mit einer Kerbe 43 versehen,
in welche ein Arretierhebel 45 einragt, der ihn so gegen den Druck der Feder 37
sichert, wobei der Hebel 45 seinerseits durch eine Feder 47 in eingerasteter Position
gehalten wird. Eine Steuerstange 49 bewegt sich mit dem Anker 21 und ist beispielsweise
direkt mit der Uebertragungsstange 31 verbunden. Eine in diesem Zusammenhang nicht
interessierende Krafterzeugungsvorrichtung 51 sorgt für die Schliesskraft Fa, welche,
wie schematisch dargestellt, beispielsweise bei Durchlaufen eines vorgegebenen Kontaktabstandes
zu Null wird.
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Die potentielle magnetische Energie des überwachten Stromes I wird
über Magnetanordnung 25, 27 in mechanische potentielle Energie an der Feder 37 gewandelt,
wobei nach Vorgabe ihrer Federkonstanten der Anker 21 und damit die Uebertragungsstange
31 einen praktisch vernachlässigbaren Weg durchlaufen. Die in der Feder 37 gespeicherte
potentielle Energie ist somit durch die freie Wählbarkeit der Federkonstanten praktisch
nicht abhängig vom durch den Anker 21 durchlaufenen Weg, womit sich eine praktisch
zeitverzugslose Uebertragung der magnetischen, in eine potentielle mechanische Energie
ergibt. Da der Komprimierungsweg der Feder 37 ein Mass für die darin gespeicherte
potentielle Energie ist, wird die Bewegung der Uebertragungsstange 31 zur Freigabe
des Bolzens 39 verwendet, indem sie, über die Steuerstange 49, bei Ansprechstrom,
den Arretierhebel
45 aus der Kerbe 43 schwenkt. Somit wirkt der
zu überwachende Strom I hier als Auslösegrösse, wobei selbstverständlich auch andere
Grössen,wie z.B. seine zeitliche Aenderungsrate, dazu verwendet werden können.
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Die Feder 37 entspannt sich bei Erreichen eines Schwellwertes durch
die Auslösegrösse schlagartig und überträgt ihre gesamte, gespeicherte potentielle
Energie, entweder erst auf den Bolzen oder direkt auf das Kontaktstück 1 als kinetische
Energie. Wie auch gestrichelt dargestellt, kann der Bolzen 39 entweder bei geschlossenen
Kontaktstücken am Kontaktstück 1 anliegen oder nicht.
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Im ersten Fall wird die potentielle mechanische Energie der Feder
37, sobald sie resp. der Strom I den Schwellwert, festgelegt durch Arretierhebel/Steuerstangen-Anordnung
45, 49, erreicht hat, direkt in kinetische Energie des Kontaktstückes 1 gewandelt,
bei vernachlässigbarer Masse des Bolzens 39, im zweiten Fall erst in kinetische
Energie des Bolzens 39, der seinen Impuls dann an das Kontaktstück 1 weitergibt.
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Durch diese Anordnung wird Energie als potentielle Energie zum Trennen
der Kontaktstücke gespeichert und bei Erreichen eines Schwellwertes einer Auslösegrösse
freigegeben.
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In Fig. 4 ist ein Ueberstromschalter schematisch dargestellt, welcher
die anhand von Fig. 2 und 3 erläuterten Techniken kombiniert. Die den Anordnungen
gemäss diesen Fig. entsprechenden Teile sind mit gleichen Positionsnummern versehen.
Bei dieser Kombination ergibt sich dahingehend eine Vereinfachung, dass als Erregerwicklung
7 gemäss Fig. 2 und Erregerwicklung 27 gemäss Fig. 3 eine und dieselbe Wicklung,
in Fig. 4 mit 7/27 bezeichnet, verwendet werden kann. Im Unterschied zur Darstellung
von Fig. 3 ist die Steuer-
stange 49 gelenkig mit dem Anker 21
verbunden und ebenfalls in Führungen 33 geführt, was jedoch bezüglich der Funktionsweise
gleichbedeutend ist.
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Die Funktionsweise dieser Anordnung ergibt sich aus den Erläuterungen
von Fig. 2 und 3: Der Magnetkreis mit Erregerwicklung 7/27, Kern 5, Anker la wird
wenigstens nahezu in Sättigung betrieben. Erreicht der überwachte Strom I den Ansprechwert,
so erfahren die antiparallelstromdurchflossenen Kontaktstücke 1 und 9 eine elektrodynamische
Oeffnungskraft, welche dann die sich mit dem überwachten Strom I weniger stark verändernde
Schliesskraft zwischen Kern 5 und Ankerteil la kompensiert. Gleichzeitig wird der
Anker 21 am nicht gesättigt betriebenen Magnetkreis aus Erregerwicklung 7/27, Kern
25 angezogen und lädt entsprechend der magnetischen Energie des überwachten Stromes
I in der Feder 37 potentielle Energie. Hat eine Auslösegrösse, hier der überwachte
Strom, den vorgegebenen Schwellwert erreicht, was durch eine vorgegebene Verschiebung
der Uebertragungsstange 31 angezeigt wird, so schwenkt der Arretierhebel 45 in eingezeichneter
Richtung und die Feder 37 treibt den Schlagbolzen 39 mit dem Kontaktstück 1 aus
der geschlossen Position heraus.
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Werden schon die Oeffnungszeiten von Ueberstromschaltern mit den anhand
von Fig. 2 und 3 einzeln erläuterten Massnahmen reduziert, so ergibt sich mit der
Kombination gemäss Fig. 4 ein diesbezüglich weiter verbesserter Ueberstromschalter.